臟盆理論
——一種基于河湖水質影響的地表水資源評價新方法

2021-03-30 09:12:18黃本勝李深林

水利學報 2021年2期

黃本勝，李深林，邱靜，胡培，劉達

（1.廣東省水利水電科學研究院，廣東廣州 510635；2.河口水利技術國家地方聯合工程實驗室，廣東廣州 510635；3.廣東省水安全科技協同創新中心，廣東廣州 510635；4.南方海洋科學與工程廣東省實驗室（珠海），廣東珠海 519000；5.廣東工業大學環境生態工程研究院，廣東廣州 510006）

1 研究背景

由于水的復雜特性，不同行業、不同部門對于水資源的理解不盡相同，而隨著人類認識的改變和生產生活的需要，對水資源的評價理論也不斷更新發展[1-3]。

國外開始使用“水資源”一詞較早，《大不列顛大百科全書》解釋水資源為“全部自然界任意形態的水”，而1963年英國的水資源法中，定義水資源為（地球上）具有足夠數量的可用水源，突出了“可使用性”。1977年聯合國世界水會議建議，水資源應指“可資利用或可能被利用的水源，這個水源應具有足夠的數量和可用的質量”[4-6]。

國內從1980年代初對“水資源”一詞正式使用，大量科研技術人員對其進行了深入研究，取得了豐富的研究成果。王浩等[7]提出了水資源的評價準則及其計算口徑，建立了廣義水資源、狹義水資源、生態耗用水量和國民經濟可利用量計算方法；賈仰文等[8-9]提出了基于流域水循環模型的廣義水資源評價方法和具體計算公式；陳顯維[10]綜述了國內外有關水資源和水資源可利用量的概念和定義；王忠靜等[11]提出基于物理參數的分布式水文模型用于變化環境下水資源評價方法的原理；李佩成等[12]從水的社會屬性出發，討論景觀水資源的概念內涵；張蕾等[13]將水功能區目標水質與實際水質對比，在估算各水功能區水資源可利用量基礎上，將不滿足水功能區功能要求的水資源數量進行剔除，提出有效水資源可利用量概念并給出計算方法。

從水文學角度，水資源量是指一定區域內由降雨產生的，河川徑流量與地下水補給量之和扣除重復計算量。該定義從科學宏觀情況來說是完整的適應的，但是對于人類活動密集的城鎮區域來講，適用性不足。水資源短缺問題已成為城市化進程加快和社會經濟持續發展的重要制約因素[14-17]，而城市粗放型發展造成的水環境污染進一步加劇了水資源短缺問題[18-21]。在評價城市區域水資源時，如不考慮城市人口和產業集聚排污造成河湖水質污染、進而導致匯入徑流無法被充分利用的普遍現象，不僅給水資源的計算和評價帶來誤解，更可能造成水資源規劃、合理開發利用及環境保護的問題和損失。本文提出“臟盆理論”，以珠三角九市為例，討論基于河湖水質影響的水資源評價新方法，量化評估人類活動對水資源水環境造成的客觀影響，以促進區域水資源保障和生態文明建設。

2 研究方法

2.1 “臟盆理論”基本思路區域降雨經過產匯流過程形成本地地表水資源。然而由于密集粗放的人類活動，大量污染物隨意排放，對本地河湖水環境造成嚴重污染，“死水河”、“黑臭水體”頻繁出現，形成一個個地表“臟盆”。位于城鄉結合部的鄉鎮工業區域，治污體系不完善的工業和城市區域等等都是典型的“臟盆”區域（圖1）。當降雨落入這些“臟盆”，“清水”也變為“臟水”，不僅無法被有效利用，還因為混合了大量污染物而成為污染源。對本地來講，這類水源的“資源”屬性已經不復存在，不應該算入本地水資源量。基于以上普遍事實，本研究提出“臟盆理論”，構建基于河湖水質影響的本地地表水資源評價新方法，對本地地表水資源的定義和計算方法進行重新思考。這對于水環境污染地區真實理解本地水資源狀態，科學開展水資源管理決策，以及提升社會對水環境保護和節約用水的意識都具有重要意義。

圖1 典型“臟盆”區域

“臟盆理論”的核心，是當區域內河湖水質較差，降雨產生的地表徑流匯入后即受到污染，無法達到可使用的水質要求時，視該部分徑流量為“地表水資源損失量”，將其從傳統評估方法計算得到的地表水資源量中扣除，以此對區域地表水資源進行重新評估。

2.2 “臟盆理論”計算方法根據研究區域實際情況，可以選擇流域單元計算法和網格單元計算法。

（1）流域單元計算法。在一定區域內，以子流域為計算單元，根據設定的水質要求，以子流域出口斷面水質判斷區域產生的地表徑流是否滿足水質要求，對不滿足要求的予以扣除，從而評估全區域地表水資源。該方法要求區域內各個子流域邊界清晰，節點斷面的徑流量和水質數據完整。

（2）網格單元計算法。在一定區域內，以人工網格為計算單元，估算各網格一定時期內降雨產生的地表徑流量和污染物入河總量，將其比值（可近似理解為稀釋濃度）與設定的水質要求對比，如果劣于水質要求，扣除相應網格的地表水資源量，從而評估全區域地表水資源。在流域邊界不清晰，河涌短小交錯，水動力條件較差的河網地區，可以利用網格單元計算法近似估算地表水資源損失量。

網格大小的選擇對評估結果的科學性至關重要。過大的網格可能同時覆蓋了臟盆區域和非臟盆區域，導致評價結果失真。較小的網格可以保證網格內水污染特征保持統一，但是對網格內污染物排放數據的精度要求更高。為兼顧科學性和可操作性，網格可利用土地利用類型數據套縣區等行政區邊界進行劃分。

具體計算步驟為：（1）將研究區域劃分為合適的若干子區域，編號為j（j=1，2，…，N）；（2）對子區域j，計算一定時期內（例如一年）i類別污染物質的入河量Mji，以及同周期內區域降雨產生的地表水資源量qj，將其比值視為編號j的子區域內，i類別污染物質的稀釋濃度，計做Cji（如式1所示）。Mji按照網格單元內的污染源類別，產污系數和入河系數進行估算，qj可按徑流系數法進行估算，也可參考區域水資源公報數據，利用面積比進行估算；（3）將Cji與i類別污染物質達標濃度C0i進行比較，如果Cji＜C0i，j區域的地表水資源qj0等于傳統評估方法計算得到的地表水資源量qj，反之，地表水資源qj0為0（如式2所示）；（4）各子區域qj0之和為研究區域應用“臟盆理論”計算得到的地表水資源Q0（如式3所示）；（5）傳統評估方法和基于“臟盆理論”評估方法計算結果的差值（Q-Q0），即為研究區域地表水資源損失量Qs（如式4所示）。

3 研究區域

以位于粵港澳大灣區的珠三角九市（廣東省廣州市、深圳市、珠海市、佛山市、惠州市、東莞市、中山市、江門市、肇慶市）作為研究區域。珠三角九市面積5.48萬km2，2018年常住人口6300萬，經濟總量8.1 萬億元，約占全國經濟總量的9%，是我國開放程度最高、經濟活力最強的區域之一，是粵港澳大灣區發展戰略的重要載體，在國家發展大局中具有重要戰略地位。

然而，大灣區珠三角九市面臨相當凸出的水資源和水環境問題。珠三角九市用水總量高達221.1億m3，占廣東省用水總量的52.5%，給當地水資源供給保障形成了巨大壓力。部分城市本地水資源量嚴重偏少，尤其是深圳市和東莞市，人均水資源量分別只有229和289 m3，屬于嚴重缺水城市。為保障城市用水需求，耗費了巨大的財力和物力修建大型水資源輸送工程，如東深供水工程、廣州西江引水工程和珠江三角洲水資源配置工程等。水環境污染是威脅區域水資源安全保障的另一重要因素，人口集聚產生的大量污染物質嚴重污染了區域水環境，內河涌水質狀況很不樂觀，在枯水年和枯水季常面臨有水不能喝的困境。

珠三角九市作為水資源緊缺與水環境污染問題均十分突出的典型區域，研究其水環境污染對本地水資源的損害關系，有助于多角度評價本地水資源和水環境狀況，為解決水資源緊缺和水環境污染問題的戰略決策提供理論依據。

圖2 珠三角九市土地利用分布

鑒于珠三角河網區水系眾多，流域邊界模糊，河涌流量和水質數據掌握不足等因素，研究選擇網格單元計算法進行計算：按照珠三角九市各縣區級（或鎮級）行政單位邊界劃分109個子區域，選擇氨氮作為評價污染物質，以2018年為典型年，按子區域計算氨氮年入河量和年地表徑流量。需要特別說明的是：（1）根據利用目的不同，對水體中不同污染物指標及其濃度要求各異。本研究中選擇不同水資源利用目的中普遍考慮的氨氮作為評價污染物質開展示例研究，達標濃度選擇2.0 mg/L。2.0 mg/L為V類水質和劣V類水質的臨界值，也是區域水環境管理中重點關注的水質指示濃度之一。選擇2.0 mg/L的氨氮濃度作為達標濃度具有一定的代表性；（2）根據經驗，水環境污染一般出現在人口集聚的城鎮區域，因此本文在計算時，利用2015年土地利用數據成果[22]，重點計算了各子區域的城鎮和其他建設用地的地表水資源和居民生活排污量，設定其他土地類型（如水田或林草地）內污染物稀釋濃度滿足達標濃度要求。

4 結果與討論

4.1 現狀地表水資源損失量水資源公報發布的地表水資源量和“臟盆理論”計算得到的地表水資源結果如表1和圖3所示。根據水資源公報，珠三角九市2018年地表水資源量共計637.92億m3，而根據“臟盆理論”計算，則為549.67億m3，地表水資源損失量為88.25億m3，損失比（地表水資源損失量占水資源公報中地表水資源量的比重）為13.83%。該損失量體量巨大，相當于珠三角九市2018年用水總量（221.1億m3）的40%，是深圳市年用水總量（20.33億m3）的4.3倍，是珠江三角洲水資源優化配置工程設計年調水量（17.06億m3）的5.2倍。其危害影響，不僅是計為損失量的這部分水資源無法使用，而且會擴散污染其他過境水資源，進一步加重了水環境治理的成本。

表1 珠三角九市2018年本地地表水資源量和損失量

圖3 珠三角九市地表水資源損失量分布

從圖3可知，不同地市地表水資源損失量也存在較大差異。地表水資源損失量最大的是廣州市，為16.06億m3，相當于廣州市2018年用水總量（64.39億m3）的24.9%，人均地表水資源從495m3降為387 m3；其次為東莞市、佛山市、深圳市，分別損失14.27億m3、13.64億m3和13.07億m3；最小的是江門市，為2.89億m3。從損失比來看，損失比最高的是東莞市，達到了60.34%；其次是深圳市，為44.96%；佛山市、珠海市、中山市和廣州市的比重也較高，分別達到38.23%、29.81%、29.76%和21.78%。占比較小的是惠州、江門和肇慶市，只占本地地表水資源量的1%～7%。總體而言，水資源損失量評價結果與各地市實際水污染情況基本相符，位于珠三角網河區的廣州、東莞、深圳、佛山等地人口和產業密集，排污量大，內河涌污染較普遍，相應的地表水資源損失量較大，占本地水資源量比重較高，網河區六市地表水資源損失量達到69.62億m3，損失比達到34.04%。非網河區地市，包括肇慶、江門和惠州，人口和產業排污總量相對較少，密集排污的區域也較少，相應的地表水資源損失量小，占本地地表水資源量的比重也較小，非網河區三市地表水資源損失量18.62億m3，損失比為4.3%。廣州、東莞、深圳、佛山等地的本地地表水資源量本就偏少，根據“臟盆”分析，河湖水質污染又導致其地表水資源遭受大比例損失，同時污染了過境水資源，進一步加劇了當地水資源緊張局勢。

4.2 應用“臟盆理論”評價污水處理效果“臟盆理論”不僅可以有效評估河湖水質影響下的水資源量，還可應用于評價城市不同污水處理規模和標準對改善水環境、降低區域地表水資源損失的影響。選擇污水收集處理率和出水標準作為變量，計算不同水平的收集處理率和出水水平條件下，區域地表水資源損失量的變化情況。污水收集處理率取值范圍為0～100%，出水水質選擇準Ⅳ類，準Ⅴ類，一級A，一級B和二級等5種標準。結果如圖4所示。

研究結果展示的第一個特征是，當污水收集處理率較低時，對降低地表水資源損失量幾乎沒有影響。如圖4所示，當污水集中收集處理率低于90%，地表水資源的損失量仍然較大，說明剩余未經處理的排污量仍然超出本地地表水資源量的稀釋能力。當污水集中處理率達到90%以上時，損失量才顯著減少，說明只有當城鎮截污比例達到較高水平時，才能達到顯著改善地表水環境的效果。

結果展現的第二個特征是，如果采用一級A或者更低的出水標準，即使污水處理率達到100%，仍然無法避免地表水資源存在損失。如圖4所示，當污水處理率為100%時，采用一級A 出水標準，珠三角九市的地表水資源損失量為6.19億m3，當采用一級B或者二級出水標準時，損失量還更高，分別達到48.13億m3和85.82億m3。只有當出水標準達到準Ⅴ類或者準Ⅳ類時，地表水資源損失量才有可能降為0。這也解釋了有些地區全面截污處理后，由于出水標準過低，仍然無法根治水污染問題的現象。據調查，珠三角九市現狀污水處理能力為2246.1萬m3/d，其中達到一級A和一級B出水標準的分別為919.8萬m3/d和671.7萬m3/d，合計占比達到了70.9%，準Ⅳ類和準Ⅴ類的分別為423.5萬m3/d和84萬m3/d，合計占比只有22.6%，且基本都集中在深圳。可見，現狀珠三角九市的污水處理標準普遍偏低，為進一步改善水環境，降低地表水資源損失，污水處理提標改造尤為必要。

圖4 不同污水處理率和出水標準條件下的地表水資源損失量變化

4.3 “臟盆理論”的現實意義由以上結果可知，“臟盆理論”：（1）量化了水環境污染對水資源的影響。基于對降雨產流受到地表環境污染影響而無法被有效利用的普遍事實，本研究分析提出了“臟盆理論”。對“臟盆”影響下地表水資源損失量的量化表達，有利于深化對水環境污染的危害以及本地水資源緊張局勢的認識。研究結果顯示，廣州市地表水資源從73.75億m3降為57.69億m3，減少了21.78%，東莞市從23.65億m3降為9.38億m3，減少了60.34%。巨大的損失量或者損失比直觀地說明了水環境污染加劇了本地水資源緊張局勢。同時，通過評估“臟盆”影響下的本地地表水資源，決策者和規劃者可多角度審視地區水資源條件，更加合理地制定地區水資源開發和保護策略；（2）拓寬了水資源安全保障戰略思路。當下緩解區域水資源短缺問題的常用手段是修建跨流域調水、遠距離輸水等水利工程，如粵港澳大灣區境內的東深供水工程，廣州西江引水工程和珠江三角洲水資源配置工程等。而通過“臟盆理論”計算，珠三角九市本地水資源存在巨大的“損失量”。如果采取有效的防污治污手段，對本地水環境進行整治，不僅可以改善人居環境，提升城市發展質量，同時可以有效涵養本地水資源，降低“損失量”，提高可利用性，為本地水資源安全保障提供新的戰略思路。

4.4 “臟盆理論”的完善方向作為新提出的概念和方法，“臟盆理論”仍存在進一步改進的空間，比如：（1）水污染評價物質和達標濃度的確定。水資源使用的目的不同，對水質的要求就存在差異，對地表水資源損失量的評價結果也不盡相同。因此，應用“臟盆理論”評價地表水資源損失量需要根據地區實際用水要求，清晰地定義要滿足的水質目標要求；（2）雨污分流等工程對降低地表水資源損失量的貢獻。“臟盆理論”提出的事實基礎是，自然狀態下，降雨產流與地表受污染水體混合后受到污染，無法被有效利用。然而，人工措施（例如雨污分流、初雨水收集處理等）可以改變自然匯流條件，避免清水、污水混合變成臟水。本文現階段只討論了截污治污對降低地表水資源損失量的影響，雨污分流等工程對降低地表水資源損失量的貢獻也值得進一步深入研究。（3）水體自凈過程的影響。河湖水體都具有一定流動性，流動水體的自凈能力與其流動速度有密切關系[23]。由于水體自凈能力，“臟水”流動一定距離之后可能變為“凈水”。然而，由于珠三角網河區感潮河段受潮汐影響存在往復流現象，以及“臟盆”區域由于內源污染造成長期的“臟盆”效應，等等，水體自凈過程在地表水資源損失量的評估中，影響作用十分復雜，需要深入研究，以進一步完善“臟盆”理論體系和計算方法。

5 結論