基于模型的流域水土资源综合配置研究

基于GLP模型的流域水土资源综合配置研究^[1]——以陕北延河流域为例

王丽霞1，任志远2，任朝霞1，马超群1

作者简介:王丽霞（1979－），女，山西大同人，博士后，主要从事水资源评价与GIS研究。Email:wlx333@sina.com.cn

（1.长安大学地球科学与资源学院陕西西安710054；

2.陕西师范大学旅游与环境学院陕西西安710062）

【摘　要】目前关于水土资源的优化配置研究主要表现为，对水资源、土地资源的单项开发与调控的研究较多，将两者结合起来的研究较少；以实现经济收益最大化为目标的研究较多，而以实现生态和经济协调发展为目标的“面向生态的”研究较少。鉴于此，本文基于延河流域近50年的水、土、气等因素的动态资料，在测评流域生态环境需水和社会经济用水的基础上，运用灰色线性规划（GLP）方法，构建水资源—土地资源耦合系统模型，探讨多目标情景下“面向生态的”水土资源综合配置方案。结果表明，随着供水能力的提高，流域林果产业前景广阔，城市化进程将不断加快。2010～2030年，预计流域在低配方案下，有林地、灌丛林、园地的面积将分别由1264.49 km²、1201.51 km²和4 12.87km²调整为1504.32 km²、1434.67 km²和589.24 km²，建设用地面积将由346.73 km²调整为575.38 km²。

【关键词】延河流域，GLP模型，面向生态，水土资源综合配置

Integrated Allocation of Water and Land

Resources based on GLPmodel in Yanhe Watershed

WANG Li－xia¹，REN Zhi－yuan²，REN Zhao－xia¹，MA Chao－qun¹

（1.College of Earth Science and Resources，Chang’an University，Xi’an 710054，China；

2.College of Tourism and Environmental Sciences，Shaanxi Normal University，Xi’an 710062，China）

【Abstract】Although some researches on optimal allocation of water or land resource have been carried out already，few attention is paid to the combination of these two factors based on ecosystem.The studies for achieving economic benefit maximize were much more than that for coordinated growth of ecology and economy.Thus，based on continuous 30－year weather condition report data，10－year soil water content data and nearly 50－year hydrographic data in Yanhe watershed，we evaluated the ecological water requirement and social economy water demand，GLP（Gray Linear Programming）model was employed to build the water－land resources coupling model in order to discuss the ecology－oriented water and land resource allocation scheme under multiple target scene.The results show that the fruit industry is developing well with water resources supply increasing，and the urbanization process is accelerating as well.It can be expected that from 2010 to 2030，the forests，shrubs and garden land will increase from 1264.49 km²，1201.51 km²，4 12.87km² to 1504.32 km²，1434.67 km²，589.24 km²，respectively and the construction land will increase from 346.73 km² to 575.38 km²，when satisfying the minimal ecological water requirement.

【Key words】Yanhe watershed；Gray Linear Programming model；ecology－oriented；waterl and resource integrated allocation

水土资源是人类生产、生活的基本资料。进入20世纪，人类对水土资源的利用广度和深度在不断加强，从而导致全球性的资源短缺和生态破坏，很大程度上削弱了自然环境的承载能力。因此，优化配置水土资源，提高其综合利用率已经成为区域发展中亟待解决的重大课题之一^［1］。

目前，一些学者已经从区域或流域生态系统的角度，对水、土资源的合理配置和调控模式进行了探索。国家“九五”攻关项目“西北地区水资源合理配置和承载力研究”首次提出了面向生态经济建设的西北水资源合理配置模式^［2］。许新宜和王浩等提出了基于宏观经济的水资源合理配置理论与方法^［3］。王劲峰和刘昌明等针对我国水资源供需平衡在空间上的差异性，提出了水资源在时间、部门和空间上的三维优化分配理论模型体系^［4］。冯耀龙等系统分析了面向可持续发展的区域水土资源优化配置的内涵与原则，建立了优化配置模型，提出了实用可行的求解方法^［5］。刘建林等建立了南水北调东线工程联合调水仿真模型，提出了调度模型的计算过程以及调算的水文系列和计算时段^［6］。孙自永等以水资源与生态环境的耦合研究为基础，提出了中国西北地区内陆河流域面向生态环境的水资源开发模式^［7］。左其亭等提出了面向可持续发展的水资源管理量化模型，包括水量—水质—生态耦合系统模型和社会经济系统模型，并对博斯腾湖进行了可持续水资源管理应用研究^［8］。

然而，由于不同区域间的复杂性和特殊性以及研究方法的多样性，目前仍存在一些问题，例如，对水资源和土地资源作为专题研究的较多，而对水土资源耦合系统进行综合性研究的较少^［9］；对以追求经济效益最大化为目标，确定水土资源利用方向研究的较多，而对基于生态环境需水测评的“面向生态的”综合配置研究的较少等。

鉴于此，本文基于延河流域近50年的水、土、气等因素的动态资料，以RS和G IS空间分析为技术支持，分别采用水文模型法和BP神经网络模型法测评流域生态环境需水量和社会经济用水量；在此基础上，运用灰色线性规划（GLP）方法，构建水资源—土地资源耦合系统模型，提出“面向生态的”水土资源多目标情景综合配置方案。

1.研究区概况

延河发源于靖边县天赐湾乡周山，由西北向东南流经志丹、安塞、宝塔、延长四县、区，最终汇入黄河，全长286.9km，流域面积7680km²，属于黄河一级支流（图1）。延河流域（36°27′～37°58′N，108°41′～110°29′E）是黄河中游水土流失最严重的区域之一（2005年水土流失面积占流域总面积的78.9%），其地势西北高而东南低，平均海拔高度950m，年均降水量500mm，年均水面蒸发量1000mm，年均气温9.2℃。以安塞县的化子坪和宝塔区的甘谷驿为界，可以将流域划分成上、中、下游河区。上游为梁峁丘陵沟壑区，地形陡峭，河谷狭窄，植被稀少，侵蚀剧烈；中游为峁状丘陵沟壑区，河谷明显展宽，阶地发育；下游多为破碎塬区，冲沟发育。流域多年平均径流总量为2.89亿m³，径流年内分配很不均匀，年际变化大，夏季径流量占全年径流总量的50%以上。多年平均输沙量为082亿t，相应侵蚀模数为1.12万t/km²。许多地区，由于赋存于天然水体中的水量达不到生态环境的需水标准，已引发了诸如植被退化、土地沙化、水土流失、河流季节化、河道萎缩、水质下降等一系列生态环境问题。因此，合理配置流域有限的水资源，对于实现区域水土资源的可持续利用，确保水土资源系统的生态安全具有重要意义。

图1　延河流域行政区划图

Fig.1　The administrative map of Yanhe watershed

2.数据来源及处理

2.1　数据资料来源

研究中选用的影像资料包括2005年Landsat ETM＋，和延河流域1∶5万DEM数据。专题数据包括2000年延河流域1∶10万土地利用图、1989年1∶10万水系河谱分布图和1996年陕西省1∶50万土壤类型图等。气象数据包括志丹、安塞、宝塔、延长等气象站点连续30年（1975～2004）的气象资料（台站经纬度、海拔高度、月平均降水量、月平均气温、月平均水汽压、月平均风速等）。水文数据包括枣园、甘谷驿、延安等水文站点近50年（1953～2000）的水文资料（径流量、输沙量、淤积量等）。社会经济数据包括:延河流域20多年（1980～2005）的人口、GDP、居民生活用水、工业生产用水和农业生产用水等数据；还包括相关的文献资料:《延安统计年鉴》，历年《延安市水资源公报》，《延安市农田水利年报》，《延安地区实用水文手册》，《全国节水灌溉“十一五”计划及2010年发展规划》等。

2.2　数据资料处理

2.2.1　影像资料预处理

在ArcView3.3平台下，以1∶5万DEM作为主要输入数据，运用Hydrologic Functions功能生成集水流域和水流网络数据，并对栅格DEM进行填洼处理，计算水流方向（Flow Direction）和流水累计量（Flow Accumulation），生成Watershed数据（图2）。

图2　填洼DEM数据生成延河流域分布图

Fig.2　Sketch map of Yan he watershed by filling sinks of DEM

在Erdas8.7平台下，采用监督分类和非监督分类相结合的方法，对流域2005年的ETM＋遥感影像进行解译。根据研究需要，将用地类型划分为耕地、园地、有林地、灌丛林、牧草地、水域、建设用地和未利用地（图3）。

图3　延河流域土地利用类型分布图

Fig.3　Spatial distribution of landuse types in Yanhe watershed

2.2.2　其他资料处理

水文和气象数据主要用于测算流域生态环境需水。根据流域生态环境需水分类体系^［10］，运用经验模型和水文模型法^{［11－19］}，计算了延河流域旱地系统（包括耕地、园地、有林地、灌丛林、牧草地等）的生态环境需水，测评项目包括植被需水和土壤需水，以及湿地系统（主要是河流系统）的生态环境需水，测评项目包括基本生态需水、输沙需水、自净需水、蒸散消耗需水和渗漏消耗需水等。

社会经济数据主要用于测算流域社会经济用水。运用BP神经网络模型法，以预测目标即居民生活、工业生产和农业生产用水为神经元的输出层，以城镇人口数、农村人口数、人均生活用水量、工业生产总值、农田有效灌溉面积以及牲畜量等作为神经元的输入层，预测了延河流域2020年和2030年的社会经济用水。

3.水土资源优化配置

水土资源系统中有很多不确定因素，是一类典型的灰色系统，因此，灰色线性规划模型可以有效解决水土资源的综合配置问题。本文基于GLP方法构建水资源—土地资源耦合模型，基于多目标决策技术来构建生态—经济系统耦合模型，采用线性加权法，将多目标函数直接构造为新的单目标规划问题，模型表达为:

式中，ω_i和ω_j分别表示目标函数f_i（x）和目标函数f_j（x）在整体系统中的权重，并且满足0≤ω₁≤1，＝1，其取值可根据各目标的重要程度进行确定。由于本文是遵循生态和经济的协调可持续发展原则，因此将生态保护目标和经济发展目标的权重均取值为05。具体的配置过程主要包括目标函数和决策变量的确定以及约束条件的制定。

3.1　目标函数

以实现流域水土资源系统生态服务价值和经济收益之和最大化为目标，构建函数，模型表达为:

式中，F（x）代表水土资源综合配置目标，m_i和n_i分别为各类土地资源单位面积的生态服务价值和经济收益（表1），其中m_i主要参考中国陆地生态系统生态资产^［20］，n_i来源于延河流域世行贷款一期项目监测报告。

表1　延河流域土地资源生态价值与经济收益

Table 1　The ecosystem service value and economic income of land resources in Yanhe watershed

3.2　决策变量

根据遥感影像的地面分辨率，结合流域土地资源特点及研究需要，设置耕地、园地、有林地、灌丛林、牧草地、建设用地、水域及未利用地作为决策变量，分别用X₁，X₂，X₃，X₄，X₅，X₆，X₇，X₈表示。

3.3　约束条件

根据延河流域水土资源利用现状及存在的问题，按照“面向生态的”原则，以满足土地系统生态环境需水为前提，综合考虑水土资源的发展目标，构建约束方程。模型表达为:

（1）土地资源数量约束。

式中，g₁为规划年的粮食单产，b₁为规划年的粮食总产，可以用GM（1，1）模型预测得到。

式中，b₂为土地利用现状中坡度≤25°的耕地面积。根据《水土保持法》的相关规定，坡度＞25°的耕地，应退耕还林（草）。运用DEM数据生成坡度图，与土地利用现状图进行叠加生成耕地坡度图，可以统计出≤25°的耕地面积。

式中，b₃为流域园地限制面积。目前安塞县的仁用杏、宝塔区的苹果和延长县的酥梨等产业已形成一定规模，可以适当地发展其面积。

式中，b₄为流域水土流失治理目标下有林地的规划发展面积。在干旱半干旱地区，有林地蒸腾作用会加剧缺水程度，有必要限制其面积。

式中，b₅为流域灌丛林限制面积。灌丛林具有明显的改良土壤和涵养水源的生态功能，有必要发展其面积。

式中，b₆为流域牧草地限制面积。牧草地具有防风抗旱等生态功能，可以适当地发展其面积。

式中，b₇为流域总面积。各项用地类型的面积之和应等于流域总面积。

（2）水资源数量约束。

式中，g₂为耕地单位面积生态环境需水，b₈为规划年的耕地生态环境供水量。

式中，g₃为园地单位面积生态环境需水，b₉为规划年的园地生态环境供水量。

式中，g₄为有林地单位面积生态环境需水，b₁₀为规划年的有林地生态环境供水量。

式中，g₅为灌丛林单位面积生态环境需水，b₁₁为规划年的灌丛林生态环境供水量。

式中，g₆为牧草地单位面积生态环境需水，b₁₂为规划年的牧草地生态环境供水量。

式中，g₇为河流单位面积生态环境需水，b₁₃为规划年的河流生态环境供水量。

式中，b₁₅为流域的供水总量，b₁₄为流域社会经济用水量，b₁₅－b₁₄为流域生态环境供水量。分别用流域丰水年、平水年和枯水年的流域供水总量，减去丰水年、平水年和枯水年的社会经济用水量，求得生态环境供水量的上、下限值。土地资源的生态环境需水包括最小、适宜及饱和三种阈值模式，其值不应超过生态环境供水量。

基于GLP总量控制模型，本文提出了多目标情景下的水土资源综合配置方案。首先在考虑水利工程配套措施完成时流域预计的供水能力，设置2020年和2030年规划时间目标。根据流域25%、50%和75%保证率下的降水总量，设置丰水年、平水年和枯水年情景目标。根据满足土地资源系统的最小、适宜及饱和生态环境需水的三种阈值模式，设置低配、中配和高配目标。这样就可以得到18种配置方案，线性规划求解后得到的可行解有9个。分别对应于2020年25%、50%和75%保证率下的低配方案，2030年25%、50%和75%保证率下的低配、中配方案。配置中的约束条件主要参考了历年《延安统计年鉴》，历年《延安市水资源公报》，以及水利部《全国节水灌溉“十五”计划及2010年发展规划》等。

4.综合配置结果与分析

限于文章的篇幅，本文重点讨论平水年即50%保证率下，流域在2020年和2030年的低配方案等可行解。

根据计算，延河流域2020年、2030年50%保证率下供水总量的上限值分别为39.12亿m³和39.36亿m³。按照水量平衡方程计算出生态环境供水量的上限值分别为36.18亿m³和36.41亿m³。低配方案下，土地资源系统的生态环境用水量分别为27.26亿m³和27.33亿m³，并未达到生态环境供水量的极限，这表明流域水资源满足了土地资源系统的最小生态环境需水，即维持了系统最基本的水循环平衡。但对于2020年的中配和高配方案，以及2030年的高配方案，流域土地资源系统的生态环境用水量均超过了生态环境供水量的上限值，说明2020年时，流域水资源无法满足土地资源系统的适宜及饱和生态环境需水，到2030年时，流域水资源可以满足土地资源系统的最小以及适宜生态环境需水，但仍无法满足饱和生态环境需水。

综合配置结果（表2）表明:①随着流域水利设施的不断完善，水源供水能力将显著提高。2010～2030年，预计流域50%保证率下的供水总量的上限值将由38.84亿m³增加为39.36亿m³。②林果业的发展前景广阔。2010～2030年，预计流域在低配方案下有林地、灌丛林、园地的面积将分别由1264.49 km²、1201.51 km²和4 12.87km²调整为1504.32 km²、1434.67 km²和589.24 km²。③城市化进程不断加快。2010～2030年，预计流域建设用地面积将由346.73 km²调整为575.38 km²，年均增长率达到3.61%。

表2　延河流域未来规划年50%保证率下满足不同生态环境需水等级的水土地资源配置方案

Table 2　The land and water resources allocation modes under different ecological water requirement grades

5.结论与讨论

5.1　结论

文章基于延河流域近50年的水、土、气等因素的动态资料，在测评流域生态环境需水和社会经济用水的基础上，运用灰色线性规划（GLP）模型，探讨了以满足土地系统生态环境需水为前提，以实现土地系统生态服务价值与经济收益之和最大化为目标的“面向生态的”水土资源综合配置方案的多样性和或然性。

结果表明，预计2020年时，流域水资源仅可以满足土地资源系统的最小生态环境需水，2030年时，流域水资源可以满足土地资源系统的最小和适宜生态环境需水，但仍无法满足饱和生态环境需水。随着供水能力的提高，流域林果产业前景广阔，城市化进程将不断加快。2010～2030年，预计流域在低配方案下有林地、灌丛林、园地的面积将分别由1264.49 km²、1201.51 km²和4 12.87km²调整为1504.32 km²、1434.67 km²和589.24 km²，建设用地面积将由346.73 km²调整为575.38 km²。

5.2　讨论

文章主要突出了以下几个观点:

（1）实践基于水资源—土地资源耦合系统的综合配置研究。

水资源与土地资源是相互影响、相互制约的两个基本要素，水土资源的协调开发与利用是实现可持续发展的关键。本文利用GLP模型的总量控制法，以水资源作为约束条件，限制和协调土地资源的数量和发展方向，从而实现流域水土资源的综合高效利用。

（2）提出“面向生态的”水土资源综合配置研究思路。

“面向生态的”水土资源综合配置研究，要突出生态先行的原则。本文通过运用GLP模型，以约束条件的方式，体现出水资源的分配过程中需要以满足生态环境需水为前提；以构建目标函数的方式，体现出配置的结果要以实现流域生态、经济的协调发展为最终的目标。研究思路和方法，充分体现出“面向生态的”基本原则。

由于研究涉及的数据和内容比较多，因此存在一些有待完善之处。例如，在水土资源配置的过程中，由于规划前景不同，约束条件的参数制定也有所不同。本文仅仅是根据GM（1，1）模型或是规划目标确定相应的参数，而在实际中，参数的变化要受到很多因素的影响，因此如何利用数学模型预测参数的合理值，还需要大量细致的工作。此外，如何通过地理信息系统软件，实现水土资源的数量配比与空间分布的有机结合也是有待深入研究的难点问题。

（中译英:王丽霞，王金凤检）

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【注释】

[1]基金项目:国家自然科学基金项目（41001374）:长安大学中央高校科研事业费资助项目（CHD2010JC111）；高等学校学科创新引智计划项目（B08039）