摘要:水资源承载力是以可持续发展为原则,区域内可利用水量能够维系的最大社会-经济规模,表征人类经济社会与生态环境的协调程度,是对水安全的一种测度。目前,水资源承载力的研究主要集中于对水资源承载力的量化方面,如余灝哲等基于PSR模型构建了水资源承载力评价指标体系,综合评价云南省水资源承载力。
关键词:水资源承载力;过境水量;SWAT模型;系统动力学
引言
为研究过境水影响区域水资源承载力评价方法,在通过流域水文模型对区域过境水量评价的基础上,利用水资源承载力评价模型模拟不同过境水情景区域水资源承载力,进而探讨过境水变化对区域水资源承载力的影响。以云南为例,构建河流域SWAT模型,模拟天然与实测过境水量,并联合水资源承载力SD模型模拟不同入境水情景水资源承载力。结果表明,丰水年时,实测与天然两种过境水情景GDP无变化;多年平均时,2030年实测过境水情景全省GDP相较于天然过境水情景偏少10%;平水年时,2030年实测过境水情景全省GDP相较于天然过境水情景偏少16%;枯水年时,2030年实测过境水情景全市GDP相较于天然过境水情景偏少15%。
1研究方法
1.1研究理论
区域水资源承载力由当地水资源量与过境水量的支撑能力共同组成,即:E=f(R+W)(1)式中,E为区域水资源承载力;R为当地水资源量;W为过境水量。封闭区域不存在过境水量,即W=0;非封闭区域需要对过境水量W进行评估,而实测过境水量WS受人类活动影响不能等价于天然过境水量WT:WS=WT-DW(2)式中,DW为受到人类活动(主要是取用水)影响的水量。由于区域边界水系复杂,水文站点很难监测到全部入境水量,因此可通过流域水文模型即SWAT模型模拟天然与实测过境水量,进而通过水资源承载力SD模型模拟过境水影响区域的水资源承载力。
1.2基于SWAT模型的过境水量模拟
1.2.1步骤1
通过DEM图层计算坡面集水面积,由闭合流域出口断面地理位置确定流域出口点和阈值面积后生成河网,确定流域总出水口,基于水力联系进行子流域划分。
1.2.2步骤2
在每个子流域内根据不同的土地利用和土壤类型将每个流域划分成一个或多个下垫面情况相对单一的水文响应单元(HRU)。
1.2.3步骤3
将各类土壤属性数据、气象数据等输入模型,创建各类模型数据库文件,SWAT过境水量模型即构建完成。
1.2.4步骤4
选择相应的控制站点与代表性子流域进行模型参数率定,并将率定好的参数展布至全流域,即可进行过境水量的模拟。
1.3水资源承载力评价系统动力学模型
1.3.1步骤1
明确水资源承载力评价中的主要问题,划定系统边界与确定系统主要变量。
1.3.2步骤2
分析系统整体与局部的反馈关系,划分系统的层次与子结构,分析变量间的关系与回路间的反馈耦合关系。
1.3.3步骤3
确定系统流图与系统主要方程式,建立系统动力学模型。
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1.3.4步骤4
对模型运行结果进行误差检验。
2举例应用
本文通过SWAT模型计算云南省入境水量地表水资源量,地下水资源量采用已知值。将模拟得到的云南水资源总量输入到水资源承载力SD模型中算得云南水资源承载规模。
2.1大汶河流域SWAT模型建立
2.1.1资料来源
大汶河流域SWAT模型建模所需数据:①美国航天局提供的30m×30m的DEM数据;②分辨率为30m的2010年云南省土地利用遥感卫星影像资料;③中国科学院创建的1∶1 000 000中国土壤数据;④32个雨量站1956~2013年的逐日降水数据与3个气象站1956~2013年逐日最高气温、最低气温、平均气温数据;
2.1.2模型建立与参数率定
基于大汶河流域DEM数据生成河网,划分子流域并计算各子流域参数。在云南界处设置控制节点,监控入境水量。对于天然过境水量的模拟,选择准天然水文站控制的子流域作为代表性子流域进行参数率定。对于实测过境水量的模拟,选择云南边境附近资料齐全所控制的子流域作为代表性子流域进行参数率定。天然过境水模拟时,参数率定期的资料选择水库1978~1997年实测月径流资料,验证期选择1998~2006年实测月径流资料。实测过境水模拟时,参数率定期的资料选择1978~1997年实测月径流资料,验证期选择1998~2006年实测月径流资料。利用SWAT-CUP工具分别对天然过境水模型与实测过境水模型所选择的代表性子流域进行参数率定,天然过境水与实测过境水的相关系数(R)均在0.9以上,纳什效率系数(NSE)均在0.8以上,说明两种情景下参数模拟效果良好,可用于天然过境水与实测过境水模拟。
模型参数率定完成后,根据各子流域不同土地利用类型、土壤类型的组成比例作为特征指标,将参数展布至全流域。
2.1.3模拟结果
将率定好的参数组输入SWAT模型,模拟得到1956~2013年云南地表水资源量及天然与实测过境水量。
2.2云南市水资源承载力评价
本次建模模型主要包含总人口、第一产业增加值、第二产业增加值、第三产业增加值、总生活污水、用水总量、缺水率等55个变量。根据云南市水资源承载力系统中的反馈关系,借助Vensim系统动力学软件构建了云南市水资源承载力系统流图,根据该系统流图与各要素、变量之间的定量关系确定系统主要方程。。选择模型中最能反映实际情况又拥有完整资料长度的变量作为检验对象,根据云南市实际情况确定各初始值,运行模型,得到2013~2015年云南市各变量模拟值,根据实际值对模型运行结果进行误差检验,利用丰水年(20%)、平水年(50%)、枯水年(75%)、多年平均四种年型的云南市当地水资源量与天然过境水、实测过境水、无过境水三种情景构建12种云南市水资源承载力评价方案。
结语
当云南市水资源量充沛时,云南水资源承载力对过境水变化的响应迟钝,丰水年时实测与天然两种情景GDP无变化,多年平均时2030年实测过境水情景下全市GDP相对于天然过境水情景偏少10%。当云南水资源量偏少时,云南水资源承载力对过境水变化的响应灵敏,平水年时,2030年实测过境水情景下全省GDP相对于天然过境水情景偏少16%,枯水年时2030年实测过境水情景下全省GDP相对于天然过境水情景偏少15%。当水资源量偏枯时,云南省要针对取用水制定更加全面的干旱应急措施,避免旱灾加剧,社会经济发展受到进一步破坏。
参考文献:
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论文作者:王定琨1,李祥2,姚飞鸿3
论文发表刊物:《基层建设》2019年第11期
论文发表时间:2019/7/24
标签:承载力论文; 水资源论文; 模型论文; 水量论文; 水情论文; 云南论文; 流域论文; 《基层建设》2019年第11期论文;