基于ET的水資源綜合管理規劃研究
——以山西省介休市為例

(山西省水利水電科學研究院， 山西 太原　030002)

基于蒸發蒸騰量(ET)的水資源管理理念是在世行全球環境基金(GEF)海河流域水資源與水環境綜合管理項目中首次提出的。基于ET的水資源規劃是根據水資源供給情況來確定水資源的需求量[1]。在2001～2005年世行貸款節水灌溉項目準備階段，提出以“真實節水”為手段，通過ET管理即采取工程[2-3]、農業和管理等綜合節水措施，把節水灌溉項目區的耗水量控制在包括降水在內的水資源許可范圍內, 使無效ET得以大幅降低，實現了水資源供耗平衡，達到項目區農業增產增收和水資源可持續利用的目標[4-7]。因此，在水資源日益匱乏的情況下，立足于水循環全過程，實施“真實節水”，深入開展以區域ET管理為核心的水資源需求管理，既是對水資源可持續利用的保障，也是對傳統水資源管理必要的補充[8]。

隨著城市化進程的迅速發展，供水量也隨之增長，而耗水量卻未得到相應控制，在區域水資源可利用量有限的情況下，為滿足社會發展的需要，開始超采地下水，由此引發了一系列的生態環境問題。以往通過工程措施而產生的節水效果主要是減少了取用水量的工程節水，并未能真正解決水資源緊缺問題。因此，在資源型缺水地區提出貫徹執行資源型節水觀念與措施，將先進的ET管理理念應用于水資源規劃管理中[9-10]，對推進此類地區的水資源可持續利用具有重要意義。以山西省介休市為例，在其水資源日益短缺的情況下，提高水資源利用效率，采用以供定需的模式制定合理的節水措施，從而達到目標ET值，只有這樣才能實現水資源的可持續開發利用，以及經濟社會與資源、環境的協調發展。

1　研究區概況

介休市位于山西省中部，晉中盆地南端，汾河東岸。境內東南部山巒起伏，溝壑縱橫，西北部地勢平坦，土地肥沃。市轄10個鄉鎮，總面積744 km2。屬大陸性氣候，多年平均降水量497.9 mm，項目區內河流均屬黃河流域汾河水系，主要有汾河、龍鳳河、樊王河、興地河等。汾河為最大河流，除興地河常年有清水流量外，其余支流均屬季節性河流。

煤礦是當地支柱產業，主要分布在西部的義棠、綿山及東部的張蘭、連福4個鄉鎮。根據晉中市二次水資源評價，介休市多年(1980～2000年)平均水資源總量為9 720萬m3，人均擁有水資源量為220 m3，是全國的 11.0%，全省的 55.4%，屬于嚴重缺水地區。20世紀80年代中期以來，由于地下水的嚴重超采，導致洪山泉泉水斷流，城關-宋古漏斗區向縱深發展加劇。

2　模型構建

2.1　模型選定

水文模型對流域水文過程及水資源狀況的模擬都需要流域的實測水文、氣象資料作為研究基礎，確定水文模型數學方程的結構及其參數的取值范圍。然而由于水文站點及氣象站點布設對人力、財力、物力及技術的高要求，使得基礎資料的獲取難度增大。為了利用僅有的資料對介休市水資源狀況進行模擬，該研究以分布式時變增益模型(DTVGM)為基礎，改進了SWAT產流部分和水循環的參數化機制。主要是對流量參數水量平衡系數(WB)的率定，并用Nash-Sutcliffe效率系數(NSE)和相關系數(R) 來評估模型在率定過程中的模擬結果。模型的率定就是尋求使模型的模擬值與對應實測值盡可能一致的參數。文中采用SWAT-CUP軟件自帶的SUFI-2模塊進行參數的自動率定。

DTVGM的特點在于將集總式TVGM水文非線性系統模擬通過DEM平臺，結合子流域水文模擬，推算分布式流域水循環模擬。該模型具有分布式水文概念性模擬的特征和水文系統分析適應能力強的優點，能夠在水文資料信息不完全或者不確定性干擾條件下完成分布式水文模擬與分析，是水文非線性系統方法與分布式水文模擬的一種結合。DTVGM子流域產流模型如下

R(t)=Gs(t)X(t)+Gg(t)API(t)

(1)

DTVGM子流域匯流模型為

Qg2=Rg(1-KKG)U+Qg1KKG

(2)

式中，Gs為流域的產流系數(0≤G(t)≤1.0)；X(t)為實際降雨過程；API為流域土壤前期影響雨量；Qg為出流量；Rg為地表產流過程；KKG為確定線性水庫參數；U為折算系數。

2.2　數據庫

汾河流域汾河二壩-義棠之間流域改進后的SWAT模型構建采用的空間數據包括DEM、土地利用數據、土壤類型數據。選用的空間數據均采用Krasovsky橢球體，Albers等積圓錐投影，使其可以在同一坐標系下實現疊加分析和模擬計算。土地利用圖和土壤類型圖均轉換為與數字高程模型(DEM)具有同樣柵格大小的Grid格式。結合改進后的SWAT模型結構，僅需收齊雨量數據和水文站點的實測逐日流量數據，按照模型要求建立了各項數據庫。

2.3　子流域劃分

DEM是對地形地貌離散狀況的數字表達，也是進行水系生成、子流域劃分、水文過程模擬的基礎。在Arcgis界面下選擇40 000 hm2為臨界集水面積，通過對DEM圖的處理計算，將義棠以上流域劃分為36個子流域，其中的兩個子流域涵蓋了整個介休市。

2.4　模型參數率定

模型參數的率定是使模型的模擬值與對應實測值盡可能一致，計算結果可比較真實地反映實際情況。考慮到SWAT模型結構的復雜性，土壤、土地利用、植被覆蓋屬性等參數主要結合SWAT模型自帶的數據庫中的參數值確定；輸入各分區的水資源數據，并根據介休市的實際情況進行參數率定。而流量參數的優選采用自動和手動相結合的方法。

SWAT模型參數眾多，總體可以分為兩類。第一類可根據參數的物理意義直接標定，如土壤物理屬性參數、土地利用、植被覆蓋屬性參數的取值主要結合SWAT模型自帶的數據庫中的參數值確定[11]。本文側重于流域的徑流模擬研究，因而第二類參數主要是流量參數的率定。考慮到SWAT模型結構的復雜性，本文采用自動優選和手動優選相結合的方法優選第二類參數。該研究針對產流參數采用3個目標函數進行多目標優化，分別是WB、NSE和R。采用SCE-UA智能算法并基于棠控制站1981～2003年月徑流量多目標函數進行改進后SWAT模型的率定。

2個子流域內改進后的SWAT模型的產流參數依托DTVGM分布式時變增益模型的產流機制，以義棠站實測流量進行參數率定。采用智能優化算法，以義棠站(1981～2003年)月徑流量為多目標函數，采用改進后SWAT模型的產匯流過程中的產流模型對參數、地下產流系數參數進行率定，區間流域率定出的參數即為子流域的產流參數，可直接用來進行介休市地表水資源狀況的模擬。模擬結果為：NSE效率系數為0.863，R為 0.952，WB為1.01，所率定改進后的SWAT模型在汾河二壩-義棠區間流域的適用性良好。

2.5　SWAT模型模擬結果

選取義棠控制站1981～2003年、2004～2013年分別作為SWAT模型的率定期與檢驗期，依次為 0.863、0.659，模擬值和實測值的R各為 0.95、0.85。

汾河二壩-義棠之間流域整個模擬期(1981～2013年)的SWAT模型模擬的徑流結果表明，NSE為 0.842，R為 0.931，因此，所構建的SWAT模型適用性良好。

3　水資源概況

3.1　水資源分區

根據介休市水文地質條件以及地下水補排關系，將其分為3個水資源區，分別是丘陵區隱伏巖溶水系統即城關-宋古地下水漏斗區、洪山泉巖溶水系統以及第四系孔隙水(興地河巖溶水)系統區，見表1。

表1　介休市水資源分區

根據地下水分區系統，若將地表水利用量保持在2012年水平，地下水水資源量看作為可供水量，則根據水資源分區的需水量情況和現狀條件，洪山泉巖溶水以及丘陵區隱伏巖溶水系統的地下水均存在一定的虧缺，說明這兩個水資源分區內水資源量難以維持持續的用水需求。第四系孔隙水系統在平水年其水資源量可以滿足該地區的用水需求，但是由于該區水資源主要依靠地下水系統進行豐、枯水年調節，水資源開發利用程度較低，具有一定的開發利用潛力。

3.2　水資源量

根據晉中市水資源公報，介休市2012年水資源總量為7 454萬m3，其中地表水資源量2 521萬m3，地下水資源量5 311萬m3，重復計算量378萬m3。另外，P=50%和P=75%水文年的水資源量見表2。

供水結構中，2012年水利工程供水量為9 055萬m3。其中，地表供水2 410萬m3，占總供水量的27%；地下水6 645萬m3(90%來自于洪山泉區和漏斗區)，中水利用量150萬m3。通過對不同行業用水、耗水、排水現狀分析，可以看出，農業灌溉用水、耗水量最大，其次是煤礦與其他工業組成的工業用水量以及農村生活的耗水量(見表3)，因此要控制和減少總用水量以及降低耗水量，改進農業灌溉方式、煤礦用水工藝，增加工業和生活污水中水回用尤為重要。

表2　不同水文年水資源量　萬m3

表3　各行業用水、耗水及排水現狀　萬m3

4　ET值的確定

現狀ET和目標ET均采用水量平衡法和模型模擬法計算。

(1)水量平衡法。水量平衡方程：

ET=P+(Is+Ig)-(Ws+Wg)-(Os+Og)

(3)

式中，P為區域內年降水量，萬m3；Is和Ig為地表水、地下水年入境流量，萬m3；Ws和Wg為年內區域各種地表水和地下水儲量的變化量，萬m3；ET為年蒸發蒸騰量，萬m3；Os和Og為地表水、地下水年出境流量，萬m3。

(2)模型模擬法。基于ET的水資源管理研究中， 分為自然ET和社會ET。社會ET是指在水資源利用中損耗的水量，主要包括農業灌溉、生活、工業、城鎮公共和生態5個部分。其中：自然ET由SWAT模型模擬計算；社會ET是結合各部門和行業經濟社會用水情況求得不同水文年型下的ET值。

4.1　現狀ET

現狀ET指現狀條件下實際發生的區域蒸散發的總和。

(1)水量平衡法。項目區流域面積為744 km2，無大型調蓄水利工程，地表水調蓄能力較小，所以Ws=0；地下水補給主要由降水和河川徑流側向補給，通過有限的地下水補排關系分析，Og-Os近似為零；Os-Is主要由降水徑流構成，即為地表徑流量；WG根據漏斗區演變和介休市水資源配置規劃(2004年)報告及相關研究資料綜合給出為704萬m3/a。由于缺乏地下水開采和補給數據，P= 50%地下水儲量負均衡值近似為704萬m3/a。P=75%是采用多年平均負均衡值704萬m3/a加上了農業灌溉增加的耗水量為2 136萬m3， 值見表4。

表4　水量平衡法估算的ET值

表5　自然和社會分項ET值

表6　基于水量平衡法估算的目標ET值

(2)模型模擬法。經計算，2012年ET值為482 mm，與P=50%的ET值484 mm接近，其中有412 mm為自然環境所消耗，為不可控ET，作為規劃水文年的本底值考慮；剩余的70 mm為社會ET，是通過農業灌溉、產品生產等增加的蒸騰蒸發和消耗的水量，約占實際總ET的14%，同樣P=50%和P=75%的 值見表5。

水量平衡法和模型模擬法計算出的ET非常接近，因此，采用二者的平均值作為各水文年的實際ET。

4.2　目標ET

目標ET是指在一個特定發展階段的流域或區域內，以其水資源條件為基礎，以生態環境良性循環為約束，滿足經濟持續向好發展與和諧社會建設要求的可消耗水量。

(1)水量平衡法。主要從區域整體角度出發，依據水循環原理，推求目標ET。現狀條件下項目區地下水仍然處于超采狀況，地下水漏斗和洪山泉出流也將難以恢復，從逐步穩定和恢復項目區地下水位出發，提出了2020年和2030年2種水文年型的地下水均衡值。2020年優先考慮從第四系孔隙水水資源分區(興地河區)向丘陵隱伏巖溶地下水系統(城關-宋古漏斗區)補水400萬m3/a，計算出P為50%和75% 水文年的目標ET分別為 473.5 mm和417.4 mm；2030年在調水優先滿足生活和工業用水的情況下，從外流域調水量為1000萬m3，目標ET分別為 472.1 mm和 414.7 mm，地下水漏斗區和恢復洪山泉區到天然狀態下約需18 a(見圖6)。

(2)模型模擬法。項目區的自然ET是利用分布式水文模型計算，遙感監測模型校核。由于土地利用類型變化總體不大，計算出不同規劃年的自然ET相同；在考慮項目區現狀條件的基礎上，結合其社會發展情況，分別計算出各行業規劃年的社會ET值，見表7。

5　供需水預測

5.1　供水預測

以“節水優先，高效用水，適當調水(優先境內調水)”為總體思路。

境內調水預計通過世行貸款節水灌溉二期項目新建的興地河橡膠壩工程每年可向丘陵隱伏巖溶水系統供水400萬m3；外流域調水主要有東山供水和中部引黃工程，其中：東山調水工程可供水量為3 000萬m3，中部引黃2020年供水量為1 346萬m3，2030年達到1 840萬m3。

5.2　需水預測

需水預測包括農業、工業、生活、城鎮公共及生態需水5個部分，均采用定額法。其中各行業的需水量、耗水量見表8～11。

表7　不同水文年的目標ET值　mm

表8　規劃年不同節水方案農業灌溉總需水量及耗水量　萬m3

注：低、中、高節水方案為節水灌溉面積分別占總灌溉總面積的比例。

表9　規劃年不同節水方案工業需水量和耗水量 　萬m3

注：煤礦低、中、高節水代表節水工藝改造達到的比例；其他工業的低、高節水指耗水系數，2020年、2030年分別為0.2和0.18。

表10　規劃年不同節水方案居民生活需水量及耗水量　萬m3

注：高、低節水方案中城鎮節水器具的可節約水量分別占總用水量的比例。

表12 推薦方案各鄉鎮需水量及社會ET值

表11　規劃年城鎮公共、生態需水量及耗水量　萬m3

5.3　方案優選及分配

在供需水預測基礎上，設置不同規劃情景條件下的各行業節水方案，并對其進行方案組合，將農業高、中、低節水作為方案集的主要類別得到了36種水資源規劃方案的初始集。通過方案優選，結合介政函[2015]54號文件要求，提出2020年和2030年P=50%、P=75%水文年的推薦方案，即農業中節水、工業和生活均為高節水，據此推薦方案各鄉鎮的需水量與ET進行分配，作為各鄉鎮需水總量分配和用水效率考核的依據，見表12。

為確保規劃順利實施，應建立健全各級水資源保護管理機構，制定基于ET管理的水權制度，強化水資源管理體系，實現需水總量(9 500萬m3)和地下水凈利用量(5 000萬m3)及目標ET的控制目標，達到洪山泉區和漏斗區的地下水位在2020年不降低、2030年逐漸回升的目標。

6　結　語

(1)通過基于水量平衡的“自上而下”方法和基于各分項目標ET方法確定了介休市2020年和2030年的目標ET，并經過多次調整，提出了適合介休市實際的目標ET值，實現介休市用水總量和地下水凈利用量及目標ET的控制目標，達到洪山泉區和漏斗區的地下水位在2020年不降低、2030年逐漸回升的目標；

(2)對介休市各鄉鎮的需水和耗水情況進行了進一步分析，給出了2020年和2030年各鄉鎮的需水量和耗水量，可為介休市水資源配置和基于遙感的耗水管理奠定基礎。

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