時間：2011-09-13來源：中國農村水利水電
摘要: 為實現調水工程受水區可持續發展，以二元水循環規律為基礎，從受水區生態和環境用水水量和水質兩方面對調水的規模進行了研究，并建立了與其水資源開發利用系數、污水排放率和區域外與區域內用水比例k 相關的生態和環境水安全調入水規模計算模型。以鄭州市2010 年和2020 年不同頻率年接受南水北調水為例進行計算和綜合評價。結果是:① 2020 年因污水處理能力限制，平水年生態和環境用水水質水量都受到南水北調調入水規模過大而不合格，需要維持5. 312 億m3 規模，或對污水進行深度處理，減少污染物排放量;②2010 年極度干旱和2020 年干旱年和極度干旱年計劃調水，kT 值小于生態和環境質量達標所求k 值，調入水規模還可以增大，分別為2. 650、0. 096 和4. 213 億m3 ;③2010 年平水、干旱年和2020 年平水年南水北調滿足鄭州市生態和環境水量要求，但不滿足水質要求，給鄭州生態和環境容量帶來壓力;④從生態和環境用水安全角度看，鄭州市2010 年和2020 年平水年、干旱年和極度干旱年從南水北調的引水規模分別是2. 687、5. 324、5 . 745、5 . 312、7 . 115 和7. 115 億m3 。
關鍵詞: 用水安全; 二元水循環; 南水北調; 調入水規模; 受水區; 水質; 水量; 鄭州
中圖分類號: P333 文獻標識碼: A
The Study on the Water Diversion Scale Based on the Security Ecology and Environmental Water Usage
ZHANGYun-xin1 ，CHENGYao1 ，MA Run-shui2 ，PENG Bin1
Abstract: In order t o achieve the sustainable development of the intake area in the diversion project，we study the water scale from the quality and quantity of the ecology and environmental water usage in the intake area based on the binary water cycle rules.We establish a computational model of the water diversion scale about the ecology and environmental water usage which is relevant to development utilization co-efficiency，sewage emission ratio and water use ratio k from within to outside. In this paper，taking the Zheng zhou city as an example，we use the model to compute and assess the receiving water scale from the south-to-north water transfer project in 2010 and 2020 percent y ears. The results are: From the perspective of ecological and environmental water security ，zheng zhou city，in the year 2010 and 2020 50%，75% and 95 % the water diversion scales from the south-to-north water diversion in differenty ears will be 268. 7，532. 4，574. 5，531. 2，711. 5 and 711. 5 million cubic meters.
Key words: water use safety; Binary water cycle; South-to-Nor th water diversion project; the w ater diversion scale; intake area; water quality; water quantity; Zheng zhou
0 引言
跨域調水工程在緩解沿線城市生產生活用水緊張，促進經濟發展的同時，對調水區、輸水區和受水區也可能產生不可忽視的生態和環境負效應或潛在威脅。受水區調水所產生的正負效應與調入水規模密切相關。因此，對受水區調入水規模的論證，意義極為重要。如何確定受水區調入水規模，使其既滿足受水區要求，又達到水資源合理利用; 同時，使得產生負面影響最小化。這是調水工程受水區重要的現實問題。1998 年陳建耀[1] 從系統的角度把區域調入水規模分為宏觀層、中觀層和微觀層，提出區域調入水規模的指標體系及基于此的PRED 綜合論證; 并以北京市水資源開發利用為案例，用PRED 綜合協調分析分別對北京市的用水及趨勢作了論證，得到北京市水資源可維持現狀下的開發利用。但從生態和環境用水安全角度對受水區調入水規模進行研究論證鮮有報道。隨著人水和諧和理念的不斷深入發展與可持續發展完善，區域生態和環境與人類的關系成了平等和諧，文獻[ 1] 中以人為中心的PRED 綜合協調分析方法需要進行補充。為此，本文提出受水區生態和環境用水安全的調入水規模確定方法，從生態和環境水量水質安全角度，對現有以社會發展為目標確定的調入水規模進行綜合評價。它為受水區確定調入水規模及生態系統管理、保護提供決策依據。
在“二元”水循環下[2- 4] ，生態和環境用水不僅來自于天然降水，而且受到社會系統排水的補充，其水量大小與水質狀況同時受到人類利用水資源程度、利用效率、污水排放率等的影響。意味著二元水循環下的生態和環境用水無論是水量，還是水質，已經完全不等同于一元水循環下的生態和環境用水。所以，生態和環境用水不僅要考慮量的問題更要考慮質的問題。下面主要討論確保受水區生態和環境用水安全前提下確定其調入水規模。
1 確定受水區生態和環境用水安全的調入水規模方法
1. 1 區域水量收支確定
假設以某一受水區域為研究對象。區域內降水與蒸發及入滲之差視為自產水量，該區域地表水包括區域自產水量和流經區域內河流的客水水量。因此，降水與蒸發不再單列在收支項目中。從區域外調來水費用比較高，直接供人類生活生產利用，取水量為QUO 。
區域收入項: 地表水量(即上游區域客水和該區域自產水量) QR ，QR 不包括不能被資源化部分的洪水; 區域地下水可利用量QG ; 人類利用后排放來的污水QD ，包括使用區域內和外調水產生的污水。
區域支出項: 區域內生活生產利用取水量Q| - UR 。除了人類利用外，區域水量還有流出該區域的水量和蓄留本區域被生態環境利用的水量。由于水的特性，流出區域的水在流的過程中也可以被區域部分生態環境無消耗的利用。這樣，就把流出區域的那部分水量也視為生態系統利用水量，生態環境用水量QE 包括地表水補給地下水的水量。
1. 2 區域生態環境用水水量及水質計算原理
1. 2. 1 區域生態環境用水水量計算
按照水量平衡原理，區域自然水循環水量平衡關系方程:
QR + QG + QD = QUR + QE (1)
QN 為區域自然水資源可利用總量; QUR 為留好生態基流水量后生產生活從區域自然水資源可利用總量中取用的水量。令區域水資源開發利用率u 為QUR 與QN 的比，則有:
QR + QG = QN (2)
QUR / QN = u (3)
令所排污水占總用水量的百分比為η，稱為排污率，反映該地區節水水平及節水潛力。則區域耗水率用(1- η) 表示。令QU 為區域總用水量。社會水循環水量平衡規律有:
QU = QUR + QUO (4)
QD = ηQU =η(QUR + QUO)(5)
在區域內的總用水量中，令區域調入水量與區域內取用水量的比為，稱為區域用水調入比。調入比可以確定調入水規模，反映該區域用水結構及水資源安全程度。
QUO / QUR = k (6)
QD =η(1 + k) QUR (7)
根據式(2) - (7) 區域內可供生態環境用水量可表示為:
QE = [ 1 - u + uη(1 + k) ] QN (8)
式(8) 兩邊同除區域自然水資源可利用總量，得到區域生態環境用水占區域自然水資源可利用總量的比RE 。
RE = 1 + uη(1+ k) - u (9)
由式(9) 可知提高生態環境用水比例有兩種途徑，一是控制區域水資源開發利用率; 二是當u 不能變時，提高k 值，增大區域調水工程的調入水量。區域用水調入比k 提高了，同時提高生態環境用水比。
1. 2. 2生態和環境用水水質計算
(1) 生態和環境用水污染物負荷。排放污水攜帶了一定濃度的污染物，其污染物濃度為Cd 。若來水徑流來水污染物濃度的本底值為C0。雖然受水區地下水位降低很多，其量與地表來水量相比很小，同時，地下水經過土壤凈化，幾乎沒有污染。但鑒于北方污染嚴重，保守計算認為地下水的污染物濃度等同上游來水徑流。則生態需水的污染物負荷量(W) 為:
W = Cd QD + C0(1 - u) QN (10)
(2) 生態和環境用水質計算。在已知點源與農業退水污染負荷的條件下，污水排放回歸到天然水系統后的混合水質除與排放回歸污水的濃度有關外，還與天然水系統的容量密切相關。同時，水體有自凈化作用，與水環境水量有關，接納環境水量大，凈化作用就強; 且水體凈化前幾天單位時間凈化效果明顯好于后面時間，即水體單位時間凈化能力下降的。取前N天為準。設綜合降解系數為d。因此，生態和環境用水的水質用污染物濃度表示為:
把式(3) 、式(7) 、式(8) 帶入式(11) 得:
由式(12) 可以看出生態和環境用水不僅與水資源開發利用率、排污率有關，而且與排放污水濃度、來水徑流污染物濃度、區域用水外內比有關，是質量與數量的統一體，是隨排放污水濃度、排污率、水資源開發利用率、區域用水外內比變化而變化的函數。
當給定生態需水的水質標準CE 0 時，則可調節水資源的開發利用率或排污率，用以求k，從而可以從生態和環境用水水量方面確定該地區的外調水量規模。
調入水量要小于等于域外向該區域調水的供水能力量QOT ，此式為約束條件。
調入水規模模型由式(12)、(13) 和(9) 構成，其中，式(13)為硬約束，式(9) 為軟約束。
1. 3 調入水規模模型及求解
隨著人水和諧理念的深入和生態和環境需水量和質量研究精度不斷提高，區域中生態和環境所需水量和水質的值很容易得到; 即生態和環境所需水量和水質還有控制目標值。當一個區域接受域外調水時，說明本區域水資源開發利用率已經達到極限，其值可知，C0 和Cd 也很容易得到。由式(9) 可知，生態和環境用水比例，隨受水區調入量增加而變大，是其增函數,有下限，沒有上限。由式(12) 可知，區域生態和環境水質是調入水量的減函數，有上限最大值和最小值零。由于節水水平和污水處理能力有限，污水排放總量增大。區域水環境容量有限，生態和環境水質將隨著調入水規模增大而加劇惡化。區域節水水平也可以從供水部門得到。水質不僅是區域社會經濟發展的保障，而且是生態和環境用水的靈魂。因此，用式(12)求得未知數k1 。把k 1 代入式(13) ，如果k1 < kT ，再把k 1 代入式(9) 得RE > RE 0，生態和環境用水比達標，則k= k1 值即為所求; 否則，令k= kT ，再把kT 代入式(9) 得到RE > RE0 ，生態和環境用水比達標，則k= kT 值即為所求。如果RE < RE 0 ，不達標;當k1 < kT 時，對污水進行加深度處理，采用更嚴格排污標準,從而提高k 值; 當k1 > kT 時，加大節水力度，降低u 值，直到RE> RE0 達標為止。
2 實例應用
2. 1 鄭州市概況[ 5]
鄭州市是河南省省會，其多年平均(1956- 1979 年系列) 地表水資源量為8. 67 億m3 ，地下水資源量為8. 65 億m3 ，地表、地下重復計算量為3. 93 億m3 ，水資源總量為13. 39 億m3 。隨著工業發展，人口增長，生產、生活需水量日以劇增，這不僅加劇了水資源的供需矛盾，而且由于工業廢水、生活污水不加處理大量排放嚴重污染了河流和水體，使鄭州市水環境遭到嚴重破壞。大量污水排放超過了鄭州市的環境容量允許排放量，導致河流水體水質嚴重污染水環境惡化，鄭州屬于缺水城市，利用南水北調水源是必要的。
2. 2 確定調入水規模模型中參數
以人水和諧和可持續發展理念為指導，鄭州市和諧發展規劃，在引南水北調水情況下，2010 年和2020 年境內保證生態和環境用水比達到50% 和55%，水資源利用系數分別達到0. 7和0. 75，境內來水以主要污染物CODcr 為目標，保證達到30mg/ L，以供本是用水衛生，出境水質主要污染物CODcr 控制目標為35 mg/ L。污水按一級排放標準(100 mg / L) 處理后排放。鄭州市2010 年和2020 年境內供人類生活生產利用的水量見表1。
表1 鄭州市2010 年和2020 年境內供水能力億m3
Tab. 1 The water supply capacity of ZhengZhou itself in 2010 and 2020
2. 3 計算調入水規模確定
模型中所需參數由2. 1 節可知，前7 d 取污染物綜合降解系數，見表2。
表2 模型參數
Tab. 2 The parameters of model
注: 綜合降解系數d 主要指鄭州市污水深度處理廠處理能力，為簡化計算歸到d 中。
以南水北調2010 和2020 年分給鄭州市水量為調水限制量QTO ，分別為5. 745 和7. 115 億m3 。把表2 參數代入模型，結合式(6) 最終確定2010 年和2020 年值和調入水規模，對現有計劃規模進行評價分析，并得到生態和環境納水能力盈虧見表3。
2. 4 結果分析
從表3 結果來看，調水5. 312 億m3 時，2020 年平水年生態和環境用水比例RE = 0. 54，小于目標值0. 55，表明此年份生態和環境用水量將比較緊張，生態和環境用水水量比不足。為了保證鄭州市生態和環境質量，按計劃從南水北調中區5. 475 億m3 ，能保障生態用水量要求。但是，從生態環境用水水質方面看，此規模超過2020 年平水年份生態和環境納水能力，調入水規模偏大。如果通過提高值到0. 55 時COD 為37 mg / L，與控制目標35 mg/ L 相比不能承受。相應措施: 措施是維持5. 312億m3 規模，加大節水力度，降低η值; 或對污水進行深處里，提高k 值，來緩解生活生產和生態和環境的用水緊張。否則，南水北調水量將加重鄭州市污染，加劇鄭州市生態和環境惡化。
從生態和環境水質限制來看，2010 年極旱和2020 年干旱年份調水限制kT 值小于生態和環境質量達標所求k 值，說明這樣年份南水北調分給鄭州的規模合適，使得鄭州市生態和環境容量還有容余量，生態和環境調入水規模還可以增大，分別為2. 650、0. 096 和4. 213 億m3 。
表3結果還表明，同一年份，不同境內來水情況下，出現生態和環境容量的盈虧原因: 以2010 年為例分析，鄭州市的污水處理能力及深度水平在一年內為一個定值，它能達標處理極度干旱年份來水與計劃調水水量之和用后產生的污水; 當平水年和干旱年來水量比較多，來水量加上計劃調水量之和產生的污水超過其處理能力。超過部分得不到處理就排放，多用多排。從而加劇了生態和環境水環境惡化，出現虧缺。當污水總水量小于污水處理能力的時候，處理達標排放，環境容量出現盈余。
所以，從生態和環境用水安全角度講，以其2010 年和2020 年污水處理和節水水平及能力所限，鄭州市2010 年和2020 年平水年、干旱年和極度干旱年，南水北調的生態和環境安全調入水規模分別是2. 687、5. 324、5. 745、5. 312、7. 115 和7. 115 億m3 。
表3 鄭州市2010 年和2020 年調入水規模
Tab. 3 The fold water quantity of Zhengzhou fromout in 2010 and 2020
3 結語
(1) 本文研究發現受水區生態和環境用水水量和水質與其水資源開發利用系數、污水排放率和區域用水外內比密切相關。受水區生態和環境用水比，隨著調水量增加而增大，是其增函數，只有下限。由于污水處理能力一定，生態和環境水質是調水量的減函數，有上限最大值和最小值零。實際調入水規模受到生態和環境用水比(水量) 、生態和環境水體污染物濃度(水質) 和調水工程供水能力約束，通過分析三者關系，建立了受水區生態和環境用水安全調入水規模模型。
(2) 當傳統分析的計劃調入水規模超出生態和環境能承受調入水規模，且境內水資源開發利用率，節水水平不變情況下,可以通過兩種措施解決矛盾。①維持計劃調入水規模，加大節水力度，污水處理回用，從而降低η值;②對污水進行深度處理，實行更嚴格的廢水排放制度，減少污染物的排放，從而可以提高k 值，來緩解生活生產和生態和環境用水緊張。
(3) 研究得出鄭州市2010 年和2020 年平水年、干旱年和極度干旱年生態和環境用水安全可承受的調入水規模分別是2. 687、5 . 324、5 . 745、5. 312、7. 115 和7. 115 億m3 。
參考文獻:
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作者簡介: 張運鑫(1981-) ，男，碩士研究生，講師，主要從事水資源高效利用研究。
