本文摘要：摘要：再生水等非常規(guī)水源納入水資源統(tǒng)一配置后，形成了多水源供用水結(jié)構(gòu)，單向的供用耗排過(guò)程變?yōu)檠h(huán)的供用耗排回過(guò)程。在多水源供用水結(jié)構(gòu)矩陣構(gòu)建、供用耗排回過(guò)程解析的基礎(chǔ)上，提出了相應(yīng)的桑基圖圖式與繪圖方法，并應(yīng)用于天津市濱海新區(qū)。結(jié)果表明，
摘要：再生水等非常規(guī)水源納入水資源統(tǒng)一配置后，形成了多水源供用水結(jié)構(gòu)，單向的供用耗排過(guò)程變?yōu)檠h(huán)的供用耗排回過(guò)程。在多水源供用水結(jié)構(gòu)矩陣構(gòu)建、供用耗排回過(guò)程解析的基礎(chǔ)上，提出了相應(yīng)的桑基圖圖式與繪圖方法，并應(yīng)用于天津市濱海新區(qū)。結(jié)果表明，桑基圖可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜供用水結(jié)構(gòu)與供用耗排回過(guò)程的可視化表達(dá)與大量相關(guān)數(shù)據(jù)的有機(jī)整合，能為多水源優(yōu)化配置和社會(huì)水文過(guò)程分析描述提供有力支撐;濱海新區(qū)已形成了以引灤引江水為主，開(kāi)發(fā)利用淡化海水、再生水等非常規(guī)水源為輔，保證城市工業(yè)與生活用水，以當(dāng)?shù)氐乇淼叵滤疂M(mǎn)足農(nóng)村生產(chǎn)生活用水，并逐步減少開(kāi)采深層地下水的多水源優(yōu)化配置結(jié)構(gòu);2018年非常規(guī)水源供水比例達(dá)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(guān)鍵詞：供用耗排回過(guò)程;多水源供用水結(jié)構(gòu);桑基圖;天津市濱海新區(qū)
1引言
再生水、淡化海水、雨洪水等非常規(guī)水源是常規(guī)水源的重要補(bǔ)充，在緩解水資源供需矛盾，提高區(qū)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(guī)水源納入水資源統(tǒng)一配置后，增加了水源數(shù)目與種類(lèi)，水源與用水戶(hù)之間供用關(guān)系也變得更為復(fù)雜，形成了多水源供用水結(jié)構(gòu);此外，在供用耗排基礎(chǔ)上，增加了污水再生回用環(huán)節(jié)，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(guò)程變?yōu)?ldquo;供用耗排回”循環(huán)過(guò)程。目前，對(duì)多水源供用水結(jié)構(gòu)與供用耗排回過(guò)程的分析描述多以文字和表格為主，不夠形象直觀(guān)，可視化水平亟待提高。
�；鶊D[3]已被廣泛用于熱量、物質(zhì)、能源、水資源等流動(dòng)過(guò)程的可視化表達(dá)與分析調(diào)整[4，5]中，SMITHCA等[6]采用美國(guó)地調(diào)局提供的2005年供用耗排數(shù)據(jù)，繪制了美國(guó)全國(guó)和52個(gè)洲的水流圖，分析了美國(guó)的水資源開(kāi)發(fā)利用情況;CURMIE等[7]建立了評(píng)估美國(guó)加州水資源供需形勢(shì)的隨機(jī)模型，并利用�；鶊D，對(duì)未來(lái)供用耗排過(guò)程及地表地下水水資源儲(chǔ)量變化等結(jié)果進(jìn)行了展示;ZHANGXX等[8]繪制了北京、天津、上海等6個(gè)超大城市實(shí)體水和虛擬水流動(dòng)的�；鶊D。為提高多水源供用水結(jié)構(gòu)與供用耗排回過(guò)程可視化水平，并為多水源優(yōu)化配置和社會(huì)水文過(guò)程調(diào)控提供支撐，本文在對(duì)多水源供用水結(jié)構(gòu)與供用耗排回過(guò)程理論解析基礎(chǔ)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(qū)為例開(kāi)展了實(shí)例研究。
2研究方法
2.1�；鶊D
�；鶊D由節(jié)點(diǎn)與其連接線(xiàn)組成。節(jié)點(diǎn)代表各種信息、資源、能源流動(dòng)的源點(diǎn)、中間節(jié)點(diǎn)和匯點(diǎn)，一般以方塊表示;節(jié)點(diǎn)間的信息、物質(zhì)與能源流通過(guò)連接線(xiàn)表示。
2.2多水源供用水結(jié)構(gòu)及其�；鶊D
多水源供用水結(jié)構(gòu)包括水源構(gòu)成與供水比例、用水戶(hù)組成與用水比例、水源與用水戶(hù)間供用關(guān)系等內(nèi)容。要描述多水源供用水結(jié)構(gòu)，先依據(jù)實(shí)際確定水源與用水戶(hù)種類(lèi);然后收集整理供用水?dāng)?shù)據(jù)，確定供用水結(jié)構(gòu)矩陣A=(aij)m*n，其中m表示用水戶(hù)個(gè)數(shù)，n表示水源個(gè)數(shù)，aij表示第j種水源向第i個(gè)用水戶(hù)的供水量，當(dāng)aij=0表示第j種水源不向第i種用水戶(hù)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(jié)構(gòu)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(hù)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(jié)構(gòu)矩陣雖然實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)整合和定量描述，但仍不夠直觀(guān)。為了可視化表達(dá)該矩陣，多水源供用水結(jié)構(gòu)的�；鶊D以不同類(lèi)型的水源與用水戶(hù)作為節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)方塊高度代表水源供水量(比例)或用水戶(hù)用水量(比例)，以節(jié)點(diǎn)間的連接線(xiàn)反映水源與用水戶(hù)供用關(guān)系，線(xiàn)的寬度代表不同水源向不同用水戶(hù)供水量(比例)。
2.3供用耗排回過(guò)程及其�；鶊D
再生水納入水資源統(tǒng)一配置后，單向的“供用耗排”過(guò)程，變?yōu)?ldquo;供用耗排回”循環(huán)過(guò)程。綜上可知，供用耗排回過(guò)程涉及的環(huán)節(jié)、參數(shù)和數(shù)據(jù)較多。通過(guò)�；鶊D可實(shí)現(xiàn)水流動(dòng)全過(guò)程展示及相關(guān)參數(shù)數(shù)據(jù)的有機(jī)整合，從而為供用耗排回過(guò)程的分析調(diào)控提供基礎(chǔ)。供用耗排回過(guò)程�；鶊D中需要設(shè)置水源、供水、用水戶(hù)、污水處理與再生、水匯共5類(lèi)節(jié)點(diǎn)。其中水源、供水與用水戶(hù)節(jié)點(diǎn)可按照多水源供用水結(jié)構(gòu)�；鶊D中的方式確定。為了簡(jiǎn)便，將污水處理與再生合并為一個(gè)節(jié)點(diǎn)，將所有不同類(lèi)型的污水水廠(chǎng)和再生水廠(chǎng)概化為一個(gè)節(jié)點(diǎn)。水匯就是用水的最終去向，分為消耗、排入環(huán)境兩種。5類(lèi)節(jié)點(diǎn)間的連線(xiàn)反映了供用耗排回循環(huán)過(guò)程的具體路徑，連線(xiàn)的寬度反映水量大小。水量平衡在�；鶊D體現(xiàn)為節(jié)點(diǎn)流入與流出量的平衡。
3實(shí)例應(yīng)用
天津市濱海新區(qū)面積2270km2，2018年常住人口299萬(wàn)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(yán)重缺水地區(qū)。為保障水資源供給，濱海新區(qū)通過(guò)優(yōu)化配置當(dāng)?shù)厮c引灤引江水、外購(gòu)地表地下水等外調(diào)水源，以及再生水、淡化海水和雨洪水等非常規(guī)水源，形成了多水源開(kāi)發(fā)利用格局。
3.1多水源供用水結(jié)構(gòu)及其�；鶊D
依據(jù)2014～2018年《天津市濱海新區(qū)水資源開(kāi)發(fā)利用報(bào)告》中的供用水?dāng)?shù)據(jù)，將水源劃分為常規(guī)水、外調(diào)水和非常規(guī)水3類(lèi)，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(hù)分為城鎮(zhèn)居民生活、城鎮(zhèn)公共、農(nóng)村生活等6種，最終得到供用水結(jié)構(gòu)矩陣。
該矩陣全面反映了水源構(gòu)成及其供水量、用戶(hù)構(gòu)成與用水量、不同水源向不同用水戶(hù)的供水量�！榉奖惚容^供用水結(jié)構(gòu)變化，將其中以供用水量為元素的供用水結(jié)構(gòu)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(shù)繪制濱海新區(qū)2014～2018年多水源供用水結(jié)構(gòu)�；鶊D。
供用水結(jié)構(gòu)�；鶊D從水源種類(lèi)與供水比例、用水戶(hù)種類(lèi)與用水比例、不同水源向不同用水戶(hù)供水比例等方面，直觀(guān)形象地反映了多水源供用水結(jié)構(gòu)特征，可為多水源優(yōu)化配置方案分析制定和結(jié)果展示提供支持。
①?gòu)乃垂┧壤�，濱海新區(qū)水源以外調(diào)水為主，非常規(guī)水源為輔，常規(guī)水源供水逐漸下降。2014～2018年，外調(diào)水供水比例維持在65%，非常規(guī)水比重由14.9%提高至17.3%，常規(guī)水源則由20.7%降至17.7%。外調(diào)水以引灤引江水為主，2018年由于外購(gòu)地表水比例達(dá)到13.6%，引灤引江水比例由58.9%降至48.7%。非常規(guī)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(dāng)?shù)氐乇砉┧壤?1%左右，而當(dāng)?shù)氐叵滤┧壤?0.4%降至5.8%。②從用水比例來(lái)看，工業(yè)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(hù);城鎮(zhèn)居民生活與城鎮(zhèn)公共設(shè)施的用水比例接近，從10%提高到15%左右，農(nóng)業(yè)用水比例在14%左右。
�、蹚乃磁c用水戶(hù)之間供用關(guān)系來(lái)看，農(nóng)業(yè)用水以本地地表水為主，農(nóng)村生活用水全部來(lái)自本地地下水，城鎮(zhèn)居民生活、城鎮(zhèn)公共設(shè)施和工業(yè)供水均以外調(diào)水為主，深度處理再生水和淡化海水除主要用于工業(yè)外，還被用于城鎮(zhèn)居民生活和城鎮(zhèn)公共設(shè)施，生態(tài)環(huán)境補(bǔ)水以雨洪水為主�？傮w來(lái)看，濱海新區(qū)形成了以引灤引江水為主、開(kāi)發(fā)利用淡化海水、再生水等非常規(guī)水源為輔，保證城市工業(yè)與生活用水;以當(dāng)?shù)氐乇淼叵滤疂M(mǎn)足農(nóng)村生產(chǎn)生活用水，并逐步減少開(kāi)采深層地下水的多水源供用水結(jié)構(gòu)。
3.2供用耗排回過(guò)程及其桑基圖
由耗水率計(jì)算用水戶(hù)耗水量，由城市污水集中收集處理率計(jì)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(chǎng)排水量和再生水回用量計(jì)算污水處理與再生中的耗水量，最終得到供用耗排回過(guò)程各環(huán)節(jié)水量。
實(shí)現(xiàn)了在一張圖中展示復(fù)雜社會(huì)水文過(guò)程和大量相關(guān)數(shù)據(jù)與信息的有機(jī)整合，為系統(tǒng)全面分析社會(huì)水文過(guò)程提供了有力的可視化分析工具。2018年濱海新區(qū)的耗水主要來(lái)自工業(yè)和農(nóng)業(yè)用水，污水處理和再生過(guò)程中耗水不容忽視;絕大部分污水被污水管網(wǎng)收集處理，但大部分被處理后排放到外部環(huán)境，污水回用率比較低。由數(shù)據(jù)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(huán)境中，再生水利用潛力比較大。
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4結(jié)論
a.多水源供用水結(jié)構(gòu)包括水源種類(lèi)與供水比例、用水戶(hù)組成與用水比例、水源與用水戶(hù)之間供用關(guān)系等。以不同水源向不同用水戶(hù)供水量或供水比例為元素的矩陣，是多水源供用水結(jié)構(gòu)的矩陣表達(dá)。通過(guò)�；鶊D能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜多水源供用水結(jié)構(gòu)的直觀(guān)形象可視化表達(dá)，可為多水源優(yōu)化配置方案制定與結(jié)果展示提供支撐。
b.以水源、供水、用水戶(hù)、污水處理與再生、水匯作為節(jié)點(diǎn)，通過(guò)節(jié)點(diǎn)間的連線(xiàn)反映水流路徑，利用plotly程序包繪制供用耗排回循環(huán)過(guò)程�；鶊D，能夠在一張圖中實(shí)現(xiàn)復(fù)雜社會(huì)水文過(guò)程可視化表達(dá)與大量相關(guān)數(shù)據(jù)信息的有機(jī)整合，為社會(huì)水文過(guò)程的分析調(diào)控提供了支持。
c.天津市濱海新區(qū)形成了以引灤引江水為主、開(kāi)發(fā)利用淡化海水、再生水等非常規(guī)水源為輔，保證城市工業(yè)與生活用水，以當(dāng)?shù)氐乇淼叵滤疂M(mǎn)足農(nóng)村生產(chǎn)生活用水，并逐步減少開(kāi)采深層地下水的多水源優(yōu)化配置的供用水結(jié)構(gòu)。截止2018年，非常規(guī)水源供水比例達(dá)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。
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作者：程亮1，呂學(xué)研2，肖立敏1，白瑩1，李霄宇3
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