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一、水资源实时监控管理系统的特点及技术要求
什么是“水资源实时监控管理系统”呢?这个系统是以信息技术为基础,运用各种高新科技手段,对流域或地区的水资源及相关的大量信息进行实时采集、传输及管理;以现代水资源管理理论为基础,以计算机技术为依托对流域或地区的水资源进行实时、优化配置和调度;以远程控制及自动化技术为依托对流域或地区的工程设施进行控制操作。
这种系统的主要特点是:①对水资源进行实时监测。监测的内容包括水量和水质。实时监测的意义在于:只有掌握瞬时变化的水量信息,才能科学、准确地进行资源配置及调度;只有掌握瞬时变化的水质信息,才能对环境质量进行动态评价和有效监督,也才有可能应对水污染突发事件,保证供水安全。②这种系统以地理信息系统(GIS)为框架,除了采集水资源信息外,还广泛采集流域或地区内的气象、墒情等自然信息,水利工程等基础设施信息,经济与社会发展的基本信息以及需水部门的需水信息。③它不同于以往的水资源监测系统,仅仅具有监测功能。这种系统更重要的功能是进行实时配置调度。它是在监测的基础上,以大量的综合信息为基础,采用现代水资源管理数学模型,为水资源的实时配置、调度提供决策支持。这种模型势必突破“就水论水”局限,体现经济与社会发展——资源——环境的协调统一,体现水资源的可持续利用原则,体现“依法治水”的原则。④这种系统应是高新技术的集成。系统的设置应充分吸收国际上最新技术,坚持高起点。它包括监测技术、通信、网络、数字化技术、遥感、地理信息系统(GIS)、全球定位系统(GPS)、计算机辅助决策支持系统、人工智能、远程控制等先进技术。⑤它的设置应是因地制宜的。针对不同流域、不同地区不同的经济发展水平及基础设施状况,水资源管理中不同的重点问题,水资源实时监控管理系统的设置也应具有不同的特点。系统的设置还应与防洪调度指挥系统的建设相结合。
这种系统的技术要求是:①以现代电子、信息、网络技术为基础,实现监测数据的自动采集、实时传输和在线分析,有效地提高监测数据的实时性和准确率,确保监测信息的有效性。②充分掌握所在地区水资源供需状况,建立相应的资料库和水量、水质模型、供需水模型及生态环境分析模型。供水方面包括:地表水、地下水、土壤水,主水、客水、污水回用等等,需水方面包括:生活用水、工业用水、农业用水、生态环境用水等。③充分运用现代计算机和人工智能等技术进行高度技术集成,快速、高效、准确、客观地分析处理大量监测数据信息,并根据已建立的供需水模型和水环境分析模型等,动态生成水资源优化配置、调配计划等辅助决策方案。④以综合分析和辅助决策为基础,实现对水资源的优化配置、远程控制和科学管理等,即实现水资源调控的现代化。⑤系统应具有很强的实用性和动态可扩展性,以满足不同用户的需求。
二、水资源实时监控管理系统的基本结构
水资源实时监控管理系统应具备水资源实时测、水资源实时预报、水资源实时调度和水资源实时管理等功能。其功能概要详见图1。系统的总体结构又可分解为以下主要部分(参见图2):①数据库(包含图形库、图像库和CIS系统),②模型库(包括方法库),③知识库,④在线数据采集子系统,⑤综合信息管理子系统,⑥综合分析与决策支持子系统,⑦实时控制管理子系统。其核心是综合分析与决策支持子系统以及数据库、模型库、知识库。其他各部分则为系统核心的补充、延展和支持。
系统总控目的是建立系统各部分之间的联系、控制各库和各子系统的协调运行。
在线数据采集子系统提供相关水资源与水环境监测数据的自动化采集和数据可靠性在线分析功能。其重点是对地表水和地下水(水量、水位、水质及水温等)的实时动态监测和监测数据的自动化采集、监测数据预处理,以及监测数据可靠性的实时在线分析处理等。该子系统还应提供与各类监测仪器衔接的数据采集接口,通过接口模块动态收集监测数据资料,确保存入数据库中的监测资料的有效性、完整性和可靠性。
综合信息管理子系统管理各种水资源水环境监控项目的数据资料,具有监测数据资料的输入、存储、整编、查询与传输等功能,对水资源监控数据资料进行综合管理和处理。该子系统还应提供对综合分析与决策支持子系统以及实时控制子系统的数据传输接口。
实时控制子系统主要完成两个功能:一是将系统综合分析与辅助决策的成果以实时报告(如水资源预报、水质分析公报、企业排污超标警报、水资源调配建议方案等)和多媒体报警信号(如大屏幕指示、声光警报等)的形式进行动态输出,以供决策部门进行水资源配置和管理参考;二是将输出指令直接作用于可控自动化水资源调配和控制设备(如给、排水闸门等),通过有线/无线/远程控制技术对系统所涉区域内的重点给、排水设备及重点控制工程进行远距离的调节控制。
综合分析与决策支持子系统对实时监测获得的数据信息进行综合分析处理。其主要功能就是运用模型库中的相应模型对监测数据资料进行智能化的综合分析,参照知识库中的专家知识和有关法律、法规、规程规范,形成水资源(包括水量、水质、水情和水环境等)动态状况的分析成果;并根据分析成果,产生辅助决策报告或直接控制指令。系统还应专门设计有多库协同器,进行各库之间的协调。多库协同器提供系统各库的协同规划、综合调度、人机交互、资源共享、冲突仲裁和通信联络等处理功能。
综合分析与决策支持子系统是本系统的技术核心,它将以国内外近年在水源、水环境和农田水利等方面的科研成果为基础,结合现代高新技术进行综合开发,形成技术先进、功能完善、实用性强、又便于扩展和更新的具有决策支持能力的智能化综合分析系统。
数据库是整个系统运转的基础,准确高效地收集和及时处理大量复杂的监测数据资料是整个系统设计和开发的重点。数据库及综合信息管理子系统是面向数据信息存储和信息查询的计算机软件系统。本系统的数据库内容包括:①水利工程档案库,②监测仪器特征库,③原始监测数据库,④整编监测数据库,⑤监测网站资料库,⑥人工巡视检查资料库,⑦数据自动采集参数库,⑧模型输入输出数据库,⑨成果数据库,⑩实时控制日志数据库等。图形库和图像库是数据库的延展和补充。
模型库及其管理子系统提供相应分析处理使用的处理模型和计算方法的例程库。包括各种时态和空间模型、在线数据可靠性分析算法等。包括水情预报模型、水量评价模型、水量预测模型、水质评价模型、水质预测模型、水污染模型、需水模型、生态环境分析模型、洪水演进及仿真模型、决策支持模型等等。
知识库及其管理子系统是用于知识信息的存储及其使用管理的计算机软件系统。本系统的知识库内容包括:①各监控项目的监控指标,②日常巡视检查的评判标准,③监测数据误差限值,④专业规律指标,⑤专家知识经验,⑥水利法律、法规,行业规程、规范的有关条款等。
三、水资源实时监控管理系统的实施
关键词:水资源重要性管理模式合理利用
向阳河灌区地处吕梁山东麓,是省注册万亩自流灌区之一。灌区水源为位于汾阳市西北峪道河镇向阳匣口的桃花泉。泉水最大流量0.13m3/s,多年平均流量0.07m3/s。灌区设计灌溉面积1.5万亩,有效灌溉面积1.15万亩。灌溉范围包括两个乡镇十三个自然村,同时承担下游十五个村庄一万余人的饮用水。灌区自成立运行以来,为汾阳一方经济特别是是农业发展起到不可磨灭的贡献。
但近年来,由于爱利益驱使,许多当地村民置生环境和水量锐减于不顾,抱着靠山吃山的想法,在泉源保护范围内大肆开采白云石,灌区方圆几公里,不时可听到炸药爆破的响声。据不完全统计,仅向阳村现有石场八座,其中具备开采资格的仅一家,属地质矿产局发证。就因为私人在泉源放炮采石一事,灌区曾多次向上级有关部门反映,然收效甚微,但从日渐锐减的水量来看,个中因素却不容忽视。
事实上,随着人口增加与工农业的迅猛发展,一方面社会对水的需求量急剧增长,另一方面水环境不断恶化,水资源紧缺已成为一个全球性的问题,由于水的供需矛盾日趋尖锐,工农业竞相开发地下水,地下水严重超采,造成地下水位持续下降,从而出现大面积降落漏斗和地面沉降,建筑物破坏现象,有的已造成资源难以再恢复。水资源是有限的,也是其它资源无法代替的,如果不引起人们的高度重视,进行科学管理,合理开发,其后果难以估量。
1加强对水资源重要性的认识
人们常说,春雨贵如油,这固然是从农业生产角度来看的,但足见我国人民早已对水的重要性有了一定的认识,而对如今水资源紧缺的状况来说,真是春雨胜如金,在市场经济社会中,水已成为一种重要的经济资源,与其它商品相比,水资源有其独特性。
1.1不可替代性
水是生命之源,维持着地球生物的生存,不可用别的资源代替,生态系统离开水,其连续不断的循环就将终止。
1.2多功能性
水的用途最为广泛,除了供人类日常生活外,更多的是用于工农业生产,如炼钢,造纸,发电,航运,农灌,养殖等,水资源的这种多功能性,别的资源无法相比。
1.3有限性
随着社会经济的迅速发展,及人们生活水平的提高,对水量、水质的要求越来越高,但水不是一种取之不尽,用之不竭的资源,它的可开发与可利用程度是有限的。
2改革水资源管理模式
水循环是生态系统的一种自然循环体系,既有独立性,又有依赖性。其独立性,是指它不需要人为的施加外部因素,如大气、环流、风、阳光、生物、土壤等,水资源是生态系统不可分割的一个重要组成部分,这就要求我们管水、治水不能单一化,不能只治标不治本,
要标本兼治,将其溶入整个人类生态系统中综合考虑,综合治理。
目前,在水资、源的管理方面,虽然明确水利部门是水资源的主管部门,但建设部门、地矿部门、环保部门都在一定范围内和一定程度上管水,造成水权分散,各自为政,从而缺乏对水资源浪费,污染及布局不合理现象的有效管理,从管好水、用好水和发挥水的最大效益出发,迫切需要一龙治水管水。把地表水、地下水的管理统一到整个社会资源体系中,统一到维持生态平衡中,统一到环境保护中,把供水、灌溉、抗旱、水土保持、工业生产和人民生活紧密结合起来,建立水资源统一管理体系。将乡村用水、城市用水、工业用水全面规
划,合理调配,平衡供需,使水资源再生成为可能。
在水资源的开发利用中,要逐步采用先进的管理手段,如运用计算机管理城市用水和农田灌溉,使水资源得到总体最佳利用。以色列是一个地处旱区域、严重缺水的国家,水资源总量仅17亿,但由于重视科技,因而成为世界水资源利用效率最高的国家,人均国民生产
总值比北京市高4倍。我国在开发利用保护水资源方面应学习以色列的经验。
3实现以节水为核心的水资源合理利用。节水是控制一个地区需水量盲目增长的有效
途径,也是区域水资源调配的基础,我国当前节水有巨大潜力可挖。
3.1农业节水在农业生产上应积极提高灌溉效率,防止浪费,建立高效节水农业。我
国现在主要采用渠灌、喷灌,灌溉用水浪费严重,利用系数为0。3—0。4,每立方米水生产粮食0。8,仅为发达国家的一半。为了提高灌溉水利用率,减少无效损失,要改进灌溉方式和设施,如采用低压管道灌溉不仅比渠灌节约1/3的水量,还能增产。
1.1人力资源管理的观念滞后,管理方式简单
近些年来水利水电企业将传统的人事部门改为人力资源部门,在某种角度反应出企业管理层对于人力资源管理是比较重视的。但是,企业知识简单的将人事部的名字进行更改,没有认识到人力资源管理与人事管理的不同,其工作思想以及管理模式没有进行更新,仅仅将员工作为发展的工具,将人力资源管理的重点放在如何安置员工,其管理任务是控制员工,其主要对企业员工薪酬的控制与利用,忽略了对员工工作积极性、创造性以及工作能力的培养,缺乏有效的系统管理。
1.2人力资源管理与企业发展存在差异
人力资源管理贯穿企业发展的方方面面,因此,人力资源管理要结合企业发展战略,制定有效的管理战略以及管理制定,才能保障人力资源管理的效益和作用。目前我国水利水电企业中,没有重视到人力资源管理的作用,人力资源部门仅仅对企业员工的招聘、调度、职位的晋升以及薪资等方面开展工作活动,而不是以企业的发展战略为工作前提,仅仅将人力资源管理当做一项管理工作,忽略了人力资源管理是以促进企业发展为前提的一项科学活动。企业在工作岗位的设置上也有很大的缺陷,目前的大部分水利水电企业中多以“因人设事,因人设岗”作为工作岗位安排的原则,且人力资源管理方面也仅以当前或短期的利益作为工作出发点进行管理和调度,没有认识到人力资源管理需要立足于企业长久的发展,导致了人力资源管理与企业发展相分离。
1.3缺乏有效的激励机制
激励制度是至当员工在出色的完成任务目标、为企业创造了巨大的价值时,企业通过薪酬、奖金、福利或是股份分成等形式奖励员工,从而提高员工对工作的积极性。实现企业经济效益的提高。激励机制的建立能够鼓励员工完成富有挑战性的任务或困难的工作,并且对员工的个人能力也起到了锻炼的效果。随着我国企业的不断发展,激励制度已经成为目前企业管理中的重要内容,也是公司吸引人才的前提。企业员工对工作的不满意最直接的是企业缺乏相应的激励制度。虽然在长久的发展中,我国水利水电企业也重视到这一问题,并提出了一定的物质奖励,但该问题依旧存在于人力资源管理中,这主要是由于物质奖励与约束机制存在缺陷,导致企业员工对工作的积极性下降。
2提高水利水电工程项目人力资源管理的措施
(1)不断更新人力资源管理观念,贯彻落实“以人为本”的原则,合理优化人力资源。
传统的人力资源管理观念束缚着水利水电企业的发展,导致人力资源管理的效率无法得到有效的提升。因此,不断更新人力资源管理观念,是有效提高人力资源管理效益,实现企业综合实力提高的重要前提。企业管理层要重视企业人力资源管理部门与现代人力资源管理理论思想相结合,并以此作为人力资源管理工作的指向标,进一步实现思想观念的转变。重视企业人才资源管理,并重视优秀人才对企业发展的作用,将人才培养作为企业的一项重要任务,最大程度的对人才进行吸收、培养以及使用,立足于企业未来的发展,建立正确的发展战略,正确认识人才使用对企业发展的积极作用,并建立完善的人才培养机制,促进企业内部竞争,并做好人力资源优化,将优秀人才调度到适合的岗位,提高人才使用的效率。
(2)结合企业发展战略进行人力资源管理。
企业管理层要将企业战略与人力资源管理相统筹,将人力资源合理利用,并且实现各项人力资源管理工作的中心是要以服务企业开展的,实现人力资源管理与企业发展战略的相适应,有助于促进企业的平稳运营。水利水电企业规模不同,对人力资源管理的工作开展的要求也不同。但是,人力资源管理的实质是结合企业发展战略进行人力资源的合理规划,通过各种人力资源管理措施来提高企业员工的工作效率,以此实现企业发展战略。
(3)建立有效的激励制度。
人才的流失主要是由于企业缺乏有效的激励制度。因此,如何建立有效的激励制度是实现水利水电企业人力资源管理效率提高的重要前提。首先,需要规范企业内部竞争制度,在员工岗位确定后,落实双向选择制度,促进企业内部的合理竞争,通过面试与笔试相结合的方法,打破企业职工“铁饭碗”的现象,让人人都能参与职位的竞争。然后,建立健全的激励制度。以员工的岗位、对企业的贡献作为奖金的参考依据,所以,有效的绩效考核与个人薪资的结合是提高人力资源管理的重要措施。最后,建立目标激励制度,为每个员工制定科学的目标,并实现以目标为工作核心、以员工待遇与任务完成情况的企业管理,以此调动企业的积极性。
3结束语
松涛灌区位于海南岛北部及西北部,总土地面积5866km2。灌区地处热带与亚热带,多年平均气温23~24℃,日照时间长,全年太阳辐射量113~124kcal/cm2,常年无霜,四季宜农。
灌区多年平均降雨量为1483mm。降雨量年际变化大,丰、枯悬殊。降雨量年内分配也不均匀,5~10月份的降雨量占全年的80%以上,主要集中在几次台风暴雨期间,干、湿季节明显。灌区多年平均蒸发量在1220~1320mm之间,相对湿度约为82%~85%。
据1989年土地调查资料,灌区现有耕地面积21.37万hm2,(1hm2=15亩),设计灌溉面积13.67万hm2,自1989年至今实际灌溉面积一直在8.2万hm2左右徘徊。
灌区土壤种类繁多,土地资源丰富,有发展农、林、牧业的优势。松涛灌区建成40多年来,各项主要农产品的产量占全省总量的比重大,单位产量也较本省其他地区高,历年分别是海南省粮食、糖蔗、油料的26.6%、53.9%、25.3%左右。
2松涛灌区水资源开发利用现状
自1958年开始,灌区内陆续兴建水利工程,至今已基本形成了以松涛水库为主,联结灌区内3市3县的中小型水利工程,实现了大中小、蓄引提相结合的大型水利灌溉系统。
松涛水库位于南渡江上游,始建于1958年7月,至1969年基本建成,是一宗跨流域引水,以灌溉为主,结合城乡供水、防洪、发电、养殖等的大型水利枢纽工程。通过骨干渠道,与灌区内的儋州、临高、澄迈、琼山、海口、白沙等市县中小型水库及塘坝相联结。
松涛水库集雨面积1496km2,多年平均径流量14.99亿m3,总库容33.45亿m3,正常库容25.95亿m3,死库容5.12亿m3,兴利库容20.83亿m3,年均供水12.87亿m3,水量利用系数86%。水库枢纽工程由大坝、导流洞、溢洪道、输水枢纽和10座副坝组成。
灌区内各市县利用当地水资源建有中型水库12宗,小(一)型水库32宗,小(二)型水库及塘堰537宗,总灌溉库容3.85亿m3。另有中型引水工程4宗,小型引水工程124宗,其中与松涛连成结瓜水库的有中型10宗,小(一)型15宗,中型引水工程3宗。
松涛灌区骨干渠道有总干、东干、西干、9条分干和2条补水渠,统称上三级渠道,共长443.93km。由松涛直灌的支、斗、农渠与中小型水库的渠道统称为下三级渠道,总长3912km。
在松涛灌区范围内,小江河集雨面积4027.99km2,年平均径流深540.0mm,集雨面积在100km2以上的河流有11条,其中大塘河、春江、北门江和文澜江等4条河流的集雨面积都在500km2以上。由于灌区内河流源短流急、水量不大,故旱灾频繁,严重制约农业生产和国民经济的发展。中小型水利工程可控制的集雨面积2532km2,占灌区土地总面积的43%,多年平均径流量14.47亿m3,能开发利用的总兴利库容为5.83亿m3,据2000年水利部批准的《松涛灌区续建配套与节水改造规划》中远期年供水4.92亿m3,水量利用系数为34%,利用率很低,是海南省严重缺水地区之一。
3松涛灌区水资源开发利用中存在的问题
松涛水利系统的主要工程——松涛水库,其施工导流洞因年久失修未改建成战备的水库放空洞而漏水,年损失水量达1420万m3。
中小型水库设计标准偏低,或溢洪道、放水涵、护坡等存在不同程度问题;灌溉渠系防渗不力,漏水仍较严重,渠系输水损失率达55%;下三级渠道、田间灌排系统、建筑物等不配套。
灌区渠系水利用系数现达0.4、田间水利用系数为0.9、灌溉水利用系数为0.36,与《规划》中远期分别达到0.68、0.95、0.65的目标相距甚远。
40年来灌区水工程边运行边续建配套,因缺乏整体除险加固的资金来源,使工程老化失修严重,效益有所下降,且带来水土流失与水污染日趋加剧。
灌区内渠道跌水及结瓜水库上建成小水电站53宗,由于小水电效益好,收效快,是水管单位的经济支柱,故水资源利用往往会先发电后灌溉,与灌溉为主的开发目标背道而驰。
421世纪松涛灌区水资源开发利用的对策
首先,应根据国家21世纪水资源开发利用的总体部署,开展“水可持续利用”、“节水型社会”、“从工程水利转向资源水利”等工作,结合海南省国民经济发展和松涛灌区的实际情况,制定出本灌区21世纪水资源开发利用的中、长期供需计划。既充分体现发挥已建水利设施的效益和资源水利的科学管理,又要充分体现对灌区水资源实现可持续利用的基本原则。全省的水资源开发利用规划、计划报上级主管部门审批后,向全社会颁布,共同努力实现海南水资源可持续利用的目标。
松涛灌区水资源综合开发、合理利用必须建立一个科学的管理系统,制定一套结合当地实际,行之有效的法规。对此,本文不多赘述。笔者现就在21世纪松涛灌区水资源开发利用中应注意的几个突出问题及其对策进行论述。
4.1稳步搞好灌区工程除险加固、续建配套与节水改造工作
海南省是我国最年青,陆地面积最少、海洋面积最大、淡水资源难以从外地调入的海岛省,松涛灌区是海南省水利条件最好、稳产高产的粮食生产基地。国家计委和水利部历来十分重视松涛灌区续建配套建设和工程除险加固,1995年将其列为全国20个重点灌区之一,连续几年安排专项资金用于灌区续建配套。海南省及灌区各市县一直在多方筹集资金,除增加水利基建投资和农田水利事业费外,还使用了农业综合开发资金、商品粮基地建设资金、扶贫资金和以工代赈等专项资金,同时积极发动当地群众投工、投劳、入资,用于灌区续建配套工程建设,部分用于已运行40多年的松涛水利工程除险加固工作。
1999年,水利部要求各大型灌区抓好制定灌区续建配套与节水改造规划的工作。省水勘院与松涛局根据实际情况,在1989年珠江水利委员会设计院编制的《松涛灌区续建配套工程总体规划》的基础上,结合亚洲开发银行《海南北部地区水资源开发项目》报告,编制出《松涛灌区续建配套与节水改造规划》报告。该报告的总目标要求尽快全面完成松涛灌区的续建配套和抓好节水改造工作,以充分发挥松涛灌区的经济效益、社会效益和生态效益。
4.2依靠科技进步,实施科技兴水
科学技术是第一生产力。实现松涛灌区水资源可持续利用的目标同样离不开科学技术。
根据松涛灌区的实际情况,21世纪应围绕实现水资源可持续开发利用的目标,首先着重解决好计划用水、节约用水、改善水环境、保护水资源等重大课题。要积极开展科技攻关研究和应用开发研究,重视抓好科技成果的推广应用工作。近期内可就①加快推广省水高效农业灌溉技术,节约水资源,满足日益增长的城镇用水需要;②积极开展以松涛水库为龙头的灌区大中小、蓄引提相结合的大型灌溉系统水资源利用的优化调度研究,抓好灌溉用水和小水电用水的优化配置,逐步使松涛灌区真正做到依靠科技进步解决实际问题,依靠科技进步振兴灌区水利事业,实现松涛灌区21世纪用水管理现代化的伟大目标。
4.3以市场为导向,全面推行水费改革
松涛水利水价过低,目前农业供水价为0.0357元/m3(省物价局批准),而其成本价应为0.0793元/m3。以每年向用户供水6.0亿m3计,应收农业水费2142万元,成本价水费达4758万元。以现有的3:7(松涛局3,市县7)分成,应收水费分别为642.6万元、1427.4万元。松涛工管局在水价低、分配比例严重失调的情况下,所应收水费还被层层截留,目前实际收到的农业年水费仅约200万元。水费收不上来,管水人员工资低,队伍不稳定,工程长期老化失修,效益下降。因此,加快以建立适应市场经济规律的水费经营体系为中心的水费改革已势在必行,迫在眉睫。
要根据市场经济规律,按照年运行费,适当考虑移民补偿费,核算农业水价。工业、城镇供水要加收合理的利润、税金、保险费、水资源费等。采用形式多样的水费收交方式,实行谁用水谁交费、谁供水谁收费的政策,供水单位直接向用户收费,避免中间管理单位截留和回扣,确保水费的回收,收取的水费用来以水养水、以库养库,部分水费还可用于工程的维修及配套,逐步使松涛水利经济走上良性循环的轨道。
4.4抓好水资源的可持续利用工作
实现我国21世纪水资源可持续利用目标的途径一是靠节水,二是靠经济结构调整。海南同样如此。水资源的需求主要指工业、农业、生活用水和环境(保持水环境自净能力的需要)、生态(保持生态平衡)用水。水资源的来供范围包括可以利用的大气水、地表水、地下水、污水回收及海水淡化。
保证水资源供需平衡在于开源、节流。节约用水是保障供需平衡的主线,而水价是必不可少的经济杠杆。通过水价调节来提高水资源的利用效率,目前松涛灌区灌溉用水是节水的大户;工农业和生活也要节约用水,并要努力削减排污总量,节约环境用水;还要注重水土保持,节约生态用水。开源要以经济与生态效益为核心,力求科学合理;充分利用大气水,合理利用地表水,科学利用地下水,努力开拓污水处理回收,开发淡化海水。
结合松涛灌区的实际情况,我们应抓紧抓好以下三方面工作:
⑴水资源开发、利用、保护、管理的法规体系必须尽快健全。尽可能使这些法律内容具体化并定量化,增加可操作性,增补完善罚则条款,以使在实际工作中真正能做到“有法可依,有法必依,有法能依;执法必严,违法必究,究办必力。”
⑵水资源统一管理体制必须适应市场经济要求,管理要规范化、现代化。
⑶尽快建立健全水资源开发利用工作机制,使松涛灌区水资源可持续利用得到有力保障。
4.5加快水利人才队伍建设
一、影响水资源承载力大小的因素
1.水资源总量及水质水资源总量是指流域水循环过程中可更新恢复的地表水与地下水资源总量。水资源总量的确定是水资源承载力研究的基础资料,是决定流域水资源承载力的关键因素之一。在水资源承载力研究中,水量与水质密不可分,两者必须同时考虑。水资源总量的确定包括:变化环境下的水资源总量;跨流域调水所引起的水资源总量的增减;各水利工程建筑物所增加的水资源总量及其控制地域范围与时间范围;丰水期与枯水期水资源总量与水质。
2.生态环境需水生态环境需水是为了维系生态系统生物群落基本生存和一定生态环境质量(或生态建设要求)的最小水资源需求量和基本水质要求。生态环境需水量包括天然生态保护与人工生态建设所消耗的水量。生态环境需水不但要满足最小水资源量的需要,同时还应满足基本的水质要求。而水体流速与流量,流量与水质又有相互的联系,在生态需水总量计算中需综合考虑。
3.可供使用的水资源量可供使用的水资源量是指可以直接提取用于工业、农业及生活的水资源量。从水资源可持续发展的角度来说,可供使用的水资源量是指在一定的用水结构和开发利用深度下可被开发利用的最大水资源阈值,是水资源承载力计算的基线。可供使用的水资源量在数值上不易给定,因为该量一方面要保证不挤占生态环境用水,要从水资源总量中扣除地下水总量、地表水对地下水的补给量及蒸发量,另一方面该量与水资源的需求关系及相应的水资源配置、地区生产力水平、生产力发展水平、节水潜力、节水技术、社会消费水平及消费结构等因素相关,因为这些因素的变化影响了回水量及回水水质,从而对流域河道内水体产生了不同的影响,使可供使用的水资源量发生变化。
4.水体自净能力污染物进入水体后,其浓度在流动过程中经过水中物理、化学与生物作用,使污染物浓度降低的现象,称为水体的自净作用。自净能力的大小是各种综合因素的结果,如流域生物群落、水体酸碱性、河床岩性与植被、水体污染程度等因素有关。对应不同的污染物,水体的自净能力是不同的,在研究时可针对不同的污染物用某一污染物的综合削减系数这一指标来刻画。
二、流域水资源承载力指标体系依据其影响因素及所涉及的领域,流域水资源承载力指标体系划分如图1。
水资源承载力指标体系的建立有两个目的:其一是用来衡量水资源承载力的大小,其二是给定承载力评价的一般性指标,这些指标的作用是使水资源承载力评价方法与评价手段规范化、标准化。对于特定地区需要根据具体情况增加特定指标。所以笔者认为水资源承载力还需根据计算要求建立一套计算性指标体系:度量性指标:
可供使用的水资源量、人口数、人均工业GDP产值、耕地灌溉率和有效灌溉面积
评价性指标
诊断指标(用于课承载的判断):包括生态环境、农业指标
计算指标(用于承载力大小的计算):包括工业、农业、生活、城市发展指标
三、水资源承载力的计算水资源承载力研究的核心问题:
在目前以及未来可预见的水资源开发利用阶段,流域(或某一区域)可供使用的水资源量是多少(属于可再生利用的水资源量)?这些水资源究竟能够支撑多大规模的社会经济系统发展?对于目前水资源已经不能承载的地区如何补救?如何合理管理有限的水资源,维持和改善水资源承载力?为此,笔者提出水资源承载力计算的流程(略),所需要的计算指标,见表1、表2。
图1流域水资源承载力指标体系划分
水资源承载力计算中可承载性判断的理论依据是生态环境指标体系中的各指标是否低于环境指标数值,即:若环境的实际指标均优于或等于指标体系中的标准时是可承载的,否则不可承载。水资源承载力计算的总体思路分为五步:
①确定水资源总量,将其分为两部分,即“保留水资源量”与“可供使用的水资源量”,给定一个初始值;
②对可供使用的水资源量进行水资源配置(按目前用水结构或计划结构),计算出各行业的回水量及水对各行业的支撑能力(包括目前用水水平与深度开发水平);
③计算出将回水与河道(或湖泊等水体)内水混合后的区域水量与水质情况,并计算经水体自净后的水质;
④将计算结果与生态环境指标体系中各指标进行对比,若计算水质与水量标准高于或等于(部分等于)指标体系要求时是可承载的,否则不可承载;
⑤若不可承载,返回第一步。重复以上五步直到计算水量及水质均符合要求,且有一个或若干个指标与环境要求指标相等时停止计算,此时计算出的可供使用的水资源量为最大可供使用的水资源量,计算出水的支撑能力为最大支撑能力,计算出的回水量为最大允许回水量(按达标排放)。
在此只对模型构造中关键性的两步(第二步、第三步)进行说明。
1.分配水量对工业、农业、生活的支撑能力计算在工业、农业及生活方面,水资源承载能力计算包括两个方面,即目前技术条件以及深度开发水平下的水资源支撑能力。对于目前技术条件下的计算只需将分配水量与目前用水情况进行简单对比运算即可,由于文章篇幅限制,在此不加以论述。采用先进技术条件下水资源的承载能力计算如下(未标明的变量见表1及表2):
(1)工业目的为计算出在分配水量(QI)下可支撑的工业产值(CI)及排污量(QPI)。定义产品水利用率为:k=
Q产品用水
Q1用水
Q产品用水=QI-QPI-ΨQI
式中,ψ为在生产过程中的跑、漏等浪费的水量占供水量的百分比系数;QPI为排污量。
再根据工业用水重复利用率的定义,以及工业耗水率的定义:ζI=
Q耗水
QI
则k=(ζI-Ψ)(1-α)
(1)
式中,α为工业用水重复利用率。在工业结构不变,而只是提高重复利用率时k值改变。若采用新的工艺需对k值重新进行计算。所以在k值没有改变的情况下其污水排放量为(设其工业重复利用率为α2):
QPI=QI[(1-Ψ)-k/(1-α2)]
(2)
(2)农业目的为计算出在所分配水量(QA)下有效灌溉面积的灌溉率(μ)及回水量(QPA)。
不计算农业产值,因为农业经济效益相对很低,将农业作为主要因素是考虑到保护粮食安全和社会稳定的社会效益。此外,一般来说随着工业化、城市化进程和乡镇企业的发展,不可能依靠增加耕地面积来增加粮食产量(从多年来看有效灌溉面积是相对比较稳定的),而通过提高复种指数来增加粮食产量的潜力也不大,在这种情况下,增加农作物产量主要依靠提高单位面积产量来实现,所以选用灌溉率这一指标也可以反映出农业的发展情况。
设有效灌溉面积为S、灌溉率为μ,则实际灌溉面积为:
SP=S·μ(3)
农业灌溉用水,又可分为净灌溉用水量和毛灌溉用水量。分别用符号M净及M毛表示。则综合渠系有效利用系数为:
η水=M净/M毛(4)
文中农业用水包括水田用水、水浇地用水、菜田用水。不包括林特渔业用水。某种作物的净灌溉用水量为
M净i=miAi(i=1,2,3)(5)
式中分别对应水田、水浇地、菜田。mi为净灌溉定额,Ai为灌水面积。设βi=Ai/(A1+A2+A3)=Ai/SP,为各种耕地所占比重。则
M净=∑miβiSP,即QA=∑miβiSP/η水
所以SP=QAη水/∑miβi,μ=QAη水/S∑miβi(i=1,2,3)(6)
设农业耗水率为:ζA=Q耗水/QA,
则QPA=(1-ζA)QA(7)
(3)生活用水方面:目的为计算出在所分配水量(QL)下能够支撑的城镇人口数(NP)和排污量(QPA)。
主要考虑城镇生活用水,城市生活用水按用途可分为居民住宅用水和市政用水两大类。这两部分的用水比例随城市发展规模和人们生活水平的提高而发生变化,但短期内也是相对稳定的。
设v=Q居民用水/QL(8)
则Np=vQL/L(9)
L为居民用水定额。生活耗水率的定义有:QPL=(1-ζL)QL(10)
2.区域水量、水质计算工业、农业及生活用水污水排入地表水体(江河及湖泊)后使地表水体水质恶化,但是排入的污水与地表水不是简单的混合,由于水体自身有净化能力,会使污染程度有一定的缓解。在此以“黑箱模型”对其进行求解。
设污染物i的综合削减系数为Ki,则
Ki=1-QCF,i/(QENCEN+QPICPI,i+CPACPA,i+QPLCPL,i+QPOCPO,i),
Q=QEN+QPI+CPA+QPL+QPO(11)
式中Q为混合后的总水量;CFi为污染物i混合后的浓度(mg/L)QEN、QPI、QPA、QPL、QPO及CEN、CPI,i、CPA,i、CPL,i、CPO,i分别为混合前的环境、工业、农业、生活及其他方面的水量及污染物的浓度。在地表水体中,QEN、CEN和Q、CF,i对于江河来说分别是其上游断面的水量,污染物浓度和下游断面的水量和污染物浓度;对于湖泊来说分别是在t0时刻的水量及污染物浓度和t时刻的水量及污染物浓度。所以有:
CF,i=(1-Ki)(QENCEN+QPICPI,i+CPLCPL,i+QPACPA,i+QPOCPO,i)/Q(12)
3.模型设判断指标为:Clim,i为计算区域地表水对污染物质i的阀值,Qlim为水量阈值,μlim为耕地灌溉率阈值。
则有:Clim,i≤CF,i,Q>Qlim,μ≥μlim(13)
设:QI=ρ1QEO、QA=ρ2QEO、QL=ρ3QEO、QO=ρ4QEO(14)
ρ1、ρ2、ρ3、ρ4为水资源配置系数,即各行业用水比重。
ρ1+ρ2+ρ3+ρ4=1(15)
则数学模型如下:
MaxCF,i=(1-Ki)(QENCEN+QPICPI,i+CPLCPL,i+QPACPA,j+QPOCPO,j)/Qi=1,2,3,...,n
MinQ=QEN+QPI+CPL+QPA+QPO
CI=ρ1QE0(1-αi)/(q1(1-α2))
QPI=ρ1QE0[(1-Ψ)-k/(1-α2)]
μ=ρ2QE0η水/S∑miβi(i=1,2,3)(16)
QPA=(1-ζA)ρ2QE0
NP=νρ3QE0/L
QPL=(1-ζL)ρ3QE0
Q≥Qlim
μ≥μlim
CF,iClim,ii=1,2,3,...,n
以上数学模型实际上是求最优解的数学问题:当MaxClim,i=CF,i,MinQ=Qlim时,求得特定水资源配置条件下的水资源最大承载力,即求解出CI(能够支撑的工业产值)、NP(能够支撑的城镇人口数)以及μ(有效灌溉面积的灌溉率)的值。模型的求解是一个反复计算寻求最优解的过程,在计算机中可以使用迭代法,或对半差分法来进行最优解的搜索。
四、应用
以重庆市的用水条件为例对计算进行说明,以长江干流重庆朱沱处的水量为基准,计算该断面水资源的承载能力。因为该处在不同月份水质差别较大(大都在Ⅱ类到Ⅳ类之间),本文引用2002年4月份的统计数据对模型的计算进行说明,因为该时段水量相对较小而污染最严重,是水资源承载能力最弱的时段。本文对该段水资源承载力的计算准则为:为保证下游长江干流的水质,要求经开发利用后长江干流水质不得超过Ⅳ类水标准,否则认为是超载的。因为长江干流水量充沛,所以本例中不对水量做限制。
根据该段主要污染物,选取诊断指标为总大肠菌群、总磷、石油类,即:C1<10000个/L,C2<0.2mg/L,C3<1.0mg/L。
用水所占比重关系为:工业(ρ1)42.5%,农业(ρ2)35.3%,生活(ρ3)22.2%。工业耗水率(ζI)20.4%,工业万元产值用水量(q)为155m3/万元,工业用水重复利用率(α)40%,ψ=12.5。有效灌溉面积(S)166.52万hm2,其中水田所占比重β1=52.2%,灌溉定额3000m3/hm2;旱地所占比重β2=47.8%,灌溉定额1200m3/hm2;灌区渠系水利用系数0.65(η=0.65)。城镇人口用水定额为0.150m3/日·人,居民住宅用水占城镇生活用水量的60%(ν1=60%),生活耗水率(ζL)为20.7%。计算段上断面流量为3200m3/s。目前的总取水量为QEO=182.5m3/s。上断面水质情况为:CEN,1=1500个/L,CEN,2=0.18mg/L,CEN,3=0.48mg/L。污水排放浓度为:CPI,1=30000个/L、CPI,2=0.5mg/L、CPI,3=30mg/L;CPL,1=50000个/L、CPL,2=0.60mg/L、CPL,3=1mg/L。综合削减系数为选取两典型断面测量,以此替代整个计算段的综合削减系数:K1=0.001,K2=0.0002,K3=0.002。
将以上各量代入计算模型,水资源配置关系保持不变,经计算:最大可供使用的水资源量为448m3/s,占总水量的14%,可承载人口总数为3437.2万人,人均GDP产值为1.1270万元,灌溉率为91%。
若水资源配置关系不变,工业用水重复利用率提高至50%,工业耗水率提高至23%。则最大可供使用的水资源量为480m3/s,占总水量的15%,可承载人口总数为3560万人,人均GDP产值为1.3524万元,灌溉率为93%。
若水资源配置关系变为工业45%,农业28%,生活27%,其他各项不变,则最大可供使用的水资源量为432m3/s,占总水量的13.5%,可承载人口总数为4031万人,人均GDP产值为0.9812万元,灌溉率69.3%。
表1诊断性指标表
诊断指标名称说明
水质pH值
溶解氧(mg/L)
CODCr
BOD5
水温(℃)
总磷(以N计mg/L)
总汞(mg/L)用于有工业污染的地区
总镉(mg/L)
总铅(mg/L)
总胛(mg/L)
硒(四价)(mg/L)
总氯化物(mg/L)
总大肠菌群(个/L)
悬浮物
生物生存最小蓄水量选取4个量中的最大者。其中包括地表水对地下水的补给量,人工生态所需供给水量。
防止河流泥沙淤积量
防止海水入侵所需两
水体自净能力Ki对污染物i的综合削减量
耕地灌溉率μ为保证粮食安全和社会稳定μ必须大于一定值(推荐60%)
表2计算性指标表
计算指标计算指标参数说明
名称表达式
工业工业万元产值用水量q=Q供/C工业产值衡量节水水平的指标
工业用水重复利用率α=[1-Q取/Q用]100%衡量节水水平的指标,用于排污量的计算
产品水利用率k=(ζ-Ψ)(1-α)评价水的利用率指标
工业耗水率ζl=Q耗水/Q取
生产过程中跑、漏的水量占水量的百分比Ψ其值的变化与节水有很大关系
农业灌溉定额mim1,m2,m3分别为水田、水浇地、菜田的灌溉定额
综合渠系有效利用系数η水=M净/M毛衡量渠系沿城水量损失的量
有效灌溉面积S
灌溉率μ
耕地所占比重βi
农业耗水率ζA=Q耗水/QA
生活用水定额L
用水比重v1居民住宅用水占城镇生活用水的百分比
生活耗水率ζL=Q耗水/QL
环境水体自净能力ki对污染物i的综合消减系数
五、结语在流域水资源承载力计算中,要从水量及水质两方面对流域上各地区的用水量和排污量进行控制(两者的控制程度据流域水资源量而定),以保证下游的水量及水质。在实际应用时,当某一地区的回水量超标时则认为其已经超载。
水资源承载力的研究在我国已有较多研究课题和论述,但在水资源承载能力的计算上一直以来没有统一的认识,笔者在此提出的计算模型虽然还有许多不足之处,但希望能为大家提供一个参考。
参考文献:
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