辽宁省辽河流域水质水量联合配置模型及结果分析

2015-03-05康爱卿谢新民魏传江

中国水利 2015年3期

康爱卿，谢新民，魏传江

（1.山西省水文水资源勘测局，030001，太原；2.中国水利水电科学研究院，100038，北京）

河流水生态修复和用水户对水质的要求，使水资源配置过程中一方面要求从水量和水质的双要素出发，分析水质因素对水资源总体配置的影响；另一方面基于水功能区纳污总量控制要求，必须实行污染物的定量削减。目前已有学者建立了水质水量联合配置模型，通过分质供水模式下的水资源配置，分析水质因素对水资源配置的影响，识别因水质恶化而导致的供水损失量——水质型缺少量。通过建立基于水资源配置概化框架下的宏观性污染物模拟模型，对污染物产生、截留以及入河、扩散和转移等过程进行模拟，为水功能区水质保护和纳污总量控制进行污染物定量削减提供了科学依据。分质供水配置模型和基于宏观概化框架下的水质模拟模型进行耦合运行，实现了水质水量的联合配置。

一、水质水量联合配置基本原理

水质水量联合配置研究的主要目的是根据不同用水户对水质要求实现分质供水配置。对于地表水体要求入河污染物满足河流水功能区纳污能力要求，不致使河流水体水质下降，影响供水和破坏水生生态系统；对于地下水则根据地下水承载体的本底污染因子浓度和人类活动对地下水的影响，模拟计算符合供水水质要求的地下水供水量。

1.分质供水配置

各行业对供水水质的要求是不同的，按照现阶段的用水质量标准，Ⅰ～Ⅲ类水可供各行业，Ⅳ类水可供工业、农业、生态环境等，Ⅴ类水只能用于农业、生态环境等。根据水质模型模拟得到各节点、断面和地下水水质类型，建立水资源优化配置模型，对不同地区、用户进行时空上的水资源配置。

2.生态环境需水要求

在水质水量联合配置过程中，基于河流水功能区纳污能力要求，根据河流水功能区环境容量计算过程中所规定的水量要求作为生态环境需水量，以此作为河道内用户需水要求参与水资源配置系统计算。

3.系统概化

系统概化包括单元概化和水功能区概化。在水质水量联合配置过程中，用水单元也为产污单元。在计算单元内包含居民生活、农业、工业和生态等不同用水行业，在用水过程中产生的废水，通过本单元内的截污措施实现削减之后通过排水系统进入河道。在原有水功能区划分基础上，根据本次研究概化空间尺度要求，对原有河流水功能区进行了合并与调整。在调整过程中要以严格遵守水功能区水质为目标，采取就“高”原则，并在水资源配置系统网络图中的不同水功能区通过上下游节点予以表示。

4.三次平衡配置模式

三次平衡配置模式是根据水资源配置过程中不同的配置条件层次进行问题识别对策分析。一次平衡分析首先进行基准年现实模拟，得到模型系统参数，然后根据水资源可持续利用原则，扣除地下水超采部分和占用河道内生态用水量情况下的不同水平年总体配置格局，识别因水体污染、工程投资不足等原因对水资源配置格局的影响。二次平衡是在一次平衡的基础上，首先进行用水效率与效益分析评价，减少不合理需求；其次通过新增水利工程投资扩大工程供水能力；最后根据水功能区纳污要求和供水水质要求实现截污减排，减少甚至避免水质型缺水。三次平衡是在二次平衡的基础上，充分挖掘本地供水潜力，统筹考虑外流域可调水量，实现本地水和外调水联合调配。

二、水质水量联合配置模型

1.模型构建

（1）分质供水配置模块

分质供水配置模型是在国家“八五”期间开发的基于宏观经济水资源配置模型和国家“九五”期间开发的面向生态经济可持续水资源配置模型的基础上，通过二次开发加载分质供水模块而完成的。该模块根据水资源优化配置水质模拟模型计算中各个节点的水质类型和地下水数值模拟模型计算中各计算单元地下水的可开采量上限、地下水水质类型，在水资源配置时对各用水户分质分级供水，实现水资源水量与水质联合配置，满足经济社会和生态环境健康发展的用水要求。

（2）基于水资源配置的水质模拟模块

污染物模拟主要包括污染物的产生、截留、入河以及污染物在河道内的运移和扩散。根据系统网络图，模型系统将计算单元作为污染物负荷产生源，排水连线作为污染物入河通道。污染物入河总量包括点源污染物和非点源污染物入河两大部分。根据全国水资源综合规划大纲要求，本次研究选择污染物指标包括COD和氨氮。基于宏观概化和研究需求，本次河道内水质模拟采用一维水质模型进行模拟。通过水质模拟得到各控制断面和节点的污染物浓度，最后通过单因子法进行水质类型识别。

2.模型运行过程

水质水量联合配置实行二次配置过程。一次配置即初始配置，是传统意义上非分质供水的配置，认为水质对水量配置无影响，实行非分质供水模式下的水资源配置。二次配置过程是考虑水质对配置的影响，实行分质供水。在具体配置过程中，首先利用水资源配置模型进行传统意义下的供需平衡分析，对各用户、行业的供用耗排过程和河道内各节点、断面的水量过程进行模拟，完成水资源的初次配置。然后，水质模型以初次配置的水流传输关系为基本输入，进行污染物的产生、截留和水质模拟，得到各用户、行业的污染物产生量、截留量、入河量和各断面、节点的污染物浓度和水质类型。最后根据各用户、行业对水质类型的要求，实行分质供水模式下的水资源配置，完成二次配置过程（见图1）。

三、实例应用

辽宁省辽河流域是我国河流中污染最为严重的流域之一。特别是在浑太河地区，集中了以沈阳、抚顺、辽阳、鞍山、本溪和营口为主要构成的辽宁省中部城市群。在浑太河地区，工业密集，人口集中污染严重，水质型缺水突出。在浑河和太子河上游工业废水不经处理直接排放入河或者下游直接引用工业废水进行农业灌溉，形成了点源污染物向非点源污染转换的二次污染。辽河流域作为东北老工业基地振兴的龙头区域，对于保证供水安全、确保河流水生生态系统健康发展具有重要的意义。因此有必要对辽河流域开展水质水量联合配置研究。通过对浑太河流域系统概化，形成9个水资源四级分区和36个计算单元分区等，构成辽宁省辽河流域水质水量联合配置系统网络图。

1.水资源配置

图1 水质水量联合配置模型运行过程

辽河流域水质水量联合配置选择2012年为基准年，根据2012年的供用水状况、治污状况以及断面水质状况进行参数率定。通过1956—2000年逐月长系列模拟调算2020年、2030年规划尺度上的水资源配置状况和截污减排措施。在具体配置过程中，首先进行基准年分析，研究区域水资源开发利用过程中存在的问题，提出规划年开发利用方案和截污减排方案，最终确定总体配置格局和截污减排措施。

2.方案设定

配置方案包括本地水方案、中水回用方案、外调水方案、节约用水方案、产业结构调整方案和污染物截留方案。本地水方案主要针对本区内地下水超采状况和挤占河道内生态用水状况进行设定；中水回用方案拟提高中水在整个供水中的组成比例；外调水方案拟缓解流域资源型缺水状况；产业结构调整主要是通过万元GDP污染物产生量指标来衡量，为建立绿色GDP发展模式提供参考；污染物截留主要通过提高污水治理水平，减少污染物入河量。方案配置组合情况如表1所示。

3.配置结果分析

水质水量联合配置结果分析主要包括非分质供水平衡分析、分质供水平衡分析、水质型缺水识别和水功能区断面水质评价、水功能区纳污能力评价。

在水资源配置过程中，通过初始配置得到非分质供水情况下的配置结果。然后根据水质模拟结果，以各断面、节点水质为基本输入，通过二次配置完成分质供水模式下的水资源配置。具体配置结果如表2所示。

通过表2可以看出，2012年辽河流域各地缺水较为严重，特别是在分质供水情况下，缺水量增加，说明在辽河流域存在水质型缺水。对比分质供水和非分质供水状况可以看出，水质型缺水主要集中在浑太河流域。浑太河流域2012年水质型缺水量为6.55亿m3，占全部缺水量的30.2%。到2030年水质型缺水量为0.58亿m3，说明采取的截污减排措施相对合理，水功能区水质恶化形势得到初步缓解。基准年辽河流域缺水较为严重，资源型缺水和水质型缺水并存。规划水平年实施了大伙房输水工程、新立城水库调水工程以及截污减排方案等，减少了水质型缺水，增加了供水量。

基准年松辽流域COD入河量已经超出水功能区纳污总量。特别是点源在全流域实际入河量是允许点源入河量的4.31倍。通过规划水平年产业结构调整和截污减排措施，污染物入河量基本上控制在水功能区纳污能力范围之内，实现了水功能区纳污总量控制，有效控制了入河污染物量，提高了水功能区断面水质达标率。

根据45年长系列逐月水质模拟结果以及达标评价方法，得到最后的断面水质达标评价结果如表3所示。

通过表3可以看出，2012年除大伙房水库、石佛寺水库水质达标率达到100%之外，其余断面多年平均达标率不超过40%，特别是在汛期断面水质达标也只有50%，说明2012年浑太河流域水质恶化问题较为严重，污染物入河量严重超过水功能区纳污总量。在规划年，随着截污减排措施的实施，断面水质逐渐好转，达标率逐渐提高。到2020年除大辽河断面之外，其余断面全年水质达标率达到75%，超过水利部要求的水功能区在2020年之前水质达标率达到67%的要求。

4.水资源配置保障措施

（1）供水保障措施

在水资源配置过程中，基于供水优先顺序原则，在保证居民生活用水的情况下，确保河道内生态用水量，因此规划年基于理想配置，缺水主要集中在工业和农业等河道外用水要求。从辽河流域总体配置格局出发，首先在浑太河流域开展大伙房输水工程，通过新建后续配套工程，保证浑太河流域的供水安全，置换长期以来挤占的河道内生态需水量；其次在西辽河、东辽河分别从嫩江流域和第二松花江流域调水，置换挤占河道内生态需水量，通过增加西辽河和东辽河下泄水量以确保辽河干流的供水安全。