基于氣候改變情況下的水資源動(dòng)態(tài)承載力分析

(山東臨沂水利工程總公司 ，山東 臨沂 276006)

基于氣候改變情況下的水資源動(dòng)態(tài)承載力分析

陳麗萍趙華東趙華軍

(山東臨沂水利工程總公司 ，山東 臨沂 276006)

氣候變化是全球性主要環(huán)境問題之一，在未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)，氣候變化將加深我國(guó)水資源的供需之間的矛盾，對(duì)水資源動(dòng)態(tài)承載力產(chǎn)生重要影響?；诖?，筆者結(jié)合實(shí)際情況以及多年的水利工作經(jīng)驗(yàn)，對(duì)水資源動(dòng)態(tài)承載力的概念進(jìn)行分析，對(duì)后期的動(dòng)態(tài)承載力的計(jì)算提出一些研究方法與理論框架，并以細(xì)河流域?yàn)閷?shí)例進(jìn)行相關(guān)分析。

氣候改變；水資源；動(dòng)態(tài)；承載力

氣候情況的改變影響著水資源的動(dòng)態(tài)承載力，進(jìn)而加劇我國(guó)水資源的供需矛盾。本文通過構(gòu)建PSO-COIM動(dòng)態(tài)回歸模型[1]，對(duì)水資源的動(dòng)態(tài)承載力進(jìn)行分析與計(jì)算。

1 研究背景

現(xiàn)階段，由于氣候變化對(duì)水資源的影響涉及氣象、生態(tài)、人文等多方面的學(xué)科問題，是一項(xiàng)復(fù)雜、龐大的工程，因此，目前的研究主要集中在氣候變化對(duì)水循環(huán)過程的響應(yīng)以及水量的影響上，對(duì)水資源動(dòng)態(tài)承載力方面的研究還很少。由于研究的針對(duì)性與側(cè)重性，氣候變化情況下對(duì)水資源的演變以及適應(yīng)性方面的應(yīng)對(duì)策略研究已經(jīng)相當(dāng)完善[1-2]，但是有關(guān)水資源動(dòng)態(tài)承載力的文獻(xiàn)相對(duì)而言還非常少。隨著研究范圍的擴(kuò)展，水資源的動(dòng)態(tài)承載力也逐漸進(jìn)入人們視野，其計(jì)算一般以序列水文、氣象變化為依據(jù)，得到未來(lái)水平年不同保證率水資源可利用量[3-4]，計(jì)算出未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)的水資源承載力。但是，這種計(jì)算方式由于計(jì)算依據(jù)是不精確的歷史資料，缺少現(xiàn)代科學(xué)對(duì)其的考究，因此計(jì)算結(jié)果不能作為研究可行對(duì)策的依據(jù)。面對(duì)資源匱乏的加劇以及環(huán)境的日趨惡劣，開展氣候改變情況下的水資源動(dòng)態(tài)承載力分析研究對(duì)于應(yīng)對(duì)氣候變化具有積極意義。

2 水資源動(dòng)態(tài)承載力概念及內(nèi)涵

水資源動(dòng)態(tài)承載力概念：承載力從字面分析為物理概念，指的是物體在不被破壞的前提下能夠承受的最大負(fù)荷。該概念在水資源領(lǐng)域經(jīng)過擴(kuò)展，就變?yōu)樽匀毁Y源承載力的一部分。雖然國(guó)內(nèi)外有關(guān)專家學(xué)者針對(duì)該概念的表述有些不同，但是殊途同歸，都提出了關(guān)于水資源的可開發(fā)規(guī)模以及水資源對(duì)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的支撐能力等概念。水資源動(dòng)態(tài)承載力概念的重新提出改進(jìn)了傳統(tǒng)計(jì)算方式存在的弊端。傳統(tǒng)方式以未來(lái)水平年不同保證率水資源可利用量[4]為依據(jù)，一旦未來(lái)一段時(shí)間氣候發(fā)生變化，水資源情勢(shì)就會(huì)隨之變化，這種計(jì)算方式也就失去了意義。水資源動(dòng)態(tài)承載力的計(jì)算根據(jù)是未來(lái)年份當(dāng)氣候變化或者人類活動(dòng)變化下水資源的量進(jìn)行承載力的計(jì)算。

水資源動(dòng)態(tài)承載力的內(nèi)涵：著重考慮水資源在受到氣候變化以及人類活動(dòng)的影響時(shí)的動(dòng)態(tài)變化，即內(nèi)因與外因，自然與社會(huì)的循環(huán)方式；區(qū)別于傳統(tǒng)的水資源承載力概念，不僅明確了水資源承載對(duì)象，還突出了其動(dòng)態(tài)性，即在不同的時(shí)期水資源量能夠?yàn)榻?jīng)濟(jì)社會(huì)承載的最大規(guī)模，對(duì)水資源的變化以及經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展進(jìn)行綜合考慮；提出承載標(biāo)準(zhǔn)的評(píng)價(jià)依據(jù)，既要保證可持續(xù)發(fā)展，又要維持整個(gè)水流生態(tài)系統(tǒng)的良性循環(huán)，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)與自然的協(xié)調(diào)發(fā)展；確定了水資源承載力評(píng)價(jià)的時(shí)間與空間范圍，應(yīng)該將時(shí)間限定在人類科學(xué)技術(shù)能夠企及的時(shí)間范圍內(nèi)，將空間限定在以某一具體的區(qū)域?yàn)榛狙芯繂挝弧?/p>

3 水資源動(dòng)態(tài)承載力計(jì)算方式

3.1 水資源動(dòng)態(tài)承載力計(jì)算方法介紹

當(dāng)前不乏關(guān)于水資源動(dòng)態(tài)承載力的計(jì)算方式，具體包括經(jīng)驗(yàn)公式法、綜合評(píng)價(jià)法與系統(tǒng)分析法。經(jīng)驗(yàn)公式法相對(duì)簡(jiǎn)單，對(duì)水資源、自然環(huán)境、經(jīng)濟(jì)社會(huì)之間的綜合考慮較少。綜合評(píng)價(jià)法雖然通過與評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的比較得出水資源承載力，有一定的數(shù)學(xué)依據(jù)，但是沒有考慮到水資源的整體性。系統(tǒng)分析法對(duì)水資源承載力的主體與對(duì)象進(jìn)行綜合考慮，研究承載狀況，但是在系統(tǒng)模擬上仍有不足。針對(duì)這種情況，筆者在研究大量資料的基礎(chǔ)上，提出“基于模擬和優(yōu)化的控制目標(biāo)反推模型”法，英文簡(jiǎn)稱COIM。不僅能夠?qū)⑺h(huán)、經(jīng)濟(jì)社會(huì)、自然系統(tǒng)三者之間的關(guān)系體現(xiàn)出來(lái)，而且能夠計(jì)算出水資源的承載能力。

3.2 水資源動(dòng)態(tài)承載力計(jì)算框架

參照上文提出的COIM方法，筆者仔細(xì)研究了水資源動(dòng)態(tài)承載能力的概念與內(nèi)涵，綜合考慮內(nèi)因與外因?qū)φ麄€(gè)水系統(tǒng)的影響，提出水資源承載力的計(jì)算框架。該框架為“基于預(yù)測(cè)—模擬—優(yōu)化的控制目標(biāo)反推模型”，英文簡(jiǎn)稱PSO—COIM。具體計(jì)算過程如下圖所示，該計(jì)算方法得出的結(jié)果，充分考慮到氣候與人類的不確定因素，體現(xiàn)出動(dòng)態(tài)的變化特征，既能體現(xiàn)出過去水資源動(dòng)態(tài)承載力的動(dòng)態(tài)演化過程，也能反映出未來(lái)的變化趨勢(shì)。

基于PSO—COIM的水資源承載力計(jì)算框架圖

3.3 PSO—COIM一般表達(dá)式及說(shuō)明

3.3.1 氣候模式輸出模塊

該計(jì)算模型能夠考慮到氣候變化時(shí)以及水資源的變化對(duì)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的影響。因此，在該模型中要考慮到氣候變化這個(gè)變量本身的影響。由于氣候變化自身是一個(gè)非常復(fù)雜的綜合性問題，在此不作過多的研究，直接在模型中引用現(xiàn)階段認(rèn)可度較高的氣候模型，將不同氣候的變化進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬。

3.3.2 氣象因子與陸面水資源系統(tǒng)之間的輸出與輸入關(guān)系

氣候模式的輸出，關(guān)系著不同時(shí)間段與空間區(qū)域上不斷變化的氣象因子，例如降雨量、溫度等。這些因素促使陸面水資源發(fā)生著變化，改變水資源的徑流量以及水資源量。所以，建立氣象因子與陸面水資源系統(tǒng)之間的輸入輸出模型是很有必要的，如此才能更加客觀、精確地將氣候變化帶來(lái)的水資源動(dòng)態(tài)承載力的變化反映出來(lái)。該模型的建立方法多樣，但是仍然存在很多難點(diǎn)，例如：水文模型與氣候模型之間耦合的程度問題。雖然已經(jīng)有大量的研究文獻(xiàn)，但是仍然受到所需資料與技術(shù)的限制。

3.3.3 污染物循環(huán)轉(zhuǎn)化關(guān)系

污染物從產(chǎn)生與排放，再到轉(zhuǎn)化、吸收，整個(gè)過程十分復(fù)雜。在水資源動(dòng)態(tài)承載力計(jì)算模型中，需要將污染物循環(huán)轉(zhuǎn)化關(guān)系包含在內(nèi)，將人類影響下水質(zhì)變化的程度進(jìn)行定量。例如：可以建立排放污染物量的計(jì)算方式，水質(zhì)變化的模擬計(jì)算，來(lái)表達(dá)污染物的產(chǎn)生與轉(zhuǎn)移的過程。

3.3.4 經(jīng)濟(jì)社會(huì)相互制約

在經(jīng)濟(jì)社會(huì)中，各個(gè)因素之間是相互聯(lián)系的，甚至互相制衡。例如：人口數(shù)量的增長(zhǎng)必然促進(jìn)農(nóng)業(yè)的發(fā)展，當(dāng)人們的飲食問題得以解決就會(huì)想更進(jìn)一步提高生活質(zhì)量，因此工業(yè)得到了一定的發(fā)展。人口的增長(zhǎng)促進(jìn)工農(nóng)業(yè)的發(fā)展，但是所需的資源更多，污染物也隨之增多。由此可見，這些因素之間互相關(guān)聯(lián)又互相制約。因此，需要建立它們之間互相制約的工程。

4 應(yīng)用實(shí)例

4.1 所選區(qū)域

所選流域(泗河)總面積1047km2，發(fā)源于蒙山腹地新泰南部太平頂西麓，西南流入泗水縣境后改向西行，至曲阜市和兗州市邊境復(fù)折西南，交通位置優(yōu)越，工業(yè)門類以鐵礦采選業(yè)、鋼鐵加工業(yè)、綠色食品加工業(yè)和機(jī)械零部件加工業(yè)為主。河流眾多，有多條支流，流域面積超過2000km2,但是水資源的利用率很低，上游工礦企業(yè)排污嚴(yán)重，生態(tài)環(huán)境已經(jīng)相當(dāng)惡劣。由此可見，在泗河流域開展該研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

4.2 資料來(lái)源

采用國(guó)家氣象局近50年來(lái)對(duì)該流域進(jìn)行觀測(cè)的氣象資料；采用該區(qū)域水文局近50年實(shí)測(cè)水文資料；氣候模式的變化預(yù)測(cè)相關(guān)數(shù)據(jù)從《中國(guó)地區(qū)氣候變化預(yù)估數(shù)據(jù)集》獲得。

4.3 水資源動(dòng)態(tài)承載力計(jì)算

以上文中提到的PSO-COIM模型為依據(jù)，建立該流域的水資源動(dòng)態(tài)承載力的計(jì)算模型，利用迭代數(shù)值方式計(jì)算出2011年、2015年、2020年、2025年、2030年不同氣候情況下水資源承載力，結(jié)果見下表。

不同氣候情況下的水資源承載力表

由結(jié)果可知:這幾十年間該流域的水資源動(dòng)態(tài)承載力一直呈現(xiàn)動(dòng)態(tài)變化，雖然有些支流的承載度變化不明顯，但是在經(jīng)濟(jì)社會(huì)的持續(xù)發(fā)展下一直處于承載力的邊緣。通過聯(lián)系實(shí)際情況以及計(jì)算結(jié)果，所得的結(jié)果具有科學(xué)性與合理性，客觀地反映出泗河流域水資源的變化趨勢(shì)。

5 結(jié) 語(yǔ)

綜上，本文先初步提出水資源動(dòng)態(tài)承載力的研究成果與現(xiàn)狀，又闡述了動(dòng)態(tài)承載力的有關(guān)概念，再結(jié)合多年的研究經(jīng)驗(yàn)，提出了COIM方法與PSO—COIM模型，以細(xì)河流域?yàn)槔龑?duì)其進(jìn)行驗(yàn)證。雖然氣候改變情況下的水資源動(dòng)態(tài)承載力的計(jì)算涉及多個(gè)學(xué)科，比較復(fù)雜，難以操作，但是在科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步以及行業(yè)人員的不斷研究下，更多、更新、更先進(jìn)的計(jì)算方式已經(jīng)逐漸問世，對(duì)于提高計(jì)算結(jié)果的精確性具有促進(jìn)意義。

[1] 王永超，焦樹林，黃福衛(wèi).基于主成分分析和熵的中國(guó)水資源承載力動(dòng)態(tài)變化研究[J].城市地理,2015(20):182-184.

[2] 魏光輝.基于熵權(quán)理想解法的中國(guó)水資源承載力動(dòng)態(tài)變化研究[J].浙江水利水電學(xué)院學(xué)報(bào),2016,28(1):28-31.

[3] 郭曉英，陳興偉，陳瑩，等.基于粗糙集和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)組合法的水資源承載力動(dòng)態(tài)變化分析[J].南水北調(diào)與水利科技,2015(2):236-240.

[4] 王建華，姜大川，肖偉華，等.基于動(dòng)態(tài)試算反饋的水資源承載力評(píng)價(jià)方法研究——以沂河流域(臨沂段)為例[J].水利學(xué)報(bào),2016,47(6):724-732.

Analysisonthedynamiccarryingcapacityofwaterresourcesbasedonclimatechange

CHEN Liping, ZHAO Huadong, ZHAO Huajun

(ShandongLinyiHydraulicEngineeringCorporation,Linyi276006,China)

Climate change is one of main global environmental problems. Climate change will deepen the contradiction between the supply and demand of water resources in our country and produce important influence on the dynamic bearing capacity of the water resources within a period of time in the future. On the basis, the author combines with the actual situation and the water conservancy work experience for many years for analyzing the concept of water resources dynamic bearing capacity, some research methods and theoretical frameworks are proposed for calculating subsequent dynamic bearing capacity, and carrying out related analysis with small river basin as an example.

climate change; water resources; dynamic; bearing capacity

10.16616/j.cnki.10-1326/TV.2017.011.015

TV214

A

2096-0131(2017)011-0055-04