基于WEAP模型的河北省水資源供需平衡分析

趙 霞，楊 柳★，朱永楠，郝 萌，任文穎

（1.中國礦業(yè)大學（北京）地球科學與測繪工程學院，北京 100083；2.中國水利水電科學研究院 流域水循環(huán)模擬與調控國家重點實驗室，北京 100083）

河北省是我國水資源匱乏的省份之一，人均水 資源占有量307 m3，畝均水資源占有量243 m3，僅為全國平均水平的1/7［1］。河北是京津冀協(xié)同發(fā)展中的重要地區(qū)，水資源短缺是經濟社會可持續(xù)發(fā)展面對的現(xiàn)實問題，對河北省進行水資源供需平衡分析具有重要意義［2］。目前國內對WEAP 的研究較為廣泛，從水質水量優(yōu)化配置、水資源供需平衡多角度開展。楊明智［3］等對WEAP 模型應用方面的研究，綜合考慮社會、經濟、生態(tài)等指標，從供給端與需求端兩個方面分別進行計算，為研究區(qū)水資源優(yōu)化配置提供最好的解決方案。李燕［4］等根據(jù)WEAP 模型，將研究區(qū)流域內污染物排放和河流水質變化互相聯(lián)系，模擬污染物排放與水質變化過程，探討水質安全保障方面的相關措施。喻立［5］在對寧夏黃河流域進行水資源優(yōu)化配置研究中，構建WEAP 模型，為區(qū)域性水資源最優(yōu)分 配 提 供 參 考。沈 矩 龍［6］將WEAP 模 型 與GIS 技術結合，使用ArcObject 作為WEAP模型與GIS 接口的開發(fā)工具，實現(xiàn)在ArcMap 中對WEAP 的調用，以及將WEAP模型相關運行結果輸出至ArcMap 中，實現(xiàn)模型結果的可視化。

本研究以河北省為研究區(qū)，構建河北省WEAP模型，分別從全省尺度和流域尺度對河北省及其不同用水部門在自然狀態(tài)下的水資源供需平衡進行定量分析，探求河北省水資源短缺的主要特征，并對人口規(guī)劃、節(jié)水政策兩種不同發(fā)展條件下未來需水量和短缺量進行模擬預測分析，以期為河北省水資源優(yōu)化配置提供參考。

1 研究方法與模型構建

1.1 WEAP 模型介紹

水資源評價和規(guī)劃模型 （Water Evaluation And Planning system,WEAP）是由美國斯德哥爾摩環(huán)境研究院開發(fā)，可用于城市和農業(yè)系統(tǒng)、單個子集水盆地或復雜的河流系統(tǒng)的水資源綜合規(guī)劃工具［7］。WEAP模型是通過劃分流域，將每個子流域當成單獨的系統(tǒng)，每個子系統(tǒng)內根據(jù)供給和需求設置節(jié)點，在每個節(jié)點由Q入=Q出+Q損失這一基本原則進行計算。需求點（DS）的需水量是該需求點所有下一級分枝（Br）的需水量的總和（公式1）。需求點（DS）在某一個月（m）的需水量等于該月在全年總需水量中所占比例與年需求總量之積，該比例受月變化參數(shù)的影響（式2 和式3）。WEAP 是以月為時間間隔，從現(xiàn)狀基準年的第一個月計算到預案最后一年的最后一個月。

1.2 數(shù)據(jù)來源

本研究主要數(shù)據(jù)包括供給端數(shù)據(jù)、需求端數(shù)據(jù)和其他數(shù)據(jù)，來源如表1。為了模擬自然狀態(tài)下的供需平衡，本文未考慮南水北調等外調水。

表1 河北省WEAP 模型中所用數(shù)據(jù)來源

1.3 WEAP 模型構建

1.3.1 模型概化

根據(jù)河北省DEM 數(shù)據(jù)，利用ArcGIS 中的Hydrology 水文分析模塊提取研究區(qū)的水系圖；將河北省各地級市的矢量圖進行格網化，對各流域的需水量（生活、工業(yè)、農業(yè)和環(huán)境用水）進行重新計算。根據(jù)1945—2018 年河北省人口數(shù)據(jù)，在Matlab 中建立Logistic 回歸分析模型，根據(jù)模型預測2022—2030 年河北省人口數(shù)量用于預案的設置。

WEAP 在進行水源分配時可根據(jù)不同需求點的優(yōu)先順序進行配水，級別高的優(yōu)先得到供水。在河北省流域水資源分配的模型設計中，水資源優(yōu)先順序為：生活用水、農業(yè)用水、工業(yè)用水和環(huán)境用水。WEAP 模型對水量的供、需計算均以月為單位，需提供每月需水量占年需水量的比例，研究區(qū)農業(yè)需水的月變化比例可根據(jù)研究區(qū)水管部門農業(yè)配水計劃進行推算。

河北的水供需系統(tǒng)可概化為：7 個流域 （潮白河、灤河、永定河、大清河、子牙河、漳衛(wèi)河及黑龍港運東流域），每個流域都是一個獨立的子系統(tǒng)由供給端和需求端構成，供給端為降雨、河流徑流、水庫、地下水、污水回用等，需求端為生活、農業(yè)、工業(yè)、環(huán)境用水。14 條徑流/滲透鏈接，48 條輸送鏈接和30 條回流鏈接。

1.3.2 預案建立

WEAP 預案模擬分3 個步驟：①選定2018 年為現(xiàn)狀基準年，模擬水資源均衡狀態(tài)；②以現(xiàn)狀基準年數(shù)據(jù)為基礎形成參照預案，模擬系統(tǒng)在不受任何政策、外力影響下可能的演變；③設定關鍵性假設［9］。根據(jù)河北省人口發(fā)展規(guī)劃（2018—2035）和“十四五規(guī)劃”重大節(jié)水供水工程實施方案，結合當前國家和地方政策導向，建立WEAP 模型的人口和節(jié)水預案，預案設置的時間范圍為2018—2030 年。

參照預案以現(xiàn)狀基準年參數(shù)為基礎，在沒有任何新政策、技術等外界因素的干預下，進行WEAP 對規(guī)劃年的模擬。人口預案中，為了盡可能使人口變化與實際情況一致，使用Logistic 回歸分析模型來對未來人口進行預測。

Logistic 回歸分析模型，是一種廣義的線性回歸分析模型。用Logistic 回歸分析模型預測未來人口數(shù)量發(fā)展，考慮人口能夠承受的最大值［10］。Logistic 模型認為人口增長有最大值Xm和人口的固有增長率r0，當人口增長到Xm附近時，人口將保持這個水準不會有較大變動，數(shù)學公式如下：

式中x 是人口數(shù)量，x0是初始人口數(shù)量，解方程組得到：

在Matlab 軟件中用Logistic 模型，選取1949—2021 年人口為基礎數(shù)據(jù)進行擬合如圖1（a），可以看出，1949—2021 年用Logistic 模型模擬出的模擬值與實際人口之間的相關系數(shù)為0.987 如圖1 （b），二者具有較強的相關性，可用來預測未來人口。在擬合曲線的基礎上，用Logistic 模型對2022—2030 年河北人口總數(shù)進行預測如圖1（c），然后將預測結果輸入模型中進行預案的設置。

圖1 人口預案

節(jié)水預案是在流域人口、經濟、生態(tài)保持在現(xiàn)狀基準年不變的基礎上，參照《河北省“十四五”節(jié)水型社會建設規(guī)劃》目標要求進行相應參數(shù)設置如表2。

表2 節(jié)水預案關鍵假設

1.3.3 模型校準

在建立WEAP 模型的過程中已根據(jù)研究區(qū)實際情況和歷史數(shù)據(jù)設定相應參數(shù)，但由于系統(tǒng)的復雜性，需要對模型參數(shù)進行不同程度地調整［9］。本模型采用水文站月徑流量實測值與模擬值進行對比，對模型進行校準。兩者的皮爾遜相關系數(shù)趨近于1，說明模型擬合度比較好，該模型具有較好的準確性。

2 研究結果

2.1 河北省水資源供需現(xiàn)狀分析

河北省WEAP2018 模型結果顯示，不考慮南水北調等外調水的情況下，2018 年研究區(qū)水資源需求量共計182.61 億m3，供給量165.44 億m3，缺水量17.17 億m3，而2018 年河北省水資源公報顯示需求量182.42 億m3，全省水資源量164.02 億m3，與該模型模擬結果基本一致，誤差可能是在數(shù)據(jù)處理過程中由格網化時造成的。模擬結果顯示，2018 年河北省缺水量17.17 億m3，其中，農業(yè)用水缺水（16.17 億m3）占缺水量的94.18%，生活用水缺水（0.89 億m3）占缺水量的5.19%，環(huán)境用水缺水（0.052 億m3）占總缺水量的0.31%，工業(yè)用水缺水（0.055 億m3）占總缺水量的0.32%。

農業(yè)用水和環(huán)境用水節(jié)點的需求量存在較大的月變化。農業(yè)用水主要在7—9 月無法滿足全部用水需求，因為7—9 月為農業(yè)主要灌溉期需求較大，不考慮外調水的情況下難以完全滿足；面對嚴峻的水資源短缺形勢，河北省不得不擠占環(huán)境用水以維持農業(yè)和生活用水供需平衡，導致工業(yè)用水和環(huán)境用水在12—2 月無法滿足。

子牙河、灤河、黑龍港運東流域和大清河流域用水需求較高，因為這些流域農業(yè)產值高、經濟較發(fā)達，對水資源的需求大，如圖2。潮白河、灤河、永定河、子牙河、漳衛(wèi)河及黑龍港運東流域的用水需求基本得到滿足，但大清河流域的農業(yè)缺水量巨大，需求未得到滿足。在大清河流域中，生活用水完全得到滿足，工業(yè)用水和環(huán)境用水基本得到滿足，而農業(yè)用水滿足度較低，因為大清河流域是我國重要的農業(yè)生產基地,農作物產量高。由于受自然條件的制約，這一地區(qū)水資源相當貧乏，是我國缺水最嚴重的地區(qū)之一如圖3。

圖2 河北省各流域不同部門需求量 單位：億m3

圖3 河北省各流域不同部門缺水量 單位：億m3

2.2 人口變化預案下水資源供需平衡分析

人口變化預案是在考慮未來河北省經濟社會發(fā)展引起人口在時間和空間尺度上的變化而引起的對流域水資源變化情況的模擬。

參照預案需求量和人口預案需求量對比如圖4，需求量持續(xù)增長與人口有較大關系。參照預案是不受任何外界因素、政策影響的結果，而人口預案是結合模擬出的實際人口增長而對水需求量的影響，相比于參照預案更具有參考價值。在人口預案下，到2025 年增加的水需求量約12.49 億m3，到2030 年流域增加的用水量約23.74 億m3，增長幅度分別為現(xiàn)狀基準年的6.8%和13%。由于城鄉(xiāng)居民生活要求的水量占比較少，人口增長之間的差別有限，只要流域內不發(fā)生規(guī)模性移民，僅依靠當前地方人口增長速度及城鄉(xiāng)居民的用水習慣，在未來10～15 年內對流域水資源承載能力的影響不大。

圖4 人口預案下需水量變化模擬

2.3 節(jié)水預案下水資源供需平衡分析

節(jié)水預案是根據(jù)國家“十四五”發(fā)展規(guī)劃，詳細參考《河北省“十四五”節(jié)水型社會規(guī)劃》進行預案參數(shù)的設置，通過提高渠系水利用系數(shù)、工業(yè)用水重復利用率和降低公共管網滲漏率來逐步實現(xiàn)全流域節(jié)水。

通過實施節(jié)水預案，各流域內農業(yè)、生活和工業(yè)要求的水量有明顯降低。各流域工業(yè)用水需求量差異較大，尤其是灤河和子牙河流域，因為灤河和子牙河流域經濟較發(fā)達，聚集大量生產型的工廠，說明提高工業(yè)用水重復利用率是較有效的工業(yè)節(jié)水措施；其次是生活用水需求量，各流域下降率約27%，相差不大；農業(yè)用水需求量由于本身所占的比重較大，通過提高灌溉水有效利用系數(shù)也有所下降，但相較于其他兩類用水不明顯，如圖5。

圖5 節(jié)水預案下各流域需水量變化模擬

在節(jié)水預案下，通過提高灌溉水有效利用系數(shù)，有效降低農業(yè)用水需求量。在逐步提高灌溉水有效利用系數(shù)的情況下，到2025 年和2030 年可節(jié)省農業(yè)用水量為2018 年的1.74%、2.2%；通過降低公共管網漏損率，到2025 年和2030 年可節(jié)省生活用水量為2018 年的27.9%、29.17%；通過提高工業(yè)用水重復利用率，到2025 年和2030 年可節(jié)省工業(yè)用水為2018 年的15.99%、19.02%，如表3。對于當前河北省水資源短缺情況來看，實施節(jié)水規(guī)劃是比較有效的措施，可取得顯著成效。

表3 不同預案下水資源需求量變化

3 結語

研究可知，在不考慮南水北調等外調水的情況下，2018 年河北省缺水量為17.17 億m3，農業(yè)缺口較大。在人口政策影響下，到2030 年要求的水量有所減少，靠當前人口增長速度對流域水資源承載能力的影響不大。通過提高渠系水利用系數(shù)、工業(yè)用水重復利用率和降低公共管網滲漏率等措施可實現(xiàn)部分節(jié)水，節(jié)水預案可取得顯著成效。