基于WEAP模型的河北省水资源供需平衡分析

赵 霞，杨 柳★，朱永楠，郝 萌，任文颖

（1.中国矿业大学（北京）地球科学与测绘工程学院，北京 100083；2.中国水利水电科学研究院 流域水循环模拟与调控国家重点实验室，北京 100083）

河北省是我国水资源匮乏的省份之一，人均水 资源占有量307 m3，亩均水资源占有量243 m3，仅为全国平均水平的1/7［1］。河北是京津冀协同发展中的重要地区，水资源短缺是经济社会可持续发展面对的现实问题，对河北省进行水资源供需平衡分析具有重要意义［2］。目前国内对WEAP 的研究较为广泛，从水质水量优化配置、水资源供需平衡多角度开展。杨明智［3］等对WEAP 模型应用方面的研究，综合考虑社会、经济、生态等指标，从供给端与需求端两个方面分别进行计算，为研究区水资源优化配置提供最好的解决方案。李燕［4］等根据WEAP 模型，将研究区流域内污染物排放和河流水质变化互相联系，模拟污染物排放与水质变化过程，探讨水质安全保障方面的相关措施。喻立［5］在对宁夏黄河流域进行水资源优化配置研究中，构建WEAP 模型，为区域性水资源最优分 配 提 供 参 考。沈 矩 龙［6］将WEAP 模 型 与GIS 技术结合，使用ArcObject 作为WEAP模型与GIS 接口的开发工具，实现在ArcMap 中对WEAP 的调用，以及将WEAP模型相关运行结果输出至ArcMap 中，实现模型结果的可视化。

本研究以河北省为研究区，构建河北省WEAP模型，分别从全省尺度和流域尺度对河北省及其不同用水部门在自然状态下的水资源供需平衡进行定量分析，探求河北省水资源短缺的主要特征，并对人口规划、节水政策两种不同发展条件下未来需水量和短缺量进行模拟预测分析，以期为河北省水资源优化配置提供参考。

1 研究方法与模型构建

1.1 WEAP 模型介绍

水资源评价和规划模型 （Water Evaluation And Planning system,WEAP）是由美国斯德哥尔摩环境研究院开发，可用于城市和农业系统、单个子集水盆地或复杂的河流系统的水资源综合规划工具［7］。WEAP模型是通过划分流域，将每个子流域当成单独的系统，每个子系统内根据供给和需求设置节点，在每个节点由Q入=Q出+Q损失这一基本原则进行计算。需求点（DS）的需水量是该需求点所有下一级分枝（Br）的需水量的总和（公式1）。需求点（DS）在某一个月（m）的需水量等于该月在全年总需水量中所占比例与年需求总量之积，该比例受月变化参数的影响（式2 和式3）。WEAP 是以月为时间间隔，从现状基准年的第一个月计算到预案最后一年的最后一个月。

1.2 数据来源

本研究主要数据包括供给端数据、需求端数据和其他数据，来源如表1。为了模拟自然状态下的供需平衡，本文未考虑南水北调等外调水。

表1 河北省WEAP 模型中所用数据来源

1.3 WEAP 模型构建

1.3.1 模型概化

根据河北省DEM 数据，利用ArcGIS 中的Hydrology 水文分析模块提取研究区的水系图；将河北省各地级市的矢量图进行格网化，对各流域的需水量（生活、工业、农业和环境用水）进行重新计算。根据1945—2018 年河北省人口数据，在Matlab 中建立Logistic 回归分析模型，根据模型预测2022—2030 年河北省人口数量用于预案的设置。

WEAP 在进行水源分配时可根据不同需求点的优先顺序进行配水，级别高的优先得到供水。在河北省流域水资源分配的模型设计中，水资源优先顺序为：生活用水、农业用水、工业用水和环境用水。WEAP 模型对水量的供、需计算均以月为单位，需提供每月需水量占年需水量的比例，研究区农业需水的月变化比例可根据研究区水管部门农业配水计划进行推算。

河北的水供需系统可概化为：7 个流域 （潮白河、滦河、永定河、大清河、子牙河、漳卫河及黑龙港运东流域），每个流域都是一个独立的子系统由供给端和需求端构成，供给端为降雨、河流径流、水库、地下水、污水回用等，需求端为生活、农业、工业、环境用水。14 条径流/渗透链接，48 条输送链接和30 条回流链接。

1.3.2 预案建立

WEAP 预案模拟分3 个步骤：①选定2018 年为现状基准年，模拟水资源均衡状态；②以现状基准年数据为基础形成参照预案，模拟系统在不受任何政策、外力影响下可能的演变；③设定关键性假设［9］。根据河北省人口发展规划（2018—2035）和“十四五规划”重大节水供水工程实施方案，结合当前国家和地方政策导向，建立WEAP 模型的人口和节水预案，预案设置的时间范围为2018—2030 年。

参照预案以现状基准年参数为基础，在没有任何新政策、技术等外界因素的干预下，进行WEAP 对规划年的模拟。人口预案中，为了尽可能使人口变化与实际情况一致，使用Logistic 回归分析模型来对未来人口进行预测。

Logistic 回归分析模型，是一种广义的线性回归分析模型。用Logistic 回归分析模型预测未来人口数量发展，考虑人口能够承受的最大值［10］。Logistic 模型认为人口增长有最大值Xm和人口的固有增长率r0，当人口增长到Xm附近时，人口将保持这个水准不会有较大变动，数学公式如下：

式中x 是人口数量，x0是初始人口数量，解方程组得到：

在Matlab 软件中用Logistic 模型，选取1949—2021 年人口为基础数据进行拟合如图1（a），可以看出，1949—2021 年用Logistic 模型模拟出的模拟值与实际人口之间的相关系数为0.987 如图1 （b），二者具有较强的相关性，可用来预测未来人口。在拟合曲线的基础上，用Logistic 模型对2022—2030 年河北人口总数进行预测如图1（c），然后将预测结果输入模型中进行预案的设置。

图1 人口预案

节水预案是在流域人口、经济、生态保持在现状基准年不变的基础上，参照《河北省“十四五”节水型社会建设规划》目标要求进行相应参数设置如表2。

表2 节水预案关键假设

1.3.3 模型校准

在建立WEAP 模型的过程中已根据研究区实际情况和历史数据设定相应参数，但由于系统的复杂性，需要对模型参数进行不同程度地调整［9］。本模型采用水文站月径流量实测值与模拟值进行对比，对模型进行校准。两者的皮尔逊相关系数趋近于1，说明模型拟合度比较好，该模型具有较好的准确性。

2 研究结果

2.1 河北省水资源供需现状分析

河北省WEAP2018 模型结果显示，不考虑南水北调等外调水的情况下，2018 年研究区水资源需求量共计182.61 亿m3，供给量165.44 亿m3，缺水量17.17 亿m3，而2018 年河北省水资源公报显示需求量182.42 亿m3，全省水资源量164.02 亿m3，与该模型模拟结果基本一致，误差可能是在数据处理过程中由格网化时造成的。模拟结果显示，2018 年河北省缺水量17.17 亿m3，其中，农业用水缺水（16.17 亿m3）占缺水量的94.18%，生活用水缺水（0.89 亿m3）占缺水量的5.19%，环境用水缺水（0.052 亿m3）占总缺水量的0.31%，工业用水缺水（0.055 亿m3）占总缺水量的0.32%。

农业用水和环境用水节点的需求量存在较大的月变化。农业用水主要在7—9 月无法满足全部用水需求，因为7—9 月为农业主要灌溉期需求较大，不考虑外调水的情况下难以完全满足；面对严峻的水资源短缺形势，河北省不得不挤占环境用水以维持农业和生活用水供需平衡，导致工业用水和环境用水在12—2 月无法满足。

子牙河、滦河、黑龙港运东流域和大清河流域用水需求较高，因为这些流域农业产值高、经济较发达，对水资源的需求大，如图2。潮白河、滦河、永定河、子牙河、漳卫河及黑龙港运东流域的用水需求基本得到满足，但大清河流域的农业缺水量巨大，需求未得到满足。在大清河流域中，生活用水完全得到满足，工业用水和环境用水基本得到满足，而农业用水满足度较低，因为大清河流域是我国重要的农业生产基地,农作物产量高。由于受自然条件的制约，这一地区水资源相当贫乏，是我国缺水最严重的地区之一如图3。

图2 河北省各流域不同部门需求量 单位：亿m3

图3 河北省各流域不同部门缺水量 单位：亿m3

2.2 人口变化预案下水资源供需平衡分析

人口变化预案是在考虑未来河北省经济社会发展引起人口在时间和空间尺度上的变化而引起的对流域水资源变化情况的模拟。

参照预案需求量和人口预案需求量对比如图4，需求量持续增长与人口有较大关系。参照预案是不受任何外界因素、政策影响的结果，而人口预案是结合模拟出的实际人口增长而对水需求量的影响，相比于参照预案更具有参考价值。在人口预案下，到2025 年增加的水需求量约12.49 亿m3，到2030 年流域增加的用水量约23.74 亿m3，增长幅度分别为现状基准年的6.8%和13%。由于城乡居民生活要求的水量占比较少，人口增长之间的差别有限，只要流域内不发生规模性移民，仅依靠当前地方人口增长速度及城乡居民的用水习惯，在未来10～15 年内对流域水资源承载能力的影响不大。

图4 人口预案下需水量变化模拟

2.3 节水预案下水资源供需平衡分析

节水预案是根据国家“十四五”发展规划，详细参考《河北省“十四五”节水型社会规划》进行预案参数的设置，通过提高渠系水利用系数、工业用水重复利用率和降低公共管网渗漏率来逐步实现全流域节水。

通过实施节水预案，各流域内农业、生活和工业要求的水量有明显降低。各流域工业用水需求量差异较大，尤其是滦河和子牙河流域，因为滦河和子牙河流域经济较发达，聚集大量生产型的工厂，说明提高工业用水重复利用率是较有效的工业节水措施；其次是生活用水需求量，各流域下降率约27%，相差不大；农业用水需求量由于本身所占的比重较大，通过提高灌溉水有效利用系数也有所下降，但相较于其他两类用水不明显，如图5。

图5 节水预案下各流域需水量变化模拟

在节水预案下，通过提高灌溉水有效利用系数，有效降低农业用水需求量。在逐步提高灌溉水有效利用系数的情况下，到2025 年和2030 年可节省农业用水量为2018 年的1.74%、2.2%；通过降低公共管网漏损率，到2025 年和2030 年可节省生活用水量为2018 年的27.9%、29.17%；通过提高工业用水重复利用率，到2025 年和2030 年可节省工业用水为2018 年的15.99%、19.02%，如表3。对于当前河北省水资源短缺情况来看，实施节水规划是比较有效的措施，可取得显著成效。

表3 不同预案下水资源需求量变化

3 结语

研究可知，在不考虑南水北调等外调水的情况下，2018 年河北省缺水量为17.17 亿m3，农业缺口较大。在人口政策影响下，到2030 年要求的水量有所减少，靠当前人口增长速度对流域水资源承载能力的影响不大。通过提高渠系水利用系数、工业用水重复利用率和降低公共管网渗漏率等措施可实现部分节水，节水预案可取得显著成效。