基于生態(tài)安全的沈陽(yáng)市水資源供需分析

基于生態(tài)安全的沈陽(yáng)市水資源供需分析

0水資源供需平衡研究水資源的可持續(xù)開(kāi)發(fā)是區(qū)域?qū)崿F(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的先決條件。缺乏水資源已成為許多地區(qū)發(fā)展的瓶頸。自1995年全國(guó)生態(tài)市建設(shè)試點(diǎn)正式啟動(dòng)以來(lái),如何實(shí)現(xiàn)生態(tài)環(huán)境與社會(huì)經(jīng)濟(jì)的良性循環(huán)成為生態(tài)市建設(shè)的焦點(diǎn),維持區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)和諧穩(wěn)定與修復(fù)脆弱生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)需水問(wèn)題也越來(lái)越受到關(guān)注。水資源供需平衡關(guān)系到城市工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)、人們生活水平的高低和自然生態(tài)系統(tǒng)的健康,隸屬于生態(tài)市建設(shè)的生態(tài)安全層面,開(kāi)展水資源的供需平衡研究將對(duì)生態(tài)市建設(shè)的規(guī)劃、決策提供重要的參考作用。而我國(guó)傳統(tǒng)的水資源供需平衡都是建立在水資源開(kāi)發(fā)與社會(huì)經(jīng)濟(jì)需水平衡的基礎(chǔ)上,忽略了生態(tài)環(huán)境需水,導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境的退化;因此,必須將生態(tài)環(huán)境需水納入生態(tài)市的水資源供需平衡研究。生態(tài)市的水資源供需平衡研究應(yīng)遵循以下原則。1)以人為本,生態(tài)優(yōu)先。應(yīng)優(yōu)先滿足維持人類生存和生態(tài)系統(tǒng)健康的水資源需求,保證人類社會(huì)與生態(tài)環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展。2)循環(huán)利用。將處理后的生活污水、重復(fù)利用的工業(yè)用水納入水資源供需平衡體系。3)層級(jí)性、分水質(zhì)原則。水資源供給與需求必須綜合考慮水量和水質(zhì)兩種特性,尤其需要重視水質(zhì)分異性。層級(jí)性是生態(tài)市水資源多級(jí)利用、分質(zhì)供水的基礎(chǔ)。4)區(qū)域性。從區(qū)域尺度甚至跨區(qū)域統(tǒng)籌考慮,實(shí)現(xiàn)區(qū)域水資源供給與需求的均衡,水資源可持續(xù)利用的全局最優(yōu)化。本文試從生態(tài)市水資源供需平衡的特點(diǎn)出發(fā),將城市生態(tài)環(huán)境需水納入研究體系,建立生態(tài)市水資源供需平衡模型,并以沈陽(yáng)市為例,預(yù)測(cè)其生態(tài)市規(guī)劃建設(shè)各階段的水資源供需狀況。1生態(tài)市水資源系統(tǒng)各子系統(tǒng)之間的相互關(guān)系生態(tài)市的水資源供需平衡過(guò)程表現(xiàn)為水資源供求隨社會(huì)經(jīng)濟(jì)、土地利用和用水方式的不同變化而發(fā)生的動(dòng)態(tài)變化,實(shí)質(zhì)上是社會(huì)經(jīng)濟(jì)環(huán)境系統(tǒng)演進(jìn)的響應(yīng)。根據(jù)生態(tài)市水資源系統(tǒng)內(nèi)部的相互關(guān)系,可將其進(jìn)一步劃分為5個(gè)子系統(tǒng):人口與生活需水子系統(tǒng)、工業(yè)服務(wù)業(yè)需水子系統(tǒng)、農(nóng)業(yè)需水子系統(tǒng)、城市生態(tài)環(huán)境需水子系統(tǒng)和水資源供給子系統(tǒng)。其中工業(yè)服務(wù)業(yè)需水子系統(tǒng)和農(nóng)業(yè)需水子系統(tǒng)又構(gòu)成生產(chǎn)需水子系統(tǒng)。各子系統(tǒng)所包含的具體元素及其相互關(guān)系根據(jù)城市特點(diǎn)具有明顯的差異,但是各個(gè)子系統(tǒng)之間的約束關(guān)系多具有共同性。圖1給出了在子系統(tǒng)間及其內(nèi)部具有代表性的一些約束關(guān)系。1.1深刻領(lǐng)會(huì)跨區(qū)域、流域洪水本地天然水資源(包括地表水、地下水資源,扣除相互轉(zhuǎn)化的重復(fù)水量)是生態(tài)市水資源供給的基本保障,對(duì)于水資源缺乏的地區(qū),跨區(qū)域、流域調(diào)水是徹底解決缺水問(wèn)題的重要途徑。由于地表水、地下水和跨區(qū)域調(diào)水的供給量通常受氣候等因素影響,總在多年平均總供給量附近波動(dòng),但短期內(nèi)水供給增長(zhǎng)量有限,因此,生態(tài)市建設(shè),特別是缺水地區(qū)更應(yīng)重視“三生”(生產(chǎn)、生活、生態(tài))用水的各種形式回用,以緩解水資源短缺對(duì)“三生”系統(tǒng)發(fā)展的限制。1.2水資源需求1.2.1城市河湖需水量ws城市生態(tài)環(huán)境需水量是指在一定時(shí)間和空間范圍內(nèi),為維護(hù)城市生態(tài)環(huán)境發(fā)揮正常物質(zhì)循環(huán)、能量流動(dòng)和信息交換功能所需的水資源總量,主要由城市綠地和河湖需水量構(gòu)成。城市綠地有園林、道路綠化帶、河岸生態(tài)林、風(fēng)景區(qū)林地等。綠地需水量包含植被蒸散、生長(zhǎng)需水量(Wp)和保證植被存活的土壤含水量(Ws),植被類型和其覆蓋面積是綠地需水量的關(guān)鍵元素。植被需水量中,只有約1%～5%用于體內(nèi)代謝,其他絕大部分用于蒸散作用。本文取植物代謝需水量與蒸散需水量之比為1∶99。土壤需水量為維持城市綠地植被生長(zhǎng)的最小土壤含水量。城市綠地生態(tài)環(huán)境需水量計(jì)算方法為Wp=(1+1/99)k1∑i=1nk1∑i=1nβiEiApi(1)Ws=k2ρs∑i=1n∑i=1nAsihsiξi(2)式中βi為不同類型植被的實(shí)際蒸散量與潛在蒸散量的比例,%;Ei為不同類型植被年平均潛在蒸散量,mm;Api為不同類型植被的覆蓋面積,hm2;ρs為土壤容重,g/cm3;Asi為不同類型植被覆蓋的土壤面積,hm2;hsi為不同類型植被可利用的土壤深度,m;ξi為土壤含水系數(shù),%;k1、k2為單位換算系數(shù),n為植被類型數(shù)。城市河湖需水量取決于水系面積、水深、下墊面條件、氣候和河道基流等元素,其中水系面積為關(guān)鍵因素。為同時(shí)滿足河流基流和輸沙功能,河流需水量(Wr)是河流基流(Wb)和輸沙需水量(Wt)兩者中的較大值,河流基流采用最枯月平均流量法計(jì)算;輸沙需水量采用河流汛期輸沙需水量計(jì)算方法。Wr=max{Wb,Ws}(3)Wb=TnWb=Τn∑i=1n∑i=1nmin(Qij)(4)Wt=St1n∑i=1nmax(Cij)(5)Wt=St1n∑i=1nmax(Cij)(5)式中Qij為第i年第j個(gè)月的月均流量,m3·s-1;T為換算系數(shù),T=31.536×106s;St為多年平均輸沙量,104T;Cij為第i年j月的月平均含沙量,kg·m-3;n為統(tǒng)計(jì)年數(shù)。湖泊需水量(Wl)包括存在需水量(Wlb)和換水需水量(Wlf)。存在需水量是發(fā)揮湖泊棲息地和景觀娛樂(lè)基本功能的前提,而換水需水量是用于人工換水,改善湖泊水質(zhì)所需要的水量。消耗需水量(Wc)包含水面蒸發(fā)需水量和滲漏需水量,是地表水體水分向大氣蒸發(fā)和滲漏補(bǔ)給地下水的消耗項(xiàng),其計(jì)算方法為Wl=Wlb+Wlf=k3β1A1H1(1+1/T))(6)Wc=Aw(k4Ew+k5ω)(7)式中βl為湖泊水面面積占湖泊面積的比例,%;Al為不同湖泊的面積,m2;Hl為不同湖泊的平均水深,m;T為湖泊換水周期,a;Aw為河湖水面面積,hm2;Ew為水面蒸發(fā)量,mm;ω為滲漏系數(shù),m;k3、k4、k5為單位轉(zhuǎn)換系數(shù)。城市生態(tài)環(huán)境需水量We的計(jì)算公式為We=Wp+Ws+Wr+Wl+Wc(8)1.2.2影響城市生活需水量的因素影響城市生活需水量(Wli)的因素很多,如城市的規(guī)模、人口數(shù)量、所處的地域、住房面積、生活水平、衛(wèi)生條件、市政公共設(shè)施、水資源條件等,其中最主要的影響因素是人口數(shù)量和人均綜合用水定額。城市生活需水量可用相關(guān)法進(jìn)行計(jì)算和預(yù)測(cè)。Wli=P0(1+r)nKi(9)式中P0為基準(zhǔn)年份人口量,人;r為城市人口計(jì)劃增長(zhǎng)率,%;Ki為第i水平年擬訂的用水綜合定額,m3·人-1·a-1;n為從基準(zhǔn)年到第i水平年的年數(shù)。1.2.3需水增長(zhǎng)趨勢(shì)分析方法生產(chǎn)需水包括工業(yè)服務(wù)業(yè)與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)需水,受城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平、城市規(guī)模、工農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)、水資源重復(fù)利用率等多種因素的影響。常用的計(jì)算方法為用水系數(shù)法,主要指標(biāo)為行業(yè)總產(chǎn)值及相應(yīng)耗水系數(shù)、農(nóng)田灌溉面積及耗水系數(shù)、畜禽數(shù)量及其用水定額,其難點(diǎn)在于確定萬(wàn)元產(chǎn)值需水量指標(biāo)。另一種常用計(jì)算方法是需水增長(zhǎng)趨勢(shì)分析法。這一方法要求有系列歷史資料,計(jì)算的準(zhǔn)確性取決于資料系列的長(zhǎng)短和代表性。1.3研究可提升水生態(tài)市建設(shè)的sd模型分析通過(guò)分析子系統(tǒng)內(nèi)元素之間的因果循環(huán)關(guān)系和各子系統(tǒng)之間的約束關(guān)系,利用SD模型可仿真系統(tǒng)以及關(guān)鍵因素隨時(shí)間演進(jìn)的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程,識(shí)別水資源對(duì)生態(tài)市建設(shè)的作用機(jī)制,研究水資源的供需平衡狀況,并以此為基礎(chǔ)制定合理的水資源開(kāi)發(fā)與保護(hù)戰(zhàn)略。2案例1.沈陽(yáng)市水資源回蓄平衡研究2.1水資源概況及其存在的問(wèn)題沈陽(yáng)市屬溫帶半濕潤(rùn)季風(fēng)型大陸性氣候,多年平均水資源總量為32.27×108m3/a,其中多年平均徑流量11.84×108m3,地下水資源量23.68×108m3,可開(kāi)采量19.34×108m3,重復(fù)計(jì)算量3.25×108m3。受季風(fēng)和地形地質(zhì)條件影響,沈陽(yáng)市水資源時(shí)空分布不均勻,降水主要集中在6—9月,空間上從東南向西北遞減。沈陽(yáng)市人均占有水資源量約486m3,遠(yuǎn)低于聯(lián)合國(guó)設(shè)定的警戒線(1700m3/人),屬于水資源貧乏地區(qū)。沈陽(yáng)市水資源存在的主要問(wèn)題是:1)水資源總量少,開(kāi)發(fā)利用度高;2)地下水超采嚴(yán)重,采補(bǔ)失調(diào);3)農(nóng)業(yè)水資源利用效率低,浪費(fèi)現(xiàn)象嚴(yán)重;4)生態(tài)用水被擠占。目前,沈陽(yáng)市提出在15a左右建成生態(tài)市的目標(biāo),將對(duì)沈陽(yáng)市的水利建設(shè)與發(fā)展產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。2.2生態(tài)環(huán)境需水模型在VENSIM軟件平臺(tái)上編寫方程,建立沈陽(yáng)市水資源平衡SD動(dòng)態(tài)仿真模型,共使用79個(gè)變量,參數(shù)設(shè)定時(shí)主要考慮了以下3個(gè)因素:1)沈陽(yáng)市1995—2003年統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)(人口統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)使用1985—2003年);2)逐步減少農(nóng)業(yè)灌溉定額,提高灌溉效率;3)生態(tài)市建設(shè)指標(biāo)以及各子系統(tǒng)之間的指標(biāo)約束關(guān)系。限于篇幅,本文僅給出城市生態(tài)環(huán)境需水子系統(tǒng)流程圖(見(jiàn)圖2)。模型通過(guò)靈敏度分析與檢驗(yàn),其穩(wěn)定性較強(qiáng),適合于真實(shí)系統(tǒng)的仿真模擬與分析。通過(guò)模型預(yù)測(cè)得到沈陽(yáng)市在2020年達(dá)到生態(tài)市目標(biāo)時(shí)水資源的供需量(見(jiàn)表1和2)。2.3水資源供需存在較大缺口根據(jù)SD模型預(yù)測(cè)結(jié)果可發(fā)現(xiàn):1)以建成生態(tài)市為目標(biāo),沈陽(yáng)市水資源需求絕對(duì)量增長(zhǎng)最快的是生活需水、工業(yè)需水和生態(tài)環(huán)境需水,前2類增長(zhǎng)是社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展引起的,而生態(tài)環(huán)境需水增長(zhǎng)是由于生態(tài)市發(fā)展戰(zhàn)略和沈陽(yáng)市生態(tài)環(huán)境改善的直接影響;2)2007年“東水西調(diào)”工程暫時(shí)緩解了沈陽(yáng)市的水資源供需矛盾,但在遠(yuǎn)期仍然需大于求,2020年缺水約3.8×108m3,若遇干旱年份,水資源缺口將進(jìn)一步擴(kuò)大;3)若以優(yōu)先度分配水資源,遠(yuǎn)期沈陽(yáng)市的工農(nóng)業(yè)發(fā)展將受到限制。在水質(zhì)方面,限于資料的可得性,本文根據(jù)沈陽(yáng)市水質(zhì)檢測(cè)數(shù)據(jù),將水質(zhì)分為高水質(zhì)和低水質(zhì)兩部分,高水質(zhì)部分供給包括地下水和跨區(qū)域調(diào)水,需求包括生活需水、畜牧業(yè)需水、工業(yè)需水;低水質(zhì)部分供給包括地表水和中水,需求包括農(nóng)業(yè)灌溉、生態(tài)環(huán)境需水。從表3可以看出,沈陽(yáng)市的低水質(zhì)水資源缺乏,表現(xiàn)為農(nóng)業(yè)和生態(tài)環(huán)境缺水,而高水質(zhì)水資源尚有盈余?？梢?jiàn),沈陽(yáng)市水資源供需沒(méi)有達(dá)到平衡,水資源長(zhǎng)期的缺乏成為沈陽(yáng)市的社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展與生態(tài)環(huán)境改善的限制性因素,特別是作為國(guó)民經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)的農(nóng)業(yè)無(wú)論從優(yōu)先度還是按水質(zhì)供給來(lái)看都處于缺水狀態(tài)。在生態(tài)市要求的優(yōu)先級(jí)別下,生態(tài)環(huán)境用水可能會(huì)占用部分優(yōu)質(zhì)水,從水質(zhì)意義上造成浪費(fèi)。以目前的水資源利用方式看,為保證社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展,工農(nóng)業(yè)必定擠占生態(tài)環(huán)境用水,且農(nóng)業(yè)消耗大量的高水質(zhì)水資源(地下水),對(duì)生態(tài)市建設(shè)造成不利影響。根據(jù)以上分析,為解決水資源的供需矛盾,沈陽(yáng)市應(yīng)該從開(kāi)辟新水源(如從石佛寺水庫(kù)向沈陽(yáng)調(diào)水和“北水南調(diào)”工程等),節(jié)約“三產(chǎn)”用水,加強(qiáng)中水回用,對(duì)水資源利用進(jìn)行科學(xué)管理等方面著手,從而促進(jìn)生態(tài)市的建設(shè)。3對(duì)水資源供需平衡模型的建立本文從生態(tài)市水資源供需的生活與生態(tài)優(yōu)先性、循環(huán)性、層級(jí)性和區(qū)域性等特點(diǎn)出發(fā),將城市生態(tài)環(huán)境需水納入分析系統(tǒng),建立了生態(tài)市水資源供需平衡研究的模型框架,并應(yīng)用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方法建立相應(yīng)的動(dòng)態(tài)供需