[] M.W.

1 研究背景

要實(shí)現(xiàn)干旱地區(qū)水資源的可持續(xù)管理，同時(shí)又能滿足社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境的要求，需要一整套復(fù)雜的跨學(xué)科方法體系，以及因地制宜、多方參與的綜合措施。讓當(dāng)?shù)厣鐓^(qū)和利益相關(guān)者參與到水資源管理中的做法已經(jīng)得到廣泛認(rèn)可?？蒲腥藛T、政策決策者以及公眾一起參與水資源綜合管理的方案規(guī)劃，可以加強(qiáng)調(diào)查研究和政策制定之間的聯(lián)系。

約旦水資源非常稀缺，是供水壓力最大的國(guó)家。由于缺水，已經(jīng)嚴(yán)重威脅到其經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)、社會(huì)凝聚和政治穩(wěn)定。由于資源稀缺，各領(lǐng)域和各部門供水日趨緊張，用水沖突日益明顯。扎卡河流域面臨著干旱、年降水量不穩(wěn)、城鎮(zhèn)化人口增長(zhǎng)以及水質(zhì)惡化等問題。

扎卡河是約旦僅次于雅莫科河的第二大河，流域面積4 120 km2，其中，約95%在約旦境內(nèi)，5%在敘利亞境內(nèi)。該流域從海拔1 460 m的敘利亞的塞勒海德市綿延至安曼南部，最后向西匯流，注入海拔-350 m的約旦河。該流域是西部半干旱高原區(qū)和東部干旱區(qū)的過渡區(qū)，年降雨量從西北部的超過500 mm，到東部的平均降水量為280 mm，甚至部分地區(qū)的年降雨量小于100 mm。扎卡河的河水徑流量由塔拉勒國(guó)王大壩水庫(kù)調(diào)蓄。流域內(nèi)水系復(fù)雜，且流域內(nèi)的用水源于地表水、地下水、淡鹽水和再生水，或水庫(kù)存儲(chǔ)的灌溉用水。水系具有跨流域調(diào)水的特性。

以扎卡河流域?yàn)槔?，?duì)可持續(xù)的水資源管理優(yōu)化方案開展研究，以研究和優(yōu)化約旦境內(nèi)重要流域的水資源，研制一種能與利益相關(guān)者密切合作、創(chuàng)新的水資源管理方法。該研究項(xiàng)目旨在通過應(yīng)用建模工具，即水資源模型基準(zhǔn)和對(duì)方案實(shí)施優(yōu)化來提高效率。

2 水資源模型

水資源模型是WaterWare系統(tǒng)的核心部件之一。WaterWare是一種基于模型的用于水資源管理的信息和決策支持系統(tǒng)。該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)支持實(shí)施歐盟水框架指令或類似的國(guó)家立法，并已開發(fā)了包括約旦扎卡河流域在內(nèi)的一系列應(yīng)用程序。

為了能長(zhǎng)時(shí)間模擬流域，將流域描述為一個(gè)具有節(jié)點(diǎn)和河段的系統(tǒng)。節(jié)點(diǎn)代表河流系統(tǒng)不同部分的水源(比如良田、泉水、子流域)需求點(diǎn)，如農(nóng)業(yè)灌溉區(qū)、城市、水庫(kù)以及調(diào)蓄設(shè)施，它是天然河道或人工渠道的河段連接點(diǎn)。水資源模型可以長(zhǎng)年計(jì)算節(jié)點(diǎn)每天的需求量和供應(yīng)量。成本包括供應(yīng)量、耗損、洪水條件等所有要素；效益來自于滿足客戶的需求，包括環(huán)境需求(如濕地)，或者航道、娛樂或生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)性的低流量限制需求。

在以往的研究中，也有人應(yīng)用過水資源模型來研究扎卡河流域。

用于扎卡河流域水資源模型的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置如下。

(1) 供應(yīng)/需求比。表示供需比，若需求得到完全滿足，可達(dá)最高值1。

(2) 供應(yīng)的可靠性(%)。表示所有滿足需求的節(jié)點(diǎn)和時(shí)間的比例。

(3) 未分配率(%)。表示在節(jié)點(diǎn)(水庫(kù)、改道、控制節(jié)點(diǎn))未分配的水量比。

(4) 缺水率。表示總需水量中缺少的水，計(jì)算方法是將整個(gè)時(shí)段所有水庫(kù)、需水量、引水量、補(bǔ)給量以及控制節(jié)點(diǎn)的水量相加。缺水量用總需水量的百分比表示。

(5) 含量變化率。表示水資源價(jià)值的變化，為當(dāng)前水模擬年的初始狀態(tài)百分比。

(6) 洪水天數(shù)。表示洪水淹水天數(shù)。

(7) 經(jīng)濟(jì)效益。表示單位可用水量/提供水量的總效益。

(8) 效益/成本。是所有效益除以所有成本。

(9) 凈利潤(rùn)?？傂б鏈p去總成本，人均。

(10) 總效益?？傂б妫司?/p>

(11) 總成本?？偝杀?，人均。

(12) 水費(fèi)。是指每立方米水的總成本。

任一年的數(shù)據(jù)都可以導(dǎo)入水資源模型進(jìn)行分析。因2001/2002年是平水年，且降水分配合理，所以取其作為基準(zhǔn)水文年。此外，所有與地下水和水井開采相關(guān)的數(shù)據(jù)可實(shí)行日提取，至于計(jì)量站的其他洪水記錄數(shù)據(jù)、計(jì)量數(shù)據(jù)、處理廠的進(jìn)水和出水?dāng)?shù)據(jù)也可以實(shí)現(xiàn)日取。

杰拉什橋(徑流測(cè)量)水文測(cè)量站是最基本的功能節(jié)點(diǎn)，在這里，可以將水資源模型的流量計(jì)算結(jié)果與實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，以驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性。此外，考慮到日進(jìn)水量可以與下水道排放量進(jìn)行對(duì)比，選擇的一家污水處理廠(WWTP)可被視為一個(gè)控制節(jié)點(diǎn)。

由于流域水系中包含了污水處理廠直接排入河流的水，且流域內(nèi)5個(gè)不同流域(阿茲拉克、瓦拉、拉約、斯瓦卡和扎伊流域)相互調(diào)水，導(dǎo)致流域水資源供需系統(tǒng)非常復(fù)雜。除了約旦峽谷的地表水以外，大部分的地下水被抽調(diào)用于家庭。此外，流域內(nèi)大多數(shù)的地表水，包括污水處理廠下泄的水，都存儲(chǔ)在水庫(kù)中，以便為中央約旦河谷提供灌溉用水。

3 利益相關(guān)者的作用

參與完成的優(yōu)化過程分為2個(gè)階段。

(1) 第一階段是代表個(gè)人的利益相關(guān)者，通過電子郵件和問卷調(diào)查來參與討論流域的水問題；

(2) 第二階段，上述的個(gè)人、指導(dǎo)委員會(huì)成員和項(xiàng)目人員被邀請(qǐng)參與利益相關(guān)者討論會(huì)。

主要利益相關(guān)者包括：水和灌溉部、約旦河流域管理局、農(nóng)民協(xié)會(huì)、環(huán)境部，以及農(nóng)業(yè)部、內(nèi)政部、民間組織、約旦河谷和扎卡河流域高原地區(qū)的產(chǎn)業(yè)及農(nóng)民個(gè)人。會(huì)議旨在向與會(huì)者介紹基準(zhǔn)方案，并確定主要問題。此外，從利益相關(guān)者角度提前輸入未來的方案和優(yōu)化過程。為了建立基于未來目標(biāo)的最優(yōu)方案，利益相關(guān)者要從上述標(biāo)準(zhǔn)中選擇適當(dāng)?shù)募s束條件，確定一套措施(可能需要調(diào)解)。

優(yōu)化方案與水資源模型相關(guān)，并基于整個(gè)流域的數(shù)據(jù)(流域基準(zhǔn)方案結(jié)構(gòu))作為一組約束條件和一套措施。約束條件可用來描述優(yōu)化方案目標(biāo)，優(yōu)先多準(zhǔn)則方法的第一步是滿足主要目標(biāo)，即滿足約束條件，找到一個(gè)或多個(gè)可行的方法。方法是對(duì)于獲取最優(yōu)方案，或最優(yōu)決策空間的可選方法?？蛇x方法可定義網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中任何或所有節(jié)點(diǎn)的行為。約束條件和措施可以實(shí)現(xiàn)靈活的啟發(fā)式搜索策略。

本文基于基準(zhǔn)方案，確定和實(shí)施了扎卡河流域的優(yōu)化方案。此外，扎卡河流域的利益相關(guān)者參與了該過程的各個(gè)階段，特別是在優(yōu)化研究過程中。

(1) 對(duì)獲取基本水文、地形和人口統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)提供了支持。

(2) 提供了家庭耗水?dāng)?shù)據(jù)和方式、工業(yè)和農(nóng)業(yè)用水等信息，這些有助于確定節(jié)點(diǎn)。

(3) 在確定流域供水、需求、管理和水質(zhì)方面的主要水問題過程中發(fā)揮了重要作用。

(4) 協(xié)商扎卡河流域的約束條件，主要是系統(tǒng)的可靠性和供給/需求比。

(5) 作為個(gè)人或指導(dǎo)委員會(huì)成員參與了優(yōu)化過程，以實(shí)現(xiàn)優(yōu)化方案的目的。

不同的水處理技術(shù)主要包括以下幾個(gè)方面。

(1) 地下水人工補(bǔ)給。這項(xiàng)技術(shù)的年度單位投資要求約為1歐元/m3，單位經(jīng)營(yíng)成本(包括低成本維護(hù))，約為0.1歐元/m3。成本指標(biāo)則是基于現(xiàn)有項(xiàng)目。

(2) 跨流域調(diào)水。預(yù)計(jì)該項(xiàng)目的成本約為8億歐元，建設(shè)后可運(yùn)行25 a。期間，送水到安曼的費(fèi)用估計(jì)為1.27歐元/m3(包括運(yùn)營(yíng)成本)。成本指標(biāo)來源于研究項(xiàng)目。

(3) 灌溉水管理。現(xiàn)代工具如滴灌系統(tǒng)、灌溉調(diào)度傳感器將提高灌溉效率和水的生產(chǎn)率?？偣喔让娣e估計(jì)達(dá)1 700 hm2。引進(jìn)這項(xiàng)技術(shù)的年單位投資要求是2 000歐元/hm2；單位運(yùn)行成本，包括維護(hù)和修理成本在內(nèi)，為200歐元/hm2。

(4) 公眾意識(shí)計(jì)劃。節(jié)約用水是應(yīng)對(duì)約旦水短缺問題最可靠和具有成本效益的解決方案。一些區(qū)域和國(guó)際會(huì)議提出的建議強(qiáng)調(diào)了2個(gè)基本問題：意識(shí)培養(yǎng)活動(dòng)缺乏和信息交流不暢。大多數(shù)的水保護(hù)活動(dòng)都是針對(duì)家庭用戶，而對(duì)農(nóng)業(yè)和工業(yè)方面的關(guān)注較少。對(duì)農(nóng)民開展水資源保護(hù)方面的教育，是實(shí)施水資源保護(hù)項(xiàng)目所必須的一個(gè)環(huán)節(jié)。該項(xiàng)活動(dòng)的單位投資約為8 500歐元/a，外加500歐元/a的推廣材料費(fèi)用。

(5) 管網(wǎng)升級(jí)改造。大城市的管網(wǎng)由鋼或鑄鐵構(gòu)成，非常老舊，其腐蝕和泄漏會(huì)造成供水管網(wǎng)中的水量嚴(yán)重?fù)p失。因此，應(yīng)將這些陳舊的系統(tǒng)替換為具有較高韌性和塑性，且能承受高壓、斷裂和泄漏的頻率較低的管道。更換成本估計(jì)在2.4億歐元或耗水費(fèi)用為1.5歐元/m3左右。

(6) 徑流收集。在扎卡河流域上游實(shí)施徑流收集。這種干預(yù)會(huì)提供額外的灌溉水，以及增加地下水的補(bǔ)給量。同時(shí)，它能保持干凈的徑流，以免與城市污水處理廠的污水混合。期望將在上游收集到的350萬m3的水用于灌溉。該項(xiàng)技術(shù)的年成本大約是1歐元/m3，而經(jīng)營(yíng)成本極低，約為0.1歐元/m3。

(7) 污水回用。西部和北部高原(降水量超過250 mm)的部分區(qū)域具有豐富的以雨水養(yǎng)農(nóng)業(yè)的經(jīng)驗(yàn)。在流域的北部和東部，是以灌溉農(nóng)業(yè)為主(該區(qū)域使用地下水灌溉)，且污水回用使該區(qū)域的果樹生產(chǎn)業(yè)迅速擴(kuò)大。對(duì)于灌溉農(nóng)業(yè)地區(qū)，利用逐漸增大的污水排放量來灌溉，不僅可以節(jié)約供家庭使用的地下水，而且還可以減少污水處理廠過多的污水排放量。這種干預(yù)成本(處理和運(yùn)輸?shù)馁M(fèi)用)估計(jì)為0.5歐元/m3。隨著污水處理量的增加，在灌溉面積上種植樹木、森林、牧場(chǎng)的規(guī)模也將會(huì)擴(kuò)大。

(8) 海水淡化。在流域內(nèi)，特別是約旦峽谷及其他一些深井里的咸水，可以對(duì)其進(jìn)行淡化以增加供水量。海水淡化包括向需水點(diǎn)調(diào)水的成本，估計(jì)為0.75歐元/m3。

4 結(jié)果與分析

4.1 基準(zhǔn)情景

將2001年10月1日至2002年9月30日的相關(guān)數(shù)據(jù)和配置網(wǎng)絡(luò)作為水資源模型的基準(zhǔn)情景，對(duì)項(xiàng)目結(jié)果進(jìn)行了總結(jié)和分析。數(shù)據(jù)庫(kù)與水資源模型相連接，以描述扎卡河流域的氣候時(shí)間序列監(jiān)測(cè)資料、氣象資料和水資源系統(tǒng)的主要組成，比如主要需水節(jié)點(diǎn)。

拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)是便于水資源模型對(duì)基準(zhǔn)模型情景的經(jīng)濟(jì)效率進(jìn)行評(píng)估，如供需比、成本/效益比。對(duì)現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施的經(jīng)濟(jì)價(jià)值評(píng)估，是基于約旦國(guó)家的本地價(jià)格。此外，從模擬流量數(shù)據(jù)與真實(shí)流量數(shù)據(jù)的相容性，即可知曉運(yùn)用水資源模型是正確的。將實(shí)際流量數(shù)據(jù)作為水資源模型徑流計(jì)節(jié)點(diǎn)的約束條件，基于日實(shí)際流量數(shù)據(jù)序列來校準(zhǔn)模擬流量。運(yùn)用該模型共計(jì)算分析了95個(gè)節(jié)點(diǎn)。

從模擬結(jié)果可以看出，供求比為90%，系統(tǒng)的可靠性為58%，缺水率為4.35%，流域中總的未分配水量占17%。未分配的水在流域中未使用，但在終端節(jié)點(diǎn)處被排放用于中央約旦河谷灌溉。此外，效益/成本比是0.91，經(jīng)濟(jì)效益是-0.03歐元/m3。這表明該系統(tǒng)不能產(chǎn)生任何利潤(rùn)。

4.2 最優(yōu)方案

將基準(zhǔn)情景的結(jié)果導(dǎo)入到水資源模型的優(yōu)化方案中進(jìn)行分析?；鶞?zhǔn)情景的分析結(jié)果表明，系統(tǒng)的可靠性是58%，供給/需求比是90%。將這兩個(gè)約束條件輸入到扎卡河流域的水資源模型優(yōu)化情景中，并運(yùn)行水資源模型優(yōu)化情景，結(jié)果在50 000次運(yùn)行中找出了100個(gè)可替代方案。

優(yōu)化模型的結(jié)果表明，供水可靠性范圍為76%～84%，供需比為0.988～0.996。這意味著，所選擇的約束條件和優(yōu)化方向是正確的。在運(yùn)用決策支持系統(tǒng)(DSS)的過程中，獲得的一套可行的解決方案，不一定是最佳的方案，因?yàn)榉桨竿ǔＪ怯蓻Q策者選取的。這樣的解決方案的效率依賴于一個(gè)適當(dāng)?shù)囊?guī)章制度和交易機(jī)制，如適當(dāng)?shù)慕?jīng)濟(jì)激勵(lì)、制度和行為的變化，以及利益相關(guān)者的直接參與并最終達(dá)成和諧一致的意見。

其他概念源于最優(yōu)化的過程，例如缺水、經(jīng)濟(jì)效率和效益/成本比。

在對(duì)約旦案例開展研究的過程中出現(xiàn)的一些概念可以反映該方法的有效性，而其他概念則沒有能夠反映出利益相關(guān)者所建議的水處理技術(shù)。

然而基于可以實(shí)現(xiàn)優(yōu)化的概念價(jià)值，有100種方案可以作為未來扎卡河流域水資源管理的替代方案。例如，基準(zhǔn)情景缺水達(dá)4.35%，而在優(yōu)化方案中，則可達(dá)到最小值0.274%。此外，經(jīng)濟(jì)效率可能會(huì)從基準(zhǔn)情景的-0.03，升高至最優(yōu)方案的0.022。相較于在基準(zhǔn)情景時(shí)僅有0.91的效益/成本比，在最優(yōu)方案下，已被最大化至1.034。

5 結(jié) 語

扎卡河流域是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，已經(jīng)面臨著市政、農(nóng)業(yè)和工業(yè)生產(chǎn)等各方面各部門用水的嚴(yán)重壓力。為此，需要利用基準(zhǔn)情景來優(yōu)化流域的水資源。水資源模型的基準(zhǔn)情景能夠正確識(shí)別扎卡河流域所有的構(gòu)成要素，它可以根據(jù)在拓?fù)鋱D上所顯示的水資源模型的各個(gè)節(jié)點(diǎn)，來描述徑流量的可用性。

當(dāng)利益相關(guān)者或決策者針對(duì)不同的功能節(jié)點(diǎn)有確定的相應(yīng)工具(水處理技術(shù))時(shí)，扎卡河流域的水資源模型基準(zhǔn)情景即可以朝水資源最優(yōu)化的方向延伸，從而實(shí)現(xiàn)流域最優(yōu)化。這種方法將允許以未來情景和經(jīng)濟(jì)參數(shù)加以驗(yàn)證。因此，通過設(shè)置約束條件和識(shí)別不同的工具，終端用戶可以評(píng)估可選方案，力求以最好的方案來保護(hù)流域。

只要扎卡河流域滿足約束條件，水資源模型最優(yōu)方案就能對(duì)各種方案的模擬結(jié)果進(jìn)行比較。該模型成功地使扎卡河流域的水資源得到了最優(yōu)化，尤其是在將供水可靠性和供需比作為約束條件時(shí)。