2.3　水资源承载力系统及计算模型

2.3.1　宏观经济—社会系统—水资源系统

由水资源承载力的概念可以看出,水资源承载力研究面对的是一个社会、经济和资源在内的纷繁复杂的大系统,在这个系统内既有自然因素的影响,又有社会经济、文化传统等因素的影响。为此,对水资源承载力的研究应该立足于水资源的时限性和可再生性,以系统工程方法为依据进行综合动态平衡研究。为此,必须先对水资源承载力研究的对象——经济、环境和水资源系统进行分析(王忠静,2001)。

人类社会存在于一定的社会空间,而又需要一定的资源为其服务。从系统的角度来看,人类社会作为一个大系统可以划分为相互联系着的子系统,如社会、经济、环境、生态、人口资源、土地资源、水资源、矿藏资源及木材资源等系统,这些子系统的运动发展构成了人类社会的进步。

根据这些子系统的特点,可以将它们分为三类:第一类为社会子系统,它包括人口、城市、科学技术等系统的发展状况直接决定了人类社会的发展水平;第二类经济子系统,它包括产业结构、GDP、人均国民生产总值等经济因素;第三类资源子系统,本文采用水资源系统。

随着人类的进步,人们已经认识到社会发展不仅仅体现在经济方面,可以说人类社会进步的最终目的是为了创造更文明的社会、更舒适的生存环境以及更强大的经济,只有保持三类子系统之间的协调发展,才能真正维持人类社会的协调、健康地发展;资源系统是人类社会生存和发展的必要条件,不是人类社会的最终目的,因为资源的开发程度不能反映人类社会的发展水平。随着科学的进步,人类已经认识到资源是有限的,可再生资源的更新也是周期性的,对资源进行掠夺性地开发会破坏自然平衡,产生严重的后果。

严格地说,水资源承载力必须从上述大系统着手研究水资源在整个大系统中的作用,研究水资源与其他资源、水资源与社会经济发展之间的关系,但是,在现阶段受人力、物力、财力,尤其是科学技术手段的限制,还难以综合分析研究如此庞大复杂的大系统的运动发展规律,目前比较切实可行的办法是将对水资源系统影响不强烈的其他资源系统(如木材、土地、矿藏资源、能源)略掉或简化处理,突出水资源与社会、经济、环境之间的影响关系。

社会、经济、生态、环境(狭义指水环境)和水资源系统可以看做是相互联系、相互依赖,相互影响、相互制约的一些子系统,这些子系统组成一个有机的整体:宏观经济—社会系统—水资源系统。

在宏观经济—社会系统—水资源系统中,经济子系统是整个系统的基础,而水资源子系统则是各个子系统之间的纽带。这个大系统的各个子系统内部有各自独特的运作规律,外部又有广泛的联系和影响,涉及的问题和因素比较多。

2.3.2　水资源可持续承载力系统分析步骤

根据上述思想,水资源可持续承载力研究可按图2-4所示步骤进行系统分析。

由图2-4可得出水资源可持续承载力研究分为5层。

1.数据层

数据收集并建立地理信息系统。

2.评价体系层

目前国内外研究者根据各自对可持续发展内涵的理解以及各自研究区域的特点,建立了不少可持续发展的指标或指标体系和判据,在此不做赘述。论文根据绪论及本章的研究,针对目前水资源承载力这些已建立指标体系要么过于庞杂,要么过于宽泛,难以在实践中有效应用。在研究过程中不能明确体现可持续发展原则和不重视生态良性循环发展条件的问题。因此,本书认为应在可持续发展基础和保护生态环境基础上建立基于水资源的流域可持续发展指标体系应体现保护生态环境、生态需水与水资源的协调程度等。

本书将从区域系统整体出发,提出了分析研究区域的系统结构及经济、社会、资源、环境等要素特征的方法,并探讨可持续发展目标与系统组成要素间的对应关系,并最终建立可持续发展指标体系。用指标体系去描写可持续发展的目标,其目的在于寻求一组具有典型代表意义、同时能全面反映可持续发展各个方面要求的特征指标及其组合,从而表达出人们对该综合目标的定量判断。这一基本目的规定了我们进行指标体系研究,就是要通过分析被描述对象的系统结构及其要素,建立可持续发展目标与系统组成要素间的对应关系,然后根据可持续发展和系统工程理论,按照有关原则要求去选择和设置定量指标,同时分析它们总体目标的相关程度,建立可持续发展指标体系。在以往的研究中承载力体系的指标过于复杂,模糊了可持续发展和承载力,往往不能体现可持续发展和承载力的概念,本书单独建立承载力体系以明确体现承载力的含义。

3.计算层

计算层按图2-5进行:首先由基本数据得出流域水资源的特性、数量、质量及可开发利用条件分析,然后根据各种不同的开发方式计算各种情况下的供水量。预测各子系统需水量根据国家和地区社会经济发展计划、流域水资源及其他各种资源状况,预测社会、经济、生态环境子系统发展规模,在此基础上研究流域发展模式,并计算相应模式下各子系统需水量。

4.优化配置层

在社会经济及生态环境可持续发展的基础上,根据地区的社会经济发展现状、特色及潜力和环境现状,通过工程和非工程措施,将不同的水资源开发利用方式和社会、经济、水资源子系统发展基本方案进行组合,生成多种流域发展模式,合理调配水资源,以求得相应水资源开发利用方式和社会、经济、生态环境子系统发展模式下的水资源优化配置方式,找出最合理的水资源配置方式。

5.总结层

在综合分析可持续发展指标和可持续发展水资源承载力的指标和判别的基础之上,对研究流域进行水资源可持续利用战略分析,寻求进一步开发水资源潜力、提高水资源可持续承载力的有效途径和措施,探讨人口适度增长、资源有效利用、生态环境逐步改善、经济协调发展的战略和对策,选取区域最优发展模式。

2.3.3　水资源预测模型

2.3.3.1　水面蒸发计算方法

水面蒸发量可利用气象资料根据近地层空气动力学和热量平衡原理间接推算,也可用仪器直接观测。

1.器测法

器测法是应用蒸发器或蒸发池直接观测水面蒸发量。我国水文和气象部门采用的水面蒸发器有:Ф20型、Ф80套盆式、E601型蒸发器,以及水面面积为20m2和100m2的大型蒸发池。其中E601型蒸发器稳定性较好,是目前水文部门普遍采用的观测仪器。每日8时观测一次蒸发器(当日8时至次日8时)的蒸发水深,即日水面蒸发量,一个月中每日蒸发量之和为月蒸发量,一年中每日的蒸发量总和为年蒸发量。

由于蒸发器的蒸发面积比天然水体小得多,其受热条件与大水体有显著的差异,所以,蒸发器观测的数值不能直接作为如水库这样的大水体的水面蒸发值。据研究,当蒸发池的直径大于3.5m时,其蒸发量与天然大水体较为接近,因此,可用20m2和100m2的大型蒸发池的蒸发量E池与蒸发器的蒸发量E器之比作为折算系数,即:

实际资料分析表明,折算系数随蒸发器直径而变,也与蒸发器类型、自然环境、季节变化等因素有关。实际工作中,应根据当地实测资料分析。

2.经验公式法

由实验得出的道尔顿定律表明,水面蒸发量与饱和压差成正比:

华东水利学院在对国内大型蒸发池观测资料进行分析综合后,于1966年提出如下经验公式:

计算水面蒸发的经验公式很多,应用一般具有地区性,实际工作中要根据研究地区的自然地理特性选用,并注意验证。

3.热量平衡法

根据能量守恒原理,通过测定太阳的短波辐射、大气和水面长波辐射、进出水体的热量,对流的热量和水体的储热量等可建立水体的热量平衡方程,据此可估算蒸发量。

如果计算时段较长(例如1日),可以忽略H a和Hz,则有:

4.彭曼法

式中Δ——温度—饱和水汽压关系曲线在T处的斜率,kPa/℃;

γ——湿度表常数,kPa/℃;

Rn——作物表面净辐射,MJ/(m2·d);

G——土壤热通量,MJ/(m2·d);

u2——2m高处风速,m/s;

es——饱和水汽压,kPa;

ea——实际水汽压,kPa。

注:单位不同,公式形式会有所不同。

5.水量平衡法

自然界中的任何物质都满足质量守恒定律,对于水体来说也是如此。如任取一定数量的水体,满足水量平衡方程式的水面蒸发量计算公式为:

与其他方法相比,水量平衡法简单明了,但当计算时段较短时,蒸发量可能相对于其他各项量值较小,计算的误差则较大。因此,水量平衡法通常应用于较长时段内流域面积上的水面蒸发计算。

2.3.3.2　面雨量计算方法

由雨量站观测的降雨量,只表示流域中某点或小范围的降雨情况,在水文计算时,需要计算全流域或全区域的平均降雨量。推求流域平均降雨量的常用方法有以下几种。

1.算术平均法

以流域内各站降雨量的算术平均值作为流域平均降雨量,该法适用于流域内雨量站网密度较大且雨量站分布均匀的情况,并要求流域内地形起伏变化不大。

2.泰森多边形法(面积加权平均法)

若流域内雨量站分布不均,采用泰森多边形法较算术平均法更合理和优越。其作法是:在地形图上标出各雨量站,就近连成三角形并尽可能成锐角。在连三角形时,对本流域雨量起一定控制作用的邻近流域的测站也应包括进去,然后对每个三角形的各边作垂直平分线,这些垂直平分线与流域边界构成以每个站为核心的多边形。虚线为三角网,实线为每个测站控制的多边形面积。在流域边界,如果多边形的一部分跨越边界,则只取用本流域内的那部分多边形面积。用求积仪量算每个测站的控制面积fi(或使用扫描仪把纸质地图变为电子地图后,用AutoCAD或者地理信息系统软件量算),该值与流域总面积F的比值作为该站的权重αi:

然后用下式计算流域面平均雨量:

如果站网稳定不变,采用此法较好;如果某个时期因个别雨量站缺测或缺报以及雨量站位置变动,将改变各站权重,给计算带来麻烦。可以证明,在所有雨量站中,只有同一部分面积上的那一个雨量站,距离该部分面积上的任何一点最近。该法的原则是基于测站间的降水是呈线性变化的,这对于地形有较大起伏的流域不太符合实际情况,因此,若流域内或测站间有高大山脉,用此法会带来误差。

3.等雨量线法

对于地形变化大、又有足够多的雨量站的区域,如果能够根据降雨资料结合地形变化绘制出等雨量线图,则可采用本法计算流域平均雨量。先用求积仪量算各相邻等雨量线间的流域内面积,然后用下式计算流域平均雨量:

等雨量线法理论上较完善,但要求有足够数量的雨量站,且每次降雨都必须绘制等雨量线图,并量算面积和计算权重,工作量相当大,故实际上应用不多,只有在分析大面积的特殊暴雨洪水时才使用。

4.距离平方倒数法

此法为美国气象局系统首先采用,其作法是将区域(或流域)分成网格,各格点的雨量用其周围雨量点的值确定,再取各格点雨量的算术平均值即为流域的平均雨量。推求各格点雨量,是以格点周围各雨量站到该点距离平方的倒数为权重,用各站权重系数乘以各站同期降水量,取总和即得。雨量站1到格点;横坐标为Δx,纵坐标差为Δy,则格点到雨量站的距离为:

雨量站1的权重系数为W=1/d2,格点j的雨量公式为:

取各格点雨量的平均即为流域或区域的面平均雨量。此法适于计算机处理,存在的问题是,计算机如何确定参与某个格点计算的雨量站数目,有的研究者采用以格点为中心作一定半径的圆,落在圆内的雨量站被选中参与计算。

2.3.3.3　径流量计算方法

1.由年平均径流深求年总径流量

根据径流深和各分区面积,就可以求出各分区的地表水资源量。

2.以年均径流求总径流量

3.以径流模数求径流量

4.面积比例法求总径流量

5.水文模型方法计算

现存的水文都可以计算径流量,例如20世纪50年代提出的流量综合与水库调节模型(SSARR)、斯坦福模型(SWM)、新安江水文模型、萨克拉门托(SAC)模型、水箱(TANK)模型等概念性模型出现。20世纪70年代以来国内外水文学家提出的众多分布式流域水文模型,如SHE、MIKESHE、SHETRAN等模型。

2.3.3.4　地下水资源量

地下水资源量计算,一般采用均衡计算方法,依据该区水文地质条件,分别建立浅层地下水和中深层地下水均衡方程式。由于超深层地下水开采条件较差,实际含水层面积较小,暂不进行计算。

浅层地下水资源计算:

Q蒸——蒸发耗量;

Q开——地下水开采量;

Q越——潜层越层补中深量;

Q径排下——向下游经排地下水量;

Q河滩——河流滩地地下水泄渗量。

主要参数如下:

(1)给水度μ。亚沙土0.05;亚黏土0.04;亚沙加亚黏土0.045;粉细砂0.1～0.2。

(2)降水入渗系数。用汛期地下水动态补给系数公式:

(3)渗灌回归系数。黄土区5%;沙丘及粉砂区20%,其他区10%。

2.3.3.5　生活需水

生活需水包括城镇生活需水以及农村生活需水两部分。

城镇生活需水:

农村生活用水与城镇生活用水大致相同,在预测农村生活需水的过程中,需要按大小牲畜的数量与需水定额进行计算。

2.3.3.6　工业需水

目前工业需水预测有以下几种方法:趋势法,产值相关法(也称定额法),重复利用率提高法,分块预测法(分行业预测法)以及系统动力学法。

这里选用重复利用率提高法:

2.3.3.7　农业灌溉需水

式中W灌——全区总灌溉需水量;

ωij——某一分区某种作物的灌溉面积;

mij——某一分区某种作物的灌溉定额;

ηi——分区灌溉水利用系数;

k——分区数;

t——计算时段。

2.3.3.8　渔业需水

渔业需水包括了养殖水面蒸发,渗漏所消耗水量的补充和换水量:

2.3.3.9　引提水工程

引提水工程可供水量与引提水口的径流量,引提水工程能力以及用户的需水量有关。

2.3.3.10　地下水工程供水预测

地下水工程可供水量,与当地地下水可开采量,机井提水能力以及需水量等有关。

2.3.3.11　封冻层融化后对地下水的补给量

冰期潜水蒸发的水量冻结于冻土层下部,随着春季融冻开始,部分融冻水消耗于蒸发,部分又回归补给地下水。

因缺乏冻土期的实测数据,难以确定回补系数,故在方程中暂不考虑此项。