區域水資源預警方法研究及其應用
----以濟南市為例

李福臻，曹升樂，劉 陽，陳 一

(山東大學土建與水利學院，濟南 250061)

21世紀，城市作為人口和經濟的中心，在社會經濟生活中的作用日趨重要。隨著城市人口的持續增長和經濟的飛速發展，城市水資源需求量越來越大，城市缺水問題也日益嚴重。科學而合理的水資源預警機制能夠更加合理地調配城市水資源，有計劃地指導水資源的開發與利用是解決城市水資源供需矛盾，實現水資源長期穩定供給和高效利用的有效手段。

近年來，國內外學者對于水資源預警模式進行了廣泛的研究，水質預警采用的理論模型主要包括灰色理論模型、模糊理論模型、時間序列法、回歸模型等。在預警的實際應用中，鄧紹云設計了目標層、準則層和指標層3個層次的區域水資源可持續利用預警指標體系[1]；徐緒堪利用云模型理論構建了水資源可持續利用預警分級指標體系[2]；史毅超可變模糊模型和灰色GM(1,1)建立了區域水資源承載力預警體系[3]；鐘平安利用灰色理論中災變預測的原理，建立了水資源豐枯定性預警[4]；柴福鑫在城市水質、水量模擬模型的基礎上,構建了城市水資源實時調度與管理整體模型,給出了水資源實時預警(報警)指標,為城市水資源科學管理和優化調度提供了重要依據[5]；賈仁甫將水資源預警內容分為水量變化、水質變化、經濟因素變化對水資源的影響、社會因素變化對水資源的影響4個方面，提出了水資源預警管理的基本框架[6]；郭安軍將水資源概念分為水質的安全、基于水供給和水需求基礎之上的水量安全、基于可持續利用基礎之上的水量安全3個層次，提出了水資源安全預警機制原理的架構[7]；郭曉娜利用模糊評價模型建立了區域大型水庫預警模型[8];王俊利用地下水變幅預測模型建立了濱海地區地下水的預警理論[9]。這些研究為水量與水質預警理論的建立提供了寶貴的經驗。

我國北方地區缺水嚴重，水資源在時間上分布不均，整體表現汛期水多，非汛期水少，因此建立區域水資源預警機制對北方地區非汛期的水資源分配與管理具有重要意義。該區域預警方法統籌考慮了水質與水量的影響，使預警級別的確定更加嚴格，同時也更符合供水的水質要求，進一步完善了水資源預警體系。

1 預警理論體系

非汛期區域水資源預警是指：在對非汛期內可供水量與需水量預測的基礎上，進行供需平衡分析，根據供需平衡的結果，確定預警期內的供水方案，并根據缺水程度確定預警級別，進而發布預警。

1.1 警戒線及預警區的確定

預警中，警戒線與預警區的劃定方法分為基于水量的劃定法和基于水質水量耦合的劃定法。

1.1.1 基于水量的警戒線及預警區的確定

在基于水量的城區(不包含農業用水，以下同)非汛期預警中，根據供需水量的關系劃分為藍色、黃色、橙色、紅色4條警戒線，以警戒線為依據劃分為5個預警區。警戒線與預警期的劃定見表1。

表1 基于水量的警戒線與預警區Tab.1 Warning line and warning zone based on water quantity

注：W供為可供水量，萬m3；W需為需水量，萬m3；VB、VY、VO、VR分別對應藍色、黃色、橙色和紅色警戒線對應水量，萬m3。

1.1.2 基于水質水量耦合的警戒線及預警區的確定

在基于水質水量耦合的城區非汛期預警中，警戒線與預警期的劃分方式與1.1.1相同，但劃分依據不同。具體劃分結果見表2。

1.2 區域水資源預警方法

區域預警方法根據是否需要定期發布預警分為點預警和過程預警；根據是否考慮預警期內降水對地表水可供水量及地下水可開采量補給的影響將預警分為動態預警和靜態預警。考慮到本次研究中預警期選擇為非汛期，由于預警周期較長，且北方地區水資源較匱乏，非汛期的降水對預警級別的影響較為顯著，因此本文選擇動態的過程預警作為主要的研究手段。

傳統的水資源預警中，僅考慮了在某單一水庫或某單一地下水源地供水情況下進行的供需水量的預警，而本文給出了區域內同時包含水庫(群)、多地下水源地、多客水水源和多再生水水源情況下的水資源預警方法。與此同時，傳統的預警方法僅在二維范疇內，即根據供水與需水的平衡關系確定預警級別，沒有考慮到水質在預警中的影響。本文在“量”的基礎上引入了“質”的概念，將二維的預警結構提高到三維，二維預警結構(水量預警)與三維預警結構(質、量耦合預警)如圖1和圖2所示。由圖1和圖2可看出，二維預警結構為三維預警結構的警度“上限”，即在考慮了更嚴格的水質約束后，基于水質水量耦合的三維預警級別均高于(或等于)二維預警級別，預警的發布更加合理嚴謹。

表2 基于水質水量耦合的警戒線與預警區Tab.2 Warning line and warning zone based on water quality and quantity coupling

注：WⅠ～Ⅲ為Ⅰ～Ⅲ類水可供水量，萬m3；WⅠ～Ⅲ余為Ⅰ～Ⅲ類水余水可供水量，萬m3；VS、VG、VT分別對應生活、工業和生態需水量，萬m3。

圖1 二維預警結構示意圖Fig.1 Two-dimensional early warning structure

圖2 三維預警結構示意圖Fig.2 Three-dimensional early warning structure

在考慮了水質的影響后，隨著水質逐漸變差，對于某些水質要求較高的用水部門，實際可用水量逐漸變少，因此預警級別也相應升高，當水質很差時，即使“量”滿足需求，“質”也不能滿足用水部門的要求。若供水水源的水質均優于(等于)Ⅲ類水時，可滿足所有用水部門的水質要求，水質不再成為預警的約束條件，此時三維預警結構與二維預警結構相同。基于上述觀點，建立三維的預警結構體系是十分必要的。

1.2.1 基于水量的區域預警方法

(1)確定預警期。預警期是指發布預警的預見期。本文中選擇預警期為非汛期(當年10月1日至翌年5月31日)。

(2)計算預警期需水量。區域預警中需水量包括生活需水量、工業需水量和生態需水量，三者之和即為需水總量。

(3)計算預警期可供水量。對于城區而言，預警期可供水量一般包括地表水可供水量、地下水可供水量、客水可供水量和再生水可供水量。在地表水可供水量的計算中，應考慮到預警期內的補給量與損失量；在地下水可供水量的計算中，應考慮到預警期內的補給量。四者之和即為預警期內的可供水總量。

(4)確定預警級別。預警中根據地表水、地下水的可供水量和用戶需水量的變化根據供需平衡結果確定預警級別并定期調整，根據不斷調整的預警級別，對預警期后期的供、需水策略進行實時修正。

1.2.2 基于水質水量耦合的區域預警方法

(1)確定預警期。在基于水質水量耦合的預警方法中，預警期的確定與1.2.1節相同。

(2)計算預警期供需水量。在供需水量的計算中，應以水質作為分類進行水量統計，即分別計算可供水量中Ⅰ～Ⅴ類水水量及需水量中Ⅰ～Ⅴ類水水量。

(3)確定預警級別。在確定了基于水量的預警級別后，需進一步確定在水質約束條件下的預警級別。即根據不同水質可供水量與不同用水部門需水量的供需關系，由用水部門的需水優先級逐級確定預警級別。首先根據生活需水的供需平衡結果確定預警級別(是否發布紅色預警)；若不需發布紅色預警，則繼續由工業需水的供需平衡結果進一步確定預警級別(是否發布橙色預警)；若不需發布橙色預警，則繼續由生態需水的供需平衡結果繼續確定預警級別(是否發布黃色預警)；若不需發布黃色預警，則根據三類用水部門的供需平衡結果最終確定預警級別(藍色預警或不預警)。

2 非汛期區域預警管理應用實例

本文選擇濟南市2015年非汛期作為預警基準年，進行濟南市東城區水資源預警。在氣候方面，濟南市地處屬于暖溫帶季風氣候區，受大氣環流和地理環境的影響，冬季干燥少雨，夏季炎熱多雨，降水主要集中在汛期，非汛期降水量較小；在人口經濟方面，濟南市東城區人口約118 萬人，至2020年規劃人口175 萬人，與此同時經濟發展迅速，工業產值每年以超過200億的速度增加，生活與工業需水量要求呈逐年上升的趨勢。由于自然(氣候、水資源量、水源水質)和人為(供水能力)因素的影響，供需矛盾日益突出，因此，建立非汛期的水資源預警機制就顯得尤為重要。

2.1 基于水量的預警過程

濟南市東城區地表水供水水源為錦繡川水庫，該水庫是本次研究區域的唯一地表水水源。錦繡川水庫總庫容約為4 100 萬m3，興利庫容為3 590 萬m3，死庫容為108 萬m3，流域面積166km2，計算選用基準年2015年10月1日水庫蓄水量702 萬m3，非汛期初地表水可供水量為594 萬m3。

預警中，將在地下水開采過程中生態環境不遭受破壞的最大埋深定義為基準埋深。本文選擇濟南市多年地下水埋深監測數據中的最大埋深作為參考，定義該埋深值為基準埋深的90%。2015年10月1日地下水埋深為5.08m，考慮到地下水源地面積、給水度和開采系數的影響，10月1日地下水可供水量為4 458.95 萬m3，供需水量見表3。

表3 非汛期初供需水總量Tab.3 Total supply and demand water at the beginning of non-flood period

2.1.1 靜態過程預警

預警中，由于三類用水部門單位時間內用水量變幅較小，因此每月需水量與該月天數有關。若預警期間內的可供水量大于需水量，則實行按需供水，不需發布預警；若可供水量小于需水量，則根據供需比例進行供水，根據供需平衡關系確定預警級別并發布預警，靜態預警過程見表4。

2.1.2 動態過程預警

(1)不同頻率降水過程的計算。以濟南市2000-2016年非汛期降水資料為依據，采用頻率適線法確定降水頻率曲線，計算得到不同頻率下非汛期降水量見表5。

(2)補給量的計算。區域水資源補給量包括地表水補給量及地下水補給量。地表水補給量主要指水庫的入庫徑流量。地表水的計算方法采用徑流系數法，在考慮了無效降水對地表水補給的影響后，結果表明在無效降水為2 mm時采用乘冪函數模擬精度最高，降水量和徑流深的回歸方程為：

表4 非汛期靜態過程預警結果Tab.4 Results of static process warning in non-flood period

表5 非汛期不同降水頻率降水量Tab.5 Precipitation corresponding to different precipitation frequencies in non-flood period

y=149.64x0.310 3(R2=0.807 6)

(1)

式中：x為徑流深，mm；y為有效降水,mm。

在地下水補給量的計算中，采用回歸模型對地下水埋深進行預測。利用SPSS軟件建立地下水埋深變幅擬合方程。該擬合方程考慮了上月降水、本月降水和本月取水對地下水埋深的影響，結果表明當無效降水為1 mm時模擬精度最高，此時地下水埋深變幅擬合方程為：

ΔH=-0.01P1+0.005P2+0.58WQ

(2)

式中：ΔH為埋深變化量，m；P1為本月降水，mm；P2為上月降水，mm；Wq為本月取水量，萬m3。

不同降水頻率下補給量見表6。

(3)損失量的計算。損失量包括水庫蒸發損失量及水庫滲漏損失量。濟南市東城區地表水供水水庫為錦繡川水庫，本文中取水庫月初與月末的平均蓄水量作為該月的計算蓄水量，根據錦繡川水庫水量與水面面積的監測資料，建立水庫蓄水量與水面面積關系曲線。由于該水庫位于北鳳和崮山兩個蒸發站之間，水面蒸發器單位面積蒸發量取兩個蒸發站的均值。由北方地區非汛期蒸發特性，需在計算中確定水面蒸發器的折算系數。不同降水頻率下損失量見表7。

表6 非汛期不同降水頻率補給量Tab.6 Replenishment corresponding to different precipitation frequencies in non-flood period

表7 非汛期不同降水頻率損失量Tab.7 Water loss corresponding to different precipitation frequencies in non-flood period

在動態預警中，以平水年(50%降水頻率)為例，預警過程見表8。

不同豐枯頻率下基于水量的動態預警折線圖見圖3。

表8 基于水量的非汛期動態過程預警結果(50%降水頻率)Tab.8 Results of dynamic process warning based on Water quantity in non-flood period (50% precipitation frequency)

圖3 基于水量的動態過程預警Fig.3 Dynamic process warning based on water quantity

2.2 基于水質水量耦合的預警過程

在進行區域預警時，往往是地表水、地下水、客水和再生水作為可利用的水資源同時進行城市供水，但4種水的水質不同，作為供水來源的用途也不相同。在可供水量中，地表水(錦繡川水庫)全部為Ⅱ類水；地下水主要為Ⅲ、Ⅳ類水；客水水質差別較大，同時涵蓋Ⅱ～Ⅴ類水；再生水水質較差，主要為Ⅳ、Ⅴ類水。在需水量中，生活需水的水質要求應高于或等于Ⅲ類水；工業需水的水質要求應高于或等于Ⅳ類水；生態需水的水質要求應不低于Ⅴ類水。本節以平水年(50%降水頻率)為例，在2.1節的基礎上將水質與水量耦合，在供需水量平衡的基礎上建立基于水質的動態過程預警管理方法，基于水質要求的供需水量見表9，不同頻率下的動態過程預警結果見表10。

表9 基于水質水量耦合的供需水量Tab.9 Results of water supply and demand Based on water quality and quantity coupling

表10 基于水質水量耦合的非汛期動態過程預警結果(50%降水頻率)Tab.10 Results of dynamic process warning based on water quality and quantity coupling in non-flood period(50% precipitation frequency)

不同豐枯頻率下基于水質水量耦合的動態預警折線圖見圖4。

圖4 基于水質水量耦合的動態過程預警Fig.4 Dynamic process warning based on Water quality and quantity coupling

3 結 語

(1)本文在應用水量進行供需分析的基礎上，首次提出了基于水質水量耦合的警戒線與預警區的劃定方法，并以濟南市東城區為例給出了不同頻率下的預警方案。考慮了水質對供需水量的約束條件后，預警級別的確定更嚴格，同時也更符合供水的水質要求，進一步完善了水資源預警體系，對推動預警在水資源管理中的應用、最嚴格的水資源管理的實施具有重要的理論意義和實際意義。

(2)預警結果表明，在水質約束下，不同頻率下的預警級別均高于(或等于)僅考慮水量的預警方案。由圖3和圖4可看出：以50%降水頻率下非汛期第3個月(當年12月)為例，在不考慮水質約束的條件下，根據供需平衡結果應發布藍色預警，但若考慮水質對預警級別的影響，該月應發布橙色預警。當在二維范疇內確定了供需水總量的預警級別后，需進一步在水質的約束下確定基于水質的三維預警過程。即綜合考慮不同供水水質與需水水質的關系，確定預警級別并發布預警。

(3)目前對區域水資源預警的研究多為定性分析，定量分析較少。本文運用多元線性回歸分析的方法，對非汛期分別進行了靜態及動態的預警研究。結果表明，在考慮了降水對地表水及地下水的補給作用后，不同頻率下逐月的預警級別也會相應發生改變。由于非汛期降水量較少，與靜態預警相比，預警級別一般不會出現跳躍式波動。

(4)與傳統的預警方法相比，以水質作為約束條件的水資源預警中，需水水源的水質要求決定了供水端應當實行分質供水。對濟南市東城區而言，目前還沒有完全具備分質供水的工程條件，只能實現部分區域(工業集中區等)內分質供水。

(5)在可供水量的計算中，影響地表水、地下水補給量以及水庫蒸發、滲漏損失的因素較多，目前這方面的研究成果不多。

本文僅選取了幾個主要因素進行補給量和損失量的計算，下一步還需要對該方法進行深入研究。

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