水資源水質水量聯合配置研究綜述

杜青輝等

摘要當前我國水資源存在水危機、水安全諸多問題，如水資源短缺、水污染加劇、水質惡化等，水質水量聯合配置是解決這些問題的有效措施之一。在總結國內外水質水量聯合配置研究現狀的基礎上，分析了當前存在的問題，并結合高新技術展望了未來發展趨勢。

關鍵詞水資源；水質水量；聯合配置

中圖分類號S273；TV213文獻標識碼A文章編號0517-6611（2015）21-241-02

目前，廣大人民群眾在追求生活環境改善的同時，對水資源的供給提出更高要求，在保障水量供足的同時又要保證水質安全。水資源短缺從根本上制約著經濟社會的可持續發展，而水環境污染現象日益嚴重，更一步加劇了水資源短缺。資源型缺水、水質型缺水、工程型缺水和制度型缺水等新老問題相互交織，傳統的水資源配置模式需要更新。國內外越來越重視水質水量聯合配置研究。

1水質水量聯合配置發展現狀

1.1國外研究現狀

20世紀80年代，國外開始重視水質水量與環境效益、社會經濟效益分析。如Loftis等[1]建立了水資源優化模擬模型，解決湖泊水質水量調度問題。Pingry等[2]為解決水污染處理費用和水資源供給費用均衡問題，構建了水量平衡模型和水鹽模型的決策支持系統。Mehrez等[3]從高質高用、低質低用，分質供水角度，建立水量和水質的非線性規劃模型。Afzal等[4]以分質供水思想，采用線性規劃模型，實現了巴基斯坦某灌溉區水量配置。Avogadro等[5]建立了考慮水質約束的水資源規劃決策程序過程。Hayes等[6]進行了針對水質目標的水量水質和發電效能集成分析。Azevedo等[7]提出了水資源質、量一體化的管理理念，并成功應用于巴西皮拉西卡巴河流域的水資源管理。Campbell等[8]探討了高水質儲水水庫的稀釋混合對源水水質的凈化作用規律。Cai等[9]建立了集流域經濟、農業、水文和水質為一體的模型，并通過大系統的分解協調技術求解模型，研究灌溉水量分配所引起的土壤鹽堿化問題，并分析了研究區域環境和經濟的響應關系。Genius等[10]、Vink等[11]將水量水質系統作為一個綜合系統進行管理。

可見，國外學者在對水資源配置時，以水量配置為核心，逐漸將水質加入對水量調度的分析中。通過建立水質水量聯合配置模型，進一步分析水質和水量密切關系，實現水質水量統一調度和管理。

1.2國內研究現狀

現階段，水質水量聯合配置研究已引起了國內專家、學者的重視。如董增川等[12]在引江濟太原型試驗引分水控制模式分析的基礎上，建立了水量水質模擬與調度的耦合模型，分析了不同工況下調水對太湖水體總氮、總磷及有機污染物水質指標的影響。馬常仁[13]針對沙潁河河流特點，建立了沙潁河非恒定流的水質水量耦合模型，通過閘壩的合理調控，改善下游河流水質。李紅艷等[14]建立了扎龍濕地水量-WASP水質耦合模型，定量化研究了濕地水質凈化功能，并對總氮、總磷進行模擬研究。趙璧奎等[15]建立了城市原水系統水質水量控制耦合模型，提出了水庫群動態水質評價。張翔等[16]模擬了淮河流域水質水量聯合調度的不同調度方案，對各方案下水質指標及洪水風險進行了風險評估分析。蔣云鐘等[17]針對制約河湖水系連通工程復雜巨系統技術難題，提出了基于物聯網河湖水系連通工程水質水量智能調控及應急處置系統總體框架。張守平等[18]構建了湟水干流以改進的“三次平衡”思想為指導的水量水質聯合配置模型，分析了各水功能區水質達標情況?？祼矍涞萚19]建立了遼寧省遼河流域面向地表水功能區水質目標的水質水量聯合配置模型，為水資源開發利用、水環境保護和生態安全保障提供科學依據。

可見，我國水質水量聯合配置研究發展迅速。多數國內學者將水量模型、水質模型耦合，并將數學方法及計算機模擬技術成功應用于模型當中，解決了河流污染、水庫優化調度、水資源合理配置等實際問題。

2水質水量聯合配置研究前沿課題

2.1多目標問題研究

水質水量聯合配置研究具有時空上的不確定性及復雜性，其多目標問題已引起了專家、學者的重視。多目標問題主要包括以下幾個層面：第一，實現區域水量的合理配置。在區域水量優化配置中，其配置目標包括城鎮農村生活、工業生產、農業、生態環境等；其水源包括外調水、地表水、地下水、非常規水等；其約束條件包括用水總量控制、最小下泄量、出境水量等。實現各水源分行業最優配置，達到水量供給可促進經濟社會又好又快發展；第二，污染物控制消減目標。針對各項水質指標進行仿真模擬，相關水質指標涵蓋富營養化物質、重金屬污染、化學需氧量、有毒化學品污染等，根據水功能區納污能力承受情況，對水質指標進行模擬和評估，進行污染物總量控制；最后，對污染治理措施的效果進行評價，通過工程和非工程措施，評估不同方案的效果和投入，提出污染控制方案。

2.2高新技術應用研究

水質水量聯合配置研究是一個巨系統工程問題，其規模大、目標多、非線性，涉及到諸多學科和領域。隨著水資源配置理論研究的不斷深入和信息化技術突飛猛進，大系統分解協調技術、模擬優化技術、決策支持技術等先進技術，在復雜水資源系統問題上得到廣泛應用，為水質水量聯合配置研究提供了智能化、精細化技術支持。

2.2.1海量數據與“3S”技術的結合。水質水量聯合配置研究需要處理大量數據，研究海量分布式數據存儲和處理技術、建立智能搜索引擎是提高數據庫存儲效率和快速檢索的關鍵?！?S”技術體系在數據收集和管理、快速檢索和存儲方面功能強大，使得傳統水質模型海量數據難以收集、處理的問題得以解決，以逼真的圖像形式顯示水體內水流、水質變化的空間特征、統計特性和未來趨勢等。

2.2.2水質監測實時傳輸技術。利用移動水質監測車、水下仿生機械人監測儀等儀器智能調度與數據遠程在線提取技術，通過通訊基站GPRS、CDMA等無線通訊網的互聯互通技術，實現現場水質采集系統與遠程監控中心之間的實時傳遞。

3存在的主要問題及發展趨勢

3.1存在的主要問題

3.1.1缺乏水資源水環境承載能力的監測預警機制以及水質污染預警治理的有力技術措施。近年來，水質污染監控已引起了環保部門的重視，但是當前的定期檢測結果僅是被動的感知層面，而人們感興趣的是水質變化趨勢以及如何調控。

3.1.2缺乏對地表水、地下水相結合的水質水量聯合配置研究。在水資源稀缺地區，地下水作為生活用水水源之一，水質污染也引起了重視。當前水質水量聯合調控以地表水為主，地表水、地下水水質水量耦合模型研究不足。

3.1.3水質水量綜合評價方法有待改進。特別是水質評價方法，現有水質評價均是對靜態水量的水質評價，沒有考慮到人工水循環系統和天然水循環系統之間的動態作用關系。在水質水量聯合配置中，調度結果包含了多項水質指標的濃度變化過程，需要實現水質評價方法由靜態到動態轉變。

3.1.4缺乏水質水量聯合配置的后效型評價機制。目前，對聯合配置方案后效性評價研究較少，且評價指標體系也相對分散。缺乏工程投資費用效益分析、水功能區達標情況、用戶缺水率等指標的綜合效應分析。

3.2發展趨勢

3.2.1建立水資源水環境承載能力監測網絡，加強水質動態監測，實現流域水質保護。通過通訊互聯互通技術、實時傳輸技術，將管理需求與不同水質監測斷面（監測站）監控有機結合，實現對污染負荷遷移轉化的實時監測。通過對水質水量聯合配置目標、可行手段和水環境量化評價關鍵因子進行模型標準化分析，提出基于分行業、涵蓋點面源污染負荷的源頭示蹤分析技術，在機理過程分析和全面監測的基礎上實現水環境不達標的溯源追蹤，進而為污染動態監管提供支持。加強污染源治理，從根本上解決水質污染問題。

3.2.2加快構建江河湖庫水系連通體系水質水量聯合配置研究。這對實現河湖濕地恢復、行水暢通、生態環境改善、水資源配置格局、地表水和地下水互補平衡具有重要意義。

3.2.3建立水質安全評價診斷技術等有力的決策支持平臺。確定污染風險危害程度，分析評估風險危害等級。建立動態的水質安全評價體系，有效控制、治理污染因子，為管理者和決策者提供技術支持。

3.2.4加強流域水資源水質水量綜合管理。以總量控制為前提，以水功能區改善為導向，將污染物削減和水量調控結合起來。首先，根據用水總量控制，堅持以水定需、以水定產，制定更為嚴格的行業節水標準；再者，根據水功能區納污總量限制，實施更為嚴格的排放標準及污水處理標準。另外，水質水量分別由環保部門和水利部門管轄，若要實現水質水量的綜合管理，環保部門和水利部門必須要在公務上加強交流與合作。

4結語

分析了國內外水資源水質水量聯合配置的研究進展及前沿課題，指出了現有存在的問題，并展望了未來發展趨勢。開展水質水量聯合配置研究對解決區域水資源短缺及水污染具有重要意義。當然，加強污水處理工程建設，控制污染源，才能從根本上解決水環境污染問題。

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