基于生態(tài)安全的沈陽市水資源供需分析

基于生態(tài)安全的沈陽市水資源供需分析

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年全國生態(tài)市建設(shè)試點正式啟動以來,如何實現(xiàn)生態(tài)環(huán)境與社會經(jīng)濟的良性循環(huán)成為生態(tài)市建設(shè)的焦點,維持區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)和諧穩(wěn)定與修復脆弱生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)需水問題也越來越受到關(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、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,開展水資源的供需平衡研究將對生態(tài)市建設(shè)的規(guī)劃、決策提供重要的參考作用。而我國傳統(tǒng)的水資源供需平衡都是建立在水資源開發(fā)與社會經(jīng)濟需水平衡的基礎(chǔ)上,忽略了生態(tài)環(huán)境需水,導致生態(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、重復利用的工業(yè)用水納入水資源供需平衡體系。3)層級性、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。層級性是生態(tài)市水資源多級利用、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,并以沈陽市為例,預測其生態(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程表現(xiàn)為水資源供求隨社會經(jīng)濟、土地利用和用水方式的不同變化而發(fā)生的動態(tài)變化,實質(zhì)上是社會經(jīng)濟環(huán)境系統(tǒng)演進的響應(yīng)。根據(jù)生態(tài)市水資源系統(tǒng)內(nèi)部的相互關(guān)系,可將其進一步劃分為5個子系統(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)城市特點具有明顯的差異,但是各個子系統(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)化的重復水量)是生態(tài)市水資源供給的基本保障,對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,但短期內(nèi)水供給增長量有限,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“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間和空間范圍內(nèi),為維護城市生態(tài)環(huán)境發(fā)揮正常物質(zhì)循環(huán)、能量流動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、風景區(qū)林地等。綠地需水量包含植被蒸散、生長需水量(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的最小土壤含水量。城市綠地生態(tài)環(huán)境需水量計算方法為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算;輸沙需水量采用河流汛期輸沙需水量計算方法。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)和滲漏補給地下水的消耗項,其計算方法為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)法進行計算和預測。Wli=P0(1+r)nKi(9)式中P0為基準年份人口量,人;r為城市人口計劃增長率,%;Ki為第i水平年擬訂的用水綜合定額,m3·人-1·a-1;n為從基準年到第i水平年的年數(shù)。1.2.3需水增長趨勢分析方法生產(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)濟發(fā)展水平、城市規(guī)模、工農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)、水資源重復利用率等多種因素的影響。常用的計算方法為用水系數(shù)法,主要指標為行業(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,其難點在于確定萬元產(chǎn)值需水量指標。另一種常用計算方法是需水增長趨勢分析法。這一方法要求有系列歷史資料,計算的準確性取決于資料系列的長短和代表性。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)鍵因素隨時間演進的動態(tài)變化過程,識別水資源對生態(tài)市建設(shè)的作用機制,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發(fā)與保護戰(zhàn)略。2案例1.沈陽市水資源回蓄平衡研究2.1水資源概況及其存在的問題沈陽市屬溫帶半濕潤季風型大陸性氣候,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,可開采量19.34×108m3,重復計算量3.25×108m3。受季風和地形地質(zhì)條件影響,沈陽市水資源時空分布不均勻,降水主要集中在6—9月,空間上從東南向西北遞減。沈陽市人均占有水資源量約486m3,遠低于聯(lián)合國設(shè)定的警戒線(1700m3/人),屬于水資源貧乏地區(qū)。沈陽市水資源存在的主要問題是:1)水資源總量少,開發(fā)利用度高;2)地下水超采嚴重,采補失調(diào);3)農(nóng)業(yè)水資源利用效率低,浪費現(xiàn)象嚴重;4)生態(tài)用水被擠占。目前,沈陽市提出在15a左右建成生態(tài)市的目標,將對沈陽市的水利建設(shè)與發(fā)展產(chǎn)生深遠的影響。2.2生態(tài)環(huán)境需水模型在VENSIM軟件平臺上編寫方程,建立沈陽市水資源平衡SD動態(tài)仿真模型,共使用79個變量,參數(shù)設(shè)定時主要考慮了以下3個因素:1)沈陽市1995—2003年統(tǒng)計數(shù)據(jù)變化趨勢(人口統(tǒng)計數(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)指標以及各子系統(tǒng)之間的指標約束關(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(見圖2)。模型通過靈敏度分析與檢驗,其穩(wěn)定性較強,適合于真實系統(tǒng)的仿真模擬與分析。通過模型預測得到沈陽市在2020年達到生態(tài)市目標時水資源的供需量(見表1和2)。2.3水資源供需存在較大缺口根據(jù)SD模型預測結(jié)果可發(fā)現(xiàn):1)以建成生態(tài)市為目標,沈陽市水資源需求絕對量增長最快的是生活需水、工業(yè)需水和生態(tài)環(huán)境需水,前2類增長是社會經(jīng)濟發(fā)展引起的,而生態(tài)環(huán)境需水增長是由于生態(tài)市發(fā)展戰(zhàn)略和沈陽市生態(tài)環(huán)境改善的直接影響;2)2007年“東水西調(diào)”工程暫時緩解了沈陽市的水資源供需矛盾,但在遠期仍然需大于求,2020年缺水約3.8×108m3,若遇干旱年份,水資源缺口將進一步擴大;3)若以優(yōu)先度分配水資源,遠期沈陽市的工農(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)沈陽市水質(zhì)檢測數(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?沈陽市水資源供需沒有達到平衡,水資源長期的缺乏成為沈陽市的社會經(jīng)濟發(fā)展與生態(tài)環(huán)境改善的限制性因素,特別是作為國民經(jīng)濟基礎(chǔ)的農(nóng)業(yè)無論從優(yōu)先度還是按水質(zhì)供給來看都處于缺水狀態(tài)。在生態(tài)市要求的優(yōu)先級別下,生態(tài)環(huán)境用水可能會占用部分優(yōu)質(zhì)水,從水質(zhì)意義上造成浪費。以目前的水資源利用方式看,為保證社會經(jīng)濟發(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,沈陽市應(yīng)該從開辟新水源(如從石佛寺水庫向沈陽調(diào)水和“北水南調(diào)”工程等),節(jié)約“三產(chǎn)”用水,加強中水回用,對水資源利用進行科學管理等方面著手,從而促進生態(tài)市的建設(shè)。3對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、層級性和區(qū)域性等特點出發(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)動力學方法建立相應(yīng)的動態(tài)供需