区域水资源预警方法研究及其应用----以济南市为例

李福臻，曹升乐，刘 阳，陈 一

(山东大学土建与水利学院，济南 250061)

21世纪，城市作为人口和经济的中心，在社会经济生活中的作用日趋重要。随着城市人口的持续增长和经济的飞速发展，城市水资源需求量越来越大，城市缺水问题也日益严重。科学而合理的水资源预警机制能够更加合理地调配城市水资源，有计划地指导水资源的开发与利用是解决城市水资源供需矛盾，实现水资源长期稳定供给和高效利用的有效手段。

近年来，国内外学者对于水资源预警模式进行了广泛的研究，水质预警采用的理论模型主要包括灰色理论模型、模糊理论模型、时间序列法、回归模型等。在预警的实际应用中，邓绍云设计了目标层、准则层和指标层3个层次的区域水资源可持续利用预警指标体系[1]；徐绪堪利用云模型理论构建了水资源可持续利用预警分级指标体系[2]；史毅超可变模糊模型和灰色GM(1,1)建立了区域水资源承载力预警体系[3]；钟平安利用灰色理论中灾变预测的原理，建立了水资源丰枯定性预警[4]；柴福鑫在城市水质、水量模拟模型的基础上,构建了城市水资源实时调度与管理整体模型,给出了水资源实时预警(报警)指标,为城市水资源科学管理和优化调度提供了重要依据[5]；贾仁甫将水资源预警内容分为水量变化、水质变化、经济因素变化对水资源的影响、社会因素变化对水资源的影响4个方面，提出了水资源预警管理的基本框架[6]；郭安军将水资源概念分为水质的安全、基于水供给和水需求基础之上的水量安全、基于可持续利用基础之上的水量安全3个层次，提出了水资源安全预警机制原理的架构[7]；郭晓娜利用模糊评价模型建立了区域大型水库预警模型[8];王俊利用地下水变幅预测模型建立了滨海地区地下水的预警理论[9]。这些研究为水量与水质预警理论的建立提供了宝贵的经验。

我国北方地区缺水严重，水资源在时间上分布不均，整体表现汛期水多，非汛期水少，因此建立区域水资源预警机制对北方地区非汛期的水资源分配与管理具有重要意义。该区域预警方法统筹考虑了水质与水量的影响，使预警级别的确定更加严格，同时也更符合供水的水质要求，进一步完善了水资源预警体系。

1 预警理论体系

非汛期区域水资源预警是指：在对非汛期内可供水量与需水量预测的基础上，进行供需平衡分析，根据供需平衡的结果，确定预警期内的供水方案，并根据缺水程度确定预警级别，进而发布预警。

1.1 警戒线及预警区的确定

预警中，警戒线与预警区的划定方法分为基于水量的划定法和基于水质水量耦合的划定法。

1.1.1 基于水量的警戒线及预警区的确定

在基于水量的城区(不包含农业用水，以下同)非汛期预警中，根据供需水量的关系划分为蓝色、黄色、橙色、红色4条警戒线，以警戒线为依据划分为5个预警区。警戒线与预警期的划定见表1。

表1 基于水量的警戒线与预警区Tab.1 Warning line and warning zone based on water quantity

注：W供为可供水量，万m3；W需为需水量，万m3；VB、VY、VO、VR分别对应蓝色、黄色、橙色和红色警戒线对应水量，万m3。

1.1.2 基于水质水量耦合的警戒线及预警区的确定

在基于水质水量耦合的城区非汛期预警中，警戒线与预警期的划分方式与1.1.1相同，但划分依据不同。具体划分结果见表2。

1.2 区域水资源预警方法

区域预警方法根据是否需要定期发布预警分为点预警和过程预警；根据是否考虑预警期内降水对地表水可供水量及地下水可开采量补给的影响将预警分为动态预警和静态预警。考虑到本次研究中预警期选择为非汛期，由于预警周期较长，且北方地区水资源较匮乏，非汛期的降水对预警级别的影响较为显著，因此本文选择动态的过程预警作为主要的研究手段。

传统的水资源预警中，仅考虑了在某单一水库或某单一地下水源地供水情况下进行的供需水量的预警，而本文给出了区域内同时包含水库(群)、多地下水源地、多客水水源和多再生水水源情况下的水资源预警方法。与此同时，传统的预警方法仅在二维范畴内，即根据供水与需水的平衡关系确定预警级别，没有考虑到水质在预警中的影响。本文在“量”的基础上引入了“质”的概念，将二维的预警结构提高到三维，二维预警结构(水量预警)与三维预警结构(质、量耦合预警)如图1和图2所示。由图1和图2可看出，二维预警结构为三维预警结构的警度“上限”，即在考虑了更严格的水质约束后，基于水质水量耦合的三维预警级别均高于(或等于)二维预警级别，预警的发布更加合理严谨。

表2 基于水质水量耦合的警戒线与预警区Tab.2 Warning line and warning zone based on water quality and quantity coupling

注：WⅠ～Ⅲ为Ⅰ～Ⅲ类水可供水量，万m3；WⅠ～Ⅲ余为Ⅰ～Ⅲ类水余水可供水量，万m3；VS、VG、VT分别对应生活、工业和生态需水量，万m3。

图1 二维预警结构示意图Fig.1 Two-dimensional early warning structure

图2 三维预警结构示意图Fig.2 Three-dimensional early warning structure

在考虑了水质的影响后，随着水质逐渐变差，对于某些水质要求较高的用水部门，实际可用水量逐渐变少，因此预警级别也相应升高，当水质很差时，即使“量”满足需求，“质”也不能满足用水部门的要求。若供水水源的水质均优于(等于)Ⅲ类水时，可满足所有用水部门的水质要求，水质不再成为预警的约束条件，此时三维预警结构与二维预警结构相同。基于上述观点，建立三维的预警结构体系是十分必要的。

1.2.1 基于水量的区域预警方法

(1)确定预警期。预警期是指发布预警的预见期。本文中选择预警期为非汛期(当年10月1日至翌年5月31日)。

(2)计算预警期需水量。区域预警中需水量包括生活需水量、工业需水量和生态需水量，三者之和即为需水总量。

(3)计算预警期可供水量。对于城区而言，预警期可供水量一般包括地表水可供水量、地下水可供水量、客水可供水量和再生水可供水量。在地表水可供水量的计算中，应考虑到预警期内的补给量与损失量；在地下水可供水量的计算中，应考虑到预警期内的补给量。四者之和即为预警期内的可供水总量。

(4)确定预警级别。预警中根据地表水、地下水的可供水量和用户需水量的变化根据供需平衡结果确定预警级别并定期调整，根据不断调整的预警级别，对预警期后期的供、需水策略进行实时修正。

1.2.2 基于水质水量耦合的区域预警方法

(1)确定预警期。在基于水质水量耦合的预警方法中，预警期的确定与1.2.1节相同。

(2)计算预警期供需水量。在供需水量的计算中，应以水质作为分类进行水量统计，即分别计算可供水量中Ⅰ～Ⅴ类水水量及需水量中Ⅰ～Ⅴ类水水量。

(3)确定预警级别。在确定了基于水量的预警级别后，需进一步确定在水质约束条件下的预警级别。即根据不同水质可供水量与不同用水部门需水量的供需关系，由用水部门的需水优先级逐级确定预警级别。首先根据生活需水的供需平衡结果确定预警级别(是否发布红色预警)；若不需发布红色预警，则继续由工业需水的供需平衡结果进一步确定预警级别(是否发布橙色预警)；若不需发布橙色预警，则继续由生态需水的供需平衡结果继续确定预警级别(是否发布黄色预警)；若不需发布黄色预警，则根据三类用水部门的供需平衡结果最终确定预警级别(蓝色预警或不预警)。

2 非汛期区域预警管理应用实例

本文选择济南市2015年非汛期作为预警基准年，进行济南市东城区水资源预警。在气候方面，济南市地处属于暖温带季风气候区，受大气环流和地理环境的影响，冬季干燥少雨，夏季炎热多雨，降水主要集中在汛期，非汛期降水量较小；在人口经济方面，济南市东城区人口约118 万人，至2020年规划人口175 万人，与此同时经济发展迅速，工业产值每年以超过200亿的速度增加，生活与工业需水量要求呈逐年上升的趋势。由于自然(气候、水资源量、水源水质)和人为(供水能力)因素的影响，供需矛盾日益突出，因此，建立非汛期的水资源预警机制就显得尤为重要。

2.1 基于水量的预警过程

济南市东城区地表水供水水源为锦绣川水库，该水库是本次研究区域的唯一地表水水源。锦绣川水库总库容约为4 100 万m3，兴利库容为3 590 万m3，死库容为108 万m3，流域面积166km2，计算选用基准年2015年10月1日水库蓄水量702 万m3，非汛期初地表水可供水量为594 万m3。

预警中，将在地下水开采过程中生态环境不遭受破坏的最大埋深定义为基准埋深。本文选择济南市多年地下水埋深监测数据中的最大埋深作为参考，定义该埋深值为基准埋深的90%。2015年10月1日地下水埋深为5.08m，考虑到地下水源地面积、给水度和开采系数的影响，10月1日地下水可供水量为4 458.95 万m3，供需水量见表3。

表3 非汛期初供需水总量Tab.3 Total supply and demand water at the beginning of non-flood period

2.1.1 静态过程预警

预警中，由于三类用水部门单位时间内用水量变幅较小，因此每月需水量与该月天数有关。若预警期间内的可供水量大于需水量，则实行按需供水，不需发布预警；若可供水量小于需水量，则根据供需比例进行供水，根据供需平衡关系确定预警级别并发布预警，静态预警过程见表4。

2.1.2 动态过程预警

(1)不同频率降水过程的计算。以济南市2000-2016年非汛期降水资料为依据，采用频率适线法确定降水频率曲线，计算得到不同频率下非汛期降水量见表5。

(2)补给量的计算。区域水资源补给量包括地表水补给量及地下水补给量。地表水补给量主要指水库的入库径流量。地表水的计算方法采用径流系数法，在考虑了无效降水对地表水补给的影响后，结果表明在无效降水为2 mm时采用乘幂函数模拟精度最高，降水量和径流深的回归方程为：

表4 非汛期静态过程预警结果Tab.4 Results of static process warning in non-flood period

表5 非汛期不同降水频率降水量Tab.5 Precipitation corresponding to different precipitation frequencies in non-flood period

y=149.64x0.310 3(R2=0.807 6)

(1)

式中：x为径流深，mm；y为有效降水,mm。

在地下水补给量的计算中，采用回归模型对地下水埋深进行预测。利用SPSS软件建立地下水埋深变幅拟合方程。该拟合方程考虑了上月降水、本月降水和本月取水对地下水埋深的影响，结果表明当无效降水为1 mm时模拟精度最高，此时地下水埋深变幅拟合方程为：

ΔH=-0.01P1+0.005P2+0.58WQ

(2)

式中：ΔH为埋深变化量，m；P1为本月降水，mm；P2为上月降水，mm；Wq为本月取水量，万m3。

不同降水频率下补给量见表6。

(3)损失量的计算。损失量包括水库蒸发损失量及水库渗漏损失量。济南市东城区地表水供水水库为锦绣川水库，本文中取水库月初与月末的平均蓄水量作为该月的计算蓄水量，根据锦绣川水库水量与水面面积的监测资料，建立水库蓄水量与水面面积关系曲线。由于该水库位于北凤和崮山两个蒸发站之间，水面蒸发器单位面积蒸发量取两个蒸发站的均值。由北方地区非汛期蒸发特性，需在计算中确定水面蒸发器的折算系数。不同降水频率下损失量见表7。

表6 非汛期不同降水频率补给量Tab.6 Replenishment corresponding to different precipitation frequencies in non-flood period

表7 非汛期不同降水频率损失量Tab.7 Water loss corresponding to different precipitation frequencies in non-flood period

在动态预警中，以平水年(50%降水频率)为例，预警过程见表8。

不同丰枯频率下基于水量的动态预警折线图见图3。

表8 基于水量的非汛期动态过程预警结果(50%降水频率)Tab.8 Results of dynamic process warning based on Water quantity in non-flood period (50% precipitation frequency)

图3 基于水量的动态过程预警Fig.3 Dynamic process warning based on water quantity

2.2 基于水质水量耦合的预警过程

在进行区域预警时，往往是地表水、地下水、客水和再生水作为可利用的水资源同时进行城市供水，但4种水的水质不同，作为供水来源的用途也不相同。在可供水量中，地表水(锦绣川水库)全部为Ⅱ类水；地下水主要为Ⅲ、Ⅳ类水；客水水质差别较大，同时涵盖Ⅱ～Ⅴ类水；再生水水质较差，主要为Ⅳ、Ⅴ类水。在需水量中，生活需水的水质要求应高于或等于Ⅲ类水；工业需水的水质要求应高于或等于Ⅳ类水；生态需水的水质要求应不低于Ⅴ类水。本节以平水年(50%降水频率)为例，在2.1节的基础上将水质与水量耦合，在供需水量平衡的基础上建立基于水质的动态过程预警管理方法，基于水质要求的供需水量见表9，不同频率下的动态过程预警结果见表10。

表9 基于水质水量耦合的供需水量Tab.9 Results of water supply and demand Based on water quality and quantity coupling

表10 基于水质水量耦合的非汛期动态过程预警结果(50%降水频率)Tab.10 Results of dynamic process warning based on water quality and quantity coupling in non-flood period(50% precipitation frequency)

不同丰枯频率下基于水质水量耦合的动态预警折线图见图4。

图4 基于水质水量耦合的动态过程预警Fig.4 Dynamic process warning based on Water quality and quantity coupling

3 结 语

(1)本文在应用水量进行供需分析的基础上，首次提出了基于水质水量耦合的警戒线与预警区的划定方法，并以济南市东城区为例给出了不同频率下的预警方案。考虑了水质对供需水量的约束条件后，预警级别的确定更严格，同时也更符合供水的水质要求，进一步完善了水资源预警体系，对推动预警在水资源管理中的应用、最严格的水资源管理的实施具有重要的理论意义和实际意义。

(2)预警结果表明，在水质约束下，不同频率下的预警级别均高于(或等于)仅考虑水量的预警方案。由图3和图4可看出：以50%降水频率下非汛期第3个月(当年12月)为例，在不考虑水质约束的条件下，根据供需平衡结果应发布蓝色预警，但若考虑水质对预警级别的影响，该月应发布橙色预警。当在二维范畴内确定了供需水总量的预警级别后，需进一步在水质的约束下确定基于水质的三维预警过程。即综合考虑不同供水水质与需水水质的关系，确定预警级别并发布预警。

(3)目前对区域水资源预警的研究多为定性分析，定量分析较少。本文运用多元线性回归分析的方法，对非汛期分别进行了静态及动态的预警研究。结果表明，在考虑了降水对地表水及地下水的补给作用后，不同频率下逐月的预警级别也会相应发生改变。由于非汛期降水量较少，与静态预警相比，预警级别一般不会出现跳跃式波动。

(4)与传统的预警方法相比，以水质作为约束条件的水资源预警中，需水水源的水质要求决定了供水端应当实行分质供水。对济南市东城区而言，目前还没有完全具备分质供水的工程条件，只能实现部分区域(工业集中区等)内分质供水。

(5)在可供水量的计算中，影响地表水、地下水补给量以及水库蒸发、渗漏损失的因素较多，目前这方面的研究成果不多。

本文仅选取了几个主要因素进行补给量和损失量的计算，下一步还需要对该方法进行深入研究。

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