基于水量水質(zhì)綜合評價的洪水資源利用方式分析

楊 冰，劉建衛(wèi)，秦國帥，田 晶

(大連理工大學(xué)水利工程學(xué)院，遼寧 大連 116024)

0 引 言

受季風(fēng)氣候的影響，我國地表水資源量大部分以汛期洪水的形式存在。特別是北方流域，汛期洪水占地表水資源量70%以上[1]。因此，洪水資源化在流域水資源開發(fā)利用中有著重要意義。許多學(xué)者針對洪水資源利用的方法與措施進(jìn)行了研究，如王宗志等[2]評價了南四湖流域洪水資源利用現(xiàn)狀和利用潛力，指出現(xiàn)狀洪水資源利用的閾值空間和未來挖掘方向；廖四輝[3]利用洪水資源利用評價體系對海河洪水資源利用進(jìn)行了評價；劉建衛(wèi)等[4]以白城為例評價洪水資源利用對于改善水資源安全狀態(tài)的意義。利用洪水資源前需要進(jìn)行洪水資源評價，在以往洪水資源評價研究中，雖然評價水資源量的同時也會評價水質(zhì)，但水量和水質(zhì)往往是單獨(dú)分析。評價水資源量時，不考慮水質(zhì)的好壞；評價水質(zhì)時，不考慮水資源量。水量和水質(zhì)往往是相互影響的，單獨(dú)分析水量和水質(zhì)，會給水資源合理規(guī)劃與利用帶來不便。因此，本文首先介紹了流域洪水資源可利用量計算公式和綜合水質(zhì)標(biāo)志指數(shù)法和單因子水質(zhì)評價法，以太子河流域為例對其進(jìn)行水質(zhì)水量綜合評價，得到了太子河流域汛期滿足不同功能需求的可用水量，為實(shí)現(xiàn)流域內(nèi)洪水資源化提供依據(jù)。

1 研究方法

1.1 洪水資源可利用量計算方法

洪水資源是流域地表水資源的一種特殊形式，是汛期降水形成的河道天然洪水徑流量，洪水資源

利用就是對汛期大流量、高水位河川洪水徑流進(jìn)行主動蓄集、調(diào)節(jié)、控制，使之轉(zhuǎn)化為可供利用的水資源量的過程。流域或區(qū)域洪水資源可利用量可定義為在可預(yù)見的時期內(nèi)，在統(tǒng)籌考慮生產(chǎn)、生活和生態(tài)用水的需要，保障流域防洪安全的基礎(chǔ)上，通過經(jīng)濟(jì)合理、技術(shù)可行的措施能夠調(diào)控的河道最大洪水徑流量。

流域洪水資源可利用量計算如下

(1)

(2)

1.2 單因子水質(zhì)評價法

本文以太子河2015年～2019年水質(zhì)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，分別利用綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)法[7]和單因子評價法[8]分析太子河流域汛期水質(zhì)變化情況，綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)法所得結(jié)果如表1所示。由于綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)法綜合考慮水污染指標(biāo)，所得結(jié)果與真實(shí)情況相差太大；因此，本文使用了單因子水質(zhì)評價法對太子河干流進(jìn)行水質(zhì)評價。

表1 2015年～2019年汛期太子河水質(zhì)監(jiān)測斷面水質(zhì)類別

2 實(shí)例分析

2.1 研究區(qū)域

2.1.1 太子河流域概況

太子河地處遼寧省中部地區(qū)，是遼寧省東部的主要水系之一，位于東經(jīng)122°6′～124°53′，北緯40°29′～41°39′之間，全長413 km，流域面積達(dá)13 883 km2，年平均徑流量為26.86億m3。太了河上游分南北兩支，兩支在木溪縣下崴子匯合后始稱太子河干流。匯流后的太子河流經(jīng)本溪縣、本溪市區(qū)、燈塔縣、遼陽市、鞍山市和海城縣，在三岔河附近與渾河匯合、匯入大遼河，至營口注入渤海，河長主要支流有細(xì)河、蘭河、湯河、北沙河、柳壕河、南沙河、運(yùn)糧河、楊柳河和海城河等。太子河主要流經(jīng)本溪、鞍山和遼陽三市，受工業(yè)排放及城市生活污水的影響，河道水環(huán)境污染問題突出。太子河流域內(nèi)城市化程度高，是遼寧省社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展聚集區(qū)[9]；但伴隨著城市化進(jìn)程加快和工農(nóng)業(yè)的高度發(fā)展，高強(qiáng)度人類開發(fā)活動造成水資源短缺，水量水質(zhì)問題突出，影響太子河流域社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展[10]。由于經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人口密度大的雙重壓力，太子河流域已成為省內(nèi)最嚴(yán)重的缺水地區(qū)之一，需要對洪水資源進(jìn)行利用[11]。

2.1.2 監(jiān)測斷面與數(shù)據(jù)

本文共選取7個太子河干流水質(zhì)監(jiān)測斷面2015年～2019年的水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)和1977年～2006年水文數(shù)據(jù)進(jìn)行研究，主要水質(zhì)監(jiān)測指標(biāo)有溶解氧、氨氮、高錳酸鹽指數(shù)、生化需氧量和總磷。干流水質(zhì)檢測斷面分別是老官砬子、興安、葠窩壩下、下王家、下口子、劉家臺和小姐廟。其中，除葠窩壩下位于葠窩水庫內(nèi)，其余均屬河流斷面。太子河流域水文站、水質(zhì)站分布如圖1所示。

圖1 太子河流域水質(zhì)站、水文站分布

2.2 洪水資源供需分析

2.2.1 流域洪水資源量及可利用量分析

本文選取現(xiàn)有1977年～2016年的實(shí)測水文數(shù)據(jù)進(jìn)行計算與分析。通過太子河下游唐馬寨1977年～2016年多年年均徑流量變化過程可知(見圖2)，太子河流域徑流年際分布極不均衡，需要利用洪水資源進(jìn)行調(diào)節(jié)。

圖2 1977年～2016年唐馬寨站多年年均徑流變化

本文根據(jù)太子河已有1977年～2016年連續(xù)實(shí)測水文資料，計算了太子河1977年～2016年汛期徑流量和汛期洪水資源可利用量，見表2。

表2 太子河流域1977年～2016年汛期洪水資源可利用量 億m3

本文選取汛期來水作為洪水資源量進(jìn)行分析，使用1977年～2016年數(shù)據(jù)評估太子河流域的洪水資源量和洪水資源可利用量。太子河年徑流最大值為62.695億m3(2010年)，年徑流最小值為7.143億m3(1980年)，多年平均徑流量為35.451億m3，可近似為現(xiàn)狀來水量為35.451億m3。太子河汛期多年平均徑流量20.020億m3，汛期徑流量占全年徑流量56.474%，汛期多年平均洪水資源可利用量為8.693億m3，最大可利用洪水資源量為45.475億m3(2010年)，最小可利用量為0。由《遼寧省水資源公報》可知，2015年～2019年太子河流域現(xiàn)狀需水量為22.798億m3。太子河多年平均來水量35.451億m3大于需水量22.798億m3，可以利用太子河汛期洪水資源緩解太子河流域城市缺水現(xiàn)狀。同時，洪水資源量越大，洪水資源可利用量就越多，入海量也越多，說明大洪水條件下，流域洪水資源調(diào)控能力不足，詳見圖3。

圖3 太子河流域汛期洪水資源量與洪水資源可利用量

2.2.2 洪水期水質(zhì)變化特征

影響我國城市河流水質(zhì)的主要污染指標(biāo)：一是有機(jī)污染指標(biāo)，包括溶解氧、氨氮、高錳酸鹽指數(shù)、生化需氧量；二是富營養(yǎng)化指標(biāo)[12]，即總磷。因此，本文以單因子評價法為工具，利用現(xiàn)有2015年～2019年水質(zhì)數(shù)據(jù)中溶解氧、氨氮、高錳酸鹽指數(shù)、生化需氧量和總磷5種主要水質(zhì)評價指標(biāo)，對太子河進(jìn)行水質(zhì)評價，評價結(jié)果見表3。

表3 太子河2015年～2019年汛期各監(jiān)測斷面水質(zhì)情況

由表3可知，在汛期時位于上游的老官砬子的水質(zhì)最好，基本是Ⅱ類水，中下游水質(zhì)較差。興安站位于本溪市下游、入葠窩水庫之前，其監(jiān)測到的污染物濃度較城市上游的監(jiān)測斷面明顯增大，水質(zhì)差，多為Ⅲ類水和Ⅳ類水；同時，7月份是前汛期，水量較差，存在Ⅳ類水。根據(jù)GB3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》可知，可用于一般工業(yè)用水與人類非直接接觸的娛樂用水區(qū)。2015年～2019年4月～11月太子河多年平均水質(zhì)類別均值如圖4所示。

圖4 2015年～2019年太子河4月～11月水質(zhì)變化趨勢

由圖4可知，汛期的水質(zhì)優(yōu)于非汛期的水質(zhì)，8月份對應(yīng)的水質(zhì)最好，可以充分利用。通過圖5可得，由于葠窩水庫具有稀釋與調(diào)節(jié)作用，河道入庫前水質(zhì)比出庫后水質(zhì)差；在老官砬子至興安段、下王家至小姐廟段，太子河流經(jīng)本溪市、遼陽市、鞍山市，城市生活用水、工業(yè)廢水和農(nóng)業(yè)退水等進(jìn)入河道內(nèi)，導(dǎo)致水質(zhì)類別呈上升趨勢，水質(zhì)從上游到下游逐漸變差。太子河汛期6月～9月所有監(jiān)測斷面水質(zhì)變化區(qū)間為Ⅱ～Ⅳ類水，根據(jù)GB 3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》指標(biāo)要求，太子河汛期的水質(zhì)通過水質(zhì)凈化等措施可以滿足城市工業(yè)用水、農(nóng)業(yè)用水、居民生活用水等的需求。

圖5 太子河汛期水質(zhì)監(jiān)測斷面水質(zhì)類別

2.2.3 太子河流域水量水質(zhì)綜合評價

通過分析太子河上下游各個水質(zhì)監(jiān)測斷面對應(yīng)的流量及水質(zhì)(見圖6)，可知水庫截留導(dǎo)致上游至下游的流量呈下降趨勢，水質(zhì)呈上升趨勢，一定程度上可以認(rèn)為水量與水質(zhì)呈相反的變化趨勢[13]。太子河下游水質(zhì)較上游水質(zhì)更差，且多條河流交匯處的水質(zhì)有代表性；故選取位于渾河、太子河、大遼河匯流三岔口前的小姐廟監(jiān)測斷面水質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。因此，本文以小姐廟2015年～2019年5月～9月監(jiān)測的平均水質(zhì)等級、流量數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，利用Kendall相關(guān)系數(shù)分析水量與水質(zhì)相關(guān)關(guān)系，得到Kendall相關(guān)系數(shù)為-0.894，且置信度0.037<0.050，相關(guān)性顯著。說明水質(zhì)類別隨著來水量的增多而降低，即來水量越大，水質(zhì)越好。由于汛期的水量大、水質(zhì)好，所以汛期期間可以多蓄水，以滿足非汛期的用水需求。

圖6 2015年～2019年汛期太子河流域上下游水質(zhì)、水量變化趨勢

由于不同水質(zhì)分類的水的功能不同，為了合理規(guī)劃利用洪水資源量來緩解城市用水短缺現(xiàn)狀，需要分析不同水質(zhì)類別的水對應(yīng)的洪水資源可利用量。本文前述計算了2015年～2019年太子河汛期6月、7月、8月和9月的平均水質(zhì)類別，由于不同水質(zhì)類別水對應(yīng)的功能不同，分析洪水資源利用方式之前，需要計算汛期6月～9月各月的洪水資源可利用量，計算結(jié)果見表4。

表4 1977年～2016年太子河汛期各月洪水資源可利用量

綜合表3和表4可知，太子河流域需汛期水量水質(zhì)綜合評價結(jié)果為：6月份平均水質(zhì)為Ⅱ類水，多年平均洪水資源可利用量為2.210億m3；7月份平均水質(zhì)為Ⅲ類水，多年平均洪水資源可利用量為2.845億m3；8月份平均水質(zhì)為Ⅱ類水，多年平均洪水資源可利用量為3.729億m3；9月份平均水質(zhì)為Ⅱ類水，多年平均洪水資源可利用量為1.267億m3。

2.3 太子河流域洪水資源利用方式

由表4、圖7可知，太子河流域汛期6月可用洪水資源量是2.210億m3，水質(zhì)類別為Ⅱ類。根據(jù)GB3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》指標(biāo)要求可知，6月份的水可用于集中式生活飲用水源地表水源地一級保護(hù)區(qū)、珍稀水生生物棲息地等；太子河汛期7月份來水量較大，洪水資源可利用量是2.845億m3，但對應(yīng)的平均水質(zhì)類別是Ⅲ類，水質(zhì)較差。因此，7月份的洪水資源可以用于發(fā)電、濕地補(bǔ)水、航運(yùn)、水產(chǎn)養(yǎng)殖等，從而增加洪水資源的利用，實(shí)現(xiàn)洪水資源化，降低洪水風(fēng)險。8月、9月洪水資源可利用量分別為3.729億、1.267億m3，對應(yīng)的平均水質(zhì)類別均為Ⅱ類。根據(jù)GB3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》，8月、9月的水可用于生活用水、珍稀水生生物保護(hù)區(qū)等。同時，8月～9月期間，水質(zhì)較好且來水量大，水庫可以合理蓄水，從而降低洪澇災(zāi)害發(fā)生的概率，也是解決城市用水資源短缺的途徑之一。

圖7 太子河訊期多年平均來水量和水質(zhì)類別變化過程

3 結(jié) 語

本文對太子河流域進(jìn)行的實(shí)例分析得到了太子河流域水量水質(zhì)綜合評價結(jié)果。即，太子河流域不同功能的水對應(yīng)的可用的洪水資源量。太子河6月份平均水質(zhì)為Ⅱ類水，多年平均洪水資源可利用量為2.210億m3；7月份平均水質(zhì)為Ⅲ類水，多年平均洪水資源可利用量為2.845億m3；8月份平均水質(zhì)為Ⅱ類水，多年平均洪水資源可利用量為3.729億m3；9月份平均水質(zhì)為Ⅱ類水，多年平均洪水資源可利用量為1.267億m3。相較于非汛期來說，太子河汛期水質(zhì)好、水量大；因此，汛期期間水庫可以合理蓄水，來降低洪水災(zāi)害發(fā)生的概率，同時解決非汛期水資源短缺的問題。本文將洪水資源的可利用水量和水質(zhì)結(jié)合起來進(jìn)行評價，以水量水質(zhì)綜合評價角度分析流域洪水資源利用方式，從而便于洪水資源的規(guī)劃利用；同時，也為合理分配流域內(nèi)汛期洪水資源提供新思路，為解決流域內(nèi)城市水資源短缺問題、最大限度地發(fā)揮流域洪水資源綜合利用效益提供依據(jù)。