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        遼寧省遼河流域水質(zhì)水量聯(lián)合配置模型及結(jié)果分析

        2015-03-05 06:55:24康愛卿謝新民魏傳江
        中國水利 2015年3期
        關(guān)鍵詞:水質(zhì)模型

        康愛卿,謝新民,魏傳江

        (1.山西省水文水資源勘測(cè)局,030001,太原;2.中國水利水電科學(xué)研究院,100038,北京)

        河流水生態(tài)修復(fù)和用水戶對(duì)水質(zhì)的要求,使水資源配置過程中一方面要求從水量和水質(zhì)的雙要素出發(fā),分析水質(zhì)因素對(duì)水資源總體配置的影響;另一方面基于水功能區(qū)納污總量控制要求,必須實(shí)行污染物的定量削減。目前已有學(xué)者建立了水質(zhì)水量聯(lián)合配置模型,通過分質(zhì)供水模式下的水資源配置,分析水質(zhì)因素對(duì)水資源配置的影響,識(shí)別因水質(zhì)惡化而導(dǎo)致的供水損失量——水質(zhì)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(duì)污染物產(chǎn)生、截留以及入河、擴(kuò)散和轉(zhuǎn)移等過程進(jìn)行模擬,為水功能區(qū)水質(zhì)保護(hù)和納污總量控制進(jìn)行污染物定量削減提供了科學(xué)依據(jù)。分質(zhì)供水配置模型和基于宏觀概化框架下的水質(zhì)模擬模型進(jìn)行耦合運(yùn)行,實(shí)現(xiàn)了水質(zhì)水量的聯(lián)合配置。

        一、水質(zhì)水量聯(lián)合配置基本原理

        水質(zhì)水量聯(lián)合配置研究的主要目的是根據(jù)不同用水戶對(duì)水質(zhì)要求實(shí)現(xiàn)分質(zhì)供水配置。對(duì)于地表水體要求入河污染物滿足河流水功能區(qū)納污能力要求,不致使河流水體水質(zhì)下降,影響供水和破壞水生生態(tài)系統(tǒng);對(duì)于地下水則根據(jù)地下水承載體的本底污染因子濃度和人類活動(dòng)對(duì)地下水的影響,模擬計(jì)算符合供水水質(zhì)要求的地下水供水量。

        1.分質(zhì)供水配置

        各行業(yè)對(duì)供水水質(zhì)的要求是不同的,按照現(xiàn)階段的用水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn),Ⅰ~Ⅲ類水可供各行業(yè),Ⅳ類水可供工業(yè)、農(nóng)業(yè)、生態(tài)環(huán)境等,Ⅴ類水只能用于農(nóng)業(yè)、生態(tài)環(huán)境等。根據(jù)水質(zhì)模型模擬得到各節(jié)點(diǎn)、斷面和地下水水質(zhì)類型,建立水資源優(yōu)化配置模型,對(duì)不同地區(qū)、用戶進(jìn)行時(shí)空上的水資源配置。

        2.生態(tài)環(huán)境需水要求

        在水質(zhì)水量聯(lián)合配置過程中,基于河流水功能區(qū)納污能力要求,根據(jù)河流水功能區(qū)環(huán)境容量計(jì)算過程中所規(guī)定的水量要求作為生態(tài)環(huán)境需水量,以此作為河道內(nèi)用戶需水要求參與水資源配置系統(tǒng)計(jì)算。

        3.系統(tǒng)概化

        系統(tǒng)概化包括單元概化和水功能區(qū)概化。在水質(zhì)水量聯(lián)合配置過程中,用水單元也為產(chǎn)污單元。在計(jì)算單元內(nèi)包含居民生活、農(nóng)業(yè)、工業(yè)和生態(tài)等不同用水行業(yè),在用水過程中產(chǎn)生的廢水,通過本單元內(nèi)的截污措施實(shí)現(xiàn)削減之后通過排水系統(tǒng)進(jìn)入河道。在原有水功能區(qū)劃分基礎(chǔ)上,根據(jù)本次研究概化空間尺度要求,對(duì)原有河流水功能區(qū)進(jìn)行了合并與調(diào)整。在調(diào)整過程中要以嚴(yán)格遵守水功能區(qū)水質(zhì)為目標(biāo),采取就“高”原則,并在水資源配置系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)圖中的不同水功能區(qū)通過上下游節(jié)點(diǎn)予以表示。

        4.三次平衡配置模式

        三次平衡配置模式是根據(jù)水資源配置過程中不同的配置條件層次進(jìn)行問題識(shí)別對(duì)策分析。一次平衡分析首先進(jìn)行基準(zhǔn)年現(xiàn)實(shí)模擬,得到模型系統(tǒng)參數(shù),然后根據(jù)水資源可持續(xù)利用原則,扣除地下水超采部分和占用河道內(nèi)生態(tài)用水量情況下的不同水平年總體配置格局,識(shí)別因水體污染、工程投資不足等原因?qū)λY源配置格局的影響。二次平衡是在一次平衡的基礎(chǔ)上,首先進(jìn)行用水效率與效益分析評(píng)價(jià),減少不合理需求;其次通過新增水利工程投資擴(kuò)大工程供水能力;最后根據(jù)水功能區(qū)納污要求和供水水質(zhì)要求實(shí)現(xiàn)截污減排,減少甚至避免水質(zhì)型缺水。三次平衡是在二次平衡的基礎(chǔ)上,充分挖掘本地供水潛力,統(tǒng)籌考慮外流域可調(diào)水量,實(shí)現(xiàn)本地水和外調(diào)水聯(lián)合調(diào)配。

        二、水質(zhì)水量聯(lián)合配置模型

        1.模型構(gòu)建

        (1)分質(zhì)供水配置模塊

        分質(zhì)供水配置模型是在國家“八五”期間開發(fā)的基于宏觀經(jīng)濟(jì)水資源配置模型和國家“九五”期間開發(fā)的面向生態(tài)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)水資源配置模型的基礎(chǔ)上,通過二次開發(fā)加載分質(zhì)供水模塊而完成的。該模塊根據(jù)水資源優(yōu)化配置水質(zhì)模擬模型計(jì)算中各個(gè)節(jié)點(diǎn)的水質(zhì)類型和地下水?dāng)?shù)值模擬模型計(jì)算中各計(jì)算單元地下水的可開采量上限、地下水水質(zhì)類型,在水資源配置時(shí)對(duì)各用水戶分質(zhì)分級(jí)供水,實(shí)現(xiàn)水資源水量與水質(zhì)聯(lián)合配置,滿足經(jīng)濟(jì)社會(huì)和生態(tài)環(huán)境健康發(fā)展的用水要求。

        (2)基于水資源配置的水質(zhì)模擬模塊

        污染物模擬主要包括污染物的產(chǎn)生、截留、入河以及污染物在河道內(nèi)的運(yùn)移和擴(kuò)散。根據(jù)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)圖,模型系統(tǒng)將計(jì)算單元作為污染物負(fù)荷產(chǎn)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(diǎn)源污染物和非點(diǎn)源污染物入河兩大部分。根據(jù)全國水資源綜合規(guī)劃大綱要求,本次研究選擇污染物指標(biāo)包括COD和氨氮。基于宏觀概化和研究需求,本次河道內(nèi)水質(zhì)模擬采用一維水質(zhì)模型進(jìn)行模擬。通過水質(zhì)模擬得到各控制斷面和節(jié)點(diǎn)的污染物濃度,最后通過單因子法進(jìn)行水質(zhì)類型識(shí)別。

        2.模型運(yùn)行過程

        水質(zhì)水量聯(lián)合配置實(shí)行二次配置過程。一次配置即初始配置,是傳統(tǒng)意義上非分質(zhì)供水的配置,認(rèn)為水質(zhì)對(duì)水量配置無影響,實(shí)行非分質(zhì)供水模式下的水資源配置。二次配置過程是考慮水質(zhì)對(duì)配置的影響,實(shí)行分質(zhì)供水。在具體配置過程中,首先利用水資源配置模型進(jìn)行傳統(tǒng)意義下的供需平衡分析,對(duì)各用戶、行業(yè)的供用耗排過程和河道內(nèi)各節(jié)點(diǎn)、斷面的水量過程進(jìn)行模擬,完成水資源的初次配置。然后,水質(zhì)模型以初次配置的水流傳輸關(guān)系為基本輸入,進(jìn)行污染物的產(chǎn)生、截留和水質(zhì)模擬,得到各用戶、行業(yè)的污染物產(chǎn)生量、截留量、入河量和各斷面、節(jié)點(diǎn)的污染物濃度和水質(zhì)類型。最后根據(jù)各用戶、行業(yè)對(duì)水質(zhì)類型的要求,實(shí)行分質(zhì)供水模式下的水資源配置,完成二次配置過程(見圖1)。

        三、實(shí)例應(yīng)用

        遼寧省遼河流域是我國河流中污染最為嚴(yán)重的流域之一。特別是在渾太河地區(qū),集中了以沈陽、撫順、遼陽、鞍山、本溪和營口為主要構(gòu)成的遼寧省中部城市群。在渾太河地區(qū),工業(yè)密集,人口集中污染嚴(yán)重,水質(zhì)型缺水突出。在渾河和太子河上游工業(yè)廢水不經(jīng)處理直接排放入河或者下游直接引用工業(yè)廢水進(jìn)行農(nóng)業(yè)灌溉,形成了點(diǎn)源污染物向非點(diǎn)源污染轉(zhuǎn)換的二次污染。遼河流域作為東北老工業(yè)基地振興的龍頭區(qū)域,對(duì)于保證供水安全、確保河流水生生態(tài)系統(tǒng)健康發(fā)展具有重要的意義。因此有必要對(duì)遼河流域開展水質(zhì)水量聯(lián)合配置研究。通過對(duì)渾太河流域系統(tǒng)概化,形成9個(gè)水資源四級(jí)分區(qū)和36個(gè)計(jì)算單元分區(qū)等,構(gòu)成遼寧省遼河流域水質(zhì)水量聯(lián)合配置系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)圖。

        1.水資源配置

        圖1 水質(zhì)水量聯(lián)合配置模型運(yùn)行過程

        遼河流域水質(zhì)水量聯(lián)合配置選擇2012年為基準(zhǔn)年,根據(jù)2012年的供用水狀況、治污狀況以及斷面水質(zhì)狀況進(jìn)行參數(shù)率定。通過1956—2000年逐月長系列模擬調(diào)算2020年、2030年規(guī)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(jìn)行基準(zhǔn)年分析,研究區(qū)域水資源開發(fā)利用過程中存在的問題,提出規(guī)劃年開發(fā)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(shè)定

        配置方案包括本地水方案、中水回用方案、外調(diào)水方案、節(jié)約用水方案、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整方案和污染物截留方案。本地水方案主要針對(duì)本區(qū)內(nèi)地下水超采狀況和擠占河道內(nèi)生態(tài)用水狀況進(jìn)行設(shè)定;中水回用方案擬提高中水在整個(gè)供水中的組成比例;外調(diào)水方案擬緩解流域資源型缺水狀況;產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整主要是通過萬元GDP污染物產(chǎn)生量指標(biāo)來衡量,為建立綠色GDP發(fā)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(jié)果分析

        水質(zhì)水量聯(lián)合配置結(jié)果分析主要包括非分質(zhì)供水平衡分析、分質(zhì)供水平衡分析、水質(zhì)型缺水識(shí)別和水功能區(qū)斷面水質(zhì)評(píng)價(jià)、水功能區(qū)納污能力評(píng)價(jià)。

        在水資源配置過程中,通過初始配置得到非分質(zhì)供水情況下的配置結(jié)果。然后根據(jù)水質(zhì)模擬結(jié)果,以各斷面、節(jié)點(diǎn)水質(zhì)為基本輸入,通過二次配置完成分質(zhì)供水模式下的水資源配置。具體配置結(jié)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(yán)重,特別是在分質(zhì)供水情況下,缺水量增加,說明在遼河流域存在水質(zhì)型缺水。對(duì)比分質(zhì)供水和非分質(zhì)供水狀況可以看出,水質(zhì)型缺水主要集中在渾太河流域。渾太河流域2012年水質(zhì)型缺水量為6.55億m3,占全部缺水量的30.2%。到2030年水質(zhì)型缺水量為0.58億m3,說明采取的截污減排措施相對(duì)合理,水功能區(qū)水質(zhì)惡化形勢(shì)得到初步緩解?;鶞?zhǔn)年遼河流域缺水較為嚴(yán)重,資源型缺水和水質(zhì)型缺水并存。規(guī)劃水平年實(shí)施了大伙房輸水工程、新立城水庫調(diào)水工程以及截污減排方案等,減少了水質(zhì)型缺水,增加了供水量。

        基準(zhǔn)年松遼流域COD入河量已經(jīng)超出水功能區(qū)納污總量。特別是點(diǎn)源在全流域?qū)嶋H入河量是允許點(diǎn)源入河量的4.31倍。通過規(guī)劃水平年產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和截污減排措施,污染物入河量基本上控制在水功能區(qū)納污能力范圍之內(nèi),實(shí)現(xiàn)了水功能區(qū)納污總量控制,有效控制了入河污染物量,提高了水功能區(qū)斷面水質(zhì)達(dá)標(biāo)率。

        根據(jù)45年長系列逐月水質(zhì)模擬結(jié)果以及達(dá)標(biāo)評(píng)價(jià)方法,得到最后的斷面水質(zhì)達(dá)標(biāo)評(píng)價(jià)結(jié)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(zhì)達(dá)標(biāo)率達(dá)到100%之外,其余斷面多年平均達(dá)標(biāo)率不超過40%,特別是在汛期斷面水質(zhì)達(dá)標(biāo)也只有50%,說明2012年渾太河流域水質(zhì)惡化問題較為嚴(yán)重,污染物入河量嚴(yán)重超過水功能區(qū)納污總量。在規(guī)劃年,隨著截污減排措施的實(shí)施,斷面水質(zhì)逐漸好轉(zhuǎn),達(dá)標(biāo)率逐漸提高。到2020年除大遼河斷面之外,其余斷面全年水質(zhì)達(dá)標(biāo)率達(dá)到75%,超過水利部要求的水功能區(qū)在2020年之前水質(zhì)達(dá)標(biāo)率達(dá)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(yōu)先順序原則,在保證居民生活用水的情況下,確保河道內(nèi)生態(tài)用水量,因此規(guī)劃年基于理想配置,缺水主要集中在工業(yè)和農(nóng)業(yè)等河道外用水要求。從遼河流域總體配置格局出發(fā),首先在渾太河流域開展大伙房輸水工程,通過新建后續(xù)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(nèi)生態(tài)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(diào)水,置換擠占河道內(nèi)生態(tài)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(jié)果

        表3 遼河流域水功能區(qū)水質(zhì)達(dá)標(biāo)評(píng)價(jià)結(jié)果 (單位:%)

        (2)截污減排措施

        ①產(chǎn)污控制

        水質(zhì)型缺水在遼河流域比較突出,緩解水質(zhì)型缺水的主要措施在于從源頭上減少污染物的產(chǎn)生。因此,減排措施主要通過產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整,實(shí)現(xiàn)綠色生產(chǎn),從源頭上控制污染物的產(chǎn)生量,最終實(shí)現(xiàn)河流水功能區(qū)水質(zhì)達(dá)標(biāo)、納污總量控制的要求。遼河流域污染物(COD)產(chǎn)生控制指標(biāo)如表4所示。

        規(guī)劃水平年萬元GDP污染物產(chǎn)生量變化較為明顯。遼河流域基準(zhǔn)年萬元GDP污染物產(chǎn)生量為15.6 kg,2030年為3.1 kg,降幅達(dá)到 80%以上。從產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)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(guī)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(guī)模模擬結(jié)果見表5和表6。

        表4 遼河流域污染物產(chǎn)生量控制指標(biāo)結(jié)果(COD)

        表5 遼河流域污水產(chǎn)生量基本污水處理率模擬結(jié)果

        表6 遼河流域污水處理廠規(guī)模 單位:萬t/d

        四、結(jié) 論

        水質(zhì)水量聯(lián)合配置是水資源配置的最新要求。通過建立基于水資源優(yōu)化配置系統(tǒng)框架下的水質(zhì)模擬模型,對(duì)污染物的產(chǎn)生、截留以及入河、降解等全過程進(jìn)行模擬,不僅為實(shí)行分質(zhì)供水的水質(zhì)類型輸入提供了可靠的依據(jù),同時(shí)也為實(shí)行水功能區(qū)污染物總量控制提供了科學(xué)依據(jù),實(shí)現(xiàn)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(xué)進(jìn)展,2012,17(3).

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        [5]許新宜,王浩.華北地區(qū)宏觀經(jīng)濟(jì)水資源規(guī)劃理論與方法[M].鄭州:黃河水利出版社,1997.

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