左其亭，吳青松，紀(jì)義虎，邱 曦，陶 潔

(1.鄭州大學(xué) 水利與交通學(xué)院，河南 鄭州 450001；2.河南省水循環(huán)模擬與水環(huán)境保護(hù)國際聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，河南 鄭州 450001)

1 研究背景

水資源是支撐經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境保護(hù)的戰(zhàn)略性和基礎(chǔ)性資源[1]，具有不可替代性、有限性和不均勻性。2019年國務(wù)院發(fā)布的《中國的糧食安全》白皮書指出，中國用全球6%的淡水和9%的耕地資源支撐著近20%人口的生存和發(fā)展[2]。然而，以全球變暖、降水時(shí)空分布異常、極端氣象事件增多等為主要特征的氣候變化[3]和人類社會(huì)快速發(fā)展伴隨的負(fù)面影響[4]，加劇了洪澇災(zāi)害、水資源短缺、水環(huán)境污染、水生態(tài)惡化的危害[5]，嚴(yán)重威脅著國家水安全。研究和實(shí)現(xiàn)健康的區(qū)域水平衡狀態(tài)是國家水安全保障的必然要求，也是我國現(xiàn)階段水利工作的重要內(nèi)容和目標(biāo)。

自水量平衡模型被提出后[6]，學(xué)者們針對(duì)水平衡問題進(jìn)行了諸多探索，在理論、方法、模型、應(yīng)用等方面均取得重要成果。具體來看，在宏觀水平衡方面聚焦于對(duì)水收支要素關(guān)系[7]和供需水平衡狀態(tài)[8]的探索，采用的方法包括數(shù)值模擬[9]、數(shù)學(xué)模型[10]、系統(tǒng)分析[11]等。隨著對(duì)水文模型研究的逐漸深入，一批考慮物理機(jī)制的分布式水文模型也被應(yīng)用于水平衡問題研究，如SWAT[12]、WEP[13]、VIC[14]模型等。隨著研究目的和需求的變化，水資源研究從偏重天然遷移轉(zhuǎn)化[15]逐漸轉(zhuǎn)向自然-社會(huì)耦合分析[16]，水平衡研究也更多聚焦于經(jīng)濟(jì)社會(huì)用水的供需平衡[17]、經(jīng)濟(jì)社會(huì)與生態(tài)用水的競爭關(guān)系[18]、水與其他資源的匹配狀況[19]等方面。在此背景下，學(xué)者們開始以系統(tǒng)的視角解構(gòu)和分析區(qū)域水平衡的概念內(nèi)涵、關(guān)鍵內(nèi)容、科學(xué)問題、理論方法等。左其亭等[20]定義了區(qū)域水平衡的概念并深入解讀其內(nèi)涵，論述了區(qū)域水平衡的基本原理和理論體系。張建云等[21]闡述了區(qū)域水平衡的基本概念和多重內(nèi)涵，并從自然和人為兩方面解析了其影響因素，提出了健康水平衡的評(píng)價(jià)準(zhǔn)則和實(shí)現(xiàn)路徑。梳理發(fā)現(xiàn)，以往的水平衡研究最先關(guān)注水量平衡問題，隨著自然環(huán)境的變化和人類社會(huì)的演進(jìn)，學(xué)者們對(duì)水平衡問題的考慮由單一的水量逐漸上升為涵蓋多要素、多方面、多層次的平衡[22]。但目前針對(duì)區(qū)域水平衡機(jī)制和本構(gòu)關(guān)系的研究尚處于起步階段，區(qū)域水平衡研究的時(shí)空尺度、結(jié)構(gòu)框架、涉及過程、數(shù)量關(guān)系等均需要系統(tǒng)梳理和闡述，量化評(píng)估區(qū)域水平衡狀態(tài)和失衡程度，認(rèn)識(shí)現(xiàn)階段及未來的水平衡問題，需要具有針對(duì)性和適用性的方法體系，急需開展區(qū)域水平衡全面解構(gòu)及定量表征研究。

綜上，立足于區(qū)域水平衡量化及失衡診斷的研究目標(biāo)，考慮人水系統(tǒng)的復(fù)雜作用關(guān)系，兼顧水資源、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、生態(tài)等，本文從空間、時(shí)間、結(jié)構(gòu)、過程、總量五個(gè)維度解構(gòu)區(qū)域水平衡，探索不同層次水平衡的通用性表征方程，提出區(qū)域水平衡的失衡程度度量方法，并在沁河流域進(jìn)行應(yīng)用檢驗(yàn)。

2 區(qū)域水平衡五個(gè)維度解構(gòu)

2.1 總體闡述區(qū)域水平衡的具體定義和內(nèi)涵見文獻(xiàn)[20]，其以人水系統(tǒng)為研究對(duì)象，旨在處理好人水競爭關(guān)系，實(shí)現(xiàn)人水和諧狀態(tài)，狹義上包括水收支平衡、經(jīng)濟(jì)社會(huì)供需水平衡、經(jīng)濟(jì)社會(huì)與生態(tài)用水平衡，廣義上再增加人水關(guān)系和諧平衡。開展區(qū)域水平衡研究需明確一系列問題，主要癥結(jié)為對(duì)于多要素參與、多過程耦合、多層次互饋的人水系統(tǒng)(圖1)，需要用四大平衡刻畫和表征水循環(huán)模式和水平衡機(jī)制。在研究分析和定量表征過程中，需要回答平衡量化的時(shí)空尺度問題、水資源供用需耗的結(jié)構(gòu)問題、地表產(chǎn)流與河道匯流的過程問題、經(jīng)濟(jì)社會(huì)和生態(tài)用水分配比例或總量問題等，需要深挖區(qū)域水平衡機(jī)制和本構(gòu)關(guān)系，從時(shí)空尺度的界定、結(jié)構(gòu)的分析、過程的拆解和數(shù)量的關(guān)系進(jìn)行論述(表1)。需要說明的是，本文所述的區(qū)域水平衡研究對(duì)象主要為自然-社會(huì)水循環(huán)過程中的陸地水平衡，空中水平衡方面考慮了降水、蒸發(fā)等通量要素，但不涉及大氣水分含量等狀態(tài)變量。

表1 區(qū)域水平衡的四類平衡五個(gè)維度解構(gòu)

四大平衡在任意時(shí)域空間均可應(yīng)用實(shí)踐，但考慮研究意義和現(xiàn)實(shí)需求的差異，對(duì)不同時(shí)空尺度具有適宜性和偏向性?？臻g維度存在區(qū)域和流域兩種尺度，區(qū)域有全球、國家、省市縣級(jí)行政區(qū)等，流域可細(xì)分為1級(jí)、2級(jí)、……、n級(jí)流域。一般來說：區(qū)域和流域尺度的水收支平衡研究均重要且必要，其結(jié)果是對(duì)水資源稟賦條件的重要體現(xiàn)；經(jīng)濟(jì)社會(huì)供需水平衡研究側(cè)重區(qū)域尺度，因經(jīng)濟(jì)社會(huì)屬性決定其由人為活動(dòng)主導(dǎo)；經(jīng)濟(jì)社會(huì)與生態(tài)用水平衡需重點(diǎn)考慮河道內(nèi)外生態(tài)用水，偏于流域尺度；人水關(guān)系和諧平衡注重以整體性視角反映人水系統(tǒng)之間的共軛關(guān)系，對(duì)兩個(gè)尺度基本沒有偏向。時(shí)間維度存在年代、年、月、日、小時(shí)、分鐘等尺度，延伸出多年平均、年平均、月平均等尺度，一般來說：水收支平衡研究以多年平均、年、月尺度為宜；經(jīng)濟(jì)社會(huì)供需水平衡偏于年、月、日尺度；經(jīng)濟(jì)社會(huì)與生態(tài)用水平衡以月、日尺度開展研究較為合適，以總量保證為目標(biāo)的年尺度也常被選擇；人水關(guān)系是動(dòng)態(tài)變化的，短時(shí)段的人水關(guān)系不具有代表性，故人水關(guān)系和諧平衡宜于多年平均或年尺度。此外，時(shí)間維度上還存在過去、現(xiàn)狀和未來的時(shí)段選擇問題，四大平衡均可在三個(gè)時(shí)段上開展研究，只是考慮的內(nèi)容和結(jié)果的啟示有所差異。例如，對(duì)比供水量和需水量可分析過去和現(xiàn)狀的經(jīng)濟(jì)社會(huì)供需水平衡，而針對(duì)未來進(jìn)行研究則側(cè)重于可供水量和需水量之間的關(guān)系分析。

2.2 水收支平衡解構(gòu)水收支平衡涉及過程有降水、蒸散發(fā)、填洼、產(chǎn)流、匯流、排泄、下滲等，人類活動(dòng)會(huì)直接或間接作用于上述過程，改變水資源的天然狀態(tài)和自然過程。平衡結(jié)構(gòu)上包括水收入項(xiàng)、水支出項(xiàng)、水蓄變項(xiàng)，將具有代表性的陸面系統(tǒng)作為主體分析平衡的具體架構(gòu)和數(shù)量關(guān)系，三大項(xiàng)包括的要素見圖2。

圖2 水收支平衡結(jié)構(gòu)示意

圖2中人為輸入水量和輸出水量與水的自然流動(dòng)對(duì)應(yīng)，考慮因人為活動(dòng)造成的水資源運(yùn)移。例如，當(dāng)兩個(gè)區(qū)域存在糧食交易、人口流動(dòng)時(shí)，糧食和人體本身是含實(shí)體水的，盡管數(shù)量很小，但此時(shí)就發(fā)生了水資源的運(yùn)移。不同時(shí)空尺度的水收支平衡研究內(nèi)容和側(cè)重點(diǎn)有所不同，研究過程中部分要素和過程可以忽略或簡化。實(shí)際上，由于現(xiàn)有科學(xué)認(rèn)知和技術(shù)水平的限制，往往很難表現(xiàn)真實(shí)的水收支平衡，從結(jié)構(gòu)項(xiàng)來看，一是難以完全摸清所有涉及要素，二是某些要素由于技術(shù)的限制無法被監(jiān)測或觀測，三是要素的真實(shí)數(shù)據(jù)無法獲取或只能獲得近似值。此外，水收支項(xiàng)的數(shù)量關(guān)系是平衡的外在表現(xiàn)，還需關(guān)注水分轉(zhuǎn)換關(guān)系(如地表水-地下水的補(bǔ)排關(guān)系)、要素響應(yīng)特征(如降水-徑流、降水-蒸散發(fā)的響應(yīng)關(guān)系)、過程演變規(guī)律(如坡面產(chǎn)流和河道匯流過程的平穩(wěn)性)、水量分布狀況(如徑流在時(shí)空分布上的豐枯及不均勻性特征)等平衡的內(nèi)在表現(xiàn)[21]。

2.3 經(jīng)濟(jì)社會(huì)供需水平衡解構(gòu)水資源供給側(cè)(水源)包括地表水、地下水、外調(diào)水、其他水源，需求側(cè)(用水戶)包括生活(城鎮(zhèn)居民和農(nóng)村居民)、第一產(chǎn)業(yè)(農(nóng)林牧漁)、第二產(chǎn)業(yè)(工業(yè)、建筑業(yè))、第三產(chǎn)業(yè)(商飲業(yè)、服務(wù)業(yè))，見圖3。供給側(cè)和需求側(cè)之間存在復(fù)雜、聯(lián)動(dòng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，研究中既要考慮供需兩側(cè)的數(shù)量平衡，也要保證結(jié)構(gòu)的合理性和有效性；既要從整體視角探究供需水平衡狀況，又要分析各用水部門的供需水平衡問題。除追求數(shù)量上的供需平衡外，應(yīng)關(guān)注水資源在蓄-取-供-用-耗-排過程中的轉(zhuǎn)化關(guān)系和流動(dòng)特征，包括用水的損耗規(guī)律和效率特征、點(diǎn)到線和面的耗散結(jié)構(gòu)的有序性、水資源開發(fā)利用對(duì)水系統(tǒng)的影響等。研究經(jīng)濟(jì)社會(huì)供需水平衡還應(yīng)水量水質(zhì)并重，實(shí)現(xiàn)消除水量缺水和水質(zhì)缺水的雙重平衡。實(shí)現(xiàn)杠桿兩端平衡需要兼顧工程措施和非工程措施，前者通過調(diào)控(水庫)、分配(輸水管渠)、供給(配套工程)等措施為緩解供需水沖突提供硬性保障，后者通過節(jié)約用水、提高效率、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、政策法規(guī)等手段實(shí)現(xiàn)對(duì)經(jīng)濟(jì)社會(huì)供需水關(guān)系的彈性管控。

圖3 經(jīng)濟(jì)社會(huì)供需水平衡結(jié)構(gòu)示意

2.4 經(jīng)濟(jì)社會(huì)與生態(tài)用水平衡解構(gòu)平衡主體結(jié)構(gòu)為經(jīng)濟(jì)社會(huì)用水端和生態(tài)用水端(圖4)，不僅體現(xiàn)在兩端用水的協(xié)調(diào)和權(quán)衡，而且內(nèi)含生態(tài)需水和供水的平衡關(guān)系。在追求平衡的過程中需考慮各部門在用水時(shí)段上的協(xié)調(diào)[23]，如農(nóng)田灌溉用水隨作物生長發(fā)育周期會(huì)有峰-谷的變化態(tài)勢(shì)，而生態(tài)用水量在河谷林草育苗保種期、植被生長期等會(huì)有顯著增加，需重視和保障河道內(nèi)敏感期生態(tài)流量。過程維度包括經(jīng)濟(jì)社會(huì)取水和生態(tài)耗水、行業(yè)排污和水體納污、生態(tài)流量的時(shí)間變化、水量交換等，尤其水在地下-地表-大氣的遷移轉(zhuǎn)化過程深刻影響著系統(tǒng)的穩(wěn)定狀態(tài)。平衡還需要考慮層次性，經(jīng)濟(jì)社會(huì)用水端可分為剛性、彈性和奢侈用水層次[24]，用水效益隨供水量增加而增長；生態(tài)用水端分為最小、適宜、最大用水層次[25]，生境質(zhì)量隨供水量增加而改善。

圖4 經(jīng)濟(jì)社會(huì)與生態(tài)用水平衡結(jié)構(gòu)示意

2.5 人水關(guān)系和諧平衡解構(gòu)人文系統(tǒng)和水系統(tǒng)相互作用形成平衡的結(jié)構(gòu)，通過水循環(huán)進(jìn)行過程連接和通量交換，自然因素(如氣候變化、地質(zhì)活動(dòng))和人為因素(如工程建設(shè)、下墊面改造)是影響人水關(guān)系和諧平衡的兩方面主要因素[26]。該平衡以狹義區(qū)域水平衡三大方面的實(shí)現(xiàn)為基礎(chǔ)，還包括很多其他目標(biāo)(圖5)，如水與區(qū)域人口經(jīng)濟(jì)等相均衡，不同于其他平衡聚焦的數(shù)量關(guān)系，其關(guān)注人文系統(tǒng)水服務(wù)需求和區(qū)域水資源稟賦特征的關(guān)系。人水關(guān)系的復(fù)雜性決定了平衡有著豐富的內(nèi)涵，其不僅是狹義區(qū)域水平衡三大方面的綜合，涉及范圍更廣、方面更多、內(nèi)容更繁雜[27]。平衡實(shí)現(xiàn)應(yīng)從功能、效率、效益、安全等多角度出發(fā)，追求社會(huì)繁榮穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)增長有序、資源安全供給、生態(tài)健康宜居等狀態(tài)，是人文系統(tǒng)穩(wěn)定發(fā)展、水系統(tǒng)健康發(fā)展、人水系統(tǒng)和諧發(fā)展的整體問題。人水關(guān)系的狀態(tài)一直在變化，系統(tǒng)中的各種擾動(dòng)都會(huì)造成向好或向差的波動(dòng)，因此應(yīng)注意兩個(gè)問題，一是在特定的時(shí)域空間上談平衡狀態(tài)的優(yōu)劣，二是關(guān)注平衡循環(huán)演化的動(dòng)態(tài)特征。

圖5 人水關(guān)系和諧平衡結(jié)構(gòu)示意

3 區(qū)域水平衡度量方法

3.1 水收支平衡遵循水量平衡原理構(gòu)建水收支平衡的通用性方程[6]，即任意時(shí)域空間內(nèi)水收入量(WI)和水支出量(WO)的差額等于水蓄變量(ΔWP)，結(jié)合平衡結(jié)構(gòu)的分析可細(xì)化方程，流入水量、流出水量、水蓄變量能夠進(jìn)一步拆解。從系統(tǒng)觀點(diǎn)出發(fā)，明確水收支要素及其本底狀況即可量化水收支平衡。

WI-WO=ΔWP

(1)

(P+RI+WTI+HMI+ARI)-(ET+RO+WTO+HMO+ARO)=ΔWP

(2)

(3)

式中：P、RI、WTI、HMI、ARI分別為降水量、流入水量、調(diào)入水量、人為輸入水量和其他含水層補(bǔ)給水量；ET、RO、WTO、HMO、ARO分別為蒸散發(fā)量、流出水量、外調(diào)水量、人為輸出水量和滲入其他含水層水量；RSI、RGI、RLI分別為入境地表徑流量、入境地下徑流量和側(cè)向滲入水量；RSO、RGO、RLO分別為出境地表徑流量、出境地下徑流量和側(cè)向滲出水量；ΔWSF、ΔWGP、ΔWBS、ΔWIH、ΔWother分別為地表填洼量、地下賦存水量、水庫湖泊蓄水量、冰川積雪儲(chǔ)水量和其他蓄水量的變化值。

在量化評(píng)估時(shí)應(yīng)以通用方程為基準(zhǔn)，結(jié)合研究時(shí)間尺度和空間范圍，簡化或改進(jìn)平衡方程。如年尺度的閉合大流域(無調(diào)入調(diào)出水量)的水收支平衡方程可簡化如下：

P-(ET+RO)=ΔWP

(4)

水收支平衡程度通過對(duì)比水蓄變量與水資源總量進(jìn)行度量，反映水資源稟賦的變化狀況，明確制約平衡的原因和決定要素。

(5)

式中：VIOB為水收支平衡偏差值，理論取值范圍為(-∞，+∞)，一般應(yīng)在正負(fù)變差與水資源總量比值范圍內(nèi)，取值范圍多為[-1，1]；WZ為水資源總量，且不為0。

3.2 經(jīng)濟(jì)社會(huì)供需水平衡從供需雙側(cè)結(jié)構(gòu)和數(shù)量關(guān)系出發(fā)，構(gòu)建通用性經(jīng)濟(jì)社會(huì)供需水平衡方程[16]，拆解供給側(cè)的供水水源和需求側(cè)的用水部門，可得到細(xì)化的平衡方程。

WS-WD=WQ

(6)

(WSS+WGS+WTS+WOS)-(WLD+WPID+WSID+WTID)=WQ

(7)

式中：WS、WD、WQ分別為經(jīng)濟(jì)社會(huì)供水量、需水量和余缺水量(負(fù)值表示缺水)；WSS、WGS、WTS、WOS分別為地表水、地下水、外調(diào)水和其他水源的供給量；WLD、WPID、WSID、WTID分別為生活、第一產(chǎn)業(yè)、第二產(chǎn)業(yè)、第三產(chǎn)業(yè)的需水量。

方程同樣可應(yīng)用于單個(gè)用水部門的供需水平衡量化問題，相應(yīng)簡化公式即可，所得結(jié)果能夠很好地反映平衡狀況在部門間的差異。開展供需水平衡分析還需考慮水質(zhì)的影響，供水水源存在水質(zhì)好壞的差異，用水部門存在需水質(zhì)量的差異，水質(zhì)類別高的多余水量可以彌補(bǔ)水質(zhì)類別低的缺水量，假定優(yōu)先補(bǔ)給臨近水質(zhì)類別的缺水量，改進(jìn)得到考慮水量-水質(zhì)兩方面的平衡方程。若將供水水源和用水部門的類別進(jìn)一步拆解會(huì)得到更復(fù)雜的供需網(wǎng)絡(luò)。

[WS1WS2WS3WS4WS5]-[WD1WD2WD3WD4WD5]=[WQ1WQ2WQ3WQ4WQ5]

(8)

(9)

式中：WS1，…，WS5、WD1，…，WD5和WQ1，…，WQ5分別為Ⅰ至Ⅴ類水的供給量、需求量和余缺量；WQ和W′Q分別為忽略和考慮不同水質(zhì)類別間水資源調(diào)換過程的余缺水量，前者可正可負(fù)，后者為非正值；WY為無法參與調(diào)換或不供給利用的余水量，為非負(fù)值；ΔWQ1，…，ΔWQ5分別為參與調(diào)換后的Ⅰ至Ⅴ類水的缺失量，為非正值。最終可能存在有余水量但整體缺水的現(xiàn)象，這是由于水質(zhì)無法滿足用水需求所導(dǎo)致的，即為水質(zhì)型缺水的數(shù)學(xué)表達(dá)。

此外，由于水資源稟賦的時(shí)空差異，各種工程和非工程措施涉及能否實(shí)現(xiàn)水量有效配置至各部門和供需水量變化的問題，量化過程中考慮的要素和方面越多，越能反映多元化供需水矛盾，但供需網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和過程也就越復(fù)雜。實(shí)際研究過程中可根據(jù)信息掌握情況和成果精度需求適當(dāng)簡化考慮。經(jīng)濟(jì)社會(huì)供需水平衡程度通過對(duì)比余缺水量與供水量來表達(dá)：

(10)

式中：VSDB為經(jīng)濟(jì)社會(huì)供需水平衡偏差值，理論取值范圍為(-∞，1]，一般應(yīng)在(-10，1]范圍內(nèi)，即需水量不會(huì)無限制地大于供水量；WS不為0。若不考慮水質(zhì)問題，可利用上述公式直接計(jì)算。若考慮水質(zhì)問題，需對(duì)平衡方程進(jìn)行改進(jìn)。假如余水量不能滿足供給水質(zhì)要求，但對(duì)緩解供需水矛盾仍有潛在價(jià)值，賦予其補(bǔ)償系數(shù)η∈[0，1]，數(shù)值越大即認(rèn)為其緩解作用越強(qiáng)。

VSDB=(W′Q+ηWY)/WS

(11)

3.3 經(jīng)濟(jì)社會(huì)與生態(tài)用水平衡采用二次平衡計(jì)算方法，一次平衡計(jì)算步驟：①用經(jīng)濟(jì)社會(huì)需水量(WSD)和生態(tài)需水量(WED)除以總需水量(WTD)得到經(jīng)濟(jì)社會(huì)需水占比(PSD)和生態(tài)需水占比(PED)，將其作為平衡點(diǎn)；②計(jì)算實(shí)際的經(jīng)濟(jì)社會(huì)用水占比(PSU)和生態(tài)用水占比(PEU)；③對(duì)比實(shí)際用水占比和需水占比，并設(shè)置調(diào)節(jié)系數(shù)計(jì)算偏離平衡點(diǎn)的程度。

PSD=WSD/WTD；PED=WED/WTD

(12)

PSU=WSU/WTU；PEU=WEU/WTU

(13)

(14)

式中：WSU、WEU、WTU分別為經(jīng)濟(jì)社會(huì)、生態(tài)和總用水量；VSEB為經(jīng)濟(jì)社會(huì)與生態(tài)用水平衡偏差值，取值范圍為[-1，1]，0表示完全平衡，正值和負(fù)值分別表示經(jīng)濟(jì)社會(huì)和生態(tài)用水端虧水，絕對(duì)值越大越嚴(yán)重；α∈[0，1]為破壞系數(shù)，反映虧水端對(duì)平衡的破壞程度；β∈[0，1]為彌補(bǔ)系數(shù)，反映盈水端對(duì)平衡的彌補(bǔ)程度，兩系數(shù)的數(shù)值越大，代表調(diào)節(jié)作用越強(qiáng)。若考慮各個(gè)部門需水和用水占比，可分別賦予調(diào)節(jié)系數(shù)。

在確定平衡點(diǎn)時(shí)，除考慮需水?dāng)?shù)量關(guān)系的對(duì)比外，還應(yīng)兼顧需水時(shí)段、區(qū)域位置、供水重要性、發(fā)展傾斜性、用水效益等因素的影響。綜合以上方面對(duì)需水占比進(jìn)行修正，確定更加科學(xué)和切合實(shí)際的水量分配比例，作為二次平衡點(diǎn)，代回式(14)可得到二次平衡計(jì)算結(jié)果。

3.4 人水關(guān)系和諧平衡左其亭[28]提出了人水和諧平衡理論方法，將其應(yīng)用于人水關(guān)系和諧平衡定量表征，步驟包括：①確定平衡的五要素(參與者、目標(biāo)、規(guī)則、因素和行為)；②結(jié)合對(duì)五要素的分析成果和研究區(qū)實(shí)際情況確定方程中的各個(gè)參數(shù)；③將參數(shù)代入人水關(guān)系和諧平衡方程進(jìn)行求解。

VHWB=ai-bj

(15)

式中：VHWB為人水關(guān)系和諧平衡偏差值，取值范圍為[-1，1]，0表示完全平衡，正值和負(fù)值分別表示人文系統(tǒng)和水系統(tǒng)受到損害，絕對(duì)值越大越不平衡；a和b分別為水系統(tǒng)和人文系統(tǒng)的平衡偏差權(quán)重，反映對(duì)平衡偏向水系統(tǒng)或人文系統(tǒng)的認(rèn)可程度，取值范圍均為[0，1]，且a+b≤1；i和j分別為水系統(tǒng)和人文系統(tǒng)的平衡偏差系數(shù)，表征平衡偏向水系統(tǒng)或人文系統(tǒng)的程度，取值范圍均為[0，1]。

4 區(qū)域水平衡的失衡程度度量方法

4.1 區(qū)域水平衡的失衡狀態(tài)解讀失衡是平衡的對(duì)立面，失衡程度可根據(jù)偏離理想平衡點(diǎn)的水平進(jìn)行度量，在度量區(qū)域水平衡的失衡程度時(shí)，應(yīng)考慮時(shí)空差異性、絕對(duì)性和相對(duì)性、方向性、彈性等特征。時(shí)空差異性表現(xiàn)為對(duì)不同的時(shí)域空間，相同的變化帶來的后果并不一致。絕對(duì)性在于偏離既定的平衡點(diǎn)或區(qū)間就應(yīng)判別為失衡，相對(duì)性在于失衡狀態(tài)需以判別標(biāo)準(zhǔn)為基準(zhǔn)進(jìn)行度量。方向性體現(xiàn)在偏離平衡兩端所代表的含義不同。彈性表現(xiàn)在應(yīng)因地制宜制定判別標(biāo)準(zhǔn)，注重適應(yīng)性而不能一概而論，且標(biāo)準(zhǔn)的分級(jí)可以適當(dāng)籠統(tǒng)化。

4.2 四大平衡的失衡程度度量方法四大平衡的平衡偏差值(V)的范圍不同，難以進(jìn)行對(duì)比和集成，需利用模糊隸屬函數(shù)/曲線進(jìn)行映射統(tǒng)一，得到失衡指數(shù)(I)，一般性映射公式表達(dá)如下。如圖6所示，結(jié)合函數(shù)定量關(guān)系和既定節(jié)點(diǎn)值，將平衡偏差值映射到[-1，1]區(qū)間，可分別得到水收支失衡指數(shù)(IIOIB)、經(jīng)濟(jì)社會(huì)供需水失衡指數(shù)(ISDIB)、經(jīng)濟(jì)社會(huì)與生態(tài)用水失衡指數(shù)(ISEIB)、人水關(guān)系和諧失衡指數(shù)(IHWIB)，進(jìn)而根據(jù)判別標(biāo)準(zhǔn)(表2)評(píng)判失衡狀態(tài)。隸屬函數(shù)曲線包括①直線型、②梯形、③拋物線型、④階梯型等，應(yīng)根據(jù)研究實(shí)際選擇合適的映射方式。

圖6 平衡偏差值和失衡指數(shù)的映射關(guān)系示例

表2 基于失衡指數(shù)的失衡狀態(tài)判別標(biāo)準(zhǔn)

I=F(V)

(16)

表2中完全不失衡狀態(tài)對(duì)應(yīng)失衡指數(shù)為0的情況，是一種極限臨界狀態(tài)，一般可將基本不失衡狀態(tài)作為水平衡管控的努力目標(biāo)。根據(jù)失衡指數(shù)可以得到四大平衡的失衡程度、方向和狀態(tài)，但仍存在不同失衡方向含義不一致、直接集成會(huì)導(dǎo)致相互抵消的問題?；诖?，對(duì)失衡指數(shù)求絕對(duì)值得到失衡度(U)，平衡度(D)是失衡度(U)的對(duì)立面，D和U之和為1。U和D彌補(bǔ)了失衡指數(shù)的缺陷，U和D的數(shù)值越大代表失衡/平衡程度越高，狀態(tài)判別標(biāo)準(zhǔn)見表3。

表3 基于失衡度和平衡度的狀態(tài)判別標(biāo)準(zhǔn)

U=|I|；D=1-U

(17)

4.3 區(qū)域水平衡的失衡程度綜合度量方法采用加權(quán)求和的方式集成失衡度，可以得到整體視角下的區(qū)域水平衡的失衡度(URWIB)，但同時(shí)平衡之間可能存在重復(fù)信息，應(yīng)考慮在權(quán)重確定的過程中。

URWIB=ω1×|IIOIB|+ω2×|ISDIB|+ω3×|ISEIB|+ω4×|IHWIB|
=ω1×UIOIB+ω2×USDIB+ω3×USEIB+ω4×UHWIB

(18)

式中：URWIB∈[0，1]，失衡狀態(tài)判別標(biāo)準(zhǔn)同表3；UIOIB、USDIB、USEIB、UHWIB分別為水收支失衡度、經(jīng)濟(jì)社會(huì)供需水失衡度、經(jīng)濟(jì)社會(huì)與生態(tài)用水失衡度、人水關(guān)系和諧失衡度；ω1、ω2、ω3、ω4為權(quán)重，取值范圍均為[0，1]，且四者之和為1。平衡度的集成方式同失衡度。

5 實(shí)例應(yīng)用

5.1 沁河流域概況沁河是黃河左岸的一級(jí)支流，全長約485 km，涉及山西省和河南省的5個(gè)地級(jí)行政區(qū)，流域面積約1.35×104km2，其中山西和河南分別占比90.54%和9.46%[29]，流域概況見圖7。根據(jù)全國第二次水資源調(diào)查評(píng)價(jià)成果，1956—2000多年平均水平下，沁河流域的河川天然徑流量為13.39億m3，地下水資源量為9.20億m3，地下水與地表水重復(fù)量為7.14億m3，水資源總量為15.45億m3。自1970年代后期，流域水文情勢(shì)和水資源稟賦發(fā)生了顯著變化，總體處于偏枯時(shí)期，來水量較多年平均減少25%以上。同時(shí)，采煤業(yè)、冶煉業(yè)的發(fā)展以及灌區(qū)取水加大了流域用水量，人為排污等行為也導(dǎo)致了水體環(huán)境的惡化。因此，選擇其開展區(qū)域水平衡量化評(píng)估實(shí)例研究，以期為后續(xù)流域規(guī)劃和管理提供數(shù)據(jù)支撐和參考。

圖7 沁河流域概況

5.2 研究方法及數(shù)據(jù)來源平衡量化的主體方法均為前述提出，各要素的計(jì)算均采取相應(yīng)領(lǐng)域的成熟方法。本次實(shí)例分析對(duì)部分內(nèi)容進(jìn)行簡化、概化考慮，且主要以系統(tǒng)式思維展開研究，相對(duì)于分布式思維缺少考慮過程的相互耦合。研究所用基礎(chǔ)數(shù)據(jù)類目眾多，包括水文氣象、經(jīng)濟(jì)社會(huì)、生態(tài)環(huán)境等方面，來源于河南省、山西省和各地市的統(tǒng)計(jì)年鑒、水資源公報(bào)、統(tǒng)計(jì)公報(bào)，以及遙感解譯、政府文件、專項(xiàng)研究報(bào)告等。部分?jǐn)?shù)據(jù)和計(jì)算結(jié)果源自于團(tuán)隊(duì)針對(duì)沁河流域的研究成果[17，29]。本文研究期為2008—2020年，空間上考慮沁河流經(jīng)的五地市作為分區(qū)，但由于篇幅限制，僅選擇2019年作為代表年進(jìn)行詳細(xì)分析。2019年沁河流域水資源總量約13.56億m3，略低于多年平均水資源總量?？紤]到2000年以來流域水資源量明顯減少，故選擇2019年作為代表年進(jìn)行實(shí)例應(yīng)用研究。

5.3 沁河流域水平衡計(jì)算結(jié)果與分析表4為2019年沁河流域水平衡要素的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)或計(jì)算結(jié)果，其中，降水和實(shí)際蒸散發(fā)數(shù)據(jù)通過SWAT模型模擬得到，外調(diào)水量為統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，出口徑流量為武陟水文站實(shí)測數(shù)據(jù)；供、用水要素?cái)?shù)據(jù)均為統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，來源于《河南省沁河流域生態(tài)流量調(diào)整技術(shù)方案》；需水要素?cái)?shù)據(jù)采用定額法、系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)等方法計(jì)算得到。然后，應(yīng)用提出的平衡量化和失衡程度度量方法，得到了沁河流域水平衡程度和狀態(tài)(表5)，其中失衡指數(shù)是在平衡偏差值的基礎(chǔ)上，結(jié)合特定的映射關(guān)系得到。

表4 2019年沁河流域水平衡要素?cái)?shù)據(jù) 單位：億m3

表5 2019年沁河流域水平衡指標(biāo)的計(jì)算結(jié)果

(1)水收支平衡分析：基于計(jì)算得到的2019年沁河流域水收支要素?cái)?shù)據(jù)(表4)，構(gòu)建流域水收支平衡方程計(jì)算水蓄變量為-4.88億m3，對(duì)比流域多年平均水資源總量15.45億m3，得到水收支平衡偏差值為-0.316，映射后失衡指數(shù)為-0.258，處于蓄水量減少的中度失衡狀態(tài)，流域水資源流失，不利于維持良好的水資源稟賦。

(2)經(jīng)濟(jì)社會(huì)供需水平衡分析：2019年流域經(jīng)濟(jì)社會(huì)需水量和用水量分別為11.03億和9.29億m3，經(jīng)過平衡計(jì)算和函數(shù)映射，得到經(jīng)濟(jì)社會(huì)供需水失衡指數(shù)為-0.187，整體處于水資源短缺的輕度失衡狀態(tài)。流域經(jīng)濟(jì)社會(huì)系統(tǒng)存在一定的用水缺口，需注重提高生活用水保障程度，開源與節(jié)流并重，通過提升開發(fā)利用水平、挖掘非常規(guī)水源等措施緩解供需矛盾。

(3)經(jīng)濟(jì)社會(huì)與生態(tài)用水平衡分析：除供給流域內(nèi)經(jīng)濟(jì)社會(huì)用水及外調(diào)水外，2019年流域留給生態(tài)的水量約2.05億m3，河道內(nèi)生態(tài)需水量用Tennant法按“很好”標(biāo)準(zhǔn)[30]計(jì)算為7.10億m3，故存在用水競爭問題。結(jié)合一次平衡方法確定平衡點(diǎn)，即經(jīng)濟(jì)社會(huì)和生態(tài)用水應(yīng)分別占比59.0%、41.0%，設(shè)定破壞系數(shù)為0.9、彌補(bǔ)系數(shù)為0.2，結(jié)合流域?qū)嶋H用水結(jié)構(gòu)，即得到經(jīng)濟(jì)社會(huì)與生態(tài)用水失衡指數(shù)為-0.564，處于生態(tài)端虧水的高度失衡狀態(tài)。資料顯示，沁河流域河道外用水的增加導(dǎo)致河道內(nèi)用水被大量擠占，加之水利工程運(yùn)行方式不當(dāng)，導(dǎo)致下游頻繁斷流，甚至不能保證基本的生態(tài)用水。

(4)人水關(guān)系和諧平衡分析：通過沁河流域資料檢索分析和專家咨詢，確定了人水關(guān)系和諧平衡方程的各個(gè)組分。其中水系統(tǒng)的平衡偏差權(quán)重為0.3，考慮不存在棄權(quán)現(xiàn)象，則人文系統(tǒng)的平衡偏差權(quán)重為0.7，水系統(tǒng)的平衡偏差系數(shù)為0.4、人文系統(tǒng)的平衡偏差系數(shù)為0.6。代入人水關(guān)系和諧平衡方程計(jì)算平衡偏差值，映射后得到流域人水關(guān)系和諧失衡指數(shù)為-0.3，判別為水系統(tǒng)受損的中度失衡狀態(tài)。流域人文系統(tǒng)主導(dǎo)作用強(qiáng)，阻礙了水系統(tǒng)維持良好狀態(tài)和發(fā)展態(tài)勢(shì)，二者對(duì)實(shí)現(xiàn)和諧平衡目標(biāo)的一致性較弱。

(5)流域水平衡綜合分析：采用等權(quán)重方法集成四大平衡的失衡度，得到流域水平衡的失衡度為0.327，判別沁河流域水平衡處于蓄水量減少、水資源短缺、生態(tài)端虧水、水系統(tǒng)受損的中度失衡狀態(tài)。從水資源-經(jīng)濟(jì)-社會(huì)-生態(tài)耦合視角出發(fā)，結(jié)合資料搜集成果和流域?qū)嶋H情況，分析得知流域人水系統(tǒng)尚未達(dá)到相互協(xié)調(diào)的良好循環(huán)狀態(tài)，存在水資源稟賦惡化、地下水超采嚴(yán)重、供需水矛盾突出、生態(tài)用水被擠占、部分河段污染嚴(yán)重等問題，后續(xù)應(yīng)注重人類涉水行為的管理和調(diào)控，從多方協(xié)同的角度改善流域水平衡狀態(tài)。

5.4 討論基于對(duì)區(qū)域水平衡四大方面的多維度解構(gòu)，提出了一系列的平衡及失衡程度度量方法。所提方法均具有明確的結(jié)構(gòu)框架和堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)，且借鑒和融合了已有研究成果[7，17-18，27]，具有較好的科學(xué)性。本文選取沁河流域開展實(shí)例應(yīng)用，研究期為2008—2020年，空間分區(qū)為沁河流經(jīng)的五地市。為了精簡篇幅，只詳細(xì)介紹了代表年2019年沁河流域的研究結(jié)果，主要展示方法的具體操作過程和應(yīng)用可行性，所得結(jié)果與已有資料基本一致，很好揭示了流域存在的水平衡問題。為了進(jìn)行空間和時(shí)間上的對(duì)比分析，再以山西省和河南省沁河流域?yàn)榭臻g單元，選取偏豐水年2011年與2019年進(jìn)行對(duì)比，失衡指數(shù)計(jì)算結(jié)果見圖8。

圖8 沁河流域不同類型水平衡的失衡指數(shù)時(shí)空對(duì)比

空間維度上，山西省和河南省沁河流域2019年的水收支平衡和經(jīng)濟(jì)社會(huì)供需水平衡的計(jì)算結(jié)果具有相似性，即分段的結(jié)果偏于流域整體失衡指數(shù)的兩側(cè)，這主要取決于流域在水資源稟賦、經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展上的空間差異。兩省的流域經(jīng)濟(jì)社會(huì)與生態(tài)用水失衡指數(shù)分別為0.088和-0.611，失衡狀態(tài)分別為經(jīng)濟(jì)社會(huì)端虧水的輕度失衡和生態(tài)端虧水的重度失衡，二者綜合后使得流域整體處于生態(tài)端虧水的高度失衡狀態(tài)。原因在于山西省沁河流域?yàn)樯嫌萎a(chǎn)水區(qū)，徑流量約占整個(gè)流域的90%，河道內(nèi)剩余水量相對(duì)充足，甚至可以更多地供給經(jīng)濟(jì)社會(huì)用水。而河南省沁河流域水資源量本身較少，且較于山西省，其外調(diào)水量和經(jīng)濟(jì)社會(huì)取水量均更大，導(dǎo)致生態(tài)用水不能得到滿足。對(duì)于人水關(guān)系和諧平衡，兩省的流域分別處于水系統(tǒng)受損的輕度失衡和高度失衡狀態(tài)，導(dǎo)致整個(gè)流域處于水系統(tǒng)受損的中度失衡狀態(tài)。綜上，量化方法在水平衡空間格局分析上具有很好的適用性，計(jì)算結(jié)果不僅能反映流域整體的水平衡狀況，還能體現(xiàn)其在空間上的分異特征。

時(shí)間維度上，與2019年相比，由于2011年為偏豐水年，流域水收支平衡處于蓄水量增加的中度失衡狀態(tài)，較大的來水量基本滿足了經(jīng)濟(jì)社會(huì)用水需求，經(jīng)濟(jì)社會(huì)供需水失衡指數(shù)僅為-0.029，處于基本不失衡狀態(tài)。2011年和2019年流域經(jīng)濟(jì)社會(huì)與生態(tài)用水平衡分別處于生態(tài)端虧水的輕度失衡和高度失衡狀態(tài)，2011年流域水資源供給經(jīng)濟(jì)社會(huì)用水后，剩余的水量仍能很大程度保障生態(tài)用水，但2019年本身水資源量較少，加上經(jīng)濟(jì)社會(huì)用水增加，導(dǎo)致失衡程度較高。人水關(guān)系和諧失衡指數(shù)反映了流域人水關(guān)系在不同年份的狀態(tài)，2011年失衡指數(shù)為-0.085，處于水系統(tǒng)受損的輕度失衡狀態(tài)，相較于2019年，人水關(guān)系改善體現(xiàn)在水資源稟賦較好、經(jīng)濟(jì)社會(huì)-生態(tài)用水競爭關(guān)系緩解、干旱災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)降低等方面。綜上，量化方法可以反映流域水平衡狀態(tài)在不同水文年型的差異，體現(xiàn)其在時(shí)間演變上的波動(dòng)性特征，在時(shí)間序列分析上具有很好的適用性。

6 結(jié)語

從五個(gè)維度刻畫和描述了區(qū)域水平衡的四大平衡，分析了不同平衡的側(cè)重點(diǎn)和特點(diǎn)，明確了量化研究的整體框架和思路，相應(yīng)提出了水收支平衡、經(jīng)濟(jì)社會(huì)供需水平衡、經(jīng)濟(jì)社會(huì)與生態(tài)用水平衡、人水關(guān)系和諧平衡的度量方法。從不同角度解讀了區(qū)域水平衡的失衡狀態(tài)，提出了失衡程度度量方法和失衡狀態(tài)判別標(biāo)準(zhǔn)。將所提方法應(yīng)用于沁河流域，計(jì)算了該流域五地市各分區(qū)、2008—2020年各年的水平衡程度，驗(yàn)證了方法的科學(xué)性和適用性。以2019年為例，結(jié)果表明：沁河流域水平衡的失衡度為0.327，處于蓄水量減少、水資源短缺、生態(tài)端虧水、水系統(tǒng)受損的中度失衡狀態(tài)，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)各種不利水資源行為的管理和調(diào)控，改善流域水平衡狀態(tài)。本文是對(duì)區(qū)域水平衡量化及診斷的初步分析和探索，水平衡量化涉及方面眾多、內(nèi)容繁雜，對(duì)其的認(rèn)識(shí)和實(shí)踐是一個(gè)不斷提升的過程。量化方法基于前期成果總結(jié)和作者最新理解提出，有待進(jìn)一步完善和改進(jìn)，今后將從理論、方法和實(shí)踐層面開展更深層次的系統(tǒng)研究。此外，通過構(gòu)建指標(biāo)體系綜合評(píng)估區(qū)域水平衡狀態(tài)也具有很好的參考價(jià)值和科學(xué)意義，開展量化和評(píng)估的并行研究也是值得關(guān)注的課題。