水資源供用耗排回過程及其桑基圖繪制

　　摘要：再生水等非常規水源納入水資源統一配置后，形成了多水源供用水結構，單向的供用耗排過程變為循環的供用耗排回過程。在多水源供用水結構矩陣構建、供用耗排回過程解析的基礎上，提出了相應的桑基圖圖式與繪圖方法，并應用于天津市濱海新區。結果表明，桑基圖可實現復雜供用水結構與供用耗排回過程的可視化表達與大量相關數據的有機整合，能為多水源優化配置和社會水文過程分析描述提供有力支撐;濱海新區已形成了以引灤引江水為主，開發利用淡化海水、再生水等非常規水源為輔，保證城市工業與生活用水，以當地地表地下水滿足農村生產生活用水，并逐步減少開采深層地下水的多水源優化配置結構;2018年非常規水源供水比例達17.3%，其中再生水供水比例為4.6%，回用率9.7%，具備較大利用潛力。

　　關鍵詞：供用耗排回過程;多水源供用水結構;桑基圖;天津市濱海新區

　　1引言

　　再生水、淡化海水、雨洪水等非常規水源是常規水源的重要補充，在緩解水資源供需矛盾，提高區域水資源配置效率和利用效益等方面具有重要作用[1，2]。再生水等非常規水源納入水資源統一配置后，增加了水源數目與種類，水源與用水戶之間供用關系也變得更為復雜，形成了多水源供用水結構;此外，在供用耗排基礎上，增加了污水再生回用環節，且由于再生水參與供水后又形成再生水，使得“供用耗排”單向過程變為“供用耗排回”循環過程。目前，對多水源供用水結構與供用耗排回過程的分析描述多以文字和表格為主，不夠形象直觀，可視化水平亟待提高。

　　桑基圖[3]已被廣泛用于熱量、物質、能源、水資源等流動過程的可視化表達與分析調整[4，5]中，SMITHCA等[6]采用美國地調局提供的2005年供用耗排數據，繪制了美國全國和52個洲的水流圖，分析了美國的水資源開發利用情況;CURMIE等[7]建立了評估美國加州水資源供需形勢的隨機模型，并利用桑基圖，對未來供用耗排過程及地表地下水水資源儲量變化等結果進行了展示;ZHANGXX等[8]繪制了北京、天津、上海等6個超大城市實體水和虛擬水流動的桑基圖。為提高多水源供用水結構與供用耗排回過程可視化水平，并為多水源優化配置和社會水文過程調控提供支撐，本文在對多水源供用水結構與供用耗排回過程理論解析基礎上，研究了其桑基圖的圖式與繪圖方法，并以天津市濱海新區為例開展了實例研究。

　　2研究方法

　　2.1桑基圖

　　桑基圖由節點與其連接線組成。節點代表各種信息、資源、能源流動的源點、中間節點和匯點，一般以方塊表示;節點間的信息、物質與能源流通過連接線表示。

　　2.2多水源供用水結構及其桑基圖

　　多水源供用水結構包括水源構成與供水比例、用水戶組成與用水比例、水源與用水戶間供用關系等內容。要描述多水源供用水結構，先依據實際確定水源與用水戶種類;然后收集整理供用水數據，確定供用水結構矩陣A=(aij)m*n，其中m表示用水戶個數，n表示水源個數，aij表示第j種水源向第i個用水戶的供水量，當aij=0表示第j種水源不向第i種用水戶供水。矩陣A的行和與列和分別為總供水量與用水量。

　　為保證水量平衡，供水量必須等于用水量，即結構矩陣行和與列和必須相等。除以水量作為矩陣元素外，還可將不同水源向不同用戶供水量占總供水量的比例(即供水比例)作為元素。與定性描述相比，供用水結構矩陣雖然實現了數據整合和定量描述，但仍不夠直觀。為了可視化表達該矩陣，多水源供用水結構的桑基圖以不同類型的水源與用水戶作為節點，節點方塊高度代表水源供水量(比例)或用水戶用水量(比例)，以節點間的連接線反映水源與用水戶供用關系，線的寬度代表不同水源向不同用水戶供水量(比例)。

　　2.3供用耗排回過程及其桑基圖

　　再生水納入水資源統一配置后，單向的“供用耗排”過程，變為“供用耗排回”循環過程。綜上可知，供用耗排回過程涉及的環節、參數和數據較多。通過桑基圖可實現水流動全過程展示及相關參數數據的有機整合，從而為供用耗排回過程的分析調控提供基礎。供用耗排回過程桑基圖中需要設置水源、供水、用水戶、污水處理與再生、水匯共5類節點。其中水源、供水與用水戶節點可按照多水源供用水結構桑基圖中的方式確定。為了簡便，將污水處理與再生合并為一個節點，將所有不同類型的污水水廠和再生水廠概化為一個節點。水匯就是用水的最終去向，分為消耗、排入環境兩種。5類節點間的連線反映了供用耗排回循環過程的具體路徑，連線的寬度反映水量大小。水量平衡在桑基圖體現為節點流入與流出量的平衡。

　　3實例應用

　　天津市濱海新區面積2270km2，2018年常住人口299萬人。多年平均降水量為565.2 mm，人均水資源量為80m3，屬于資源型嚴重缺水地區。為保障水資源供給，濱海新區通過優化配置當地水與引灤引江水、外購地表地下水等外調水源，以及再生水、淡化海水和雨洪水等非常規水源，形成了多水源開發利用格局。

　　3.1多水源供用水結構及其桑基圖

　　依據2014～2018年《天津市濱海新區水資源開發利用報告》中的供用水數據，將水源劃分為常規水、外調水和非常規水3類，本地地表水與地下水、引灤引江水、深度處理再生水等8種，把用戶分為城鎮居民生活、城鎮公共、農村生活等6種，最終得到供用水結構矩陣。

　　該矩陣全面反映了水源構成及其供水量、用戶構成與用水量、不同水源向不同用水戶的供水量。　為方便比較供用水結構變化，將其中以供用水量為元素的供用水結構矩陣，換算成以供用水比例為元素的矩陣;再采用所提圖式，利用plot_ly函數繪制濱海新區2014～2018年多水源供用水結構桑基圖。

　　供用水結構桑基圖從水源種類與供水比例、用水戶種類與用水比例、不同水源向不同用水戶供水比例等方面，直觀形象地反映了多水源供用水結構特征，可為多水源優化配置方案分析制定和結果展示提供支持。

　　①從水源供水比例看，濱海新區水源以外調水為主，非常規水源為輔，常規水源供水逐漸下降。2014～2018年，外調水供水比例維持在65%，非常規水比重由14.9%提高至17.3%，常規水源則由20.7%降至17.7%。外調水以引灤引江水為主，2018年由于外購地表水比例達到13.6%，引灤引江水比例由58.9%降至48.7%。非常規水源以淡化海水為主，供水比例在9%左右，深度處理再生水由2.3%提高至4.6%。

　　當地地表供水比例在11%左右，而當地地下水供水比例由10.4%降至5.8%。②從用水比例來看，工業用水比例雖然從2014年的60.3%降至2018年的49.3%，但仍是第一用水大戶;城鎮居民生活與城鎮公共設施的用水比例接近，從10%提高到15%左右，農業用水比例在14%左右。

　　③從水源與用水戶之間供用關系來看，農業用水以本地地表水為主，農村生活用水全部來自本地地下水，城鎮居民生活、城鎮公共設施和工業供水均以外調水為主，深度處理再生水和淡化海水除主要用于工業外，還被用于城鎮居民生活和城鎮公共設施，生態環境補水以雨洪水為主。總體來看，濱海新區形成了以引灤引江水為主、開發利用淡化海水、再生水等非常規水源為輔，保證城市工業與生活用水;以當地地表地下水滿足農村生產生活用水，并逐步減少開采深層地下水的多水源供用水結構。

　　3.2供用耗排回過程及其桑基圖

　　由耗水率計算用水戶耗水量，由城市污水集中收集處理率計算污水集中處理量和直接排放量，由污水集中處理量減去污水廠排水量和再生水回用量計算污水處理與再生中的耗水量，最終得到供用耗排回過程各環節水量。

　　實現了在一張圖中展示復雜社會水文過程和大量相關數據與信息的有機整合，為系統全面分析社會水文過程提供了有力的可視化分析工具。2018年濱海新區的耗水主要來自工業和農業用水，污水處理和再生過程中耗水不容忽視;絕大部分污水被污水管網收集處理，但大部分被處理后排放到外部環境，污水回用率比較低。由數據可算出，綜合耗水率為56.9%，綜合排水率為38.5%，大部分用水被消耗;再生水供水比例為4.6%，再生水回用率僅為9.7%，90.3%被處理的污水排放到環境中，再生水利用潛力比較大。

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　　4結論

　　a.多水源供用水結構包括水源種類與供水比例、用水戶組成與用水比例、水源與用水戶之間供用關系等。以不同水源向不同用水戶供水量或供水比例為元素的矩陣，是多水源供用水結構的矩陣表達。通過桑基圖能夠實現復雜多水源供用水結構的直觀形象可視化表達，可為多水源優化配置方案制定與結果展示提供支撐。

　　b.以水源、供水、用水戶、污水處理與再生、水匯作為節點，通過節點間的連線反映水流路徑，利用plotly程序包繪制供用耗排回循環過程桑基圖，能夠在一張圖中實現復雜社會水文過程可視化表達與大量相關數據信息的有機整合，為社會水文過程的分析調控提供了支持。

　　c.天津市濱海新區形成了以引灤引江水為主、開發利用淡化海水、再生水等非常規水源為輔，保證城市工業與生活用水，以當地地表地下水滿足農村生產生活用水，并逐步減少開采深層地下水的多水源優化配置的供用水結構。截止2018年，非常規水源供水比例達17.3%，其中再生水供水比例為4.6%，回用率9.7%，具備較大利用潛力。

　　參考文獻：

　　[1]高旭闊，帥麗蓉.公眾素質、外部環境對公眾再生水接受態度的影響[J].水電能源科學，2020，38(4)：34-38.

　　[2]王建華，柳長順.非常規水源利用現狀、問題與對策[J].中國水利，2019(17)：21-24.

　　作者：程亮1，呂學研2，肖立敏1，白瑩1，李霄宇3

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