基于水功能區(qū)的水量調(diào)控模型研究

魏 娜，游進(jìn)軍，解建倉，賈仰文，牛存穩(wěn)

(1.西安理工大學(xué)水利水電學(xué)院，陜西西安 710048;2.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100038)

水資源是人類生存和經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)，水量、水質(zhì)是水資源的二重屬性，水資源短缺與水質(zhì)惡化嚴(yán)重制約了我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展。不同種類用水對(duì)水量和水質(zhì)的要求不同，需要結(jié)合水質(zhì)的要求對(duì)水量進(jìn)行合理分配，因此水量水質(zhì)聯(lián)合調(diào)控就顯得尤為重要。目前關(guān)于水量水質(zhì)聯(lián)合調(diào)控的研究有兩種:一種是基于水量水質(zhì)聯(lián)合模擬的簡(jiǎn)化擴(kuò)展，將微觀層面的水質(zhì)模擬與宏觀層面的水量配置相結(jié)合;另一種是提出了水量水質(zhì)聯(lián)合調(diào)控的目標(biāo)，在水資源分配過程中考慮水質(zhì)的影響，但分配方法仍以水量配置為主[1]。

可以看出，現(xiàn)有的研究對(duì)于水量調(diào)控和水質(zhì)模擬結(jié)合得不夠緊密，沒有顧及人工-天然水循環(huán)系統(tǒng)之間的動(dòng)態(tài)關(guān)系，一方面不能充分考慮水量變化條件的影響，另一方面不能較好地結(jié)合河流水質(zhì)功能目標(biāo)。考慮現(xiàn)有的技術(shù)方法在上述兩個(gè)方面的不足，現(xiàn)有水功能區(qū)定義中比較全面完整地界定了河流水系的水質(zhì)功能目標(biāo)。本研究在對(duì)水循環(huán)和供用水模擬的水量配置模型的基礎(chǔ)上，建立水量調(diào)控模擬計(jì)算單元與水功能區(qū)之間的水量交換關(guān)系，為水量和污染負(fù)荷雙重平衡進(jìn)行交互式的模擬分析建立水量基礎(chǔ)，嘗試開展基于水功能區(qū)的水量水質(zhì)聯(lián)合模擬和調(diào)控。

1 水量水質(zhì)聯(lián)合調(diào)控的研究現(xiàn)狀

國(guó)外對(duì)水質(zhì)問題關(guān)注得比較早，對(duì)水量、水質(zhì)一體化的調(diào)控研究和實(shí)踐探索開展得也比較早。Loftis等[2]研究了綜合考慮水量水質(zhì)目標(biāo)下的湖泊水資源調(diào)度方法，Mehrez等[3]對(duì)區(qū)域多水源、多水質(zhì)供給進(jìn)行了研究，Cai等[4]分析了水量分配和灌溉引起的鹽堿化問題。在國(guó)內(nèi)，針對(duì)生態(tài)環(huán)境惡化、用水矛盾尖銳和水質(zhì)型缺水嚴(yán)重等問題，水量水質(zhì)聯(lián)合調(diào)控逐漸成為當(dāng)前水資源領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。徐貴泉等[5]建立適應(yīng)性較強(qiáng)的河網(wǎng)水量水質(zhì)統(tǒng)一模型——Hwqnow模型，提出了調(diào)水改善水環(huán)境的措施，并應(yīng)用于上海浦東新區(qū)河網(wǎng)水環(huán)境調(diào)水方案中。王好芳等[6]建立了基于量與質(zhì)的多目標(biāo)水資源配置模型，該模型同時(shí)考慮了水量水質(zhì)因素，解決了當(dāng)前水資源短缺和競(jìng)爭(zhēng)性用水等問題，但還缺乏基于宏觀機(jī)理對(duì)水量水質(zhì)過程的模擬與水污染控制的系統(tǒng)措施分析。吳澤寧等[7]提出了基于生態(tài)經(jīng)濟(jì)學(xué)的區(qū)域水量水質(zhì)配置模型。付意成等[8]建立了在時(shí)空上合理調(diào)配水資源的水量水質(zhì)聯(lián)合調(diào)控模型，該模型將水環(huán)境承載能力作為一種資源與水量進(jìn)行統(tǒng)一協(xié)調(diào)，提出利用GAMS軟件進(jìn)行水量水質(zhì)聯(lián)合調(diào)控的多目標(biāo)動(dòng)態(tài)耦合方法。

目前，對(duì)流域的水量水質(zhì)進(jìn)行聯(lián)合調(diào)控的技術(shù)應(yīng)用研究較少，且主要研究以水質(zhì)為約束目標(biāo)進(jìn)行水量分配調(diào)控，缺乏對(duì)河流水質(zhì)目標(biāo)的考慮以及對(duì)水量與水質(zhì)動(dòng)態(tài)關(guān)系的分析。2002年《中國(guó)水功能區(qū)劃》正式在全國(guó)范圍內(nèi)實(shí)施。2004年水利部水資源司出臺(tái)了《水功能區(qū)劃分技術(shù)規(guī)范》，明確了各江河湖庫的水域功能及功能順序，為水域的開發(fā)利用和保護(hù)管理提供了科學(xué)依據(jù)。由于對(duì)水功能區(qū)河流水質(zhì)目標(biāo)給出了比較規(guī)范的定義，本研究結(jié)合水功能區(qū)的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)控制要求，以水量模擬模型為基礎(chǔ)，根據(jù)流域計(jì)算單元與水功能區(qū)之間的水量關(guān)系，建立可以分析水功能區(qū)斷面水量過程的流域水量調(diào)控模擬模型，通過不同的水量調(diào)控方案和水功能區(qū)的水質(zhì)目標(biāo)要求，分析計(jì)算不同水量調(diào)控方案下的水體納污能力，對(duì)用水變化、徑流變化和水功能區(qū)納污能力之間的動(dòng)態(tài)關(guān)系進(jìn)行分析，為實(shí)現(xiàn)水量水質(zhì)的聯(lián)合模擬和調(diào)控奠定基礎(chǔ)。

2 基于水功能區(qū)的水量模擬

2.1 總體思路

按照水量水質(zhì)聯(lián)合調(diào)控的要求，采用基于規(guī)則的水資源配置模型(簡(jiǎn)稱ROWAS模型)進(jìn)行水量調(diào)控[9]。水量模擬調(diào)控模型對(duì)用水和河道水量的調(diào)度過程進(jìn)行模擬，分析不同用水和調(diào)度方案對(duì)水量平衡過程的影響。該模型需要對(duì)現(xiàn)狀和未來的水資源供需量進(jìn)行模擬計(jì)算，通過協(xié)調(diào)河道外生活用水、生產(chǎn)用水和生態(tài)用水與河道內(nèi)生態(tài)用水、發(fā)電用水以及航運(yùn)用水等，提出流域水資源在不同區(qū)域、同區(qū)域水資源在不同地區(qū)和行業(yè)的合理配置方案。通過改進(jìn)基于規(guī)則的水資源配置模型，建立計(jì)算單元與水功能區(qū)之間的關(guān)系，給出不同用水和工程調(diào)度情景下各區(qū)域的廢污水排放狀況和水功能區(qū)斷面河道水量變化過程，并通過納污能力分析模型對(duì)比動(dòng)態(tài)水量條件下的水功能區(qū)的納污能力，從而起到通過水量調(diào)控達(dá)到水質(zhì)目標(biāo)的作用。

2.2 計(jì)算單元與水功能區(qū)間的關(guān)系

基于規(guī)則的水資源配置模型是通過設(shè)置供用水計(jì)算單元和節(jié)點(diǎn)來進(jìn)行水量平衡計(jì)算。為了配合水功能區(qū)的納污能力計(jì)算，采用水資源分區(qū)嵌套行政區(qū)作為計(jì)算單元的方法。計(jì)算單元是系統(tǒng)模擬的中心環(huán)節(jié)，水資源供、用、耗、排的分析都是在計(jì)算單元內(nèi)部完成的。節(jié)點(diǎn)包含工程節(jié)點(diǎn)和控制節(jié)點(diǎn)兩類。工程節(jié)點(diǎn)指在系統(tǒng)圖上單列的蓄引提工程，這類工程在模擬計(jì)算中單獨(dú)參與計(jì)算，它可以對(duì)受水單元或者其他工程供水，同時(shí)也可以按照工程運(yùn)行目標(biāo)對(duì)發(fā)電航運(yùn)、生態(tài)環(huán)境等河道內(nèi)用水需求進(jìn)行水量調(diào)控。控制節(jié)點(diǎn)指有水量或水質(zhì)控制要求的河道或渠道斷面，它具有與工程節(jié)點(diǎn)相同的各種水力關(guān)系，但一般不具備調(diào)蓄能力。將計(jì)算單元、主要工程節(jié)點(diǎn)、控制節(jié)點(diǎn)以及供用耗排水等系統(tǒng)元素，采用概化的“點(diǎn)”、“線”元素表達(dá)，繪制描述流域水量關(guān)系的水資源系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)圖，以反應(yīng)流域水循環(huán)與水資源供用耗排的過程，并以此作為模擬計(jì)算的基礎(chǔ)。

為了實(shí)現(xiàn)水資源配置模型與水功能區(qū)的有效結(jié)合，將水功能區(qū)作為水量配置模型中的控制節(jié)點(diǎn)按照流域的上下游關(guān)系插入到水資源系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)圖中。水功能區(qū)上下段節(jié)點(diǎn)可以作為水量配置模型中的計(jì)算節(jié)點(diǎn)，用水以及工程調(diào)控作用會(huì)影響水功能區(qū)節(jié)點(diǎn)的流量過程，在一定程度上決定了水功能區(qū)納污能力的大小，可起到通過水量調(diào)控達(dá)到水質(zhì)目標(biāo)的作用。

計(jì)算單元和水功能區(qū)是按照區(qū)域和河道進(jìn)行劃分的，兩者之間有相互交叉的關(guān)系。分析水量水質(zhì)之間的聯(lián)合調(diào)控，需要在計(jì)算單元與水功能區(qū)之間建立對(duì)應(yīng)關(guān)系(圖1):每個(gè)計(jì)算單元都包含若干個(gè)水功能區(qū)，以確保單元地表徑流能夠匯入對(duì)應(yīng)的水功能區(qū);為確保系統(tǒng)水量轉(zhuǎn)移的完備性，每個(gè)水功能區(qū)也對(duì)應(yīng)存在具有排水關(guān)系的計(jì)算單元，從而使單元用水后的廢污水及退水能夠排入相應(yīng)的水功能區(qū)。這兩層關(guān)系構(gòu)成了針對(duì)水功能區(qū)的水量過程和污染負(fù)荷排放過程，這兩種水量排放關(guān)系分別采用水資源配置模型中的本地徑流排放渠道和未處理污水排放渠道表示。確定每個(gè)計(jì)算單元所涉及的水功能區(qū)的匯流面積比例，將該比例作為本地徑流排放渠道的分水參數(shù)。考慮用水中心和排污口的分布，要確定計(jì)算單元對(duì)水功能區(qū)節(jié)點(diǎn)的未處理污水排放渠道的分水參數(shù)。

圖1 計(jì)算單元與水功能區(qū)關(guān)系示意

改進(jìn)后的水資源配置模型將本地徑流的排放路徑由之前的排入下游計(jì)算單元、下游節(jié)點(diǎn)和水匯改為排入計(jì)算單元所對(duì)應(yīng)的水功能區(qū);將未處理污水的排放路徑由之前的排入下游節(jié)點(diǎn)和水匯改為排入計(jì)算單元所對(duì)應(yīng)的水功能區(qū)。通過模型的改進(jìn)，可以較為準(zhǔn)確地分析出水功能區(qū)節(jié)點(diǎn)的地表徑流水量變化過程和功能區(qū)的廢污水排放量。

2.3 納污能力計(jì)算

水功能區(qū)的納污能力指在水域使用功能不受破壞的條件下，水功能區(qū)受納污染物的最大數(shù)量，即在一定設(shè)計(jì)水量條件下，滿足水功能區(qū)水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)要求的污染物最大允許負(fù)荷量。水功能區(qū)納污能力的大小與水功能區(qū)范圍的大小、水環(huán)境要素的特性和水體凈化能力、污染物的理化性質(zhì)等有關(guān)。污染物最大允許負(fù)荷量的計(jì)算是制定污染物排放總量控制方案的依據(jù)。

保護(hù)區(qū)和保留區(qū)的水質(zhì)目標(biāo)原則上是維持現(xiàn)狀水質(zhì)，其納污能力就是其現(xiàn)狀污染物入河量。而緩沖區(qū)納污能力分為兩種情況處理:對(duì)水質(zhì)較好、用水矛盾不突出的緩沖區(qū)，可采用其現(xiàn)狀污染物入河量為其納污能力;對(duì)水質(zhì)較差或存在用水矛盾的緩沖區(qū)，其納污能力按開發(fā)利用區(qū)納污能力的計(jì)算方法來計(jì)算。對(duì)開發(fā)利用區(qū)納污能力的計(jì)算，需根據(jù)各二級(jí)水功能區(qū)的水文設(shè)計(jì)條件、水質(zhì)目標(biāo)和模型參數(shù)，按水量水質(zhì)模型計(jì)算求得。根據(jù)《全國(guó)水資源綜合規(guī)劃地表水資源保護(hù)補(bǔ)充技術(shù)細(xì)則》要求，寬深比不大的中小型河流可以采用一維水質(zhì)模型計(jì)算其納污能力[10]。水功能區(qū)納污能力的計(jì)算公式為

式中:M為水功能區(qū)納污能力，t/a;ρs為水功能區(qū)下斷面水質(zhì)目標(biāo)控制因子的質(zhì)量濃度，mg/L;ρ0為水功能區(qū)上斷面水質(zhì)目標(biāo)控制因子的質(zhì)量濃度，mg/L;k為污染物綜合衰減系數(shù)，1/s;L為水功能區(qū)長(zhǎng)度，m;x為排污口下游斷面距離水功能區(qū)下斷面的縱向距離，m;u為設(shè)計(jì)流量下的平均流速，m/s;Qr為設(shè)計(jì)流量，m3/s。

設(shè)計(jì)流量Qr的確定，是根據(jù)《全國(guó)水資源綜合規(guī)劃水資源保護(hù)規(guī)劃技術(shù)細(xì)則》的要求，采用長(zhǎng)系列枯水期(12月、1月、2月、3月)75%的保證率流量作為設(shè)計(jì)流量，而對(duì)于集中式飲用水源區(qū)，采用95%的保證率最枯月平均流量作為設(shè)計(jì)流量。

根據(jù)水功能區(qū)納污能力計(jì)算公式，可得到不同水平年各水功能區(qū)的納污能力，將其作為污染控制指標(biāo)。關(guān)于水功能區(qū)達(dá)標(biāo)的水量調(diào)控方案，一方面可以通過對(duì)重點(diǎn)地市的城鎮(zhèn)生活用水和生產(chǎn)用水進(jìn)行削減并調(diào)整用水結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn);另一方面通過主要控制工程的調(diào)控作用影響河道水量變化過程，如蓄水工程可以控制用水的引水和下泄過程，具有最大的控制效應(yīng)，引、提水工程通過水量取用減少河道徑流量，跨流域調(diào)水工程可以增加流域內(nèi)的水循環(huán)通量，具有綜合性的影響。通過對(duì)水利工程的調(diào)控加大枯季下泄水量，提高枯季河道的納污能力，對(duì)比動(dòng)態(tài)水量條件下水功能區(qū)的入河排污量和納污能力，可形成水量調(diào)控方案。

3 實(shí)例分析

3.1 模型構(gòu)建

為驗(yàn)證模型的可行性，選取嫩江流域進(jìn)行實(shí)例分析。嫩江是松花江流域的3大水系之一，位于黑龍江省中西部，介于北緯 46°26'～51°41'，東經(jīng) 119°30'～127°54'之間，發(fā)源于大興安嶺伊勒呼里山中段南側(cè)，于吉林省三岔河處與第二松花江匯合后注入松花江干流，全長(zhǎng)1370km，流域面積29.7萬km2，其較大的支流有霍林河、洮兒河、蛟流河等。根據(jù)1956—2000年45a水文系列計(jì)算，嫩江流域水資源總量為367.7億m3，其中地表水資源量293.8億m3。

嫩江流域共分為尼爾基以上、尼爾基至江橋、江橋以下3個(gè)水資源三級(jí)區(qū)和18個(gè)水資源四級(jí)區(qū)。按照水資源分區(qū)和行政區(qū)的嵌套關(guān)系，在嫩江流域共劃分出水資源四級(jí)區(qū)套地市的基本計(jì)算單元47個(gè)。流域內(nèi)一級(jí)水功能區(qū)105個(gè)，其中，保護(hù)區(qū)34個(gè)，保留區(qū)21個(gè)，開發(fā)利用區(qū)32個(gè)，緩沖區(qū)18個(gè)。一級(jí)水功能區(qū)中的32個(gè)開發(fā)利用區(qū)又劃分為58個(gè)二級(jí)水功能區(qū)。嫩江流域水資源分區(qū)及水功能區(qū)以及系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)圖見圖2和圖3。

圖2 嫩江流域水資源分區(qū)與水功能區(qū)

通過徑流匯流面積以及排污口分布情況，可確定本地徑流排放渠道和未處理污水渠道的分水參數(shù)。嫩江流域部分計(jì)算單元與水功能區(qū)地表匯流及廢污水排放關(guān)系見表1。

表1 計(jì)算單元與水功能區(qū)地表匯流及廢污水排放關(guān)系

3.2 水量模擬調(diào)控方案

圖3 嫩江流域系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)

水量模擬調(diào)控模型以2005年為現(xiàn)狀年，以2020年為規(guī)劃水平年。經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整、用水效率提高、節(jié)水力度加大、生態(tài)環(huán)境保護(hù)目標(biāo)變化等諸多因素，導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)社會(huì)對(duì)水的需求可能有較大的差異，因此，用基本方案(一般節(jié)水模式)和節(jié)水方案(強(qiáng)化節(jié)水模式)2套方案來預(yù)測(cè)嫩江流域不同水平年的需水量過程，并結(jié)合流域未來供水工程的規(guī)劃建設(shè)，確定流域水量供需平衡結(jié)果，見表2。

由表2可以看出，在基本方案需水條件下，2020年嫩江流域的缺水量為12.9億m3，缺水率達(dá)6.5%左右。采用節(jié)水方案后，2020年缺水量降低至7.46億m3，缺水率達(dá)4.1%左右。由此可見，采用節(jié)水方案后，嫩江流域的缺水情況有所緩解，但仍存在一定程度的水資源供需壓力，需要增強(qiáng)水量綜合調(diào)控。

3.3 納污能力的計(jì)算

本次納污能力的計(jì)算選取1956—2000年共45 a的長(zhǎng)系列資料。依據(jù)水量配置模型中建立的水功能區(qū)和計(jì)算單元之間的水量排放關(guān)系，輸出各水功能區(qū)在不同水量調(diào)度方案下的長(zhǎng)系列斷面水量過程，選擇嫩江流域的兩個(gè)主要控制斷面(尼爾基、江橋)及部分支流上的蓄水工程(畢拉河口、音河)所對(duì)應(yīng)的水功能區(qū)作為典型水功能區(qū)進(jìn)行分析。嫩江流域典型水功能區(qū)基本方案(B05、B20)和節(jié)水方案(W20)的流量特征值及90%頻率枯季月流量過程分別見表3和表4。

表2 嫩江流域水量供需平衡結(jié)果 億m3

表3 嫩江流域典型水功能區(qū)流量特征值 m3/s

表4 嫩江流域典型水功能區(qū)90%枯季月流量過程m3/s

由表3可以看出，采用節(jié)水方案后，典型水功能區(qū)的年平均流量、年最小流量和90%頻率年流量均有所提升，且年最小流量提升幅度大于年平均流量的提升幅度。由表4可以看出，未來用水量增加后，90%頻率枯季月流量較現(xiàn)狀均有所減少，但是由于節(jié)水方案在河道外用水減少的同時(shí)也調(diào)整了流域主要控制工程下泄流量的控制調(diào)度方式，對(duì)尼爾基以下具有較大河道外引水量的控制斷面的枯季水量有較大的提升作用。

流域典型水功能區(qū)COD和NH3-N的納污能力計(jì)算結(jié)果見表5?；痉桨负凸?jié)水方案中2020年COD、NH3-N納污能力增幅分別為1.84萬 t/a和0.12萬t/a，可見，不同的水量調(diào)控方案中，采取節(jié)水減排的同時(shí)，通過主要控制工程的調(diào)控作用，可使得問題比較嚴(yán)重的枯季河道納污能力和河道水質(zhì)得到較大改善。

表5 嫩江流域典型水功能區(qū)納污能力計(jì)算 t/a

4 結(jié)論

對(duì)基于規(guī)則的水資源配置模型進(jìn)行改進(jìn)，使之與水功能區(qū)目標(biāo)相結(jié)合，建立用水變化、徑流變化和水功能區(qū)納污能力之間的動(dòng)態(tài)分析關(guān)系，為實(shí)現(xiàn)水量水質(zhì)聯(lián)合模擬和調(diào)控奠定計(jì)算基礎(chǔ)，使水量調(diào)控和水質(zhì)模擬結(jié)合得更加緊密。

a.通過建立計(jì)算單元與水功能區(qū)之間的天然徑流和廢污水排放，動(dòng)態(tài)地銜接了水量調(diào)控和水功能區(qū)納污能力之間的關(guān)系，起到了通過水量調(diào)控達(dá)到水質(zhì)目標(biāo)的作用。

b.改進(jìn)后的水量模擬調(diào)控模型不同于以往缺乏對(duì)河流水質(zhì)目標(biāo)的考慮以及對(duì)水量與水質(zhì)的動(dòng)態(tài)關(guān)系分析，為水量和污染負(fù)荷雙重平衡進(jìn)行交互式的模擬分析奠定了水量基礎(chǔ)。

c.通過整體節(jié)水措施、重點(diǎn)區(qū)域用水結(jié)構(gòu)調(diào)整和主要控制工程調(diào)控作用，形成源頭節(jié)水減排、水量合理分配、工程調(diào)配的水量調(diào)控方案。

d.模型構(gòu)建具有靈活性，只需要對(duì)模型中的節(jié)點(diǎn)和渠道做適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，就可將水功能區(qū)與水量配置模型結(jié)合起來，操作簡(jiǎn)單，對(duì)水功能區(qū)劃的流域具有普遍適用性。

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