遼寧省遼河流域水質(zhì)水量聯(lián)合配置模型及結(jié)果分析

康愛卿，謝新民，魏傳江

（1.山西省水文水資源勘測局，030001，太原；2.中國水利水電科學研究院，100038，北京）

河流水生態(tài)修復和用水戶對水質(zhì)的要求，使水資源配置過程中一方面要求從水量和水質(zhì)的雙要素出發(fā)，分析水質(zhì)因素對水資源總體配置的影響；另一方面基于水功能區(qū)納污總量控制要求，必須實行污染物的定量削減。目前已有學者建立了水質(zhì)水量聯(lián)合配置模型，通過分質(zhì)供水模式下的水資源配置，分析水質(zhì)因素對水資源配置的影響，識別因水質(zhì)惡化而導致的供水損失量——水質(zhì)型缺少量。通過建立基于水資源配置概化框架下的宏觀性污染物模擬模型，對污染物產(chǎn)生、截留以及入河、擴散和轉(zhuǎn)移等過程進行模擬，為水功能區(qū)水質(zhì)保護和納污總量控制進行污染物定量削減提供了科學依據(jù)。分質(zhì)供水配置模型和基于宏觀概化框架下的水質(zhì)模擬模型進行耦合運行，實現(xiàn)了水質(zhì)水量的聯(lián)合配置。

一、水質(zhì)水量聯(lián)合配置基本原理

水質(zhì)水量聯(lián)合配置研究的主要目的是根據(jù)不同用水戶對水質(zhì)要求實現(xiàn)分質(zhì)供水配置。對于地表水體要求入河污染物滿足河流水功能區(qū)納污能力要求，不致使河流水體水質(zhì)下降，影響供水和破壞水生生態(tài)系統(tǒng)；對于地下水則根據(jù)地下水承載體的本底污染因子濃度和人類活動對地下水的影響，模擬計算符合供水水質(zhì)要求的地下水供水量。

1.分質(zhì)供水配置

各行業(yè)對供水水質(zhì)的要求是不同的，按照現(xiàn)階段的用水質(zhì)量標準，Ⅰ～Ⅲ類水可供各行業(yè)，Ⅳ類水可供工業(yè)、農(nóng)業(yè)、生態(tài)環(huán)境等，Ⅴ類水只能用于農(nóng)業(yè)、生態(tài)環(huán)境等。根據(jù)水質(zhì)模型模擬得到各節(jié)點、斷面和地下水水質(zhì)類型，建立水資源優(yōu)化配置模型，對不同地區(qū)、用戶進行時空上的水資源配置。

2.生態(tài)環(huán)境需水要求

在水質(zhì)水量聯(lián)合配置過程中，基于河流水功能區(qū)納污能力要求，根據(jù)河流水功能區(qū)環(huán)境容量計算過程中所規(guī)定的水量要求作為生態(tài)環(huán)境需水量，以此作為河道內(nèi)用戶需水要求參與水資源配置系統(tǒng)計算。

3.系統(tǒng)概化

系統(tǒng)概化包括單元概化和水功能區(qū)概化。在水質(zhì)水量聯(lián)合配置過程中，用水單元也為產(chǎn)污單元。在計算單元內(nèi)包含居民生活、農(nóng)業(yè)、工業(yè)和生態(tài)等不同用水行業(yè)，在用水過程中產(chǎn)生的廢水，通過本單元內(nèi)的截污措施實現(xiàn)削減之后通過排水系統(tǒng)進入河道。在原有水功能區(qū)劃分基礎(chǔ)上，根據(jù)本次研究概化空間尺度要求，對原有河流水功能區(qū)進行了合并與調(diào)整。在調(diào)整過程中要以嚴格遵守水功能區(qū)水質(zhì)為目標，采取就“高”原則，并在水資源配置系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)圖中的不同水功能區(qū)通過上下游節(jié)點予以表示。

4.三次平衡配置模式

三次平衡配置模式是根據(jù)水資源配置過程中不同的配置條件層次進行問題識別對策分析。一次平衡分析首先進行基準年現(xiàn)實模擬，得到模型系統(tǒng)參數(shù)，然后根據(jù)水資源可持續(xù)利用原則，扣除地下水超采部分和占用河道內(nèi)生態(tài)用水量情況下的不同水平年總體配置格局，識別因水體污染、工程投資不足等原因?qū)λY源配置格局的影響。二次平衡是在一次平衡的基礎(chǔ)上，首先進行用水效率與效益分析評價，減少不合理需求；其次通過新增水利工程投資擴大工程供水能力；最后根據(jù)水功能區(qū)納污要求和供水水質(zhì)要求實現(xiàn)截污減排，減少甚至避免水質(zhì)型缺水。三次平衡是在二次平衡的基礎(chǔ)上，充分挖掘本地供水潛力，統(tǒng)籌考慮外流域可調(diào)水量，實現(xiàn)本地水和外調(diào)水聯(lián)合調(diào)配。

二、水質(zhì)水量聯(lián)合配置模型

1.模型構(gòu)建

（1）分質(zhì)供水配置模塊

分質(zhì)供水配置模型是在國家“八五”期間開發(fā)的基于宏觀經(jīng)濟水資源配置模型和國家“九五”期間開發(fā)的面向生態(tài)經(jīng)濟可持續(xù)水資源配置模型的基礎(chǔ)上，通過二次開發(fā)加載分質(zhì)供水模塊而完成的。該模塊根據(jù)水資源優(yōu)化配置水質(zhì)模擬模型計算中各個節(jié)點的水質(zhì)類型和地下水數(shù)值模擬模型計算中各計算單元地下水的可開采量上限、地下水水質(zhì)類型，在水資源配置時對各用水戶分質(zhì)分級供水，實現(xiàn)水資源水量與水質(zhì)聯(lián)合配置，滿足經(jīng)濟社會和生態(tài)環(huán)境健康發(fā)展的用水要求。

（2）基于水資源配置的水質(zhì)模擬模塊

污染物模擬主要包括污染物的產(chǎn)生、截留、入河以及污染物在河道內(nèi)的運移和擴散。根據(jù)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)圖，模型系統(tǒng)將計算單元作為污染物負荷產(chǎn)生源，排水連線作為污染物入河通道。污染物入河總量包括點源污染物和非點源污染物入河兩大部分。根據(jù)全國水資源綜合規(guī)劃大綱要求，本次研究選擇污染物指標包括COD和氨氮。基于宏觀概化和研究需求，本次河道內(nèi)水質(zhì)模擬采用一維水質(zhì)模型進行模擬。通過水質(zhì)模擬得到各控制斷面和節(jié)點的污染物濃度，最后通過單因子法進行水質(zhì)類型識別。

2.模型運行過程

水質(zhì)水量聯(lián)合配置實行二次配置過程。一次配置即初始配置，是傳統(tǒng)意義上非分質(zhì)供水的配置，認為水質(zhì)對水量配置無影響，實行非分質(zhì)供水模式下的水資源配置。二次配置過程是考慮水質(zhì)對配置的影響，實行分質(zhì)供水。在具體配置過程中，首先利用水資源配置模型進行傳統(tǒng)意義下的供需平衡分析，對各用戶、行業(yè)的供用耗排過程和河道內(nèi)各節(jié)點、斷面的水量過程進行模擬，完成水資源的初次配置。然后，水質(zhì)模型以初次配置的水流傳輸關(guān)系為基本輸入，進行污染物的產(chǎn)生、截留和水質(zhì)模擬，得到各用戶、行業(yè)的污染物產(chǎn)生量、截留量、入河量和各斷面、節(jié)點的污染物濃度和水質(zhì)類型。最后根據(jù)各用戶、行業(yè)對水質(zhì)類型的要求，實行分質(zhì)供水模式下的水資源配置，完成二次配置過程（見圖1）。

三、實例應用

遼寧省遼河流域是我國河流中污染最為嚴重的流域之一。特別是在渾太河地區(qū)，集中了以沈陽、撫順、遼陽、鞍山、本溪和營口為主要構(gòu)成的遼寧省中部城市群。在渾太河地區(qū)，工業(yè)密集，人口集中污染嚴重，水質(zhì)型缺水突出。在渾河和太子河上游工業(yè)廢水不經(jīng)處理直接排放入河或者下游直接引用工業(yè)廢水進行農(nóng)業(yè)灌溉，形成了點源污染物向非點源污染轉(zhuǎn)換的二次污染。遼河流域作為東北老工業(yè)基地振興的龍頭區(qū)域，對于保證供水安全、確保河流水生生態(tài)系統(tǒng)健康發(fā)展具有重要的意義。因此有必要對遼河流域開展水質(zhì)水量聯(lián)合配置研究。通過對渾太河流域系統(tǒng)概化，形成9個水資源四級分區(qū)和36個計算單元分區(qū)等，構(gòu)成遼寧省遼河流域水質(zhì)水量聯(lián)合配置系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)圖。

1.水資源配置

圖1 水質(zhì)水量聯(lián)合配置模型運行過程

遼河流域水質(zhì)水量聯(lián)合配置選擇2012年為基準年，根據(jù)2012年的供用水狀況、治污狀況以及斷面水質(zhì)狀況進行參數(shù)率定。通過1956—2000年逐月長系列模擬調(diào)算2020年、2030年規(guī)劃尺度上的水資源配置狀況和截污減排措施。在具體配置過程中，首先進行基準年分析，研究區(qū)域水資源開發(fā)利用過程中存在的問題，提出規(guī)劃年開發(fā)利用方案和截污減排方案，最終確定總體配置格局和截污減排措施。

2.方案設(shè)定

配置方案包括本地水方案、中水回用方案、外調(diào)水方案、節(jié)約用水方案、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整方案和污染物截留方案。本地水方案主要針對本區(qū)內(nèi)地下水超采狀況和擠占河道內(nèi)生態(tài)用水狀況進行設(shè)定；中水回用方案擬提高中水在整個供水中的組成比例；外調(diào)水方案擬緩解流域資源型缺水狀況；產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整主要是通過萬元GDP污染物產(chǎn)生量指標來衡量，為建立綠色GDP發(fā)展模式提供參考；污染物截留主要通過提高污水治理水平，減少污染物入河量。方案配置組合情況如表1所示。

3.配置結(jié)果分析

水質(zhì)水量聯(lián)合配置結(jié)果分析主要包括非分質(zhì)供水平衡分析、分質(zhì)供水平衡分析、水質(zhì)型缺水識別和水功能區(qū)斷面水質(zhì)評價、水功能區(qū)納污能力評價。

在水資源配置過程中，通過初始配置得到非分質(zhì)供水情況下的配置結(jié)果。然后根據(jù)水質(zhì)模擬結(jié)果，以各斷面、節(jié)點水質(zhì)為基本輸入，通過二次配置完成分質(zhì)供水模式下的水資源配置。具體配置結(jié)果如表2所示。

通過表2可以看出，2012年遼河流域各地缺水較為嚴重，特別是在分質(zhì)供水情況下，缺水量增加，說明在遼河流域存在水質(zhì)型缺水。對比分質(zhì)供水和非分質(zhì)供水狀況可以看出，水質(zhì)型缺水主要集中在渾太河流域。渾太河流域2012年水質(zhì)型缺水量為6.55億m3，占全部缺水量的30.2%。到2030年水質(zhì)型缺水量為0.58億m3，說明采取的截污減排措施相對合理，水功能區(qū)水質(zhì)惡化形勢得到初步緩解?；鶞誓赀|河流域缺水較為嚴重，資源型缺水和水質(zhì)型缺水并存。規(guī)劃水平年實施了大伙房輸水工程、新立城水庫調(diào)水工程以及截污減排方案等，減少了水質(zhì)型缺水，增加了供水量。

基準年松遼流域COD入河量已經(jīng)超出水功能區(qū)納污總量。特別是點源在全流域?qū)嶋H入河量是允許點源入河量的4.31倍。通過規(guī)劃水平年產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和截污減排措施，污染物入河量基本上控制在水功能區(qū)納污能力范圍之內(nèi)，實現(xiàn)了水功能區(qū)納污總量控制，有效控制了入河污染物量，提高了水功能區(qū)斷面水質(zhì)達標率。

根據(jù)45年長系列逐月水質(zhì)模擬結(jié)果以及達標評價方法，得到最后的斷面水質(zhì)達標評價結(jié)果如表3所示。

通過表3可以看出，2012年除大伙房水庫、石佛寺水庫水質(zhì)達標率達到100%之外，其余斷面多年平均達標率不超過40%，特別是在汛期斷面水質(zhì)達標也只有50%，說明2012年渾太河流域水質(zhì)惡化問題較為嚴重，污染物入河量嚴重超過水功能區(qū)納污總量。在規(guī)劃年，隨著截污減排措施的實施，斷面水質(zhì)逐漸好轉(zhuǎn)，達標率逐漸提高。到2020年除大遼河斷面之外，其余斷面全年水質(zhì)達標率達到75%，超過水利部要求的水功能區(qū)在2020年之前水質(zhì)達標率達到67%的要求。

4.水資源配置保障措施

（1）供水保障措施

在水資源配置過程中，基于供水優(yōu)先順序原則，在保證居民生活用水的情況下，確保河道內(nèi)生態(tài)用水量，因此規(guī)劃年基于理想配置，缺水主要集中在工業(yè)和農(nóng)業(yè)等河道外用水要求。從遼河流域總體配置格局出發(fā)，首先在渾太河流域開展大伙房輸水工程，通過新建后續(xù)配套工程，保證渾太河流域的供水安全，置換長期以來擠占的河道內(nèi)生態(tài)需水量；其次在西遼河、東遼河分別從嫩江流域和第二松花江流域調(diào)水，置換擠占河道內(nèi)生態(tài)需水量，通過增加西遼河和東遼河下泄水量以確保遼河干流的供水安全。

表1 水資源配置工程組合方案

表2 渾太河流域水資源配置結(jié)果

表3 遼河流域水功能區(qū)水質(zhì)達標評價結(jié)果 （單位：%）

（2）截污減排措施

①產(chǎn)污控制

水質(zhì)型缺水在遼河流域比較突出，緩解水質(zhì)型缺水的主要措施在于從源頭上減少污染物的產(chǎn)生。因此，減排措施主要通過產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，實現(xiàn)綠色生產(chǎn)，從源頭上控制污染物的產(chǎn)生量，最終實現(xiàn)河流水功能區(qū)水質(zhì)達標、納污總量控制的要求。遼河流域污染物（COD）產(chǎn)生控制指標如表4所示。

規(guī)劃水平年萬元GDP污染物產(chǎn)生量變化較為明顯。遼河流域基準年萬元GDP污染物產(chǎn)生量為15.6 kg，2030年為3.1 kg，降幅達到 80%以上。從產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整角度看，效果較為明顯。

②截污措施

在本次研究過程中，通過人工削減和污染物自身削減，90%以上的污染物在入河之前得到控制，基本滿足了污染物削減要求。截污能力的提高意味著需要修建更大規(guī)模的污水處理廠來處理污染物。通過修建污水處理廠保證了絕大部分污染物截留，減少污染物入河量。遼河流域污水處理率和處理規(guī)模模擬結(jié)果見表5和表6。

表4 遼河流域污染物產(chǎn)生量控制指標結(jié)果（COD）

表5 遼河流域污水產(chǎn)生量基本污水處理率模擬結(jié)果

表6 遼河流域污水處理廠規(guī)模 單位：萬t/d

四、結(jié) 論

水質(zhì)水量聯(lián)合配置是水資源配置的最新要求。通過建立基于水資源優(yōu)化配置系統(tǒng)框架下的水質(zhì)模擬模型，對污染物的產(chǎn)生、截留以及入河、降解等全過程進行模擬，不僅為實行分質(zhì)供水的水質(zhì)類型輸入提供了可靠的依據(jù)，同時也為實行水功能區(qū)污染物總量控制提供了科學依據(jù)，實現(xiàn)了污染物定量削減。

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