基于WEAP模型的河北省水资源供需平衡分析.pdf

4水科学与工程技术2023年第4期基于WEAP模型的河北省水资源供需平衡分析赵霞1,杨柳1*,朱永楠,郝（1.中国矿业大学（北京）地球科学与测绘工程学院，北京10 0 0 8 3；2.中国水利水电科学研究院流域水循环模拟与调控国家重点实验室，北京10 0 0 8 3)摘要：采用水资源评价和规划(WEAP)模型，从全省和流域尺度分析了河北省水资源供需平衡关系，在人口预案和节水预案下预测了2 0 3 0 年流域水资源供需变化趋势。结果表明：在不考虑外调水的情况下，2 0 18 年河北省缺水量为17.17 亿m其中农业缺水占9 4.18%；在流域经济、农业、生态水平保持现状基准年不变的基础上，仅考虑人口发展政策情况下，到2 0 3 0年河北省需求量为2 0 6.53 亿m,与2 0 18 年相比增加了14.1%;在提高灌溉水有效利用系数、工业用水重复利用率和降低公共管网渗漏率的情况下，到2 0 3 0 年河北省可节省用水量为2 0 18 用水量的7.9 6%，节水预案可取得显著成效。对该地区进行水资源供需平衡分析研究，能够为水资源综合规划与有效利用、地区可持续发展提供科学依据与实践经验。关键词：水供需平衡；WEAP；节水政策；趋势预测中图分类号：TV213.9文献标识码：BD0I:10.19733/ki.1672-9900.2023.04.02Water resources supply and demand balance in Hebei Province based on(1.School of Geoscience and Surveying Engineering,China University of Mining and Technology(Bejing),Bejing 100083,China,2.State Key Laboratory of Stimulation and Regulation of Water Cycles in River Basin,China Institute of WaterAbstract:This study used the Water Evaluation and Planning system(WEAP)to evaluate the balance between water resourcessupply and demand in Hebei Province in 2018 at the provincial and watershed scales.Under the population plan and watersaving plan,predicts the trend of water resource supply and demand change.The results showed that:Without considering theexternal water transfer,the water shortage in Hebei Province in 2018 was 1.717 billion m,of which the agricultural watershortage accounted for 94.18%.On the basis of keeping the economy,agriculture and ecology of each city in the basinunchanged in the current base year,and only consider the population development policy,By 2030,the demand in HebeiProvince will be 20.653 billion m,an increase of 14.1%compared with 2018.0n the basis of improving the canal waterutilization coefficient,industrial water reuse rate and reducing the leakage rate of public pipe network,the water consumptionof Hebei Province can be saved by 2030 to 7.96%of the water consumption in 2018,and the water-saving plan can achieveremarkable results.The analysis of water supply and demand balance in this region can provide scientific basis and practicalexperience for comprehensive planning and effective utilization of water resources and regional sustainable development.Key words:water supply and demand balance;WEAP;river basin;forecast河北省是我国水资源匮乏的省份之一，人均水收稿日期 2 0 2 3-0 2-10【基金项目】中央高校基本科研业务费(2 0 2 1YJSDC10）作者简介 赵霞(19 9 8),女(土族),青海人,硕士,主要从事水资源综合管理方向研究。E-mail:hao_XiiiT+New York,1989(6):313-337.3JShiono K,Knight D W.Turbulent open-channel flows withvariable depth across the channel J.Journal of FluidMechanics,1991,222(1):617-646.4 刘月琴,万艳春.弯道水流紊动强度J.华南理工大学学报(自然科学版)，2 0 0 3,3 1:8 9-9 3.5吴华莉,蒋陶,张小峰,申红彬.弯曲型河道水流流速分布及阻力试验J.武汉大学学报(工学版),2 0 11,44(3):2 9 3-2 9 7.萌1,任文颖1文章编号：16 7 2-9 9 0 0(2 0 2 3)0 4-0 0 0 4-0 5WEAP modelZHAO Xia,YANG Liu,ZHU Yongnan,HAO Meng,REN WenyingResources and Hydropower Research,Beijing 100038,China)资源占有量3 0 7 m，亩均水资源占有量2 43 m,仅为+6Blanckaert K,De Vriend,H J.Nonlinear modeling of meanflow redistribution in curved open channels J.WaterResources Research,2003,39(12):ESG61-ESG614.7童朝锋.分汉口水沙运动特征及三维水流数学模型应用研究D.南京：河海大学,2 0 0 5.8吴迪,郭维东,刘卓也.复式断面河道“Y形交汇河口水流水力特性J.水利水电科技进展,2 0 0 7,2 7(3):2 1-2 3.（责任编辑：王艳肖）+2023年第4期全国平均水平的1/7 1。河北是京津冀协同发展中的重要地区，水资源短缺是经济社会可持续发展面对的现实问题，对河北省进行水资源供需平衡分析具有重要意义2 。目前国内对WEAP的研究较为广泛，从水质水量优化配置、水资源供需平衡多角度开展。杨明智3 等对WEAP模型应用方面的研究，综合考虑社会、经济、生态等指标，从供给端与需求端两个方面分别进行计算，为研究区水资源优化配置提供最好的解决方案。李燕4 等根据WEAP模型,将研究区流域内污染物排放和河流水质变化互相联系，模拟污染物排放与水质变化过程，探讨水质安全保障方面的相关措施。喻立5 在对宁夏黄河流域进行水资源优化配置研究中,构建WEAP模型,为区域性水资源最优分配提供参考。沈矩龙6 将WEAP模型与GIS技术结合，使用ArcObject作为WEAP模型与GIS接口的开发工具，实现在ArcMap中对WEAP的调用,以及将WEAP模型相关运行结果输出至ArcMap中，实现模型结果的可视化。本研究以河北省为研究区，构建河北省WEAP模型，分别从全省尺度和流域尺度对河北省及其不同用水部门在自然状态下的水资源供需平衡进行定量分析，探求河北省水资源短缺的主要特征，并对人口规划、节水政策两种不同发展条件下未来需水量和短缺量进行模拟预测分析，以期为河北省水资源优化配置提供参考。1研究方法与模型构建1.1WEAP模型介绍水资源评价和规划模型（WaterEvaluationAndPlanningsystem,WEAP)是由美国斯德哥尔摩环境研究院开发，可用于城市和农业系统、单个子集水盆地或复杂的河流系统的水资源综合规划工具7 。WEAP模型是通过划分流域，将每个子流域当成单独的系统，每个子系统内根据供给和需求设置节点，在每个节点由Q人=Q出+Q损失这一基本原则进行计算。需求点赵霞，等：基于WEAP模型的河北省水资源供需平衡分析供给端水库水文1:250000地下水年废水处理年生活用水年年活动水平；年用水率工业用水年年活动水平；年用水率需求端年农业用水年活动水平；年用水率环境用水年年活动水平；年用水率人口数据年其他数据节水参数年(Ds)的需水量是该需求点所有下一级分枝(B,)的需水量的总和(公式1)。需求点(Ds)在某一个月(m)的需水量等于该月在全年总需水量中所占比例与年需求总量之积,该比例受月变化参数的影响(式2 和式3)。W E A P是以月为时间间隔,从现状基准年的第一个月计算到预案最后一年的最后一个月。年总需求Ds=ZB(年活动水平B,x用水率B)（1)月需求Ds,m=月变化比例Ds,mx年需求Ds（2)要求的水量D-供到的水量D=需求短缺量Ds(3)1.2数据来源本研究主要数据包括供给端数据、需求端数据和其他数据,来源如表1。为了模拟自然状态下的供需平衡，本文未考虑南水北调等外调水。1.3WEAP模型构建1.3.1模型概化根据河北省DEM数据，利用ArcGIS中的Hydrology水文分析模块提取研究区的水系图;将河5表1河北省WEAP模型中所用数据来源数据类型尺度气象月河川径流（潮白河、滦河、河流径流月水库库量、年初蓄水量、死年库容（潘家口、西大洋、王快、黄壁庄和岗南水库）河流、水库分布情况地下水初始存储量每日容量；消耗量总人口；人口密度灌溉水有效利用系数公共用水官网漏损率工业用水重复利用率描述降水量永定河、大清马河、子牙河、漳卫河及黑龙港河）来源河北省气象局、中国气象局中国水利统计年鉴河北省水资源公报、河北省水利厅国家测绘地理信息管理局河北省水资源公报18 1河北省统计年鉴河北省水资源公报河北省农村统计年鉴河北省水资源公报河北省人口统计年鉴“十四五 节水规划6北省各地级市的矢量图进行格网化，对各流域的需水量（生活、工业、农业和环境用水)进行重新计算。根据19 45一2 0 18 年河北省人口数据，在Matlab中建立Logistic回归分析模型，根据模型预测2 0 2 2 一2030年河北省人口数量用于预案的设置。WEAP在进行水源分配时可根据不同需求点的优先顺序进行配水，级别高的优先得到供水。在河北省流域水资源分配的模型设计中，水资源优先顺序为：生活用水、农业用水、工业用水和环境用水。WEAP模型对水量的供、需计算均以月为单位,需提供每月需水量占年需水量的比例，研究区农业需水的月变化比例可根据研究区水管部门农业配水计划进行推算。河北的水供需系统可概化为：7 个流域（潮白河、滦河、永定河、大清河、子牙河、漳卫河及黑龙港运东流域），每个流域都是一个独立的子系统由供给端和需求端构成，供给端为降雨、河流径流、水库、地下水、污水回用等，需求端为生活、农业、工业、环境用水。14条径流/渗透链接，48 条输送链接和3 0 条回流链接。1.3.2预案建立WEAP预案模拟分3 个步骤：选定2 0 18 年为现状基准年,模拟水资源均衡状态；以现状基准年数据为基础形成参照预案，模拟系统在不受任何政策、外力影响下可能的演变；设定关键性假设9 。根据河北省人口发展规划（2 0 18 一2 0 3 5)和“十四五规划”重大节水供水工程实施方案，结合当前国家和地方政策导向，建立WEAP模型的人口和节水预案，预案设置的时间范围为2 0 18 一2 0 3 0 年。参照预案以现状基准年参数为基础，在没有任何新政策、技术等外界因素的干预下,进行WEAP对规划年的模拟。人口预案中,为了尽可能使人口变化与实际情况一致,使用Logistic回归分析模型来对未来人口进行预测。Logistic 回归分析模型,是一种广义的线性回归分析模型。用Logistic回归分析模型预测未来人口数量发展，考虑人口能够承受的最大值10 。Logistic模型认为人口增长有最大值X和人口的固有增长率ro，当人口增长到X附近时，人口将保持这个水准不会有较大变动，数学公式如下：dx/dt=ro(1-x/Xm)x赵霞，等：基于WEAP模型的河北省水资源供需平衡分析一族利人口数量一实际人口数景70006 50 06000F550050002.45004000350030001940195019601970198019902000201020202030(a)人口拟合曲线8000700060005000400030002000100002000300040005000600070008000(b）人口模拟值与实际值相关性7560755075407530752075107500749020220232024 2025 202620272028 20292030一人口/万人751147518.675248 7530.375351 7539.27542.8 75467548.7(c)未来人口数量预测图1人口预案表2 节水预案关键假设灌溉水有效利用公共用水管网关键假设系数2020年0.6752022年0.68(4)2030年2023年第4期x(0)=X0(5)式中x是人口数量，xo是初始人口数量，解方程组得到：x=X./(1+(X./Xo-1)exp(-rt)在Matlab软件中用Logistic模型，选取19 49 一2021年人口为基础数据进行拟合如图1(a），可以看出，19 49 2 0 2 1年用Logistic模型模拟出的模拟值与实际人口之间的相关系数为0.9 8 7 如图1（b），二者具有较强的相关性,可用来预测未来人口。在拟合曲线的基础上，用Logistic模型对2 0 2 2 一2 0 3 0 年河北人口总数进行预测如图1(c），然后将预测结果输人模型中进行预案的设置。节水预案是在流域人口、经济、生态保持在现状基准年不变的基础上，参照河北省“十四五”节水型社会建设规划目标要求进行相应参数设置如表2。1.3.3模型校准800075000.685(6)年份R-=0.9749漏损率/%1098工业用水重复利用率/%9093952023年第4期在建立WEAP模型的过程中已根据研究区实际情况和历史数据设定相应参数，但由于系统的复杂性,需要对模型参数进行不同程度地调整9 。本模型采用水文站月径流量实测值与模拟值进行对比，对模型进行校准。两者的皮尔逊相关系数趋近于1，说明模型拟合度比较好，该模型具有较好的准确性。2研究结果2.1河北省水资源供需现状分析河北省WEAP2018模型结果显示，不考虑南水北调等外调水的情况下,2 0 18 年研究区水资源需求量共计18 2.6 1亿m，供给量16 5.44亿m，缺水量17.17亿m，而2 0 18 年河北省水资源公报显示需求赵霞，等：基于WEAP模型的河北省水资源供需平衡分析5040子牙河流域302010漳卫河流域永定河流域图2 河北省各流域不同部门需求量单位：亿m3潮白河流域子牙河流域121027需求量一农业需求量潮白河流域一生活需求量工业需求量环境需求量大清河流域黑龙港运东河流域滦河流域缺水量农业嵌水量一生活缺水量一工业缺水量环境缺水量大清河流域量18 2.42 亿m，全省水资源量16 4.0 2 亿m，与该模漳卫河流域型模拟结果基本一致，误差可能是在数据处理过程中由格网化时造成的。模拟结果显示,2 0 18 年河北省缺水量17.17 亿m,其中，农业用水缺水（16.17 亿m）占缺水量的9 4.18%，生活用水缺水（0.8 9 亿m）占缺水量的5.19%，环境用水缺水（0.0 52 亿m）占总缺水量的0.3 1%，工业用水缺水（0.0 55亿m)占总缺水量的0.32%。农业用水和环境用水节点的需求量存在较大的月变化。农业用水主要在7 一9 月无法满足全部用水需求，因为7 一9 月为农业主要灌溉期需求较大，不考虑外调水的情况下难以完全满足；面对严峻的水资源短缺形势，河北省不得不挤占环境用水以维持农业和生活用水供需平衡，导致工业用水和环境用水在12 一2 月无法满足。子牙河、滦河、黑龙港运东流域和大清河流域用水需求较高，因为这些流域农业产值高、经济较发达,对水资源的需求大，如图2。潮白河、滦河、永定河、子牙河、漳卫河及黑龙港运东流域的用水需求基本得到满足，但大清河流域的农业缺水量巨大，需求未得到满足。在大清河流域中，生活用水完全得到满足，工业用水和环境用水基本得到满足，而农业用水满足度较低，因为大清河流域是我国重要的农业生产基地,农作物产量高。由于受自然条件的制约，这一地区水资源相当贫乏，是我国缺水最严重的地区之一如图3。黑龙港运东河流域永定河流域深河流域图3 河北省各流域不同部门缺水量2.2人口变化预案下水资源供需平衡分析人口变化预案是在考虑未来河北省经济社会发展引起人口在时间和空间尺度上的变化而引起的对流域水资源变化情况的模拟。参照预案需求量和人口预案需求量对比如图4，需求量持续增长与人口有较大关系。参照预案是不受任何外界因素、政策影响的结果,而人口预案是结合模拟出的实际人口增长而对水需求量的影响，相比于参照预案更具有参考价值。在人口预案下，到2025年增加的水需求量约12.49 亿m,到2 0 3 0 年流域增加的用水量约2 3.7 4亿m,增长幅度分别为现状225200175150125100+20182019202020212022图4人口预案下需水量变化模拟单位：亿m三一参照预案人口预案7225200175150125100202520308基准年的6.8%和13%。由于城乡居民生活要求的水量占比较少，人口增长之间的差别有限，只要流域内不发生规模性移民，仅依靠当前地方人口增长速度及城乡居民的用水习惯，在未来10 15年内对流域水资源承载能力的影响不大。2.3节水预案下水资源供需平衡分析节水预案是根据国家“十四五”发展规划，详细参考河北省“十四五”节水型社会规划进行预案参数的设置，通过提高渠系水利用系数、工业用水重复利用率和降低公共管网渗漏率来逐步实现全流域节水。通过实施节水预案，各流域内农业、生活和工业要求的水量有明显降低。各流域工业用水需求量差异较大,尤其是滦河和子牙河流域,因为滦河和子牙河流域经济较发达，聚集大量生产型的工厂，说明提高工业用水重复利用率是较有效的工业节水措施；其次是生活用水需求量，各流域下降率约2 7%，相差不大；农业用水需求量由于本身所占的比重较大，通过提高灌溉水有效利用系数也有所下降，但相较于其他两类用水不明显，如图5。282018272025262030252423654210深河图5节水预案下各流域需水量变化模拟在节水预案下，通过提高灌溉水有效利用系数，有效降低农业用水需求量。在逐步提高灌溉水有效利用系数的情况下，到2 0 2 5年和2 0 3 0 年可节省农业用水量为2 0 18 年的1.7 4%、2.2%；通过降低公共管网漏损率，到2 0 2 5年和2 0 3 0 年可节省生活用水量为2 0 18 年的2 7.9%、2 9.17%；通过提高工业用水重复利用率，到2 0 2 5年和2 0 3 0 年可节省工业用水为2 0 18 年的15.9 9%、19.0 2%，如表3。对于当前河北省水资源短缺情况来看，实施节水规划是比较有效的措施，可取得显著成效。赵霞，等：基于WEAP模型的河北省水资源供需平衡分析treatment,2018,118:12-25.3杨明智，薛联青，郑刚.基于WEAP的叶尔羌河流域水资源优化配置研究J.河海大学学报（自然科学版),2 0 13,41(6):493-499.4李燕，李恒鹏.基于WEAP模型的西茗溪流域水质安全保永定河大清河2023年第4期表3 不同预案下水资源需求量变化2018年2025年部门参照节水参照节水参照节水预案预案预案预案农业120.97工业19.14生活28.213结语研究可知，在不考虑南水北调等外调水的情况下，2 0 18 年河北省缺水量为17.17 亿m，农业缺口较大。在人口政策影响下,到2 0 3 0 年要求的水量有所减少，靠当前人口增长速度对流域水资源承载能力的影响不大。通过提高渠系水利用系数、工业用水重复利用率和降低公共管网渗漏率等措施可实现部分节水，节水预案可取得显著成效。参考文献：1国家统计局.河北省统计年鉴J.北京：中国地图出版社，2002.2Yang L,Bai X,Khanna N Z,et al.Water evaluation andplanning(WEAP)model application for exploring the waterdeficit at catchment level in BeijingJJ.Desalination and water潮白河潭卫河黑龙港运东2030年预案预案120.97121.3119.1424.6928.2129.56障方案J.水科学进展,2 0 10,2 1(5):6 6 6-6 7 3.5喻立.基于WEAP的宁夏黄河流域水资源优化配置探究D.重庆：西南大学,2 0 14.6沈钜龙.基于GIS-WEAP模型的民勤水资源模拟与规划研究D.兰州：兰州大学,2 0 0 9.7王天华.基于WEAP模型的丽江市水资源供需平衡分析D.武汉：长江科学院，2 0 17.8河北省水利厅.河北省水资源公报R.2018.9柴晓伟.基于WEAP模型的党河流域水资源可持续发展能力研究D.北京：清华大学，2 0 17.10朱兴造，庞飞宇.自回归及logistic离散模型在中国人口预测中的应用J.统计与决策,2 0 0 9(13):157-159.（责任编辑：尹健婷）119.221.6321.67121.5529.6130.29118.8925.9722.06