水资源水质水量联合配置研究综述

杜青辉等

摘要当前我国水资源存在水危机、水安全诸多问题，如水资源短缺、水污染加剧、水质恶化等，水质水量联合配置是解決这些问题的有效措施之一。在总结国内外水质水量联合配置研究现状的基础上，分析了当前存在的问题，并结合高新技术展望了未来发展趋势。

关键词水资源；水质水量；联合配置

中图分类号S273；TV213文献标识码A文章编号0517-6611（2015）21-241-02

目前，广大人民群众在追求生活环境改善的同时，对水资源的供给提出更高要求，在保障水量供足的同时又要保证水质安全。水资源短缺从根本上制约着经济社会的可持续发展，而水环境污染现象日益严重，更一步加剧了水资源短缺。资源型缺水、水质型缺水、工程型缺水和制度型缺水等新老问题相互交织，传统的水资源配置模式需要更新。国内外越来越重视水质水量联合配置研究。

1水质水量联合配置发展现状

1.1国外研究现状

20世纪80年代，国外开始重视水质水量与环境效益、社会经济效益分析。如Loftis等[1]建立了水资源优化模拟模型，解决湖泊水质水量调度问题。Pingry等[2]为解决水污染处理费用和水资源供给费用均衡问题，构建了水量平衡模型和水盐模型的决策支持系统。Mehrez等[3]从高质高用、低质低用，分质供水角度，建立水量和水质的非线性规划模型。Afzal等[4]以分质供水思想，采用线性规划模型，实现了巴基斯坦某灌溉区水量配置。Avogadro等[5]建立了考虑水质约束的水资源规划决策程序过程。Hayes等[6]进行了针对水质目标的水量水质和发电效能集成分析。Azevedo等[7]提出了水资源质、量一体化的管理理念，并成功应用于巴西皮拉西卡巴河流域的水资源管理。Campbell等[8]探讨了高水质储水水库的稀释混合对源水水质的净化作用规律。Cai等[9]建立了集流域经济、农业、水文和水质为一体的模型，并通过大系统的分解协调技术求解模型，研究灌溉水量分配所引起的土壤盐碱化问题，并分析了研究区域环境和经济的响应关系。Genius等[10]、Vink等[11]将水量水质系统作为一个综合系统进行管理。

可见，国外学者在对水资源配置时，以水量配置为核心，逐渐将水质加入对水量调度的分析中。通过建立水质水量联合配置模型，进一步分析水质和水量密切关系，实现水质水量统一调度和管理。

1.2国内研究现状

现阶段，水质水量联合配置研究已引起了国内专家、学者的重视。如董增川等[12]在引江济太原型试验引分水控制模式分析的基础上，建立了水量水质模拟与调度的耦合模型，分析了不同工况下调水对太湖水体总氮、总磷及有机污染物水质指标的影响。马常仁[13]针对沙颍河河流特点，建立了沙颍河非恒定流的水质水量耦合模型，通过闸坝的合理调控，改善下游河流水质。李红艳等[14]建立了扎龙湿地水量-WASP水质耦合模型，定量化研究了湿地水质净化功能，并对总氮、总磷进行模拟研究。赵璧奎等[15]建立了城市原水系统水质水量控制耦合模型，提出了水库群动态水质评价。张翔等[16]模拟了淮河流域水质水量联合调度的不同调度方案，对各方案下水质指标及洪水风险进行了风险评估分析。蒋云钟等[17]针对制约河湖水系连通工程复杂巨系统技术难题，提出了基于物联网河湖水系连通工程水质水量智能调控及应急处置系统总体框架。张守平等[18]构建了湟水干流以改进的“三次平衡”思想为指导的水量水质联合配置模型，分析了各水功能区水质达标情况。康爱卿等[19]建立了辽宁省辽河流域面向地表水功能区水质目标的水质水量联合配置模型，为水资源开发利用、水环境保护和生态安全保障提供科学依据。

可见，我国水质水量联合配置研究发展迅速。多数国内学者将水量模型、水质模型耦合，并将数学方法及计算机模拟技术成功应用于模型当中，解决了河流污染、水库优化调度、水资源合理配置等实际问题。

2水质水量联合配置研究前沿课题

2.1多目标问题研究

水质水量联合配置研究具有时空上的不确定性及复杂性，其多目标问题已引起了专家、学者的重视。多目标问题主要包括以下几个层面：第一，实现区域水量的合理配置。在区域水量优化配置中，其配置目标包括城镇农村生活、工业生产、农业、生态环境等；其水源包括外调水、地表水、地下水、非常规水等；其约束条件包括用水总量控制、最小下泄量、出境水量等。实现各水源分行业最优配置，达到水量供给可促进经济社会又好又快发展；第二，污染物控制消减目标。针对各项水质指标进行仿真模拟，相关水质指标涵盖富营养化物质、重金属污染、化学需氧量、有毒化学品污染等，根据水功能区纳污能力承受情况，对水质指标进行模拟和评估，进行污染物总量控制；最后，对污染治理措施的效果进行评价，通过工程和非工程措施，评估不同方案的效果和投入，提出污染控制方案。

2.2高新技术应用研究

水质水量联合配置研究是一个巨系统工程问题，其规模大、目标多、非线性，涉及到诸多学科和领域。随着水资源配置理论研究的不断深入和信息化技术突飞猛进，大系统分解协调技术、模拟优化技术、决策支持技术等先进技术，在复杂水资源系统问题上得到广泛应用，为水质水量联合配置研究提供了智能化、精细化技术支持。

2.2.1海量数据与“3S”技术的结合。水质水量联合配置研究需要处理大量数据，研究海量分布式数据存储和处理技术、建立智能搜索引擎是提高数据库存储效率和快速检索的关键。“3S”技术体系在数据收集和管理、快速检索和存储方面功能强大，使得传统水质模型海量数据难以收集、处理的问题得以解决，以逼真的图像形式显示水体内水流、水质变化的空间特征、统计特性和未来趋势等。

2.2.2水质监测实时传输技术。利用移动水质监测车、水下仿生机械人监测仪等仪器智能调度与数据远程在线提取技术，通过通讯基站GPRS、CDMA等无线通讯网的互联互通技术，实现现场水质采集系统与远程监控中心之间的实时传递。

3存在的主要问题及发展趋势

3.1存在的主要问题

3.1.1缺乏水资源水环境承载能力的监测预警机制以及水质污染预警治理的有力技术措施。近年来，水质污染监控已引起了环保部门的重视，但是当前的定期检测结果仅是被动的感知层面，而人们感兴趣的是水质变化趋势以及如何调控。

3.1.2缺乏对地表水、地下水相结合的水质水量联合配置研究。在水资源稀缺地区，地下水作为生活用水水源之一，水质污染也引起了重视。当前水质水量联合调控以地表水为主，地表水、地下水水质水量耦合模型研究不足。

3.1.3水质水量综合评价方法有待改进。特别是水质评价方法，现有水质评价均是对静态水量的水质评价，没有考虑到人工水循环系统和天然水循环系统之间的动态作用关系。在水质水量联合配置中，调度结果包含了多项水质指标的浓度变化过程，需要实现水质评价方法由静态到动态转变。

3.1.4缺乏水质水量联合配置的后效型评价机制。目前，对联合配置方案后效性评价研究较少，且评价指标体系也相对分散。缺乏工程投資费用效益分析、水功能区达标情况、用户缺水率等指标的综合效应分析。

3.2发展趋势

3.2.1建立水资源水环境承载能力监测网络，加强水质动态监测，实现流域水质保护。通过通讯互联互通技术、实时传输技术，将管理需求与不同水质监测断面（监测站）监控有机结合，实现对污染负荷迁移转化的实时监测。通过对水质水量联合配置目标、可行手段和水环境量化评价关键因子进行模型标准化分析，提出基于分行业、涵盖点面源污染负荷的源头示踪分析技术，在机理过程分析和全面监测的基础上实现水环境不达标的溯源追踪，进而为污染动态监管提供支持。加强污染源治理，从根本上解决水质污染问题。

3.2.2加快构建江河湖库水系连通体系水质水量联合配置研究。这对实现河湖湿地恢复、行水畅通、生态环境改善、水资源配置格局、地表水和地下水互补平衡具有重要意义。

3.2.3建立水质安全评价诊断技术等有力的决策支持平台。确定污染风险危害程度，分析评估风险危害等级。建立动态的水质安全评价体系，有效控制、治理污染因子，为管理者和决策者提供技术支持。

3.2.4加强流域水资源水质水量综合管理。以总量控制为前提，以水功能区改善为导向，将污染物削减和水量调控结合起来。首先，根据用水总量控制，坚持以水定需、以水定产，制定更为严格的行业节水标准；再者，根据水功能区纳污总量限制，实施更为严格的排放标准及污水处理标准。另外，水质水量分别由环保部门和水利部门管辖，若要实现水质水量的综合管理，环保部门和水利部门必须要在公务上加强交流与合作。

4结语

分析了国内外水资源水质水量联合配置的研究进展及前沿课题，指出了现有存在的问题，并展望了未来发展趋势。开展水质水量联合配置研究对解决区域水资源短缺及水污染具有重要意义。当然，加强污水处理工程建设，控制污染源，才能从根本上解决水环境污染问题。

参考文献

[1] LOFTIS B，LABADIE J W，FONTANE D G.Optimal operation of a system of lakes for quality and quantity[M]//Computer applications in water resources.New York：ASCE，1989：693-702.

[2] PINGRY D E，SHAFTELT L，BOLES K E.Role for decision support systems in water delivery design[J].Journal of Water Resources Planning and Management，1990，116（6）：629-644.

[3] MEHREZ A，PERCIA C，ORON G.Optimal operation of a multi resources and multiquality regional water system[J].Water Resources Research，1992，28（5）：1199-1206.

[4] JAVAID A，DAVID N H.Optimization model for alternative use of different quality irrigation waters[J].Journal of Irrigation and Drainage Engineering，1992，118：218-228.

[5] AVOGADRO E，MINCIARDI R，PAOLUCCI M.A decisional procedure for water resources planning taking into account water quality constrains[J].European Journal of Operational Research，1997，102：320-334.

[6] HAYES D F，LABADIE J W，SANERS T G.Enhancing water quality in hydropower system operations[J].Water Resources Research，1998，34（3）：471-483.

[7] AZEVEDO D L，GABRIEF T，GATES T K，et al.Integration of water quantity and quality in strategic river basin planning [J].Journal of Water Resources Planning and Management，2000，126（2）：85-97.

[8] CAMPBELL J E，BRIGGS D A，DETON R A.Water quality operation with a blending reservoir and variable sources[J].Journal of Water Resources Planning and Management，2002，128（4）：288-302.

[9] CAI XIMING，MCKINNEY D C，LASDON L S，et al.Integrated hydrologic-agronomic-economic model for river basin management[J].Journal of Water Resources Planning and Management，2003，129（1）：4-17.

[10] GENIUS M.Evaluating consumers willingness to pay for improved potable water quality and quantity[J].Water Resources Management，2006（11）：1825-1834.

[11] VINK S，MORAN C J.Understanding mine site water and salt dynamics to support integrated water quality and quantity management[J].Maney Publishing，2009（5）：185-192.

[12] 董增川，卞戈亚，王船海，等.基于数值模拟的区域水量水质联合调度研究[J].水科学进展，2009，20（2）：184-189.

[13] 马常仁.沙颍河水质水量联合调控技术研究[D].合肥：合肥工業大学，2009.

[14] 李红艳，章光新，孙广志.基于水量-水质耦合模型的扎龙湿地水质净化功能模拟与评估[J].中国科学：技术科学，2012，42（11）：1163-1171.

[15] 赵璧奎，王丽萍，张验科，等.城市原水系统水质水量控制耦合模型研究[J].水利学报，2012，43（11）：1373-1386.

[16] 张翔，李良，吴绍飞.淮河水量水质联合调度风险分析[J].中国科技论文，2014，9（11）：1237-1242.

[17] 蒋云钟，冶运涛，王浩.基于物联网的河湖水系连通水质水量智能调控及应急处置系统研究[J].系统工程理论与实践，2014，34（7）：1895-1903.

[18] 张守平，魏传江，王 浩，等.流域/区域水量水质联合配置研究II：实例应用[J].水利学报，2014，45（8）：938-949.

[19] 康爱卿，谢新民，魏传江.辽宁省辽河流域水质水量联合配置模型及结果分析[J].水利信息化，2015（3）：58-61.