遼寧省遼河流域水質水量聯合配置模型及結果分析

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）

河流水生態修復和用水戶對水質的要求，使水資源配置過程中一方面要求從水量和水質的雙要素出發，分析水質因素對水資源總體配置的影響；另一方面基于水功能區納污總量控制要求，必須實行污染物的定量削減。目前已有學者建立了水質水量聯合配置模型，通過分質供水模式下的水資源配置，分析水質因素對水資源配置的影響，識別因水質惡化而導致的供水損失量——水質型缺少量。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，對污染物產生、截留以及入河、擴散和轉移等過程進行模擬，為水功能區水質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。分質供水配置模型和基于宏觀概化框架下的水質模擬模型進行耦合運行，實現了水質水量的聯合配置。

一、水質水量聯合配置基本原理

水質水量聯合配置研究的主要目的是根據不同用水戶對水質要求實現分質供水配置。對于地表水體要求入河污染物滿足河流水功能區納污能力要求，不致使河流水體水質下降，影響供水和破壞水生生態系統；對于地下水則根據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要求的地下水供水量。

1.分質供水配置

各行業對供水水質的要求是不同的，按照現階段的用水質量標準，Ⅰ～Ⅲ類水可供各行業，Ⅳ類水可供工業、農業、生態環境等，Ⅴ類水只能用于農業、生態環境等。根據水質模型模擬得到各節點、斷面和地下水水質類型，建立水資源優化配置模型，對不同地區、用戶進行時空上的水資源配置。

2.生態環境需水要求

在水質水量聯合配置過程中，基于河流水功能區納污能力要求，根據河流水功能區環境容量計算過程中所規定的水量要求作為生態環境需水量，以此作為河道內用戶需水要求參與水資源配置系統計算。

3.系統概化

系統概化包括單元概化和水功能區概化。在水質水量聯合配置過程中，用水單元也為產污單元。在計算單元內包含居民生活、農業、工業和生態等不同用水行業，在用水過程中產生的廢水，通過本單元內的截污措施實現削減之后通過排水系統進入河道。在原有水功能區劃分基礎上，根據本次研究概化空間尺度要求，對原有河流水功能區進行了合并與調整。在調整過程中要以嚴格遵守水功能區水質為目標，采取就“高”原則，并在水資源配置系統網絡圖中的不同水功能區通過上下游節點予以表示。

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實模擬，得到模型系統參數，然后根據水資源可持續利用原則，扣除地下水超采部分和占用河道內生態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對水資源配置格局的影響。二次平衡是在一次平衡的基礎上，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；最后根據水功能區納污要求和供水水質要求實現截污減排，減少甚至避免水質型缺水。三次平衡是在二次平衡的基礎上，充分挖掘本地供水潛力，統籌考慮外流域可調水量，實現本地水和外調水聯合調配。

二、水質水量聯合配置模型

1.模型構建

（1）分質供水配置模塊

分質供水配置模型是在國家“八五”期間開發的基于宏觀經濟水資源配置模型和國家“九五”期間開發的面向生態經濟可持續水資源配置模型的基礎上，通過二次開發加載分質供水模塊而完成的。該模塊根據水資源優化配置水質模擬模型計算中各個節點的水質類型和地下水數值模擬模型計算中各計算單元地下水的可開采量上限、地下水水質類型，在水資源配置時對各用水戶分質分級供水，實現水資源水量與水質聯合配置，滿足經濟社會和生態環境健康發展的用水要求。

（2）基于水資源配置的水質模擬模塊

污染物模擬主要包括污染物的產生、截留、入河以及污染物在河道內的運移和擴散。根據系統網絡圖，模型系統將計算單元作為污染物負荷產生源，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。根據全國水資源綜合規劃大綱要求，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，本次河道內水質模擬采用一維水質模型進行模擬。通過水質模擬得到各控制斷面和節點的污染物濃度，最后通過單因子法進行水質類型識別。

2.模型運行過程

水質水量聯合配置實行二次配置過程。一次配置即初始配置，是傳統意義上非分質供水的配置，認為水質對水量配置無影響，實行非分質供水模式下的水資源配置。二次配置過程是考慮水質對配置的影響，實行分質供水。在具體配置過程中，首先利用水資源配置模型進行傳統意義下的供需平衡分析，對各用戶、行業的供用耗排過程和河道內各節點、斷面的水量過程進行模擬，完成水資源的初次配置。然后，水質模型以初次配置的水流傳輸關系為基本輸入，進行污染物的產生、截留和水質模擬，得到各用戶、行業的污染物產生量、截留量、入河量和各斷面、節點的污染物濃度和水質類型。最后根據各用戶、行業對水質類型的要求，實行分質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，集中了以沈陽、撫順、遼陽、鞍山、本溪和營口為主要構成的遼寧省中部城市群。在渾太河地區，工業密集，人口集中污染嚴重，水質型缺水突出。在渾河和太子河上游工業廢水不經處理直接排放入河或者下游直接引用工業廢水進行農業灌溉，形成了點源污染物向非點源污染轉換的二次污染。遼河流域作為東北老工業基地振興的龍頭區域，對于保證供水安全、確保河流水生生態系統健康發展具有重要的意義。因此有必要對遼河流域開展水質水量聯合配置研究。通過對渾太河流域系統概化，形成9個水資源四級分區和36個計算單元分區等，構成遼寧省遼河流域水質水量聯合配置系統網絡圖。

1.水資源配置

圖1 水質水量聯合配置模型運行過程

遼河流域水質水量聯合配置選擇2012年為基準年，根據2012年的供用水狀況、治污狀況以及斷面水質狀況進行參數率定。通過1956—2000年逐月長系列模擬調算2020年、2030年規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，研究區域水資源開發利用過程中存在的問題，提出規劃年開發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.方案設定

配置方案包括本地水方案、中水回用方案、外調水方案、節約用水方案、產業結構調整方案和污染物截留方案。本地水方案主要針對本區內地下水超采狀況和擠占河道內生態用水狀況進行設定；中水回用方案擬提高中水在整個供水中的組成比例；外調水方案擬緩解流域資源型缺水狀況；產業結構調整主要是通過萬元GDP污染物產生量指標來衡量，為建立綠色GDP發展模式提供參考；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.配置結果分析

水質水量聯合配置結果分析主要包括非分質供水平衡分析、分質供水平衡分析、水質型缺水識別和水功能區斷面水質評價、水功能區納污能力評價。

在水資源配置過程中，通過初始配置得到非分質供水情況下的配置結果。然后根據水質模擬結果，以各斷面、節點水質為基本輸入，通過二次配置完成分質供水模式下的水資源配置。具體配置結果如表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，特別是在分質供水情況下，缺水量增加，說明在遼河流域存在水質型缺水。對比分質供水和非分質供水狀況可以看出，水質型缺水主要集中在渾太河流域。渾太河流域2012年水質型缺水量為6.55億m3，占全部缺水量的30.2%。到2030年水質型缺水量為0.58億m3，說明采取的截污減排措施相對合理，水功能區水質惡化形勢得到初步緩解。基準年遼河流域缺水較為嚴重，資源型缺水和水質型缺水并存。規劃水平年實施了大伙房輸水工程、新立城水庫調水工程以及截污減排方案等，減少了水質型缺水，增加了供水量。

基準年松遼流域COD入河量已經超出水功能區納污總量。特別是點源在全流域實際入河量是允許點源入河量的4.31倍。通過規劃水平年產業結構調整和截污減排措施，污染物入河量基本上控制在水功能區納污能力范圍之內，實現了水功能區納污總量控制，有效控制了入河污染物量，提高了水功能區斷面水質達標率。

根據45年長系列逐月水質模擬結果以及達標評價方法，得到最后的斷面水質達標評價結果如表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達標也只有50%，說明2012年渾太河流域水質惡化問題較為嚴重，污染物入河量嚴重超過水功能區納污總量。在規劃年，隨著截污減排措施的實施，斷面水質逐漸好轉，達標率逐漸提高。到2020年除大遼河斷面之外，其余斷面全年水質達標率達到75%，超過水利部要求的水功能區在2020年之前水質達標率達到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，基于供水優先順序原則，在保證居民生活用水的情況下，確保河道內生態用水量，因此規劃年基于理想配置，缺水主要集中在工業和農業等河道外用水要求。從遼河流域總體配置格局出發，首先在渾太河流域開展大伙房輸水工程，通過新建后續配套工程，保證渾太河流域的供水安全，置換長期以來擠占的河道內生態需水量；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水，置換擠占河道內生態需水量，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果

表3 遼河流域水功能區水質達標評價結果 （單位：%）

（2）截污減排措施

①產污控制

水質型缺水在遼河流域比較突出，緩解水質型缺水的主要措施在于從源頭上減少污染物的產生。因此，減排措施主要通過產業結構調整，實現綠色生產，從源頭上控制污染物的產生量，最終實現河流水功能區水質達標、納污總量控制的要求。遼河流域污染物（COD）產生控制指標如表4所示。

規劃水平年萬元GDP污染物產生量變化較為明顯。遼河流域基準年萬元GDP污染物產生量為15.6 kg，2030年為3.1 kg，降幅達到 80%以上。從產業結構調整角度看，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模模擬結果見表5和表6。

表4 遼河流域污染物產生量控制指標結果（COD）

表5 遼河流域污水產生量基本污水處理率模擬結果

表6 遼河流域污水處理廠規模 單位：萬t/d

四、結 論

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

[1]趙勇，裴源生，等.我國城市缺水研究[J].水科學進展，2012，17（3）.

[2]李達，邢智慧，等.水質型缺水區域節水型社會建設綜合評價[J].水電能源科學，2009，27（4）.

[3]王浩，秦大庸，等.區域缺水狀態的識別及其多維調控[J].資源科學，2003，25（6）.

[4]王浩，秦大庸，等.黃淮海流域水資源合理配置[M].北京：科學出版社，2003.

[5]許新宜，王浩.華北地區宏觀經濟水資源規劃理論與方法[M].鄭州：黃河水利出版社，1997.

[6]文毅，李宇斌，等.遼河流域水污染總量控制管理技術研究[M].北京：中國環境科學出版社，2009.

[7]孟偉.流域水污染總量控制技術與示范[M].北京：中國環境科學出版社，2008.