基于水量水質綜合評價的洪水資源利用方式分析

楊 冰，劉建衛，秦國帥，田 晶

(大連理工大學水利工程學院，遼寧 大連 116024)

0 引 言

受季風氣候的影響，我國地表水資源量大部分以汛期洪水的形式存在。特別是北方流域，汛期洪水占地表水資源量70%以上[1]。因此，洪水資源化在流域水資源開發利用中有著重要意義。許多學者針對洪水資源利用的方法與措施進行了研究，如王宗志等[2]評價了南四湖流域洪水資源利用現狀和利用潛力，指出現狀洪水資源利用的閾值空間和未來挖掘方向；廖四輝[3]利用洪水資源利用評價體系對海河洪水資源利用進行了評價；劉建衛等[4]以白城為例評價洪水資源利用對于改善水資源安全狀態的意義。利用洪水資源前需要進行洪水資源評價，在以往洪水資源評價研究中，雖然評價水資源量的同時也會評價水質，但水量和水質往往是單獨分析。評價水資源量時，不考慮水質的好壞；評價水質時，不考慮水資源量。水量和水質往往是相互影響的，單獨分析水量和水質，會給水資源合理規劃與利用帶來不便。因此，本文首先介紹了流域洪水資源可利用量計算公式和綜合水質標志指數法和單因子水質評價法，以太子河流域為例對其進行水質水量綜合評價，得到了太子河流域汛期滿足不同功能需求的可用水量，為實現流域內洪水資源化提供依據。

1 研究方法

1.1 洪水資源可利用量計算方法

洪水資源是流域地表水資源的一種特殊形式，是汛期降水形成的河道天然洪水徑流量，洪水資源

利用就是對汛期大流量、高水位河川洪水徑流進行主動蓄集、調節、控制，使之轉化為可供利用的水資源量的過程。流域或區域洪水資源可利用量可定義為在可預見的時期內，在統籌考慮生產、生活和生態用水的需要，保障流域防洪安全的基礎上，通過經濟合理、技術可行的措施能夠調控的河道最大洪水徑流量。

流域洪水資源可利用量計算如下

(1)

(2)

1.2 單因子水質評價法

本文以太子河2015年～2019年水質數據為基礎，分別利用綜合水質標識指數法[7]和單因子評價法[8]分析太子河流域汛期水質變化情況，綜合水質標識指數法所得結果如表1所示。由于綜合水質標識指數法綜合考慮水污染指標，所得結果與真實情況相差太大；因此，本文使用了單因子水質評價法對太子河干流進行水質評價。

表1 2015年～2019年汛期太子河水質監測斷面水質類別

2 實例分析

2.1 研究區域

2.1.1 太子河流域概況

太子河地處遼寧省中部地區，是遼寧省東部的主要水系之一，位于東經122°6′～124°53′，北緯40°29′～41°39′之間，全長413 km，流域面積達13 883 km2，年平均徑流量為26.86億m3。太了河上游分南北兩支，兩支在木溪縣下崴子匯合后始稱太子河干流。匯流后的太子河流經本溪縣、本溪市區、燈塔縣、遼陽市、鞍山市和海城縣，在三岔河附近與渾河匯合、匯入大遼河，至營口注入渤海，河長主要支流有細河、蘭河、湯河、北沙河、柳壕河、南沙河、運糧河、楊柳河和海城河等。太子河主要流經本溪、鞍山和遼陽三市，受工業排放及城市生活污水的影響，河道水環境污染問題突出。太子河流域內城市化程度高，是遼寧省社會經濟發展聚集區[9]；但伴隨著城市化進程加快和工農業的高度發展，高強度人類開發活動造成水資源短缺，水量水質問題突出，影響太子河流域社會經濟的發展[10]。由于經濟發展和人口密度大的雙重壓力，太子河流域已成為省內最嚴重的缺水地區之一，需要對洪水資源進行利用[11]。

2.1.2 監測斷面與數據

本文共選取7個太子河干流水質監測斷面2015年～2019年的水質監測數據和1977年～2006年水文數據進行研究，主要水質監測指標有溶解氧、氨氮、高錳酸鹽指數、生化需氧量和總磷。干流水質檢測斷面分別是老官砬子、興安、葠窩壩下、下王家、下口子、劉家臺和小姐廟。其中，除葠窩壩下位于葠窩水庫內，其余均屬河流斷面。太子河流域水文站、水質站分布如圖1所示。

圖1 太子河流域水質站、水文站分布

2.2 洪水資源供需分析

2.2.1 流域洪水資源量及可利用量分析

本文選取現有1977年～2016年的實測水文數據進行計算與分析。通過太子河下游唐馬寨1977年～2016年多年年均徑流量變化過程可知(見圖2)，太子河流域徑流年際分布極不均衡，需要利用洪水資源進行調節。

圖2 1977年～2016年唐馬寨站多年年均徑流變化

本文根據太子河已有1977年～2016年連續實測水文資料，計算了太子河1977年～2016年汛期徑流量和汛期洪水資源可利用量，見表2。

表2 太子河流域1977年～2016年汛期洪水資源可利用量 億m3

本文選取汛期來水作為洪水資源量進行分析，使用1977年～2016年數據評估太子河流域的洪水資源量和洪水資源可利用量。太子河年徑流最大值為62.695億m3(2010年)，年徑流最小值為7.143億m3(1980年)，多年平均徑流量為35.451億m3，可近似為現狀來水量為35.451億m3。太子河汛期多年平均徑流量20.020億m3，汛期徑流量占全年徑流量56.474%，汛期多年平均洪水資源可利用量為8.693億m3，最大可利用洪水資源量為45.475億m3(2010年)，最小可利用量為0。由《遼寧省水資源公報》可知，2015年～2019年太子河流域現狀需水量為22.798億m3。太子河多年平均來水量35.451億m3大于需水量22.798億m3，可以利用太子河汛期洪水資源緩解太子河流域城市缺水現狀。同時，洪水資源量越大，洪水資源可利用量就越多，入海量也越多，說明大洪水條件下，流域洪水資源調控能力不足，詳見圖3。

圖3 太子河流域汛期洪水資源量與洪水資源可利用量

2.2.2 洪水期水質變化特征

影響我國城市河流水質的主要污染指標：一是有機污染指標，包括溶解氧、氨氮、高錳酸鹽指數、生化需氧量；二是富營養化指標[12]，即總磷。因此，本文以單因子評價法為工具，利用現有2015年～2019年水質數據中溶解氧、氨氮、高錳酸鹽指數、生化需氧量和總磷5種主要水質評價指標，對太子河進行水質評價，評價結果見表3。

表3 太子河2015年～2019年汛期各監測斷面水質情況

由表3可知，在汛期時位于上游的老官砬子的水質最好，基本是Ⅱ類水，中下游水質較差。興安站位于本溪市下游、入葠窩水庫之前，其監測到的污染物濃度較城市上游的監測斷面明顯增大，水質差，多為Ⅲ類水和Ⅳ類水；同時，7月份是前汛期，水量較差，存在Ⅳ類水。根據GB3838—2002《地表水環境質量標準》可知，可用于一般工業用水與人類非直接接觸的娛樂用水區。2015年～2019年4月～11月太子河多年平均水質類別均值如圖4所示。

圖4 2015年～2019年太子河4月～11月水質變化趨勢

由圖4可知，汛期的水質優于非汛期的水質，8月份對應的水質最好，可以充分利用。通過圖5可得，由于葠窩水庫具有稀釋與調節作用，河道入庫前水質比出庫后水質差；在老官砬子至興安段、下王家至小姐廟段，太子河流經本溪市、遼陽市、鞍山市，城市生活用水、工業廢水和農業退水等進入河道內，導致水質類別呈上升趨勢，水質從上游到下游逐漸變差。太子河汛期6月～9月所有監測斷面水質變化區間為Ⅱ～Ⅳ類水，根據GB 3838—2002《地表水環境質量標準》指標要求，太子河汛期的水質通過水質凈化等措施可以滿足城市工業用水、農業用水、居民生活用水等的需求。

圖5 太子河汛期水質監測斷面水質類別

2.2.3 太子河流域水量水質綜合評價

通過分析太子河上下游各個水質監測斷面對應的流量及水質(見圖6)，可知水庫截留導致上游至下游的流量呈下降趨勢，水質呈上升趨勢，一定程度上可以認為水量與水質呈相反的變化趨勢[13]。太子河下游水質較上游水質更差，且多條河流交匯處的水質有代表性；故選取位于渾河、太子河、大遼河匯流三岔口前的小姐廟監測斷面水質數據進行分析。因此，本文以小姐廟2015年～2019年5月～9月監測的平均水質等級、流量數據為基礎，利用Kendall相關系數分析水量與水質相關關系，得到Kendall相關系數為-0.894，且置信度0.037<0.050，相關性顯著。說明水質類別隨著來水量的增多而降低，即來水量越大，水質越好。由于汛期的水量大、水質好，所以汛期期間可以多蓄水，以滿足非汛期的用水需求。

圖6 2015年～2019年汛期太子河流域上下游水質、水量變化趨勢

由于不同水質分類的水的功能不同，為了合理規劃利用洪水資源量來緩解城市用水短缺現狀，需要分析不同水質類別的水對應的洪水資源可利用量。本文前述計算了2015年～2019年太子河汛期6月、7月、8月和9月的平均水質類別，由于不同水質類別水對應的功能不同，分析洪水資源利用方式之前，需要計算汛期6月～9月各月的洪水資源可利用量，計算結果見表4。

表4 1977年～2016年太子河汛期各月洪水資源可利用量

綜合表3和表4可知，太子河流域需汛期水量水質綜合評價結果為：6月份平均水質為Ⅱ類水，多年平均洪水資源可利用量為2.210億m3；7月份平均水質為Ⅲ類水，多年平均洪水資源可利用量為2.845億m3；8月份平均水質為Ⅱ類水，多年平均洪水資源可利用量為3.729億m3；9月份平均水質為Ⅱ類水，多年平均洪水資源可利用量為1.267億m3。

2.3 太子河流域洪水資源利用方式

由表4、圖7可知，太子河流域汛期6月可用洪水資源量是2.210億m3，水質類別為Ⅱ類。根據GB3838—2002《地表水環境質量標準》指標要求可知，6月份的水可用于集中式生活飲用水源地表水源地一級保護區、珍稀水生生物棲息地等；太子河汛期7月份來水量較大，洪水資源可利用量是2.845億m3，但對應的平均水質類別是Ⅲ類，水質較差。因此，7月份的洪水資源可以用于發電、濕地補水、航運、水產養殖等，從而增加洪水資源的利用，實現洪水資源化，降低洪水風險。8月、9月洪水資源可利用量分別為3.729億、1.267億m3，對應的平均水質類別均為Ⅱ類。根據GB3838—2002《地表水環境質量標準》，8月、9月的水可用于生活用水、珍稀水生生物保護區等。同時，8月～9月期間，水質較好且來水量大，水庫可以合理蓄水，從而降低洪澇災害發生的概率，也是解決城市用水資源短缺的途徑之一。

圖7 太子河訊期多年平均來水量和水質類別變化過程

3 結 語

本文對太子河流域進行的實例分析得到了太子河流域水量水質綜合評價結果。即，太子河流域不同功能的水對應的可用的洪水資源量。太子河6月份平均水質為Ⅱ類水，多年平均洪水資源可利用量為2.210億m3；7月份平均水質為Ⅲ類水，多年平均洪水資源可利用量為2.845億m3；8月份平均水質為Ⅱ類水，多年平均洪水資源可利用量為3.729億m3；9月份平均水質為Ⅱ類水，多年平均洪水資源可利用量為1.267億m3。相較于非汛期來說，太子河汛期水質好、水量大；因此，汛期期間水庫可以合理蓄水，來降低洪水災害發生的概率，同時解決非汛期水資源短缺的問題。本文將洪水資源的可利用水量和水質結合起來進行評價，以水量水質綜合評價角度分析流域洪水資源利用方式，從而便于洪水資源的規劃利用；同時，也為合理分配流域內汛期洪水資源提供新思路，為解決流域內城市水資源短缺問題、最大限度地發揮流域洪水資源綜合利用效益提供依據。