水资源供用耗排回过程及其桑基图绘制

　　摘要：再生水等非常规水源纳入水资源统一配置后，形成了多水源供用水结构，单向的供用耗排过程变为循环的供用耗排回过程。在多水源供用水结构矩阵构建、供用耗排回过程解析的基础上，提出了相应的桑基图图式与绘图方法，并应用于天津市滨海新区。结果表明，桑基图可实现复杂供用水结构与供用耗排回过程的可视化表达与大量相关数据的有机整合，能为多水源优化配置和社会水文过程分析描述提供有力支撑;滨海新区已形成了以引滦引江水为主，开发利用淡化海水、再生水等非常规水源为辅，保证城市工业与生活用水，以当地地表地下水满足农村生产生活用水，并逐步减少开采深层地下水的多水源优化配置结构;2018年非常规水源供水比例达17.3%，其中再生水供水比例为4.6%，回用率9.7%，具备较大利用潜力。

　　关键词：供用耗排回过程;多水源供用水结构;桑基图;天津市滨海新区

　　1引言

　　再生水、淡化海水、雨洪水等非常规水源是常规水源的重要补充，在缓解水资源供需矛盾，提高区域水资源配置效率和利用效益等方面具有重要作用[1，2]。再生水等非常规水源纳入水资源统一配置后，增加了水源数目与种类，水源与用水户之间供用关系也变得更为复杂，形成了多水源供用水结构;此外，在供用耗排基础上，增加了污水再生回用环节，且由于再生水参与供水后又形成再生水，使得“供用耗排”单向过程变为“供用耗排回”循环过程。目前，对多水源供用水结构与供用耗排回过程的分析描述多以文字和表格为主，不够形象直观，可视化水平亟待提高。

　　桑基图[3]已被广泛用于热量、物质、能源、水资源等流动过程的可视化表达与分析调整[4，5]中，SMITHCA等[6]采用美国地调局提供的2005年供用耗排数据，绘制了美国全国和52个洲的水流图，分析了美国的水资源开发利用情况;CURMIE等[7]建立了评估美国加州水资源供需形势的随机模型，并利用桑基图，对未来供用耗排过程及地表地下水水资源储量变化等结果进行了展示;ZHANGXX等[8]绘制了北京、天津、上海等6个超大城市实体水和虚拟水流动的桑基图。为提高多水源供用水结构与供用耗排回过程可视化水平，并为多水源优化配置和社会水文过程调控提供支撑，本文在对多水源供用水结构与供用耗排回过程理论解析基础上，研究了其桑基图的图式与绘图方法，并以天津市滨海新区为例开展了实例研究。

　　2研究方法

　　2.1桑基图

　　桑基图由节点与其连接线组成。节点代表各种信息、资源、能源流动的源点、中间节点和汇点，一般以方块表示;节点间的信息、物质与能源流通过连接线表示。

　　2.2多水源供用水结构及其桑基图

　　多水源供用水结构包括水源构成与供水比例、用水户组成与用水比例、水源与用水户间供用关系等内容。要描述多水源供用水结构，先依据实际确定水源与用水户种类;然后收集整理供用水数据，确定供用水结构矩阵A=(aij)m*n，其中m表示用水户个数，n表示水源个数，aij表示第j种水源向第i个用水户的供水量，当aij=0表示第j种水源不向第i种用水户供水。矩阵A的行和与列和分别为总供水量与用水量。

　　为保证水量平衡，供水量必须等于用水量，即结构矩阵行和与列和必须相等。除以水量作为矩阵元素外，还可将不同水源向不同用户供水量占总供水量的比例(即供水比例)作为元素。与定性描述相比，供用水结构矩阵虽然实现了数据整合和定量描述，但仍不够直观。为了可视化表达该矩阵，多水源供用水结构的桑基图以不同类型的水源与用水户作为节点，节点方块高度代表水源供水量(比例)或用水户用水量(比例)，以节点间的连接线反映水源与用水户供用关系，线的宽度代表不同水源向不同用水户供水量(比例)。

　　2.3供用耗排回过程及其桑基图

　　再生水纳入水资源统一配置后，单向的“供用耗排”过程，变为“供用耗排回”循环过程。综上可知，供用耗排回过程涉及的环节、参数和数据较多。通过桑基图可实现水流动全过程展示及相关参数数据的有机整合，从而为供用耗排回过程的分析调控提供基础。供用耗排回过程桑基图中需要设置水源、供水、用水户、污水处理与再生、水汇共5类节点。其中水源、供水与用水户节点可按照多水源供用水结构桑基图中的方式确定。为了简便，将污水处理与再生合并为一个节点，将所有不同类型的污水水厂和再生水厂概化为一个节点。水汇就是用水的最终去向，分为消耗、排入环境两种。5类节点间的连线反映了供用耗排回循环过程的具体路径，连线的宽度反映水量大小。水量平衡在桑基图体现为节点流入与流出量的平衡。

　　3实例应用

　　天津市滨海新区面积2270km2，2018年常住人口299万人。多年平均降水量为565.2 mm，人均水资源量为80m3，属于资源型严重缺水地区。为保障水资源供给，滨海新区通过优化配置当地水与引滦引江水、外购地表地下水等外调水源，以及再生水、淡化海水和雨洪水等非常规水源，形成了多水源开发利用格局。

　　3.1多水源供用水结构及其桑基图

　　依据2014～2018年《天津市滨海新区水资源开发利用报告》中的供用水数据，将水源划分为常规水、外调水和非常规水3类，本地地表水与地下水、引滦引江水、深度处理再生水等8种，把用户分为城镇居民生活、城镇公共、农村生活等6种，最终得到供用水结构矩阵。

　　该矩阵全面反映了水源构成及其供水量、用户构成与用水量、不同水源向不同用水户的供水量。　为方便比较供用水结构变化，将其中以供用水量为元素的供用水结构矩阵，换算成以供用水比例为元素的矩阵;再采用所提图式，利用plot_ly函数绘制滨海新区2014～2018年多水源供用水结构桑基图。

　　供用水结构桑基图从水源种类与供水比例、用水户种类与用水比例、不同水源向不同用水户供水比例等方面，直观形象地反映了多水源供用水结构特征，可为多水源优化配置方案分析制定和结果展示提供支持。

　　①从水源供水比例看，滨海新区水源以外调水为主，非常规水源为辅，常规水源供水逐渐下降。2014～2018年，外调水供水比例维持在65%，非常规水比重由14.9%提高至17.3%，常规水源则由20.7%降至17.7%。外调水以引滦引江水为主，2018年由于外购地表水比例达到13.6%，引滦引江水比例由58.9%降至48.7%。非常规水源以淡化海水为主，供水比例在9%左右，深度处理再生水由2.3%提高至4.6%。

　　当地地表供水比例在11%左右，而当地地下水供水比例由10.4%降至5.8%。②从用水比例来看，工业用水比例虽然从2014年的60.3%降至2018年的49.3%，但仍是第一用水大户;城镇居民生活与城镇公共设施的用水比例接近，从10%提高到15%左右，农业用水比例在14%左右。

　　③从水源与用水户之间供用关系来看，农业用水以本地地表水为主，农村生活用水全部来自本地地下水，城镇居民生活、城镇公共设施和工业供水均以外调水为主，深度处理再生水和淡化海水除主要用于工业外，还被用于城镇居民生活和城镇公共设施，生态环境补水以雨洪水为主。总体来看，滨海新区形成了以引滦引江水为主、开发利用淡化海水、再生水等非常规水源为辅，保证城市工业与生活用水;以当地地表地下水满足农村生产生活用水，并逐步减少开采深层地下水的多水源供用水结构。

　　3.2供用耗排回过程及其桑基图

　　由耗水率计算用水户耗水量，由城市污水集中收集处理率计算污水集中处理量和直接排放量，由污水集中处理量减去污水厂排水量和再生水回用量计算污水处理与再生中的耗水量，最终得到供用耗排回过程各环节水量。

　　实现了在一张图中展示复杂社会水文过程和大量相关数据与信息的有机整合，为系统全面分析社会水文过程提供了有力的可视化分析工具。2018年滨海新区的耗水主要来自工业和农业用水，污水处理和再生过程中耗水不容忽视;绝大部分污水被污水管网收集处理，但大部分被处理后排放到外部环境，污水回用率比较低。由数据可算出，综合耗水率为56.9%，综合排水率为38.5%，大部分用水被消耗;再生水供水比例为4.6%，再生水回用率仅为9.7%，90.3%被处理的污水排放到环境中，再生水利用潜力比较大。

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　　4结论

　　a.多水源供用水结构包括水源种类与供水比例、用水户组成与用水比例、水源与用水户之间供用关系等。以不同水源向不同用水户供水量或供水比例为元素的矩阵，是多水源供用水结构的矩阵表达。通过桑基图能够实现复杂多水源供用水结构的直观形象可视化表达，可为多水源优化配置方案制定与结果展示提供支撑。

　　b.以水源、供水、用水户、污水处理与再生、水汇作为节点，通过节点间的连线反映水流路径，利用plotly程序包绘制供用耗排回循环过程桑基图，能够在一张图中实现复杂社会水文过程可视化表达与大量相关数据信息的有机整合，为社会水文过程的分析调控提供了支持。

　　c.天津市滨海新区形成了以引滦引江水为主、开发利用淡化海水、再生水等非常规水源为辅，保证城市工业与生活用水，以当地地表地下水满足农村生产生活用水，并逐步减少开采深层地下水的多水源优化配置的供用水结构。截止2018年，非常规水源供水比例达17.3%，其中再生水供水比例为4.6%，回用率9.7%，具备较大利用潜力。

　　参考文献：

　　[1]高旭阔，帅丽蓉.公众素质、外部环境对公众再生水接受态度的影响[J].水电能源科学，2020，38(4)：34-38.

　　[2]王建华，柳长顺.非常规水源利用现状、问题与对策[J].中国水利，2019(17)：21-24.

　　作者：程亮1，吕学研2，肖立敏1，白莹1，李霄宇3

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