李善綜，王 森，方 晶

(1. 水利部珠江水利委員會技術(shù)咨詢中心，廣州 510611；2.水利部珠江河口動力學(xué)及伴生過程調(diào)控重點實驗室，廣州 510611；3. 國家知識產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作廣東中心，廣州 510611)

水資源可利用量是在可預(yù)見的時期內(nèi)，在統(tǒng)籌考慮河道內(nèi)生態(tài)環(huán)境和其他用水的基礎(chǔ)上，通過經(jīng)濟(jì)合理、技術(shù)可行的措施，可供河道外生活、生產(chǎn)、生態(tài)用水的一次性最大水量(不包括回歸水的重復(fù)利用)，水資源可利用量是從資源的角度分析可能被消耗利用的水資源量[1]。水資源可利用量是綜合規(guī)劃區(qū)域水資源的節(jié)約、保護(hù)、配置、開發(fā)、利用和治理措施的條件，又是進(jìn)行水資源承載能力分析的基礎(chǔ)[2]，傳統(tǒng)的水資源評價并未確立可持續(xù)準(zhǔn)則來指導(dǎo)水資源的開發(fā)利用活動，用狹義的水資源評價結(jié)果替代國民經(jīng)濟(jì)水資源可利用量，在這種思想下引發(fā)了一系列不恰當(dāng)?shù)乃Y源開發(fā)利用方式和行為，造成了許多的不良后果[3]。河流的開發(fā)利用不僅需要考慮水資源數(shù)量的約束，還應(yīng)該考慮河流內(nèi)在的水質(zhì)約束，目前應(yīng)用的水資源可利用量計算方法中對于河流水質(zhì)的考慮大多還是基于用水戶取水水質(zhì)要求的角度，對于河流自身內(nèi)在的水質(zhì)約束考慮不足，而對于河流水體納污的約束性研究又多集中于與污染物入河量的聯(lián)系，河流內(nèi)在水質(zhì)約束與河流水資源可利用量之間的交叉研究較為缺乏，目前應(yīng)用的水資源可利用量核算中水質(zhì)約束考慮不足，對河流水資源開發(fā)潛力存在誤判的可能。本文提出了一種基于水質(zhì)約束的中小河流水資源可利用量計算方法，首先總結(jié)了當(dāng)前河流水資源可利用量計算所采用的常規(guī)方法，進(jìn)而提出了以河流水質(zhì)約束為研究對象的中小河流水資源可利用量計算方法，提出了方法的主要思路并采用某地區(qū)的計算實例闡述了方法的核心步驟，本文提出的基于水質(zhì)約束的水資源可利用量計算方法豐富了河流水資源可利用量計算方法體系，對于確定或復(fù)核河流合理的水資源可利用量具有積極意義。

1 水資源可利用量計算方法概述

目前水資源可利用量計算方法體系總體上仍是以水資源數(shù)量為核心，國內(nèi)通常采用的方法是扣損法，即以河流水資源總量為基礎(chǔ)，扣除不可利用的水資源量，如河道內(nèi)生態(tài)、生產(chǎn)需水量，跨流域調(diào)水量和汛期難以利用的洪水等[3][4]。高建芳等采用倒算法，以艾比湖為研究對象，從地表水資源量中扣除維護(hù)生態(tài)環(huán)境最小需求量，分析計算了艾比湖水資源可利用量[5]。劉永峰等在研究湟水干流水資源可利用量時采用正算法、經(jīng)驗估算法等以用水消耗系數(shù)計算相應(yīng)的可供河道外一次性利用的水量。劉克巖等以河北省灤河山區(qū)為研究實例，提出了以流域為單元，以水功能區(qū)劃為計算基礎(chǔ)的水資源可利用量量質(zhì)結(jié)合的評價方法[6]。張蕾等在水資源可利用量的基礎(chǔ)上，結(jié)合水質(zhì)污染造成水體功能衰退的影響，提出了有效水資源可利用量的計算思路，以水資源可利用量為基礎(chǔ)，去除由于污染不滿足水功能區(qū)功能要求的水資源數(shù)量以得到有效水資源可利用量，并以西江、北江及其三角洲河網(wǎng)區(qū)為評價對象，對方法具體實施方式進(jìn)行了闡述[7]；杜曉舜等以洛陽市為研究對象，將地表徑流中基流部分按比例劃出，與河道汛期棄水量加在一起作為河道的生態(tài)需水量，從地表水資源量中扣除生態(tài)需水量后得到地表水的實際可利用量[8]。曲煒等以多年平均水資源總量為限制條件，利用大系統(tǒng)、多目標(biāo)優(yōu)化方法對社會經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)和生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化研究，建立協(xié)調(diào)模型，把多目標(biāo)問題轉(zhuǎn)化為單目標(biāo)問題，計算水資源可利用量[9]。

目前國內(nèi)水資源可利用量仍以水資源數(shù)量方面的研究為主，少數(shù)涉及量質(zhì)結(jié)合的研究也偏向于水體功能要求及分質(zhì)供水的思路，結(jié)合河流內(nèi)在水質(zhì)約束及流域排污結(jié)構(gòu)的研究方法較少。

2 基于水質(zhì)約束的水資源可利用量計算方法

本文提出一種基礎(chǔ)水質(zhì)約束的中小河流水資源可利用量計算方法，本方法主體思路是結(jié)合河流水質(zhì)內(nèi)在的納污能力約束，在充分調(diào)查獲取流域用水及廢污水指標(biāo)的情況下，通過分析、預(yù)測分類用水戶單位用水量產(chǎn)生的污染物入河量指標(biāo)建立河流納污能力與規(guī)劃年用水總量之間的聯(lián)系，將納污能力限制指標(biāo)通過以上手段轉(zhuǎn)化為規(guī)劃用水結(jié)構(gòu)下流域最大可用水量指標(biāo)。本文方法技術(shù)路線見圖1。

圖1 技術(shù)路線圖Fig.1 Technology Roadmap

本方法具體步驟如下：

(1)確定水質(zhì)敏感因子并計算納污能力：通過現(xiàn)場調(diào)查、資料收集以及檢測檢驗手段確定河流現(xiàn)狀水質(zhì)情況，確定河流水質(zhì)管理目標(biāo)并分析計算河流的基本水文特征，根據(jù)現(xiàn)狀水質(zhì)情況以及入河污染物的主要特征確定影響河流水質(zhì)的主要水質(zhì)敏感因子假定為A，在此基礎(chǔ)上根據(jù)河流現(xiàn)狀水質(zhì)中敏感因子A的濃度、水質(zhì)管理目標(biāo)中敏感因子A濃度限值及河流水文條件選擇相應(yīng)方法計算河流對應(yīng)敏感因子A的納污能力數(shù)值WA；

(6)計算規(guī)劃年規(guī)劃用水結(jié)構(gòu)下單位用水產(chǎn)生的水質(zhì)敏感因子A的入河量：

(1)

(7)河流水質(zhì)敏感因子A的納污能力WA與現(xiàn)狀A(yù)的入河總量WA現(xiàn)狀相加為規(guī)劃年河道維持目標(biāo)水質(zhì)條件下可容納的水質(zhì)敏感因子A的總量，以該指標(biāo)除以規(guī)劃年單位用水產(chǎn)生的水質(zhì)敏感因子A的入河量指標(biāo)即得規(guī)劃年以敏感因子A衡量的水資源可利用量指標(biāo)：

(2)

(8)單個水質(zhì)敏感因子A按照以上步驟計算可得到相應(yīng)水資源可利用量，若經(jīng)分析確定有{A,B,C..}等多個水質(zhì)敏感因子，則應(yīng)計算所有水質(zhì)敏感因子對應(yīng)的水資源可利用量值，取其中最小值min{QA，QB，…}即為基于河流水質(zhì)約束的河流水資源可利用量推薦成果。

3 案例應(yīng)用

3.1 基本情況

本文以南方地區(qū)某河流為研究對象應(yīng)用本方法進(jìn)行計算，該河流位于偏遠(yuǎn)山區(qū)，河道全長7 km，集水面積23.2 km2。流域地表水資源量約1 160 萬m3，地下水資源量約為215 萬m3，地下水資源與地表水資源不重復(fù)量為0，即地下水與地表水重復(fù)量215 萬m3，根據(jù)南方地區(qū)水資源總量計算方法，流域水資源總量=地表水資源量+地下水資源量-重復(fù)量=1 160 萬m3。流域內(nèi)無工礦企業(yè)，人口主要集中于流域下游，城鎮(zhèn)人口約0.2 萬人，農(nóng)村人口1.1 萬人，牲畜2 萬頭，流域內(nèi)耕地1 400 hm2，有效灌面約130 hm2。根據(jù)地區(qū)用水統(tǒng)計資料，當(dāng)前流域農(nóng)田灌溉年用水105 萬m3，城鎮(zhèn)居民生活用水量約為6.6 萬m3，城鎮(zhèn)公共用水1.0 萬m3，畜牧業(yè)及農(nóng)村居民生活用水量分別為14.6 萬m3、26.1 萬m3，河流現(xiàn)狀水質(zhì)為Ⅲ類，水質(zhì)管理目標(biāo)為Ⅲ類。

3.2 扣損法計算的流域水資源可利用量

扣損法是計算地表水位資源可利用量較為傳統(tǒng)的方法，即以流域總的地表水資源量扣除河道內(nèi)生態(tài)需水量、生產(chǎn)需水量、跨流域調(diào)水量以及汛期不可利用的洪水量等，得到整個流域的水資源可利用量，是一個反向計算的過程[3,5,8-10]。其計算可用下式表示:

W地表水資源可利用量=W地表水資源量-W河道內(nèi)需水量-

W洪水棄水-W跨流域調(diào)水

(3)

在本例中，研究流域地表水資源量W地表水資源量=1 160 萬m3；研究流域無跨流域調(diào)水，W跨流域調(diào)水=0；河道內(nèi)需水主要是河道內(nèi)生態(tài)需水，取地表水資源量的10%，W河道內(nèi)需水量=W河道內(nèi)生態(tài)需水=W地表水資源量×10%=116 萬m3；根據(jù)流域汛期棄水調(diào)查分析，本流域汛期不能控制的洪水資源量約占全年水資源量的50%，為580 萬m3。將以上數(shù)據(jù)代入計算式得出扣損法計算本流域水資源可利用量為464 萬m3。

3.3 基于水質(zhì)約束計算的流域水資源可利用量

結(jié)合本文提出方法技術(shù)路線及具體步驟，確定本方法在研究案例中應(yīng)用計算過程如下：

(1)確定水質(zhì)敏感因子并計算納污能力：根據(jù)河段水質(zhì)檢測成果，確定河段影響水質(zhì)的主要水質(zhì)敏感因子為化學(xué)需氧量(以下簡稱COD)，現(xiàn)狀水體COD濃度為19 mg/L，本河段水質(zhì)管理目標(biāo)為Ⅲ類，COD對應(yīng)濃度上限為20 mg/L，根據(jù)水域納污能力計算規(guī)程，參照該河流基本水文條件，計算河流COD的納污能力WCOD=2.1 t/a。

(2)調(diào)查流域用水情況，流域內(nèi)用水主要有“農(nóng)田灌溉，畜牧業(yè)，城鎮(zhèn)公共用水，城鎮(zhèn)居民生活，農(nóng)村居民生活”等5項，統(tǒng)計并分析其對應(yīng)用水量分別為{105,4.6,1.0,6.6,26.1}(萬m3)，調(diào)查流域各用水類型產(chǎn)生的廢污水入河量情況，統(tǒng)計對應(yīng)廢污水入河量分別為{31.5,2.9,0.3,5.3,5.2}(萬m3)，計算各用水類型每單位用水產(chǎn)生的廢污水入河量的比例為{30%，20%，30%，80%，20%}，采用資料分析、檢測檢驗手段確定各類型廢污水的COD濃度為{60,90,70,120,130}(mg/L)，根據(jù)廢污水入河量及廢污水中COD濃度計算各類型用水產(chǎn)生的COD入河量并計算現(xiàn)狀COD入河總量 為5.2 t/a；

(3)預(yù)測規(guī)劃年用水結(jié)構(gòu)：結(jié)合流域內(nèi)社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)劃、政策文件要求、水利發(fā)展規(guī)劃、用水總量及用水效率約束，預(yù)測規(guī)劃年流域各用水類型的用水需求量分別為{200，36.5,4.4,21.9,26.3}(萬m3)；

(4)預(yù)測規(guī)劃年單位用水產(chǎn)生的廢污水入河量：參考流域現(xiàn)狀各用水類型每單位用水產(chǎn)生的廢污水入河量、相關(guān)規(guī)范以及發(fā)達(dá)地區(qū)經(jīng)驗值等因素，預(yù)測規(guī)劃年流域各用水類型每單位用水產(chǎn)生的廢污水入河量的比例為{20%，15%，20%，70%，15%}；

(5)預(yù)測規(guī)劃年廢污水排放濃度：綜合考慮現(xiàn)狀廢污水排放濃度、廢污水排放標(biāo)準(zhǔn)要求以及發(fā)達(dá)地區(qū)經(jīng)驗值等因素，預(yù)測本流域規(guī)劃年各用水類型產(chǎn)生的入河廢污水中COD的排放濃度{60,90,70,120,130}(mg/L)；

(6)計算規(guī)劃年規(guī)劃用水結(jié)構(gòu)下單位用水產(chǎn)生的COD入河量W綜為18.5 kg/萬m3；

本案例中對部分條件進(jìn)行了一定的簡化，如未考慮規(guī)劃年取用水變動時用水結(jié)構(gòu)一般難以等比例變化以及取用水量增長會對水域納污能力有一定影響等，在實踐應(yīng)用中應(yīng)對以上問題進(jìn)行合理處理。

3.4 成果對比

根據(jù)扣損法及本文方法計算成果對比，扣損法計算水資源可利用量過程中以水資源數(shù)量的可利用性為主，不能體現(xiàn)河流內(nèi)在的水質(zhì)要素對流域用水的約束，其成果相對本文方法計算成果偏大，若以扣損法計算成果為流域水資源開發(fā)利用上限，則流域用水排污無疑將突破河流水質(zhì)條件限制，這在當(dāng)前水資源保護(hù)工作日益重要的大背景下是不合理也不實際的。而本文提出的方法引入了河流內(nèi)在水質(zhì)要素對流 域取用水上限的約束性，與常規(guī)以水資源數(shù)量為主的水資源可利用量計算方法互補(bǔ)，可以為指導(dǎo)流域水資源的開發(fā)利用提供更為科學(xué)的依據(jù)。

4 結(jié)論及展望

本文提出了一種基于水質(zhì)約束的河流水資源可利用量計算方法，在一定程度上將目前水利行業(yè)推行的水域納污能力控制及用水總量控制兩條水資源管理保護(hù)路線的交叉性進(jìn)行了探索性的研究，提出了一種在河流水資源開發(fā)利用量計算中統(tǒng)一水量與水質(zhì)約束的研究思路。

文章具體闡述了方法的主要技術(shù)路線及計算步驟，并以南方地區(qū)某河流為例，采用扣損法及本文方法計算了河流水資源可利用量?？蹞p法計算成果大于本文方法計算成果，可以看出常規(guī)數(shù)量型方法計算的水資源可利用量存在突破河流內(nèi)在水質(zhì)約束的可能性，水資源可利用性的計算應(yīng)以量、質(zhì)結(jié)合的方式綜合確定，才能夠更好的指導(dǎo)流域水資源的開發(fā)利用。

本文方法的提出對于完善河流水資源可利用量計算方法體系具有探索意義，也對進(jìn)一步提高河流水資源開發(fā)利用的科學(xué)性具有一定的應(yīng)用價值和指導(dǎo)意義。

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