水资源全要素配置框架下的三次平衡分析理论研究与应用

康爱卿，魏传江，谢新民，刘 鸽

（1.中国水利水电科学研究院 水资源研究所，北京 100038；2.新疆五家渠市水利局，新疆 五家渠 831300）

自从文献［1］在黄淮海平原地区水资源配置规划中第一次提出三次平衡水资源配置思想以来，三次平衡分析的水资源配置模式已经成为当前水资源配置过程中最为有效实用的配置思想。但随着当前我国水资源配置形势的发展，特别是在实行最严格水资源管理制度的情况下，对水资源配置提出了新的要求与任务。基于此，笔者在回顾国内水资源配置历程的基础上，在原有三次平衡分析基础上，针对我国当前水资源配置的新形势，提出了水资源全要素优化配置框架下新的三次平衡分析。新的三次平衡分析是从水量和水质的双重属性出发，从供水和污染物排放双总量控制入手，通过分质供水实现供需平衡分析，通过污染物排放与入河分析，实现污染物消减和水功能水质达标。

1 水资源配置形势

1991年，“水资源配置”一词正式引入我国水资源研究领域［2-3］。在“八五”期间，针对我国华北地区国民经济用水严重短缺等问题，提出了基于宏观经济的华北地区水资源优化配置［4-5］，从水资源系统和宏观经济系统之间的关系出发，研究水资源系统对社会经济系统供水满足程度和社会经济系统对水资源系统的需水压力，实现了基于国民经济用水满足情况下的水资源配置。

“九五”期间，针对我国西北地区生态系统脆弱性特点，提出了基于经济生态系统的水资源可持续配置［6］，实现了社会经济系统、生态系统和水资源系统之间的模拟与优化，解决了长期经济用水挤占生态用水状况，并且针对西北地区独特的旱区生态系统特点、水循环模式等提出了在水资源承载力下满足社会经济用水和生态环境用水。

“十五”期间，随着水资源研究学科的逐步形成，扩大了水资源研究的范围，提出了基于广义水资源配置［7-8］和基于ET的水资源配置［9］以及经济生态高效利用情况下的水资源配置［10］。之前的水资源配置大都是从水资源的水量属性出发，分析不同用水目标之间用水竞争性问题和取水对水资源系统的水量压力。但是长期以来，随着我国大规模的经济建设，大量高耗水、高污染企业将河道内水大量引走，而同时又将生产污水不经处理直接排放入河，导致了全国绝大多数河流被污染，河流水生生态系统破坏，河流污染物自净能力下降。河道上游企业不顾环境压力，大量污水不经处理直接排放，导致下游河道水质恶化，无法利用，由此构成了越是污染越是缺水的恶性循环。

进入“十一五”以来，虽然排污整治力度加大，关停大量高耗水高污染企业，但是长期以来形成了严重占用河道内生态水量以及污染物排放严重超越水功能纳污总量、水功能区水质恶化的局面。

根据“十二五”规划最新要求，我国将改变过去单纯追求GDP总体规模，更加注重经济发展的质量。特别是在2011年“中央一号”文件中指出，“我国将实行最严格的水资源管理制度”，在“三条红线”的水资源综合考核前提下提高水资源配置的效率。从宏观经济领域出发，改变调整产业结构、改变经济增长方式是当前我国水资源配置过程中国民经济用水需求端最基本的要求，着眼于提高水资源利用效率和效益；从水生态水环境保护角度出发，全国各地开展的大江大河污染物整治工程全面启动，要求更加注重水环境污染物治理和水生态系统的保护。在此背景下，从水资源的全方位出发进行优化配置显得尤为重要，进行水资源全要素优化配置成为必然。

水资源全要素配置是指在水资源开发利用中要合理解决河道外生产、生活和生态用水与河道内生态环境用水、水力发电和航运等用水需求之间的矛盾，需要对水量与水质、水位、水面、流量和流速等水资源全要素进行配置［11］。水资源全要素优化配置从水量和水质的双重属性［12］出发，从水资源对满足国民经济用水、河道内生态需水以及航运、发电和水景观对水量、水质多目标出发，在模拟地表水系统和地下水系统水质情景下，根据不同用户单位对水质要求，实行分质供水；以社会经济系统的高效节水为前提，通过国民经济产业结构调整和改变经济增长方式，实现用水效率和效益的提高，通过减少污染物排放量，扩大污水处理能力，减少污染物入河量，实现水功能区水质达标；通过河道内河道外联合配置，在满足河道最小生态流量的要求下，在水资源的可承载能力范围进行水资源配置。取水总量控制、纳污总量控制以及开发利用程度上限控制是当前我国水资源配置领域面临的新形势和新要求。

2 三次平衡基本理论

2.1 概述 原有三次平衡是从节水、增加工程供水能力、中水回用量和开展外调水几个层面上进行从供水端扩大供水而需求端进行节水，最终实现供需平衡，解决缺水问题。三次平衡分析的具体思想是：在水资源优化配置过程中，根据不同的供需特点分层进行平衡分析。首先以现状供水能力和用水水平预测未来的需求增长，以明确各规划水平年在现状供水能力下的缺水量，进行一次平衡分析；二次平衡分析是在考虑节水、治污和当地水挖潜等措施对解决一次平衡缺水的贡献，最后得出当地水资源承载能力全部发挥后的缺水量；三次平衡是在二次平衡的基础上，通过增加外调水，实现本地水和外调水联合配置，以此实现水量平衡分析，解决缺水问题［1］。从水量的满足程度出发，通过各种措施实现增加供水，减少缺水量。从需求上实行节水，避免不合理需求造成缺水；在供水端通过新增水利工程投资扩大供水量；通过污水回用扩大供水源；通过寻求外调水补充本地水资源短缺问题。

2.2 水资源全要素配置框架下的三次平衡 水资源全要素优化配置的基本思想是进行分质供水，即首先根据水质模型模拟各断面水质类型，然后根据各需水用户对水质的要求实行分质供水条件下的水资源优化配置。基于水资源全要素优化配置情形的三次平衡分析在原有三次平衡分析的基础上，提出了水量水质双重目标控制下的三次平衡。

（1）一次平衡分析。从水量平衡出发，首先根据现状供水能力、现状断面水质类型以及现状产污、治污水平面对未来需水的增长，模拟计算在分质供水优化配置情景下的缺水量。从断面水质和纳污总量出发，以现状产污、治污水平来模拟计算未来水平年情况下的污染物入河量以及断面水质类型，根据水功能区要求的水质目标和纳污能力进行产污、治污评价，模拟计算污染物消减量。即完成一次平衡分析。

通过一次平衡分析，首先对需水量进行校核，从最严格水资源管理制度出发对需求进行定额校核，从用水效率和用水效益角度保证未来的需水是合理有效的，避免出现不合理需求而造成的水资源利用浪费现象。然后根据现状水利工程供水能力进行模拟不同水平面缺水量；以现状产污和治污水平模拟计算规划年污染物入河量和水功能区断面水质类型。在分质供水配置模式下分析不同水平年缺水量。根据水功能区保护目标，进行污染物消减。

（2）二次平衡分析。“二次平衡”分析是在“一次平衡”分析基础上，进一步通过扩大水源来缓解缺水量；通过截污减排措施实施，保证水功能区水质达标。开源工程从净水和中水两个方面进行扩大水源。新建各类蓄水工程和引水工程，解决因工程供水能力不足造成的工程性缺水；修建中水回用工程，提高污水处理率和中水回用率，扩大中水回用量在整个供水结构中的比例。

节流措施包括从用水效率上按照最严格水资源管理制度要求出发，定额考核，减少不合理需求和供水过程中造成的水资源浪费，提高用水效率。其次，针对地区不合理的产业结构和经济规模进行适度的调整、关闭和转移等措施，形成合理的产业结构、规模和高效的用水水平。

在实现开源节流的同时，根据一次平衡分析过程污染物总量控制要求，分析产污和治污水平，提出截污减排措施，实现污染物排放总量控制，减少污染物产生量和入河量保证水功能区水质达标和纳污能力达标。分析在分质供水情况下的水功能区水质达标状况和污染物排污状况，核算是否存在水质型缺水。通过二次平衡分析首先实现开源节流，扩大供水水源、减少不合理水量需求，解决工程性缺水和因不合理需求造成的资源型缺水；其次通过产业结构调整，减少污染物产生量，提高治污水平，解决水质型缺水；最后实现在挖掘全部水资源承载力和降低产污、提高治污水平情况下的平衡分析。总之，通过二次平衡分析，首先从根源上消除了因水质恶化导致的水质型缺水和因供水能力不足造成的工程型缺水。从水功能区纳污总量控制和水质达标控制要求出发，实行截污减排措施，通过产业结构调整，调整污染物的输出浓度和污水排放率；通过新建污水处理厂和中水回用系统，提高污水处理率和回用率，增加供水的同时，实现污染物入河量的消减。二次平衡具体情况如图2所示。

（3）三次平衡分析。“三次平衡”分析则是在“二次平衡”分析的基础上，综合分析地区水资源承载力，识别资源型缺水量。根据地区承载力要求提出承载主体的转移和外流域调水方案来解决资源型缺水。统筹考虑外调水量与当地水资源联合运用和优化配置，分析跨流域调度对扩大地区水资源承载力的作用，分析合适的外调水量及其合理分配问题，为制定调水工程规划方案提供依据［13］。

水资源全要素配置情形下三次平衡分析，不仅考虑了因工程型缺水、资源型缺水以及不合理需求造成的缺水，更加考虑了水功能区污染物排放超限导致水质恶化、无法实现供水造成的水质型缺水。基于水资源全要素配置情形的三次平衡分析，在考虑了开源节流等措施基础上，分析污染物消减措施，实现了水量水质双重控制下的供需平衡，同时实现了水功能区纳污能力的控制，减少了入河污染物总量，从源头对污染物进行控制。

2.3 基本特点 水资源全要素配置框架下的三次平衡分析，从识别水质型缺水的基本要求出发，分析了基于现状供水能力、产污特点和治污水平下的缺水识别和污染物消减要求；在提出截污减排措施的基础上，实现水功能区纳污总量控制和水质达标，从水质水量的双目标出发，进行二次平衡分析解决水质型缺水问题；在扩大供水投资和污水回用的基础上，解决因工程供水能力不足造成的工程型缺水问题；最后在分析地区水资源承载力的基础上，根据解决资源型缺水要求和保护河道水生态系统要求，通过跨流域外调水来解决资源型缺水问题，完成三次平衡分析。

基于水资源全要素优化配置模式下的三次平衡分析，从水量和水质双重角度出发，形成多阶段分层次性分析方法，实现供需平衡和污染物总量控制要求。相比较于传统的三次平衡，本次提出的新的三次平衡具有以下特点：（1）实行分质供水平衡，考虑了水资源配置过程中的水质约束条件，实行分质供水配置。从水质水量的双总量要求出发，进行水资源配置，扩大了水资源配置的范围；（2）针对水功能区水质要求和纳污总量控制要求，提出了定量的污染物消减措施。通过产业结构调整，降低污水排放率和污染物排放浓度，减少污染物的产生量；通过新建污水处理厂，提高污水处理率，减少了污染物入河量，保证了水功能区水质要求和纳污总量要求；（3）在分析地区水资源承载力基础上，识别资源型缺水，提出解决资源型缺水的跨流域调水措施和本地承载主体的转移。

基于水资源全要素优化配置模式下的三次平衡，实现了水质水量的联合配置分析，对影响水资源配置的水量和水质要素进行分析，从水资源量和质的属性出发，进行不同层次的分析，突破了传统三次平衡配置过程中基于理想水质的假设和用户对水质的无差别要求，实现了真正意义上的双总量控制要求。

3 实例应用

本文以西辽河流域为研究示范区域，在建立西辽河水资源全要素优化配置模型的基础上，对西辽河流域水资源配置格局进行了分析，根据三次平衡的基本思路和要求进行示范研究。

西辽河是我国东北地区水资源相对缺乏的地区，多年平均降雨量在400mm左右。长期以来经济的粗放式发展，促使区域内缺水现象十分严重，河道水功能区纳污能力急剧下降，严重影响了地区经济进一步发展和河流水生生态系统。必须统筹地区水资源承载能力，从水质水量的双总量要求出发进行水资源配置。西辽河流域水资源配置网络图如图4所示。

3.1 水量平衡分析 通过建立松辽流域水资源全要素优化配置模型，根据三次平衡分析计算对流域水资源配置格局进行了分析。根据模型运算，得到2006年配置结果。具体情况见表1。

表1 2006年西辽河流域供需平衡分析结果 （单位：亿m3、%）

从表1可以看出，在2006年分质供水情况下地表水供水量减少，说明地表水质不能满足用户要求，水质型缺水量为4.74亿m3。根据《辽河流域水资源综合规划》，西辽河流域水资源可利用量为35.30亿m3，而2006年则供水量为45.97亿m3，供水量大于流域水资源可利用量，说明基准年存在挤占河道内生态用水量问题。根据流域水资源配置可持续要求，在基准年情况下西辽河流域可供水量为35.30亿m3，扣除水质型缺水量，实际供水量为30.55亿m3，缺水量高达24.51亿m3，其中水质型缺水比例为19.3%，其余为资源型缺水量，占到全部缺水量的80.7%。

通过基准年供需平衡分析，识别辽河流域水资源开发利用存在的问题，提出规划年水资源开发利用方案，具体的配置方案如表2所示。

表2 水资源配置工程组合方案

根据松辽流域水资源综合规划到2020年、2030年西辽河流域需水量分别为55.60亿m3和57.43亿m3。根据水资源全要素优化配置框架下三次平衡分析，得到西辽河流域规划年具体配置结果，如表3所示。

通过表3可以看出，在一次平衡分析情况下存在水质型缺水，而经过截污减排措施的实现，在二次平衡分析情况下，分质供水和非分质供水量相同说明不存在水质型缺水。三次平衡分析的基础上经过流域外调水来补充本地水资源紧张形势，实现了供需平衡。

从表3可以看出，西辽河流域是资源型缺水最为严重的流域之一，到2030年资源型缺水量高达21.62亿m3，占全部缺水量的80.4%。

表3 西辽河流域规划年配置结果 （单位：亿m3、%）

表4 西辽河流域缺水分析结果 （单位：亿m3、%）

3.2 水功能区纳污能力评价 西辽河流域存在严重的资源型缺水。在2006年国民经济严重挤占河道内生态用水量的情况下，必然导致水功能区纳污能力下降。此外，2006年西辽河流域污水处理率仅为19%，大量污水不经排放直接进入河流，必然导致断面水恶化污染物入河量超过水功能纳污总量。在实行截污减排措施情况下，对不同水平年污染物入河量及其纳污能力进行评价，具体结果如表5所示。

通过表5可以看出，在2006年COD入河量是水功能实际纳污总量的1.8倍。而通过规划年实现的截污减排措施，使COD污染物的消减量最终控制在水功能区纳污能力范围之内，从总体上实现了污染物总量控制。

4 结语

在当前新形势下，水资源优化配置的基础环境已经发生很大变化，无论是宏观经济发展要求还是从水生态水环境系统保护要求，都要求在传统水资源配置的基础上，从水资源的服务功能多属性和物理特性的多属性出发进行水资源配置。原有三次平衡从水量平衡角度出发分析，通过开源与节流手段实现供水满足。而在新形势下，基于水资源全要素优化配置框架下新的三次平衡，以“三条”红线为基本考核要求，根据最严格水资源管理制度进行取水总量控制和纳污总量控制。在需水端，实现定额考核与总量控制纳入准则制度，减少不合理水量需求；在供水端，扩大中水回用比例，减少供水系统不必要浪费和有条件开展外调水工程；在排水端，实行污染物消减与水功能区纳污总量控制，实现水功能区水质达标。本文通过实际应用研究，对基于水资源全要素配置框架下的三次平衡分析进行了示范研究，对于推广水质水量控制要求的三次平衡具有重要意义。

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