基于SWAM模型的二元水循环与区域水资源配置匹配度研究

杨木易

摘要：为了实现水资源的高效利用和可持续发展，通过SWAM模型，获得合理准确的区域水资源配置和二元水循环分布二者匹配度综合评价结果。在此基础上，对松花江流域的水资源合理配置与水循环分布的合理性做出评判。运用SWAM模型完成研究区域的水循环模拟，并且在各类约束下选择最优的多目标平衡稳定的水资源配置。结果表明：使用区域二元水资源循环系统匹配度最大的区域水资源分配方法，在P=50%时，其所对应的天然流域水资源总需求量为145.5亿m3，总缺水量为3.9亿m3，总缺水率为2.3％；在P=90%时，其所对应的天然流域水资源总需求量为165.7亿m3，总缺水量为16.8亿m3，总缺水率为11.3％。SWAM模型所模拟的二元水循环与水资源配置方案的匹配度可以全方位揭示经济用水过程和天然水文循环过程间相互作用，在保证二元水循环系统正常运作的基础上，为区域水资源配置提供参考。

关键词：水资源配置； SWAM模型； 二元水循环； 松花江流域

中图法分类号：TV213.4

文献标志码：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2023.07.003

文章编号：1006-0081（2023）07-0021-06

0 引 言

流域水资源空间分配不均、水利基础设施不足、工程管护管理不当，以及随着社会经济高速发展而产生的需水量迅速增长等因素，导致全域及局部地区产生了严重缺水和水生态污染等各种水资源问题［1］。需运用相应的方法和策略，以保证人类未来经济生活的总需水量与水资源的供应在时间和空间上的分配平衡，改变生态环境以适应生产、生活、生态环境等3个领域的水资源需求，實现协调平衡的水资源配置。水资源配置是一个多目标、阶段区别明显、主体多样化的复杂问题。水资源配置体系包括自然水资源循环系统、经济发展、人口、产业结构和分布、生产形式、科学技术、自然资源状况等要素，是复杂的大体系，需要运用模型进行研究［2］。水资源配置建模通常可分成3种，分别是仿真模型、混合模型和优化模型［3］。仿真模型通常按照节点的来水、供应、调蓄、回归，按照由上行至下行的次序完成逐节点水平衡运算［4］。虽然此种仿真方法较为简单，但由于每次都只是仿真一种水资源配置方案，而同时模拟多个水资源配置方案时需要计算机进行相关操作，还需要耗费人力进行调整、对比和选择各方案，往往无法迅速得到最适宜的方案。混合模型以仿真模型的计算为前提，自动进行人工对比选择方案过程，不足之处是计算繁琐且工程量较大。而优化模型则按照所选择的对象数量，分成了单总体目标综合优化建模［5］和多目标综合优化建模［6］。两种设计模式都使用优化后的设计方法得到最优化配置方法，优点是能够自行得到优化方法，不足之处是运算周期很长，运算效率低，并且在解决某些效益问题时程序的计算复杂程度会大大提高，但由于现在计算机技术更新速度快，上述的缺点随着算法的优化能够得到大幅改善。

水循环是水资源产生和发展的前提，是水资源合理配置的基础。有研究者对基于水循环网络的水资源合理配置模式进行探索，如广义自然资源配置模式，包括水资源合理配置、水循环仿真和水资源环境模拟共3个模式，分布式水资源合理配置仿真DTVGM-WEAR［7］，概念性半分配式水资源整合仿真与调度模式WAS［8］；基于传统农业水文模式的灌溉水优化配置模式［9］；采用改进的SWAT模式，并嵌合传统水资源分配模型的分布式水资源调度模式。上述研究成果中主要使用单目标配置模型，仅少数研究成果中使用了多目标配置模型，但由于在多目标配置模型求解过程中常常采用人为的给定加权，将其结果转换为单目标方程来解决，其结果易受到主观影响而产生偏差［10］。同时如果仅采用一个指数对多目标模型实现单目标转换，既无法反映众多管理者的选择需求，也无法衡量选择方法对多种维度的综合影响。因此，有些研究者把各类优选方法都融入了多目标优选模式的计算中，如推出了一种通过目标排序计算适配点的多目标遗传算法，并经过多次迭代实现了水资源的多目标优选配置。本文通过SWAM模型，获得合理准确的区域水资源配置和二元水循环分布二者匹配度的综合评价结果，在此基础上对松花江流域的水资源合理配置与水循环分布二者的合理性做出评判，为当地水资源优化调度提供参考依据。

1 二元水循环与水资源配置联系

水资源配置和水循环相互依赖，水资源配置方案的制定要遵循水循环的原则。水的自然水文循环和社会循环共同构成了整个水循环系统。将水资源体系的所有子系统紧密结合在一起，二元社会自然水循环影响了所有子系统相互之间的关系。

自然水文循环是二元水循环的主体，在其中居于主导地位，它是指在太阳辐射和地球引力的作用下，地球上的水不断进行相态转化的循环过程。正因为自然水文循环的自发进行，使自然界中的总体水量保持相对平衡，再加上循环中各个环节的相互作用，使得水体不断的变化和流动，这为人类的生存和发展提供了最基本的物质来源。社会水文循环是指社会生活中人的衣食住行对水的需要，通过取、用、耗、排水等方式，在自然水文循环上叠加的过程。取水循环是指利用人工干预的方法把自然界水文循环系统中的水体带入社会水文循环系统的开端阶段，其目的就是让天然水体创造出经济价值。用水环节和耗水环节正是实现这种目的最有效途径，也是整个社会水文循环的核心。

“二元水循环”的“二元”代表水循环在自然、社会两个不同体系同时发生，随着社会发展，两者之间的联系愈发紧密，整个循环环环相扣。由于经济发展，人口增多等社会因素，农业、工业、日常用水等对水资源的需求不断提高，这意味着愈来愈多以“自然”为单一水循环系统的水资源过渡为社会和自然综合的水循环系统，而在短期内水资源的循环系统发生变化，随之而来的问题也愈发严重。由于水资源的过量开采、水资源分配不当等一系列因素导致自然环境破坏，地方缺水情况加重。因此，合理配置水资源，保证自然水资源循环所依附的生态环境不因水资源缺乏而被破坏，合理分配各用水单位的水资源供应量，保证社会经济能够正常发展，进而能够保证水资源在自然、社会双体系下正常稳定地循环。在社会水文循环中，农业生产和工业生产是最主要的需水对象，因此，清楚水资源循环和区域水资源配置之间的匹配度，在此基础上选择匹配度优先级最高的水资源配置方案，既能保证农业、工业生产正常用水，也能维持自然、社会水循环系统的稳定。

2 SWAM模型

水循环和水资源配置模型以二元水循环为基础，对水资源的配置进行多目标均衡最优化处理，在优化过程中考虑各类限制条件和系统规则，因此最终的水资源配置结果不仅能够最优化配置水资源，同时也能满足现实的客观实际需求。该模型由多个模型模块共同组成，其中有需水、多水源分质供水、水循环仿真、多目标分配等模型。水循环仿真模型能够计算出合理的水资源供应量，这是多水源分质供水模型所需要的重要参数。当多目标配置模型計算了水资源分配方法后，筛选出推荐方法，再展开水循环计算，直到结果合理。

2.1 水循环模块

自然水循环部分是以网格中新安江模型为底层原理加以改进。模型的蒸扩散采取三层蒸发模式，充分讨论了土质含水百分率沿垂直方向分布的特异性。产流部分的模拟计算以上述模型的蓄满产流为主要方法。对于汇流部分，流域单元研究区域的土壤水流量和地下水流量选取单位线法计算单元水资源出流量，依次计算各个研究单元的汇流顺序，分别堆叠，直到流域产出。

2.2 多水源分质供水模块

可供用水总量和各水源的取水控制总量的约束条件主要来自于流域的水资源管理用水的控制红线和水资源循环系统的有效控制。实际取水量主要取决于所计算单位的需水总量，以及饮用水来源（如河道、水库、地下含水层等）的可供给量。

地表水资源（含外调水）供应：地表水（含外调水）的可供应量取决于水资源的利用水量、取水工程建设（如引水渠道、给排水管线、机井等）的水资源供应效率和水源地（包含境内地表水与外调水）的饮用水管理红线等制约要求。

水库水资源供应：水库库容的计算根据上一时段末库容总量和本时期水库上游来水、库面蒸发、水库渗漏量和水库供水情况共同确定。

再生水资源供应：由于水资源匮乏情况日益突出，因此将非常规水资源引入供给系统十分必要。目前，中国对非常规水资源的使用尚处在探索时期，非常规水资源常用作供应给生态、农业、工业等，为实行水资源分质供应奠定了基础。

2.3 需水模块

2.3.1 社会经济发展数据

本模型还需提供现状年的社区数据和发展规划水平年增长资料。社区数据包含：常驻居民（乡村、城镇居民）、大家畜、小家畜，工业、建设、服务业生产总值、粮食作物（麦子、包谷、水稻、经济作物）栽培面积、设计灌溉面积、森林草地面积、畜牧业规模和增长率等。关于社区经济规模层次的发展资料包含：人均增长率、GDP增长速度、农业产业结构的变化量、粮食作物播种面积应变增长率等。

2.3.2 水资源需求量

水资源需求量计算包括畜牧、工业、服务业与建筑业、生活、农业种植业。农业的水资源需求量为林业、草业、渔业、灌溉水资源需求量的总和。

2.4 多目标配置模块

本模型共设定了3个主要目标：经济总体目标、社会总体目标与水量总体目标。经济总体目标以区域效益最高来表现，经济社会总体目标以因水资源不足而导致的粮食减产量最少来表现，水量总体目标以水资源缺乏量最少来表现。

2.5 信息聚合

信息聚合也可理解为数据整合，是指将水资源供应和用水单位的水资源消耗的数据连接运算。水源供水核算是水资源配置模型和水循环模块之间的关键阶段。对各个计算模块内的各种水资源进行统计，再同步对各个用水单位的水资源消耗量调整控制。将所有用水单位的水资源供应量求和，求和所得的水资源供应总量数值是水循环模型对水循环进行仿真的重要参数。

3 研究区概况

松花江流域（图1）地处中国大陆的东北区域，位于北纬41°39′～51°40′，东经119°49′～132°29′。松花江流域东北以小兴安岭山地为界，西达大兴安岭，东侧地区以完达山余脉、老爷岭、张大才岭、长白山等为界，西北部的山麓地区则为松花江与辽河2个主要流域面积的分水岭。

松花江是中国七大河流之一，总长1 931 km，东西横跨930 km，南北宽约1 080 km，横跨中国内蒙古、吉林省、黑龙江三省，面积约56.79万km2，占黑龙江省总面积（约185.5万km2）的30.61%，年均径流量773亿m3。

本次研究选取的城市分布在松花江流域干、支流水源区域，这些城市分别在人口、耕地面积、工业程度上具有典型代表性，如吉林市区、松原市区、扶余县、哈尔滨、佳木斯等地区，对上述地区进行供水预测能够在一定程度上体现松花江流域在规划水平年的供水情况。

3.1 水资源总量

1960～2021年松花江流域多年平均值水资源量为941.7亿m3，同时地表水资源量平均值为792.5亿m3，其他自然资源量为348.9亿m3，地下水资源和地表水资源的不重复总量均为169.3亿m3。

3.2 水资源可利用量

1960～2021年松花江流域水资源需求量为511.8亿m3，实际可利用率为55.3%；地表水的可开发利用总量为378.2亿m3，可开发利用度为48.1%；平原区浅层地下水可开采量181.0亿m3，占总补给量的80.9%。

4 供水预测

本文基础年份定为2021年，而规划年份则设定在2025年。考虑来水频率分别为P=50%，P=90%时的情况。

根据1960～2021年松花江流域60 a降水量排频结果，来水率为50%的对应的年份为2014年、来水率为90%的对应年份为2006年。将2014年和2006年的降水量数据导入模型，根据水循环模拟数据，依次计算该流域各个用水单位的可供水量，见表1。从表1中得出结果：当来水频率为50%时，总水资源可供应量为146.9亿m3，包括地表水资源总供应量95.0亿m3，地下水水资源总供应量51.4亿m3，其他水资源总供应量为0.5亿m3；当来水频率为90%时，总水资源可供应量为144.3亿m3，包括地表水资源总供应量90.7亿m3，地下水水资源总供应量53.3亿m3，其他水资源总供应量为0.3亿m3。

5 结果与讨论

5.1 水循环转化关系

对松花江流域的水循环系统进行仿真，得出在来水频率为50%时，全流域的总降雨量为1 436.0亿m3，其中山区降雨量为812.0亿m3，平原地带降雨量为535.0亿m3；全流域的总蒸散发总量为855.0亿m3，其中山区的总蒸发能力为544.0亿m3，平原地带的总蒸发能力为364.0亿m3；全流域的下渗总量为152.3亿m3，其中山区的总下渗量为54.9亿m3，平原地带的总下渗量为88.5亿m3；全流域面积年末总土地水蓄变量为2.4亿m3，进境供水为146.0亿m3，过境供水为318.0亿m3；全流域面积经济社会总体取水量为142.6亿m3，基本汇集于平原区，其中地表水取水量为89.1亿m3，浅层地下水总体取水量为43.6亿m3。在来水频率为90%时，全流域面积的总降雨量为1 092.0亿m3，其中山地降雨量为659.7亿m3，平原地带降雨量为443.5亿m3；全流域面积的总蒸散发量为954.5亿m3，其中山地的总蒸发能力为586.7亿m3，平原地带的总蒸发能力为388.8亿m3；山地的下渗量为16.3亿m3，平川区的下渗量为25.6亿m3。可见，松花江流域主要的水资源供给来源为自然大气降水和地表径流，地下水的水资源供应源则为自然雨水、河流湖库的渗入等；流域面积内最主要的水资源消耗项为蒸散发和经济取水，所占比依次为87.6%，14.6%。在旱灾时期，由于降水少，导致土地水蓄变量下降，流域径流量大幅下降。旱灾时期因社会取水增多，造成地下水开采量上升。

5.2 水资源配置结果

复杂水资源分配体系的影响因子很多，包括天然水循环（自然来水的随机性与不确定性）、社会经济文化因素、城市供水能力、低碳技术、城市化、生态环境因素等，而大量的半结构性、无结构性因素也要求水资源配置方案的决策者做出重新评估与选择，而决策者的偏好也将改变水资源配置体系。

本部分将介绍SWAM模型的应用结果，包括来水频率P为50%和90%时的水资源配置方案结果。在SWAM模型的基础上，本研究采用了需水量、供水量、缺水量和缺水率等指标，对水资源配置方案进行评价。需水量是指区域内各个用水部门的水需求量，供水量是指水资源供给的总量，缺水量则是指需水量与供水量之差，缺水率则是指缺水量与需水量的比值，具体数值见表2和表3。

规划水平年至2025年，松花江流域的水循环变化情况如下：当来水频率为50%时，该流域面积的自然环境降水补给量为1 436.0亿m3，蒸散发量为855.0亿m3，下渗水量为152.3亿m3，土壤蓄水能力变化为2.4亿m3，入境供水为146.0亿m3，出境供水为318.0亿m3；在冲积平原区，经济社会总取供水为142.0亿m3，同时，地面环境取供水为89.1亿m3，浅层地下水平均取供水为53.6亿m3。在来水频率为90%时，该流域面积的环境降水补给量为1 092.0亿m3，蒸散发量为954.5亿m3，流域年末土壤蓄水能力变化为-5.3亿m3；平原地区水资源总取用量为149.9亿m3，地下水取使用量为84.0亿m3，浅层地下水水资源总取用量为57.2亿m3。

由于水资源配置结果由多目标的结果共同体现，针对单一目标进行优化只能得出在该目标上的最佳配置方案，因此为了体现水资源配置方案的综合效益，对各现有方案进行多目标的配置决策评价，给每个水资源配置方案最终优化目标设定权重，而pareto解集计算所得最优解能够避免各个目标权重在设定时存在主观性，通过最终的多目标权重的博弈选择出更加适配地方特性的水资源配置方案［11-12］。通过在经济效益目标、社会目标、用水量目标之间的博弈，如表4所示，共得出了14组非劣解，以经济效益最好、粮食减产量最少为基础，筛选出来水频率为50%，90%时与二元水循环系统匹配度最高的水资源配置方案为最优方法，其相应的流域内水资源总供应量为145.5亿m3，总缺水量为3.9亿m3，总缺水率为2.3%。在该方法下生活供水量（不含生态需水量）、工业生产用水量和农业需水量分别为10.8亿、17.5亿、99.9亿m3。在各种供应水源地中，地表水供水量最大，为99.5亿m3，其次为地下水，为53.6亿m3，其余水源中再生水最少，为0.6亿m3，在该方法下的经济损失为2.6亿元，粮食减产量为62.0万t。当来水频率为90%，松花江流域的水资源总需求量为165.7亿m3，水资源总供应量为149.0亿m3，总缺水量为16.8亿m3，总用水亏缺率为11.3%。

6 结 语

本文建立了水循环和水资源配置模型，系统地介绍了建模框架、建模流程、求解方式。模块中主要的功能模块如下：水循环模块、多源分质供水功能、需水功能、多目标配置功能。同时，本文以松花江流域为例，基于SWAM模型，以二元水循环系统和水资源配置方案的匹配度为依据，对研究区域的水资源配置方案进行优化。通过SWAM模型而进行的二元水循环与水资源使用的匹配性分析可以充分反映经济用水活动和天然水文循环活动间的相互作用，了解水资源循环和区域水资源配置之间的匹配度，在此基础上选择匹配度优先级最高的水资源配置方案。这样既能保证农业、工业生产正常用水，也能维持自然、社会水循环系统的稳定。通过这种方式，在保证二元水循环系统正常运作的基础上，为区域水资源配置提供参考。

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（编辑：江 文）