可利用水資源量正逆向聯(lián)合計算方法

周　琦,池　飛,逄　勇,周志勇

(1.河海大學環(huán)境學院,江蘇 南京　210098; 2.銅陵學院建筑工程學院,安徽 銅陵　244061;3.寧波市城區(qū)河管理處,浙江 寧波　315041;4.河海大學淺水湖泊綜合治理與資源開發(fā)教育部重點實驗室,江蘇 南京　210098; 5.銅陵市水務局,安徽 銅陵　244000)

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可利用水資源量正逆向聯(lián)合計算方法

周琦1, 2,池飛3,逄勇1,4,周志勇5

(1.河海大學環(huán)境學院,江蘇 南京210098; 2.銅陵學院建筑工程學院,安徽 銅陵244061;3.寧波市城區(qū)河管理處,浙江 寧波315041;4.河海大學淺水湖泊綜合治理與資源開發(fā)教育部重點實驗室,江蘇 南京210098; 5.銅陵市水務局,安徽 銅陵244000)

基于可持續(xù)利用考慮,提出以區(qū)域水環(huán)境容量可承受用水量作為可利用水資源量的逆向計算方法,并與傳統(tǒng)的以區(qū)域水資源總量為基礎的正向計算方法聯(lián)合。對該計算方法的影響因素:洪水棄水量、河道需水量、水質(zhì)達標率及水環(huán)境容量和單位耗水排污量分別進行了分析。應用該方法分別計算了閩江上游富屯溪流域、沙溪流域和閩江干流下游流域的可利用水資源量。結(jié)果表明,下游流域可利用水資源量宜取正向計算方法結(jié)果,上游流域2種計算方法結(jié)果相差不大,但會出現(xiàn)逆向計算方法結(jié)果小于正向計算方法結(jié)果的情況。相比于傳統(tǒng)的正向計算方法,采用正逆向結(jié)合計算方法即考慮了工程調(diào)蓄、河道需水及水質(zhì)狀況等因素,也保證了流域水資源的可持續(xù)利用。

可利用水資源量;可持續(xù)利用;逆向計算;正逆向聯(lián)合

水資源是基礎資源與戰(zhàn)略資源, 是人類賴以生存和發(fā)展的基本條件[1]。我國水資源總量為2.81萬億m3, 其中河川徑流達2.71萬億m3[2],從絕對數(shù)量上看并不少,但由于水資源量時空分布不均勻,而部分地區(qū)水利工程建設不完善,導致真正能夠使用的水量較少。同時,隨著我國社會經(jīng)濟的高速發(fā)展,污染物大量排入水體,水體水質(zhì)不斷惡化,導致可利用的水資源量日趨減少。從上述分析看,雖然我國水資源總量并不少,但由于工程和水質(zhì)等方面的原因,真正能夠利用的水資源量并不多。因此,從人類對水資源的開發(fā)利用的角度來說,研究區(qū)域的可利用水資源量比水資源總量更有實際意義[3]。

1　可利用水資源量概念

關(guān)于可利用水資源量的定義和計算方法的確定是一個逐步完善的過程。劉作榮等[4-5]認為可利用水資源量是“在一定的經(jīng)濟技術(shù)條件下可以開發(fā)利用的水資源量”,概念并不具體,側(cè)重強調(diào)經(jīng)濟技術(shù)條件,計算時也只考慮了工程方面的因素。王建生等[6]將水資源可利用總量定義為:“在可預見的時期內(nèi),在統(tǒng)籌考慮生活、生產(chǎn)和生態(tài)環(huán)境用水的基礎上,通過經(jīng)濟合理、技術(shù)可行的措施在當?shù)厮Y源量中可資一次性利用的最大水量”,概念中同時考慮了技術(shù)經(jīng)濟條件和生態(tài)環(huán)境需水要求,根據(jù)上述定義,王建生等[6]在計算地表水可利用量時扣除河道內(nèi)生態(tài)環(huán)境需水量和汛期洪水棄水量,但并沒有考慮到河道內(nèi)水體的水質(zhì)達標情況。實際中水體水質(zhì)不一定完全達標,而水質(zhì)不達標是不能夠被利用的,因此,彭進平等[7]在計算湛江市可利用水資源量時,在扣除河道內(nèi)生態(tài)環(huán)境需水量和汛期洪水棄水量外,還扣除了因水質(zhì)未達標而失去利用功能的水量。彭進平等[7]在定義可利用水資源量概念時還考慮到了過境水體中可利用水資源量,具體為:在可預見的時期內(nèi),滿足河道等水資源載體的水功能目標(水質(zhì)達標),并統(tǒng)籌考慮載體內(nèi)生態(tài)環(huán)境和其他用水的基礎上,載體外生活、生產(chǎn)、生態(tài)用水的一次性最大用水量(不包括回歸水的重復利用及汛期棄水);由于區(qū)域存在過境河流,因此區(qū)域可利用水資源量必須再加上過境水資源中可利用部分[7]。

2　可利用水資源量計算方法及影響因素分析

2.1計算方法

相對于上述其他定義,彭進平等[7]給出的定義提到了水資源的可持續(xù)利用性,但其給出的可利用水資源量計算方法只是基于水質(zhì)達標情況的考慮,并沒有體現(xiàn)水資源可持續(xù)利用性。而隨著社會經(jīng)濟發(fā)展用水量的增加,向水體排放的污染物也隨之增加,這就大大增加了水體自凈的壓力,一旦污染物排放量超過水體的納污能力(即水環(huán)境容量),水體水質(zhì)即不能滿足水體水功能區(qū)劃目標,水資源可持續(xù)利用性也隨之破壞,因此,在計算可利用水資源量時,還需考慮水體納污能力即水環(huán)境容量的影響。

基于上述分析,本文將可利用水資源量的計算分2種情況:①以區(qū)域水資源總量為基礎的傳統(tǒng)計算方法[6-9],可稱為正向計算方法;②考慮區(qū)域水資源的可持續(xù)利用,從區(qū)域水環(huán)境容量可承受的用水量出發(fā)倒算出可利用水資源量,可稱為逆向計算方法。

2.1.1正向計算

在區(qū)域水資源總量的基礎上,考慮工程調(diào)蓄條件、水體生態(tài)生產(chǎn)需水情況和水體水質(zhì)情況計算區(qū)域可利用水資源量,具體公式為

(1)

式中:Q可1、Q總、Q河道和Q棄分別為正向計算的可利用水資源量、水資源總量、河道內(nèi)生態(tài)生產(chǎn)需水量和汛期棄水量;γ為水體水質(zhì)達標率。

2.1.2逆向計算

由區(qū)域單位產(chǎn)業(yè)增加值和人均生活的凈用水情況和排污情況,確定區(qū)域社會經(jīng)濟發(fā)展單位耗水的排污量,再結(jié)合區(qū)域水體水環(huán)境容量,倒算出區(qū)域可利用水資源量,具體計算公式為

(2)

(3)

2.1.3正逆向聯(lián)合計算

式(2)中,當單位耗水排污量很小、區(qū)域水環(huán)境容量較大時,逆向計算的區(qū)域可利用水資源量可能會很大,此時,區(qū)域可利用水資源量需采正向計算進行結(jié)果控制,逆向計算結(jié)果超過正向計算的部分可作為區(qū)域外調(diào)用水量,以充分利用區(qū)域單位耗水排污量小的生產(chǎn)技術(shù)水平優(yōu)勢及區(qū)域水環(huán)境容量大的自然優(yōu)勢。

由上述分析可知,可利用水資源量最終取值要反映水資源可持續(xù)利用性及工程調(diào)蓄能力、水體生態(tài)生產(chǎn)需水、水質(zhì)達標情況等因素的影響,需取2種計算結(jié)果中的較小值,即

(4)

2.2影響因素分析

從計算方法的闡述過程中可知,可利用水資源量的計算主要受以下因素影響:①汛期棄水量;②河道內(nèi)需水量;③水體水質(zhì)達標率;④區(qū)域水環(huán)境容量和區(qū)域單位耗水排污量。下面分別闡述各影響因素的確定方法。

2.2.1汛期棄水量

汛期來水中難以被利用的洪水水量,通常被稱為汛期棄水量。其大小可根據(jù)流域內(nèi)蓄水工程的調(diào)蓄能力和汛期區(qū)域用水程度綜合分析計算得出。

(5)

式中：Q棄、Q汛分別為汛期棄水量和來水量；Q蓄為區(qū)域蓄水工程汛期能夠調(diào)蓄的水量；Q耗用為汛期社會經(jīng)濟發(fā)展所能耗用的水量，與需水量Q需及引提水能力Q引提有關(guān)，按最大值考慮，即

(6)

2.2.2河道內(nèi)需水量

河道內(nèi)需水量包括生態(tài)需水量和生產(chǎn)需水量。河道生態(tài)需水量主要包括[6]:①維持河道基本功能的需水量(包括防止河道斷流、保持水體合理的自凈能力、河道沖沙輸沙以及維持河湖水生生物生存的水量等);②通河湖泊濕地需水量(包括湖泊、沼澤地以及必要的地下水補給等需水);③河口生態(tài)環(huán)境需水量(包括沖淤保港、防潮壓咸及河口生物保護需水等)。河道生產(chǎn)需水量主要為航運、水力發(fā)電、旅游、水產(chǎn)養(yǎng)殖等部門用水量。

考慮到河道內(nèi)需水不消耗水量,并且滿足上述多項功能、水量可重復利用的特性,河道內(nèi)需水量可取上述需水量中最大值。

采用分割法[10]對河道內(nèi)需水量進行估算,具體計算公式為

(7)

式中：Q基流為河道基流量,采用直線法將天然徑流切割為地表徑流量和河道基流量;β為河道基流可利用率,據(jù)參考文獻[10]可取為0.4。

2.2.3水體水質(zhì)達標率

正向計算方法中,取水處水質(zhì)達標情況是影響可利用水資源量計算結(jié)果的重要參數(shù),但在實際計算中,部分取水處如農(nóng)業(yè)用水取水點的水質(zhì)達標情況難以獲得,而對于范圍較大區(qū)域的可利用水資源量計算,采用水功能區(qū)水質(zhì)達標率進行可利用水資源量的計算,結(jié)果能夠保證一定的準確性。水功能區(qū)達標率為水體各功能區(qū)水質(zhì)達到目標水質(zhì)的比率,其大小直接決定了區(qū)域可利用水量的大小。通常區(qū)域環(huán)境公報和環(huán)境監(jiān)測資料給出的水質(zhì)達標率是按照監(jiān)測點達標率或河長達標率來計量。而水體水質(zhì)不達標,其污染物主要來源于點源和面源,面源污染物主要來源于水體匯水面積內(nèi)降雨對地面的沖刷,因此,若以監(jiān)測點達標率或河長達標率作為水功能區(qū)達標率來進行可利用水資源量的計算,結(jié)果準確性較差。相對來說,以水質(zhì)達標水體的匯水面積占總匯水面積的比率作為水功能區(qū)達標率進行可利用水資源量的計算,結(jié)果更為準確,因此,水功能區(qū)達標率可按下式進行計算:

(8)

式中：S達為水體水質(zhì)達標的水功能區(qū)匯水面積;S總為區(qū)域水體總匯水面積。

2.2.4水環(huán)境容量和單位耗水排污量

水環(huán)境容量和單位耗水排污量是采用逆向計算可利用水資源量的影響因素,水環(huán)境容量越大,逆向計算得出的可利用水資源量越大。水環(huán)境容量的計算根據(jù)水體類型的不同,可分別采用完全混合模型、一維河道模型和二維河道模型計算,此處不再具體敘述,具體計算方法見文獻[11]。

單位耗水排污量與可利用水資源量成反比關(guān)系,具體計算公式為

(9)

單位耗水排污量所涉及的區(qū)域耗水總量和排污總量主要受區(qū)域產(chǎn)業(yè)發(fā)展結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)力技術(shù)水平和區(qū)域人居生活習慣等影響。區(qū)域耗水總量是否包括區(qū)域外調(diào)水對區(qū)域產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)水平和人居生活習慣并無直接影響,因此對單位耗水排污量和逆向計算區(qū)域可利用水資源量結(jié)果也無直接影響。上述區(qū)域耗水總量和排污總量可根據(jù)區(qū)域多年水資源公報和環(huán)境統(tǒng)計公報提供的區(qū)域多年耗水量和排污量分析確定。

3　流域可利用水資源量計算

閩江為福建省最大河流,全長577 km,流域面積約占全省面積的一半。發(fā)源于武夷山脈,流域面積60 992 km2,其中,屬福建省面積59 922 km2,浙江省面積1 070 km2。南平以上有建溪、富屯溪、沙溪3大支流,南平以下納尤溪、古田溪、大樟溪等支流,最后流經(jīng)福州馬尾入海。

分別選取閩江上游富屯溪流域、沙溪流域和閩江干流下游流域(水口大壩以下不包括大漳溪流域)進行可利用水資源量計算。

3.1計算條件

3.1.1流域徑流條件

采用相關(guān)規(guī)劃報告[12-14]提供的各保證率下富屯溪、沙溪和閩江干流下游年徑流量及保證率P=50%和P=90%的月分配徑流量數(shù)據(jù),P=75%和P=95%保證率的月分配徑流量可類比取得。

3.1.2流域工程調(diào)蓄及供用水情況

表2　污染物水環(huán)境容量計算結(jié)果

以2010年各流域內(nèi)蓄水工程最大調(diào)蓄能力、城鎮(zhèn)鄉(xiāng)村的最大供水規(guī)模及流域內(nèi)農(nóng)田灌溉最大需水量作為計算條件分別計算不同保證率來水的流域最小棄水量,根據(jù)相關(guān)規(guī)劃報告[11-13]提供數(shù)據(jù)可知具體條件如下:

a. 富屯溪流域蓄水工程調(diào)蓄庫容為8.32億m3;城鎮(zhèn)鄉(xiāng)村供水規(guī)模為51.60萬m3/d;農(nóng)田保灌面積約為80 793 hm2,根據(jù)流域內(nèi)農(nóng)田保灌面積與毛灌溉定額估算流域內(nèi)農(nóng)田灌溉用水,不同保證率下毛灌溉定額分別為:12 300 m3/(hm2·a)(P=95%);12 000 m3/(hm2·a)(P=90%);11 250 m3/(hm2·a)(P=75%);10 500 m3/(hm2·a)(P=50%)。平均分配月灌溉用水量。

b. 沙溪流域蓄水工程調(diào)蓄庫容為10.05億m3;城鎮(zhèn)鄉(xiāng)村供水規(guī)模為70.85萬m3/d;農(nóng)田保灌面積約為74 707 hm2,根據(jù)流域內(nèi)農(nóng)田保灌面積與毛灌溉定額估算流域內(nèi)農(nóng)田灌溉用水,灌溉定額同富屯溪流域,平均分配月灌溉用水量。

c. 閩江干流下游流域蓄水工程調(diào)蓄庫容為4.19億m3;城鎮(zhèn)鄉(xiāng)村供水規(guī)模為275.57萬m3/d;農(nóng)田保灌面積為6 667 hm2,根據(jù)流域內(nèi)農(nóng)田保灌面積與毛灌溉定額估算流域內(nèi)農(nóng)田灌溉用水,灌溉定額同富屯溪流域,平均分配月灌溉用水量。

3.1.3流域水功能區(qū)劃及達標情況

根據(jù)《福建省水(環(huán)境)功能區(qū)劃表》(2004年),富屯溪流域共劃分為44個水功能區(qū),沙溪流域共劃分為64個水功能區(qū),閩江干流下游流域共劃分為22個水功能區(qū),根據(jù)對流域內(nèi)河道、湖庫匯水面積的統(tǒng)計,各類不同水質(zhì)目標功能區(qū)匯水面積統(tǒng)計結(jié)果見表1,同時根據(jù)2010年水質(zhì)監(jiān)測資料,各功能區(qū)水質(zhì)達標情況及相應匯水面積見表1。

表1　區(qū)域水功能區(qū)水質(zhì)達標情況及匯流面積統(tǒng)計

3.1.4水環(huán)境容量及單位耗水排污量確定

3.2計算結(jié)果與討論

根據(jù)式(1)～(9)分別計算沙溪流域和閩江干流下游流域在現(xiàn)狀水質(zhì)條件和水質(zhì)完全達標情況下的各保證率可利用水資源量,計算結(jié)果見表3。由表3可知:若僅采用傳統(tǒng)的正向計算方法,可利用水資源量的計算結(jié)果不能滿足流域水資源可持續(xù)利用,如富屯溪流域各保證率下可利用水資源量正向計算結(jié)果大于逆向計算結(jié)果,以及95%保證率下沙溪流域正逆向計算結(jié)果相比同樣如此;而僅采用逆向計算方法,計算結(jié)果又不能反映流域內(nèi)工程調(diào)蓄能力及河道需水、水質(zhì)狀況等因素,如閩江干流下游流域可利用水資源量正向計算結(jié)果要小于逆向計算結(jié)果,因此綜合考慮工程調(diào)蓄能力、河道需水、水質(zhì)狀況以及可持續(xù)利用,可利用水資源量的計算需采用正逆向聯(lián)合計算。

表3　可利用水資源量計算結(jié)果

4　結(jié)　論

提出了可利用水資源量計算的正向計算方法和逆向計算方法,正向計算方法考慮了影響可利用水資源量的傳統(tǒng)因素,如河道需水、汛期棄水及水質(zhì)達標情況等,逆向計算方法從水資源可持續(xù)利用角度出發(fā),考慮了水環(huán)境容量對可利用水資源量的影響。將2種計算方法聯(lián)合分別計算了閩江上游沙溪流域、富屯溪流域和閩江干流下游流域在現(xiàn)狀水質(zhì)條件和水質(zhì)完全達標條件下各水平年可利用水資源量,結(jié)果顯示:由于閩江干流下游流域單位耗水排污量小、調(diào)蓄能力小,采用正向計算方法更加合適;而上游富屯溪流域和沙溪流域,由于其區(qū)域單位用水排污量大、工程調(diào)蓄能力大,2種計算方法計算結(jié)果相差不大,但沙溪流域處于95%保證率時,宜采用逆向計算方法,而富屯溪流域則需完全取逆向計算結(jié)果。為保證流域內(nèi)水資源可持續(xù)利用,可利用水資源量的計算應采用正向逆向聯(lián)合計算的方法。

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[12] 福建省水利廳,福建省發(fā)展與改革委員會.福建省富屯溪流域綜合規(guī)劃修編報告[R].福州:福建省水利廳,福建省發(fā)展與改革委員會,2007.

[13] 福建省水利廳,福建省發(fā)展與改革委員會.福建省閩江沙溪流域綜合規(guī)劃修編報告[R].福州:福建省水利廳,福建省發(fā)展與改革委員會,2007.

[14] 福建省水利廳,福建省發(fā)展與改革委員會.福建省閩江干流下游流域綜合規(guī)劃報告[R].福州:福建省水利廳,福建省發(fā)展與改革委員會,2007.

A combined forward and reverse method for available water resources calculation

ZHOU Qi1, 2, CHI Fei3, PANG Yong1, 4, ZHOU Zhiyong5

(1.CollegeofEnvironment,HohaiUniversity,Nanjing210098,China;2.CollegeofCivilEngineeringandArchitecture,TonglingUniversity,Tongling244061,China;3.NingboCityRiverManagementOffice,Ningbo315041,China;4.KeyLaboratoryofIntegratedRegulationandResourcesDevelopmentofShallowLakes,MinistryofEducation,HohaiUniversity,Nanjing210098,China;5.WaterConservancyBureauofTonglingCity,Tongling244000,China)

For sustainable utilization of water resources, a reverse calculation method has been put forward, which considers water consumption of the water environmental capacity as the available water resources (AWR). This method is combined with the traditional forward calculation method, which is based on the amount of regional water resources. The factors that affect the AWR calculation, including the abandoned flood quantity, water demand in rivers, water qualification rate, water environmental capacity, and unit water consumption of pollutant discharge, are analyzed. The method was used to calculate the AWR in the Futunxi and Shaxi basins in the upper reaches of the Minjiang River and in the basins of the lower reaches of the main stream of the Minjiang River. The results show that the forward calculation method of the AWR should be adopted in the lower reaches of the Minjiang River. Similar amounts of AWR can be calculated by the reverse and forward calculation methods in the upper reaches of the Minjiang River, but the result of the reverse calculation method is smaller than that of the forward calculation method. Compared with the traditional forward calculation method, the combined forward and reverse method can take into account factors such as water diversion and storage in projects, water demand in rivers, and water quality, and assure sustainable utilization of water resources.

available water resources; sustainable utilization; reverse calculation; combined forward and reverse method

10.3880/j.issn.1004-6933.2016.05.009

國家水體污染控制與治理科技重大專項(2014ZX07405002);安徽省高等學校自然科學研究項目(KJ2016A868);安徽省高校優(yōu)秀青年骨干人才國內(nèi)外訪學研修重點項目(gxfxZD2016244)

周琦(1981—),男,講師,博士,主要從事水資源水環(huán)境保護研究。E-mail:zq316249@sina.com

逄勇,教授。E-mail:pangyonghhu@163.com

TV213.9

A

1004-6933(2016)05-0042-05

2015-10-30編輯：王芳)