約旦扎卡河流域水資源管理的參與性優化方案

[] M.W.

1 研究背景

要實現干旱地區水資源的可持續管理，同時又能滿足社會、經濟和環境的要求，需要一整套復雜的跨學科方法體系，以及因地制宜、多方參與的綜合措施。讓當地社區和利益相關者參與到水資源管理中的做法已經得到廣泛認可。科研人員、政策決策者以及公眾一起參與水資源綜合管理的方案規劃，可以加強調查研究和政策制定之間的聯系。

約旦水資源非常稀缺，是供水壓力最大的國家。由于缺水，已經嚴重威脅到其經濟增長、社會凝聚和政治穩定。由于資源稀缺，各領域和各部門供水日趨緊張，用水沖突日益明顯。扎卡河流域面臨著干旱、年降水量不穩、城鎮化人口增長以及水質惡化等問題。

扎卡河是約旦僅次于雅莫科河的第二大河，流域面積4 120 km2，其中，約95%在約旦境內，5%在敘利亞境內。該流域從海拔1 460 m的敘利亞的塞勒海德市綿延至安曼南部，最后向西匯流，注入海拔-350 m的約旦河。該流域是西部半干旱高原區和東部干旱區的過渡區，年降雨量從西北部的超過500 mm，到東部的平均降水量為280 mm，甚至部分地區的年降雨量小于100 mm。扎卡河的河水徑流量由塔拉勒國王大壩水庫調蓄。流域內水系復雜，且流域內的用水源于地表水、地下水、淡鹽水和再生水，或水庫存儲的灌溉用水。水系具有跨流域調水的特性。

以扎卡河流域為例，對可持續的水資源管理優化方案開展研究，以研究和優化約旦境內重要流域的水資源，研制一種能與利益相關者密切合作、創新的水資源管理方法。該研究項目旨在通過應用建模工具，即水資源模型基準和對方案實施優化來提高效率。

2 水資源模型

水資源模型是WaterWare系統的核心部件之一。WaterWare是一種基于模型的用于水資源管理的信息和決策支持系統。該系統的設計支持實施歐盟水框架指令或類似的國家立法，并已開發了包括約旦扎卡河流域在內的一系列應用程序。

為了能長時間模擬流域，將流域描述為一個具有節點和河段的系統。節點代表河流系統不同部分的水源(比如良田、泉水、子流域)需求點，如農業灌溉區、城市、水庫以及調蓄設施，它是天然河道或人工渠道的河段連接點。水資源模型可以長年計算節點每天的需求量和供應量。成本包括供應量、耗損、洪水條件等所有要素；效益來自于滿足客戶的需求，包括環境需求(如濕地)，或者航道、娛樂或生態系統可持續性的低流量限制需求。

在以往的研究中，也有人應用過水資源模型來研究扎卡河流域。

用于扎卡河流域水資源模型的標準設置如下。

(1) 供應/需求比。表示供需比，若需求得到完全滿足，可達最高值1。

(2) 供應的可靠性(%)。表示所有滿足需求的節點和時間的比例。

(3) 未分配率(%)。表示在節點(水庫、改道、控制節點)未分配的水量比。

(4) 缺水率。表示總需水量中缺少的水，計算方法是將整個時段所有水庫、需水量、引水量、補給量以及控制節點的水量相加。缺水量用總需水量的百分比表示。

(5) 含量變化率。表示水資源價值的變化，為當前水模擬年的初始狀態百分比。

(6) 洪水天數。表示洪水淹水天數。

(7) 經濟效益。表示單位可用水量/提供水量的總效益。

(8) 效益/成本。是所有效益除以所有成本。

(9) 凈利潤。總效益減去總成本，人均。

(10) 總效益。總效益，人均。

(11) 總成本。總成本，人均。

(12) 水費。是指每立方米水的總成本。

任一年的數據都可以導入水資源模型進行分析。因2001/2002年是平水年，且降水分配合理，所以取其作為基準水文年。此外，所有與地下水和水井開采相關的數據可實行日提取，至于計量站的其他洪水記錄數據、計量數據、處理廠的進水和出水數據也可以實現日取。

杰拉什橋(徑流測量)水文測量站是最基本的功能節點，在這里，可以將水資源模型的流量計算結果與實際數據進行對比，以驗證模型的準確性。此外，考慮到日進水量可以與下水道排放量進行對比，選擇的一家污水處理廠(WWTP)可被視為一個控制節點。

由于流域水系中包含了污水處理廠直接排入河流的水，且流域內5個不同流域(阿茲拉克、瓦拉、拉約、斯瓦卡和扎伊流域)相互調水，導致流域水資源供需系統非常復雜。除了約旦峽谷的地表水以外，大部分的地下水被抽調用于家庭。此外，流域內大多數的地表水，包括污水處理廠下泄的水，都存儲在水庫中，以便為中央約旦河谷提供灌溉用水。

3 利益相關者的作用

參與完成的優化過程分為2個階段。

(1) 第一階段是代表個人的利益相關者，通過電子郵件和問卷調查來參與討論流域的水問題；

(2) 第二階段，上述的個人、指導委員會成員和項目人員被邀請參與利益相關者討論會。

主要利益相關者包括：水和灌溉部、約旦河流域管理局、農民協會、環境部，以及農業部、內政部、民間組織、約旦河谷和扎卡河流域高原地區的產業及農民個人。會議旨在向與會者介紹基準方案，并確定主要問題。此外，從利益相關者角度提前輸入未來的方案和優化過程。為了建立基于未來目標的最優方案，利益相關者要從上述標準中選擇適當的約束條件，確定一套措施(可能需要調解)。

優化方案與水資源模型相關，并基于整個流域的數據(流域基準方案結構)作為一組約束條件和一套措施。約束條件可用來描述優化方案目標，優先多準則方法的第一步是滿足主要目標，即滿足約束條件，找到一個或多個可行的方法。方法是對于獲取最優方案，或最優決策空間的可選方法。可選方法可定義網絡結構中任何或所有節點的行為。約束條件和措施可以實現靈活的啟發式搜索策略。

本文基于基準方案，確定和實施了扎卡河流域的優化方案。此外，扎卡河流域的利益相關者參與了該過程的各個階段，特別是在優化研究過程中。

(1) 對獲取基本水文、地形和人口統計數據提供了支持。

(2) 提供了家庭耗水數據和方式、工業和農業用水等信息，這些有助于確定節點。

(3) 在確定流域供水、需求、管理和水質方面的主要水問題過程中發揮了重要作用。

(4) 協商扎卡河流域的約束條件，主要是系統的可靠性和供給/需求比。

(5) 作為個人或指導委員會成員參與了優化過程，以實現優化方案的目的。

不同的水處理技術主要包括以下幾個方面。

(1) 地下水人工補給。這項技術的年度單位投資要求約為1歐元/m3，單位經營成本(包括低成本維護)，約為0.1歐元/m3。成本指標則是基于現有項目。

(2) 跨流域調水。預計該項目的成本約為8億歐元，建設后可運行25 a。期間，送水到安曼的費用估計為1.27歐元/m3(包括運營成本)。成本指標來源于研究項目。

(3) 灌溉水管理。現代工具如滴灌系統、灌溉調度傳感器將提高灌溉效率和水的生產率。總灌溉面積估計達1 700 hm2。引進這項技術的年單位投資要求是2 000歐元/hm2；單位運行成本，包括維護和修理成本在內，為200歐元/hm2。

(4) 公眾意識計劃。節約用水是應對約旦水短缺問題最可靠和具有成本效益的解決方案。一些區域和國際會議提出的建議強調了2個基本問題：意識培養活動缺乏和信息交流不暢。大多數的水保護活動都是針對家庭用戶，而對農業和工業方面的關注較少。對農民開展水資源保護方面的教育，是實施水資源保護項目所必須的一個環節。該項活動的單位投資約為8 500歐元/a，外加500歐元/a的推廣材料費用。

(5) 管網升級改造。大城市的管網由鋼或鑄鐵構成，非常老舊，其腐蝕和泄漏會造成供水管網中的水量嚴重損失。因此，應將這些陳舊的系統替換為具有較高韌性和塑性，且能承受高壓、斷裂和泄漏的頻率較低的管道。更換成本估計在2.4億歐元或耗水費用為1.5歐元/m3左右。

(6) 徑流收集。在扎卡河流域上游實施徑流收集。這種干預會提供額外的灌溉水，以及增加地下水的補給量。同時，它能保持干凈的徑流，以免與城市污水處理廠的污水混合。期望將在上游收集到的350萬m3的水用于灌溉。該項技術的年成本大約是1歐元/m3，而經營成本極低，約為0.1歐元/m3。

(7) 污水回用。西部和北部高原(降水量超過250 mm)的部分區域具有豐富的以雨水養農業的經驗。在流域的北部和東部，是以灌溉農業為主(該區域使用地下水灌溉)，且污水回用使該區域的果樹生產業迅速擴大。對于灌溉農業地區，利用逐漸增大的污水排放量來灌溉，不僅可以節約供家庭使用的地下水，而且還可以減少污水處理廠過多的污水排放量。這種干預成本(處理和運輸的費用)估計為0.5歐元/m3。隨著污水處理量的增加，在灌溉面積上種植樹木、森林、牧場的規模也將會擴大。

(8) 海水淡化。在流域內，特別是約旦峽谷及其他一些深井里的咸水，可以對其進行淡化以增加供水量。海水淡化包括向需水點調水的成本，估計為0.75歐元/m3。

4 結果與分析

4.1 基準情景

將2001年10月1日至2002年9月30日的相關數據和配置網絡作為水資源模型的基準情景，對項目結果進行了總結和分析。數據庫與水資源模型相連接，以描述扎卡河流域的氣候時間序列監測資料、氣象資料和水資源系統的主要組成，比如主要需水節點。

拓撲網絡是便于水資源模型對基準模型情景的經濟效率進行評估，如供需比、成本/效益比。對現有基礎設施的經濟價值評估，是基于約旦國家的本地價格。此外，從模擬流量數據與真實流量數據的相容性，即可知曉運用水資源模型是正確的。將實際流量數據作為水資源模型徑流計節點的約束條件，基于日實際流量數據序列來校準模擬流量。運用該模型共計算分析了95個節點。

從模擬結果可以看出，供求比為90%，系統的可靠性為58%，缺水率為4.35%，流域中總的未分配水量占17%。未分配的水在流域中未使用，但在終端節點處被排放用于中央約旦河谷灌溉。此外，效益/成本比是0.91，經濟效益是-0.03歐元/m3。這表明該系統不能產生任何利潤。

4.2 最優方案

將基準情景的結果導入到水資源模型的優化方案中進行分析。基準情景的分析結果表明，系統的可靠性是58%，供給/需求比是90%。將這兩個約束條件輸入到扎卡河流域的水資源模型優化情景中，并運行水資源模型優化情景，結果在50 000次運行中找出了100個可替代方案。

優化模型的結果表明，供水可靠性范圍為76%～84%，供需比為0.988～0.996。這意味著，所選擇的約束條件和優化方向是正確的。在運用決策支持系統(DSS)的過程中，獲得的一套可行的解決方案，不一定是最佳的方案，因為方案通常是由決策者選取的。這樣的解決方案的效率依賴于一個適當的規章制度和交易機制，如適當的經濟激勵、制度和行為的變化，以及利益相關者的直接參與并最終達成和諧一致的意見。

其他概念源于最優化的過程，例如缺水、經濟效率和效益/成本比。

在對約旦案例開展研究的過程中出現的一些概念可以反映該方法的有效性，而其他概念則沒有能夠反映出利益相關者所建議的水處理技術。

然而基于可以實現優化的概念價值，有100種方案可以作為未來扎卡河流域水資源管理的替代方案。例如，基準情景缺水達4.35%，而在優化方案中，則可達到最小值0.274%。此外，經濟效率可能會從基準情景的-0.03，升高至最優方案的0.022。相較于在基準情景時僅有0.91的效益/成本比，在最優方案下，已被最大化至1.034。

5 結 語

扎卡河流域是一個復雜的系統，已經面臨著市政、農業和工業生產等各方面各部門用水的嚴重壓力。為此，需要利用基準情景來優化流域的水資源。水資源模型的基準情景能夠正確識別扎卡河流域所有的構成要素，它可以根據在拓撲圖上所顯示的水資源模型的各個節點，來描述徑流量的可用性。

當利益相關者或決策者針對不同的功能節點有確定的相應工具(水處理技術)時，扎卡河流域的水資源模型基準情景即可以朝水資源最優化的方向延伸，從而實現流域最優化。這種方法將允許以未來情景和經濟參數加以驗證。因此，通過設置約束條件和識別不同的工具，終端用戶可以評估可選方案，力求以最好的方案來保護流域。

只要扎卡河流域滿足約束條件，水資源模型最優方案就能對各種方案的模擬結果進行比較。該模型成功地使扎卡河流域的水資源得到了最優化，尤其是在將供水可靠性和供需比作為約束條件時。