基于水功能區的水量調控模型研究

魏 娜，游進軍，解建倉，賈仰文，牛存穩

(1.西安理工大學水利水電學院，陜西西安 710048;2.中國水利水電科學研究院流域水循環模擬與調控國家重點實驗室，北京 100038)

水資源是人類生存和經濟社會發展的物質基礎，水量、水質是水資源的二重屬性，水資源短缺與水質惡化嚴重制約了我國經濟社會的可持續發展。不同種類用水對水量和水質的要求不同，需要結合水質的要求對水量進行合理分配，因此水量水質聯合調控就顯得尤為重要。目前關于水量水質聯合調控的研究有兩種:一種是基于水量水質聯合模擬的簡化擴展，將微觀層面的水質模擬與宏觀層面的水量配置相結合;另一種是提出了水量水質聯合調控的目標，在水資源分配過程中考慮水質的影響，但分配方法仍以水量配置為主[1]。

可以看出，現有的研究對于水量調控和水質模擬結合得不夠緊密，沒有顧及人工-天然水循環系統之間的動態關系，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合河流水質功能目標。考慮現有的技術方法在上述兩個方面的不足，現有水功能區定義中比較全面完整地界定了河流水系的水質功能目標。本研究在對水循環和供用水模擬的水量配置模型的基礎上，建立水量調控模擬計算單元與水功能區之間的水量交換關系，為水量和污染負荷雙重平衡進行交互式的模擬分析建立水量基礎，嘗試開展基于水功能區的水量水質聯合模擬和調控。

1 水量水質聯合調控的研究現狀

國外對水質問題關注得比較早，對水量、水質一體化的調控研究和實踐探索開展得也比較早。Loftis等[2]研究了綜合考慮水量水質目標下的湖泊水資源調度方法，Mehrez等[3]對區域多水源、多水質供給進行了研究，Cai等[4]分析了水量分配和灌溉引起的鹽堿化問題。在國內，針對生態環境惡化、用水矛盾尖銳和水質型缺水嚴重等問題，水量水質聯合調控逐漸成為當前水資源領域的研究熱點。徐貴泉等[5]建立適應性較強的河網水量水質統一模型——Hwqnow模型，提出了調水改善水環境的措施，并應用于上海浦東新區河網水環境調水方案中。王好芳等[6]建立了基于量與質的多目標水資源配置模型，該模型同時考慮了水量水質因素，解決了當前水資源短缺和競爭性用水等問題，但還缺乏基于宏觀機理對水量水質過程的模擬與水污染控制的系統措施分析。吳澤寧等[7]提出了基于生態經濟學的區域水量水質配置模型。付意成等[8]建立了在時空上合理調配水資源的水量水質聯合調控模型，該模型將水環境承載能力作為一種資源與水量進行統一協調，提出利用GAMS軟件進行水量水質聯合調控的多目標動態耦合方法。

目前，對流域的水量水質進行聯合調控的技術應用研究較少，且主要研究以水質為約束目標進行水量分配調控，缺乏對河流水質目標的考慮以及對水量與水質動態關系的分析。2002年《中國水功能區劃》正式在全國范圍內實施。2004年水利部水資源司出臺了《水功能區劃分技術規范》，明確了各江河湖庫的水域功能及功能順序，為水域的開發利用和保護管理提供了科學依據。由于對水功能區河流水質目標給出了比較規范的定義，本研究結合水功能區的水質標準控制要求，以水量模擬模型為基礎，根據流域計算單元與水功能區之間的水量關系，建立可以分析水功能區斷面水量過程的流域水量調控模擬模型，通過不同的水量調控方案和水功能區的水質目標要求，分析計算不同水量調控方案下的水體納污能力，對用水變化、徑流變化和水功能區納污能力之間的動態關系進行分析，為實現水量水質的聯合模擬和調控奠定基礎。

2 基于水功能區的水量模擬

2.1 總體思路

按照水量水質聯合調控的要求，采用基于規則的水資源配置模型(簡稱ROWAS模型)進行水量調控[9]。水量模擬調控模型對用水和河道水量的調度過程進行模擬，分析不同用水和調度方案對水量平衡過程的影響。該模型需要對現狀和未來的水資源供需量進行模擬計算，通過協調河道外生活用水、生產用水和生態用水與河道內生態用水、發電用水以及航運用水等，提出流域水資源在不同區域、同區域水資源在不同地區和行業的合理配置方案。通過改進基于規則的水資源配置模型，建立計算單元與水功能區之間的關系，給出不同用水和工程調度情景下各區域的廢污水排放狀況和水功能區斷面河道水量變化過程，并通過納污能力分析模型對比動態水量條件下的水功能區的納污能力，從而起到通過水量調控達到水質目標的作用。

2.2 計算單元與水功能區間的關系

基于規則的水資源配置模型是通過設置供用水計算單元和節點來進行水量平衡計算。為了配合水功能區的納污能力計算，采用水資源分區嵌套行政區作為計算單元的方法。計算單元是系統模擬的中心環節，水資源供、用、耗、排的分析都是在計算單元內部完成的。節點包含工程節點和控制節點兩類。工程節點指在系統圖上單列的蓄引提工程，這類工程在模擬計算中單獨參與計算，它可以對受水單元或者其他工程供水，同時也可以按照工程運行目標對發電航運、生態環境等河道內用水需求進行水量調控。控制節點指有水量或水質控制要求的河道或渠道斷面，它具有與工程節點相同的各種水力關系，但一般不具備調蓄能力。將計算單元、主要工程節點、控制節點以及供用耗排水等系統元素，采用概化的“點”、“線”元素表達，繪制描述流域水量關系的水資源系統網絡節點圖，以反應流域水循環與水資源供用耗排的過程，并以此作為模擬計算的基礎。

為了實現水資源配置模型與水功能區的有效結合，將水功能區作為水量配置模型中的控制節點按照流域的上下游關系插入到水資源系統網絡節點圖中。水功能區上下段節點可以作為水量配置模型中的計算節點，用水以及工程調控作用會影響水功能區節點的流量過程，在一定程度上決定了水功能區納污能力的大小，可起到通過水量調控達到水質目標的作用。

計算單元和水功能區是按照區域和河道進行劃分的，兩者之間有相互交叉的關系。分析水量水質之間的聯合調控，需要在計算單元與水功能區之間建立對應關系(圖1):每個計算單元都包含若干個水功能區，以確保單元地表徑流能夠匯入對應的水功能區;為確保系統水量轉移的完備性，每個水功能區也對應存在具有排水關系的計算單元，從而使單元用水后的廢污水及退水能夠排入相應的水功能區。這兩層關系構成了針對水功能區的水量過程和污染負荷排放過程，這兩種水量排放關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。確定每個計算單元所涉及的水功能區的匯流面積比例，將該比例作為本地徑流排放渠道的分水參數。考慮用水中心和排污口的分布，要確定計算單元對水功能區節點的未處理污水排放渠道的分水參數。

圖1 計算單元與水功能區關系示意

改進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算單元、下游節點和水匯改為排入計算單元所對應的水功能區;將未處理污水的排放路徑由之前的排入下游節點和水匯改為排入計算單元所對應的水功能區。通過模型的改進，可以較為準確地分析出水功能區節點的地表徑流水量變化過程和功能區的廢污水排放量。

2.3 納污能力計算

水功能區的納污能力指在水域使用功能不受破壞的條件下，水功能區受納污染物的最大數量，即在一定設計水量條件下，滿足水功能區水環境質量標準要求的污染物最大允許負荷量。水功能區納污能力的大小與水功能區范圍的大小、水環境要素的特性和水體凈化能力、污染物的理化性質等有關。污染物最大允許負荷量的計算是制定污染物排放總量控制方案的依據。

保護區和保留區的水質目標原則上是維持現狀水質，其納污能力就是其現狀污染物入河量。而緩沖區納污能力分為兩種情況處理:對水質較好、用水矛盾不突出的緩沖區，可采用其現狀污染物入河量為其納污能力;對水質較差或存在用水矛盾的緩沖區，其納污能力按開發利用區納污能力的計算方法來計算。對開發利用區納污能力的計算，需根據各二級水功能區的水文設計條件、水質目標和模型參數，按水量水質模型計算求得。根據《全國水資源綜合規劃地表水資源保護補充技術細則》要求，寬深比不大的中小型河流可以采用一維水質模型計算其納污能力[10]。水功能區納污能力的計算公式為

式中:M為水功能區納污能力，t/a;ρs為水功能區下斷面水質目標控制因子的質量濃度，mg/L;ρ0為水功能區上斷面水質目標控制因子的質量濃度，mg/L;k為污染物綜合衰減系數，1/s;L為水功能區長度，m;x為排污口下游斷面距離水功能區下斷面的縱向距離，m;u為設計流量下的平均流速，m/s;Qr為設計流量，m3/s。

設計流量Qr的確定，是根據《全國水資源綜合規劃水資源保護規劃技術細則》的要求，采用長系列枯水期(12月、1月、2月、3月)75%的保證率流量作為設計流量，而對于集中式飲用水源區，采用95%的保證率最枯月平均流量作為設計流量。

根據水功能區納污能力計算公式，可得到不同水平年各水功能區的納污能力，將其作為污染控制指標。關于水功能區達標的水量調控方案，一方面可以通過對重點地市的城鎮生活用水和生產用水進行削減并調整用水結構來實現;另一方面通過主要控制工程的調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，引、提水工程通過水量取用減少河道徑流量，跨流域調水工程可以增加流域內的水循環通量，具有綜合性的影響。通過對水利工程的調控加大枯季下泄水量，提高枯季河道的納污能力，對比動態水量條件下水功能區的入河排污量和納污能力，可形成水量調控方案。

3 實例分析

3.1 模型構建

為驗證模型的可行性，選取嫩江流域進行實例分析。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 119°30'～127°54'之間，發源于大興安嶺伊勒呼里山中段南側，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1956—2000年45a水文系列計算，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個水資源三級區和18個水資源四級區。按照水資源分區和行政區的嵌套關系，在嫩江流域共劃分出水資源四級區套地市的基本計算單元47個。流域內一級水功能區105個，其中，保護區34個，保留區21個，開發利用區32個，緩沖區18個。一級水功能區中的32個開發利用區又劃分為58個二級水功能區。嫩江流域水資源分區及水功能區以及系統網絡節點圖見圖2和圖3。

圖2 嫩江流域水資源分區與水功能區

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。嫩江流域部分計算單元與水功能區地表匯流及廢污水排放關系見表1。

表1 計算單元與水功能區地表匯流及廢污水排放關系

3.2 水量模擬調控方案

圖3 嫩江流域系統網絡節點

水量模擬調控模型以2005年為現狀年，以2020年為規劃水平年。經濟社會發展、產業結構調整、用水效率提高、節水力度加大、生態環境保護目標變化等諸多因素，導致經濟社會對水的需求可能有較大的差異，因此，用基本方案(一般節水模式)和節水方案(強化節水模式)2套方案來預測嫩江流域不同水平年的需水量過程，并結合流域未來供水工程的規劃建設，確定流域水量供需平衡結果，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6.5%左右。采用節水方案后，2020年缺水量降低至7.46億m3，缺水率達4.1%左右。由此可見，采用節水方案后，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，需要增強水量綜合調控。

3.3 納污能力的計算

本次納污能力的計算選取1956—2000年共45 a的長系列資料。依據水量配置模型中建立的水功能區和計算單元之間的水量排放關系，輸出各水功能區在不同水量調度方案下的長系列斷面水量過程，選擇嫩江流域的兩個主要控制斷面(尼爾基、江橋)及部分支流上的蓄水工程(畢拉河口、音河)所對應的水功能區作為典型水功能區進行分析。嫩江流域典型水功能區基本方案(B05、B20)和節水方案(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果 億m3

表3 嫩江流域典型水功能區流量特征值 m3/s

表4 嫩江流域典型水功能區90%枯季月流量過程m3/s

由表3可以看出，采用節水方案后，典型水功能區的年平均流量、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狀均有所減少，但是由于節水方案在河道外用水減少的同時也調整了流域主要控制工程下泄流量的控制調度方式，對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COD和NH3-N的納污能力計算結果見表5。基本方案和節水方案中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，不同的水量調控方案中，采取節水減排的同時，通過主要控制工程的調控作用，可使得問題比較嚴重的枯季河道納污能力和河道水質得到較大改善。

表5 嫩江流域典型水功能區納污能力計算 t/a

4 結論

對基于規則的水資源配置模型進行改進，使之與水功能區目標相結合，建立用水變化、徑流變化和水功能區納污能力之間的動態分析關系，為實現水量水質聯合模擬和調控奠定計算基礎，使水量調控和水質模擬結合得更加緊密。

a.通過建立計算單元與水功能區之間的天然徑流和廢污水排放，動態地銜接了水量調控和水功能區納污能力之間的關系，起到了通過水量調控達到水質目標的作用。

b.改進后的水量模擬調控模型不同于以往缺乏對河流水質目標的考慮以及對水量與水質的動態關系分析，為水量和污染負荷雙重平衡進行交互式的模擬分析奠定了水量基礎。

c.通過整體節水措施、重點區域用水結構調整和主要控制工程調控作用，形成源頭節水減排、水量合理分配、工程調配的水量調控方案。

d.模型構建具有靈活性，只需要對模型中的節點和渠道做適當的調整，就可將水功能區與水量配置模型結合起來，操作簡單，對水功能區劃的流域具有普遍適用性。

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