A System Dynamic Forewarning Model of Watershed Dual Water Resources Carrying Capacity

GAO Wei1, LIU Yong2,†, HE Shuzhuang1

ACTA Scientiarum Naturalium Universitatis Pekinensis - - Contents -

1. School of Ecology and Environmental Sciences, Yunnan University, Kunming 650091; 2. The Key Laboratory of Water and Sediment Sciences (MOE), College of Environmental Sciences and Engineering, Peking University, Beijing 100871; † Corresponding author, E-mail: yongliu@pku.edu.cn

Abstract The paper defined the concept of dual water carrying capacity based on water balance of different water quality and addressed a new method of determining forewarning classification according to timing of water shortage. A forewarning model of dual water carrying capacity was established based on system dynamics model. Taking the upstream of Niulanjiang watershed as a case study, the dual water carrying capacity was assessed and predicted by the model. Results show that under business as usual scenario, water resources of high quality will reach blue early warning and that of ordinary quality will reach yellow early warning. To meet the requirement of water diversion in the area, only low rate of socioeconomic development can be sustained in the area while environment protection measures has to be made at medium or above level. Key words water resources carrying capacity; system dynamics; forewarning; grey water footprint; Niulanjiang

水资源短缺是我国经济社会可持续发展的重要制约因素, 并随着人口增长和水污染问题的蔓延不断加剧。根据 2015 年的统计数据[1–2], 我国人均水资源占有量仅 2016 m3/人, 相对于 1980 年的 2807 m3/人, 下降 28%, 仅相当于同期全球平均水平(5582 m3/人)的 1/3。此外, 我国水污染问题也十分严重, 2015 年中国环境状况公报数据显示全国 972个国控断面中, 35.5%的断面受到不同程度的污

染[3]。水污染问题导致水资源的使用功能发生分化,降低了可利用水资源量, 加大了水资源的供给压力。在水污染较为严重的背景下, 水资源研究必须在传统的单一水量指标考量基础上, 考虑不同水质的水资源问题。因此, 分质水资源承载力评估成为水资源供需研究的重要背景和需求。

由于我国经济社会与水资源矛盾突出, 国内水资源承载力研究起步较早。20 世纪 80 年代, 施雅

风等[4]就明确提出水资源承载力的概念。随着我国水资源问题的发展和研究的深入, 水资源承载力的内涵不断拓展, 从早期单一水资源数量逐步发展为涵盖水量和水质的综合概念。邹进等[5]在水资源承载力评价中强调水资源的量、质与能 3 个属性; 王建华等[6]从水质与水量耦合的角度界定水资源承载力概念, 并构建评价方法。然而, 当前尚未从资源供需角度提出基于不同水质的水资源承载力概念,研究内容也局限于承载力评估、预测和优化[7–9],基于不同水质的水资源承载力预警方法与应用鲜见报道, 限制了水资源承载力研究的进一步发展。在分质水资源供需方面, 国内的研究处于起步阶段,

[10]文献数量较少。赵斌等 提出一种区域水资源配置的分质供水模型, 认为水资源分质供水模型是一个系统优化和多目标决策问题。该研究提出一种概念模型, 未给出具体计算方法和案例研究。唐巨山

[11]等 提出一种基于宏观尺度分质供水的水资源系统模拟模型, 并以浙江省台州市为例进行研究。模型以缺水量最小为优化目标, 考虑不同用水部门和供水水源地, 主要解决现状水资源供需条件下的水

[12]量平衡问题。类似的研究还有王霭景等 建立的天津市分质供水多目标优化配置模型, 康爱卿等[13]构建的辽河流域水质水量联合配置模型。在预警模型方面, 针对水资源承载力的预警方法体系尚未建立。在生态承载力和水环境承载力预警方面, 部分学者基于综合评价指数构建了预警模型[14–15], 但警情和分级方法主观性较强, 含义不明确。针对水资源的分质属性构建水资源承载力预警模型, 对丰富水资源承载力研究方法和解决当前面临的水质性缺水问题具有重要意义。本研究针对水污染条件下水资源的分质特性, 结合经济社会发展和资源环境对水资源的分质需求, 提出基于不同水质的水资源量供需的分质水资源承载力概念; 综合水资源承载力评估与预测模型, 提出分质水资源承载力预警模型。最后, 以牛栏江上游流域为案例区开展实证研究, 以期为流域水资源承载力预警提供一种新的方法。

1 分质水资源承载力概念与模型1.1分质水资源承载力概念

分质水资源承载力概念的界定是在传统的水资源承载力基础上, 强调水资源的质量属性及其对人类活动的支撑能力。虽然水资源承载力的概念尚未 统一, 但从研究的出发点和本质看, 水资源承载力是以水资源与人类活动的交互作用为基础, 研究水

[16–17]资源对人类活动的支撑水平 。人类活动与水资源系统的交互是以水资源需求和供给为基本形式, 水资源承载力研究应当反映这种供需关系。基于水资源承载力的一般概念, 结合水资源的质量属性, 本研究提出分质水资源承载力的概念: 在一定管理技术水平下, 某一时段内研究区不同水质的水资源可利用量对区域内人类活动的支撑能力。水资源承载力是一个复杂的经济社会与水资源复合系统, 影响因素众多。在本研究提出的概念中, “一定管理技术水平”限定了承载力研究的发展水平, “某一时段内”限定了承载力研究的时间尺度。

1.2 分质水资源承载力指数

为度量水资源承载力, 提出水资源承载力指数,该指数以水资源供需为基础, 直接反映不同质量水资源量的供需平衡状态, 计算公式如下:

WCCI  WD/WR 100% , (1)式中, WCCI 为区域水资源承载力指数(无量纲), WD为水资源需求量(万 m3), WR 为水资源量(万 m3)。WCCI 小于 100%为可承载, 大于 100%为超载。

当考虑分质水资源供需时, 参考现有分质供水的分类方法[12], 将供水水源分为优质水源和一般水源。其中, 优质水源指符合地表水环境质量标准的I~III 类水, 定义为 A 类水; 一般水源指达到水质标准 IV~V 类水, 定义为 B 类; 根据水环境质量标准,劣 V 类水暂时不作为可利用水资源量进行统计。以上水源为天然水资源量, 不包括中水回用的中水资源量和调水资源量。基于优水优用的原则, A 类水将优先供给 A 类水需求部门, 如果 A 类水有剩余水量, 则进一步向 B 类部门供给, 在此原则下实现水质和水量的最优利用和优化配置。参照水资源承载力指数的计算方法, 优质水和一般水的水资源承载力指数的计算公式如下: 式中, WCCIA 和 WCCIB 分别为优质水和一般水的水资源承载力指数; WDA和 WDB分别为优质水和一般水的水资源需求量(万 m3); WRA 和 WRB分别为优质水和一般水的水资源量(万 m3); Max 为取大

值函数, WRA·MAX(0, 1WCCIA)函数表示当优质水有剩余时, 可用于一般水需求部门, 从而实现优水优用, 高效利用的配置目的。与 WCCI 相同, 分质水资源承载力指数小于 100%为可承载, 大于 100%为超载, WCCI  100%表示超载率。分质水资源量统计是对研究区内不同水质的水资源数量的核算过程。基于区域内不同水质类别的资源比例, 核算不同质量水资源的数量, 计算公式如下:

, (4) ij j式中, WR 为某一水质类别的水资源量(万 m3); QR为某一水质类别的水资源量比例, 可用不同水质河长比例或监测站点数量比例表示; SW为区域水资源总量(万 m3)。

1.3 分质水资源承载力预警模型

分质水资源承载力预警模型的主要功能是对未来一定时期内水资源承载力状态进行预测, 并根据评估结果对当前经济社会发展模式和水资源管理发出预告信息。预警模型实质上是预测与评价的结合, 通过预测未来, 对当前状态进行评价, 因此预警模型由预测模型和评价模型构成。本研究采用水资源承载力指数评价水资源承载力状态, 采用系统动力学构建分质水资源承载力指数模拟预测模型。

1.3.1 预警级别确定

目前预警级别一般根据承载力指数大小进行分级, 但这种方法存在分级含义不明确、主观性强的问题。为明确预警的含义, 本研究以是否发生缺水作为警情发生的依据, 根据发生缺水的时间确定预

警级别。结合水资源和经济社会发展规划, 以 5 年为间距, 设置重警、中警、轻警和无警 4 个级别,分别对应 5 年、10 年、15 年内出现缺水和15年内不缺水情况(图 1)。

1.3.2 基于 SD的分质水资源承载力预测模型

系统动力学模型(system dynamics, SD)是一种以一阶微分方程为基础的数值模拟模型, 由美国麻省理工学院 Forrester[18]教授提出。由于该模型具有模拟线性、非线性和系统反馈的能力, 在资源环境承载力领域得到广泛应用[19–21]。SD 模型以系统的因果关系为基础, 基于系统论、控制论和信息论等理论构建系统变量的关联。基于分质水资源承载力的概念, 对系统内因果关系的表述如图2所示。可以看出, 区域经济社会是影响水资源承载力指数的最终驱动力, 经济社会通过用水和排污改变区域的水资源供需关系。此外, 节水、减污等措施可以改变经济社会对水资源供需的影响途径和强度。本文基于分质水资源承载力系统的因果关系,结合经济社会发展预测、需水预测、污染排放预测和分质水资源承载力指数计算等, 在 Vensim DSS平台上构建分质水资源承载力 SD 预测模型。该模型包含 227 个变量, 其中 18 个为状态变量(图 3)。

2 案例研究2.1案例区概况

本研究的案例区为牛栏江德泽水库汇水区(图4), 集水面积为 4490.42 km2, 涉及昆明市和曲靖市2 个地级市,6个区县。研究区主体在寻甸县、沾益县、马龙县和嵩明县, 4 个县内的集水面积分别占

图 2分质水资源承载力系统因果关系Fig. 2 Cause and effect of dual water resources carrying capacity system

图 1分质水资源承载力预警级别划分Fig. 1 Classification of forewarning for dual water resources carrying capacity

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