水資源全要素配置框架下的三次平衡分析理論研究與應(yīng)用

康愛卿，魏傳江，謝新民，劉 鴿

（1.中國水利水電科學(xué)研究院 水資源研究所，北京 100038；2.新疆五家渠市水利局，新疆 五家渠 831300）

自從文獻［1］在黃淮海平原地區(qū)水資源配置規(guī)劃中第一次提出三次平衡水資源配置思想以來，三次平衡分析的水資源配置模式已經(jīng)成為當(dāng)前水資源配置過程中最為有效實用的配置思想。但隨著當(dāng)前我國水資源配置形勢的發(fā)展，特別是在實行最嚴(yán)格水資源管理制度的情況下，對水資源配置提出了新的要求與任務(wù)?；诖?，筆者在回顧國內(nèi)水資源配置歷程的基礎(chǔ)上，在原有三次平衡分析基礎(chǔ)上，針對我國當(dāng)前水資源配置的新形勢，提出了水資源全要素優(yōu)化配置框架下新的三次平衡分析。新的三次平衡分析是從水量和水質(zhì)的雙重屬性出發(fā)，從供水和污染物排放雙總量控制入手，通過分質(zhì)供水實現(xiàn)供需平衡分析，通過污染物排放與入河分析，實現(xiàn)污染物消減和水功能水質(zhì)達標(biāo)。

1 水資源配置形勢

1991年，“水資源配置”一詞正式引入我國水資源研究領(lǐng)域［2-3］。在“八五”期間，針對我國華北地區(qū)國民經(jīng)濟用水嚴(yán)重短缺等問題，提出了基于宏觀經(jīng)濟的華北地區(qū)水資源優(yōu)化配置［4-5］，從水資源系統(tǒng)和宏觀經(jīng)濟系統(tǒng)之間的關(guān)系出發(fā)，研究水資源系統(tǒng)對社會經(jīng)濟系統(tǒng)供水滿足程度和社會經(jīng)濟系統(tǒng)對水資源系統(tǒng)的需水壓力，實現(xiàn)了基于國民經(jīng)濟用水滿足情況下的水資源配置。

“九五”期間，針對我國西北地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)脆弱性特點，提出了基于經(jīng)濟生態(tài)系統(tǒng)的水資源可持續(xù)配置［6］，實現(xiàn)了社會經(jīng)濟系統(tǒng)、生態(tài)系統(tǒng)和水資源系統(tǒng)之間的模擬與優(yōu)化，解決了長期經(jīng)濟用水?dāng)D占生態(tài)用水狀況，并且針對西北地區(qū)獨特的旱區(qū)生態(tài)系統(tǒng)特點、水循環(huán)模式等提出了在水資源承載力下滿足社會經(jīng)濟用水和生態(tài)環(huán)境用水。

“十五”期間，隨著水資源研究學(xué)科的逐步形成，擴大了水資源研究的范圍，提出了基于廣義水資源配置［7-8］和基于ET的水資源配置［9］以及經(jīng)濟生態(tài)高效利用情況下的水資源配置［10］。之前的水資源配置大都是從水資源的水量屬性出發(fā)，分析不同用水目標(biāo)之間用水競爭性問題和取水對水資源系統(tǒng)的水量壓力。但是長期以來，隨著我國大規(guī)模的經(jīng)濟建設(shè)，大量高耗水、高污染企業(yè)將河道內(nèi)水大量引走，而同時又將生產(chǎn)污水不經(jīng)處理直接排放入河，導(dǎo)致了全國絕大多數(shù)河流被污染，河流水生生態(tài)系統(tǒng)破壞，河流污染物自凈能力下降。河道上游企業(yè)不顧環(huán)境壓力，大量污水不經(jīng)處理直接排放，導(dǎo)致下游河道水質(zhì)惡化，無法利用，由此構(gòu)成了越是污染越是缺水的惡性循環(huán)。

進入“十一五”以來，雖然排污整治力度加大，關(guān)停大量高耗水高污染企業(yè)，但是長期以來形成了嚴(yán)重占用河道內(nèi)生態(tài)水量以及污染物排放嚴(yán)重超越水功能納污總量、水功能區(qū)水質(zhì)惡化的局面。

根據(jù)“十二五”規(guī)劃最新要求，我國將改變過去單純追求GDP總體規(guī)模，更加注重經(jīng)濟發(fā)展的質(zhì)量。特別是在2011年“中央一號”文件中指出，“我國將實行最嚴(yán)格的水資源管理制度”，在“三條紅線”的水資源綜合考核前提下提高水資源配置的效率。從宏觀經(jīng)濟領(lǐng)域出發(fā)，改變調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、改變經(jīng)濟增長方式是當(dāng)前我國水資源配置過程中國民經(jīng)濟用水需求端最基本的要求，著眼于提高水資源利用效率和效益；從水生態(tài)水環(huán)境保護角度出發(fā)，全國各地開展的大江大河污染物整治工程全面啟動，要求更加注重水環(huán)境污染物治理和水生態(tài)系統(tǒng)的保護。在此背景下，從水資源的全方位出發(fā)進行優(yōu)化配置顯得尤為重要，進行水資源全要素優(yōu)化配置成為必然。

水資源全要素配置是指在水資源開發(fā)利用中要合理解決河道外生產(chǎn)、生活和生態(tài)用水與河道內(nèi)生態(tài)環(huán)境用水、水力發(fā)電和航運等用水需求之間的矛盾，需要對水量與水質(zhì)、水位、水面、流量和流速等水資源全要素進行配置［11］。水資源全要素優(yōu)化配置從水量和水質(zhì)的雙重屬性［12］出發(fā)，從水資源對滿足國民經(jīng)濟用水、河道內(nèi)生態(tài)需水以及航運、發(fā)電和水景觀對水量、水質(zhì)多目標(biāo)出發(fā)，在模擬地表水系統(tǒng)和地下水系統(tǒng)水質(zhì)情景下，根據(jù)不同用戶單位對水質(zhì)要求，實行分質(zhì)供水；以社會經(jīng)濟系統(tǒng)的高效節(jié)水為前提，通過國民經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和改變經(jīng)濟增長方式，實現(xiàn)用水效率和效益的提高，通過減少污染物排放量，擴大污水處理能力，減少污染物入河量，實現(xiàn)水功能區(qū)水質(zhì)達標(biāo)；通過河道內(nèi)河道外聯(lián)合配置，在滿足河道最小生態(tài)流量的要求下，在水資源的可承載能力范圍進行水資源配置。取水總量控制、納污總量控制以及開發(fā)利用程度上限控制是當(dāng)前我國水資源配置領(lǐng)域面臨的新形勢和新要求。

2 三次平衡基本理論

2.1 概述 原有三次平衡是從節(jié)水、增加工程供水能力、中水回用量和開展外調(diào)水幾個層面上進行從供水端擴大供水而需求端進行節(jié)水，最終實現(xiàn)供需平衡，解決缺水問題。三次平衡分析的具體思想是：在水資源優(yōu)化配置過程中，根據(jù)不同的供需特點分層進行平衡分析。首先以現(xiàn)狀供水能力和用水水平預(yù)測未來的需求增長，以明確各規(guī)劃水平年在現(xiàn)狀供水能力下的缺水量，進行一次平衡分析；二次平衡分析是在考慮節(jié)水、治污和當(dāng)?shù)厮跐摰却胧鉀Q一次平衡缺水的貢獻，最后得出當(dāng)?shù)厮Y源承載能力全部發(fā)揮后的缺水量；三次平衡是在二次平衡的基礎(chǔ)上，通過增加外調(diào)水，實現(xiàn)本地水和外調(diào)水聯(lián)合配置，以此實現(xiàn)水量平衡分析，解決缺水問題［1］。從水量的滿足程度出發(fā)，通過各種措施實現(xiàn)增加供水，減少缺水量。從需求上實行節(jié)水，避免不合理需求造成缺水；在供水端通過新增水利工程投資擴大供水量；通過污水回用擴大供水源；通過尋求外調(diào)水補充本地水資源短缺問題。

2.2 水資源全要素配置框架下的三次平衡 水資源全要素優(yōu)化配置的基本思想是進行分質(zhì)供水，即首先根據(jù)水質(zhì)模型模擬各斷面水質(zhì)類型，然后根據(jù)各需水用戶對水質(zhì)的要求實行分質(zhì)供水條件下的水資源優(yōu)化配置。基于水資源全要素優(yōu)化配置情形的三次平衡分析在原有三次平衡分析的基礎(chǔ)上，提出了水量水質(zhì)雙重目標(biāo)控制下的三次平衡。

（1）一次平衡分析。從水量平衡出發(fā)，首先根據(jù)現(xiàn)狀供水能力、現(xiàn)狀斷面水質(zhì)類型以及現(xiàn)狀產(chǎn)污、治污水平面對未來需水的增長，模擬計算在分質(zhì)供水優(yōu)化配置情景下的缺水量。從斷面水質(zhì)和納污總量出發(fā)，以現(xiàn)狀產(chǎn)污、治污水平來模擬計算未來水平年情況下的污染物入河量以及斷面水質(zhì)類型，根據(jù)水功能區(qū)要求的水質(zhì)目標(biāo)和納污能力進行產(chǎn)污、治污評價，模擬計算污染物消減量。即完成一次平衡分析。

通過一次平衡分析，首先對需水量進行校核，從最嚴(yán)格水資源管理制度出發(fā)對需求進行定額校核，從用水效率和用水效益角度保證未來的需水是合理有效的，避免出現(xiàn)不合理需求而造成的水資源利用浪費現(xiàn)象。然后根據(jù)現(xiàn)狀水利工程供水能力進行模擬不同水平面缺水量；以現(xiàn)狀產(chǎn)污和治污水平模擬計算規(guī)劃年污染物入河量和水功能區(qū)斷面水質(zhì)類型。在分質(zhì)供水配置模式下分析不同水平年缺水量。根據(jù)水功能區(qū)保護目標(biāo)，進行污染物消減。

（2）二次平衡分析。“二次平衡”分析是在“一次平衡”分析基礎(chǔ)上，進一步通過擴大水源來緩解缺水量；通過截污減排措施實施，保證水功能區(qū)水質(zhì)達標(biāo)。開源工程從凈水和中水兩個方面進行擴大水源。新建各類蓄水工程和引水工程，解決因工程供水能力不足造成的工程性缺水；修建中水回用工程，提高污水處理率和中水回用率，擴大中水回用量在整個供水結(jié)構(gòu)中的比例。

節(jié)流措施包括從用水效率上按照最嚴(yán)格水資源管理制度要求出發(fā)，定額考核，減少不合理需求和供水過程中造成的水資源浪費，提高用水效率。其次，針對地區(qū)不合理的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和經(jīng)濟規(guī)模進行適度的調(diào)整、關(guān)閉和轉(zhuǎn)移等措施，形成合理的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、規(guī)模和高效的用水水平。

在實現(xiàn)開源節(jié)流的同時，根據(jù)一次平衡分析過程污染物總量控制要求，分析產(chǎn)污和治污水平，提出截污減排措施，實現(xiàn)污染物排放總量控制，減少污染物產(chǎn)生量和入河量保證水功能區(qū)水質(zhì)達標(biāo)和納污能力達標(biāo)。分析在分質(zhì)供水情況下的水功能區(qū)水質(zhì)達標(biāo)狀況和污染物排污狀況，核算是否存在水質(zhì)型缺水。通過二次平衡分析首先實現(xiàn)開源節(jié)流，擴大供水水源、減少不合理水量需求，解決工程性缺水和因不合理需求造成的資源型缺水；其次通過產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，減少污染物產(chǎn)生量，提高治污水平，解決水質(zhì)型缺水；最后實現(xiàn)在挖掘全部水資源承載力和降低產(chǎn)污、提高治污水平情況下的平衡分析?？傊?，通過二次平衡分析，首先從根源上消除了因水質(zhì)惡化導(dǎo)致的水質(zhì)型缺水和因供水能力不足造成的工程型缺水。從水功能區(qū)納污總量控制和水質(zhì)達標(biāo)控制要求出發(fā)，實行截污減排措施，通過產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，調(diào)整污染物的輸出濃度和污水排放率；通過新建污水處理廠和中水回用系統(tǒng)，提高污水處理率和回用率，增加供水的同時，實現(xiàn)污染物入河量的消減。二次平衡具體情況如圖2所示。

（3）三次平衡分析?！叭纹胶狻狈治鰟t是在“二次平衡”分析的基礎(chǔ)上，綜合分析地區(qū)水資源承載力，識別資源型缺水量。根據(jù)地區(qū)承載力要求提出承載主體的轉(zhuǎn)移和外流域調(diào)水方案來解決資源型缺水。統(tǒng)籌考慮外調(diào)水量與當(dāng)?shù)厮Y源聯(lián)合運用和優(yōu)化配置，分析跨流域調(diào)度對擴大地區(qū)水資源承載力的作用，分析合適的外調(diào)水量及其合理分配問題，為制定調(diào)水工程規(guī)劃方案提供依據(jù)［13］。

水資源全要素配置情形下三次平衡分析，不僅考慮了因工程型缺水、資源型缺水以及不合理需求造成的缺水，更加考慮了水功能區(qū)污染物排放超限導(dǎo)致水質(zhì)惡化、無法實現(xiàn)供水造成的水質(zhì)型缺水?；谒Y源全要素配置情形的三次平衡分析，在考慮了開源節(jié)流等措施基礎(chǔ)上，分析污染物消減措施，實現(xiàn)了水量水質(zhì)雙重控制下的供需平衡，同時實現(xiàn)了水功能區(qū)納污能力的控制，減少了入河污染物總量，從源頭對污染物進行控制。

2.3 基本特點 水資源全要素配置框架下的三次平衡分析，從識別水質(zhì)型缺水的基本要求出發(fā)，分析了基于現(xiàn)狀供水能力、產(chǎn)污特點和治污水平下的缺水識別和污染物消減要求；在提出截污減排措施的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)水功能區(qū)納污總量控制和水質(zhì)達標(biāo)，從水質(zhì)水量的雙目標(biāo)出發(fā)，進行二次平衡分析解決水質(zhì)型缺水問題；在擴大供水投資和污水回用的基礎(chǔ)上，解決因工程供水能力不足造成的工程型缺水問題；最后在分析地區(qū)水資源承載力的基礎(chǔ)上，根據(jù)解決資源型缺水要求和保護河道水生態(tài)系統(tǒng)要求，通過跨流域外調(diào)水來解決資源型缺水問題，完成三次平衡分析。

基于水資源全要素優(yōu)化配置模式下的三次平衡分析，從水量和水質(zhì)雙重角度出發(fā)，形成多階段分層次性分析方法，實現(xiàn)供需平衡和污染物總量控制要求。相比較于傳統(tǒng)的三次平衡，本次提出的新的三次平衡具有以下特點：（1）實行分質(zhì)供水平衡，考慮了水資源配置過程中的水質(zhì)約束條件，實行分質(zhì)供水配置。從水質(zhì)水量的雙總量要求出發(fā)，進行水資源配置，擴大了水資源配置的范圍；（2）針對水功能區(qū)水質(zhì)要求和納污總量控制要求，提出了定量的污染物消減措施。通過產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，降低污水排放率和污染物排放濃度，減少污染物的產(chǎn)生量；通過新建污水處理廠，提高污水處理率，減少了污染物入河量，保證了水功能區(qū)水質(zhì)要求和納污總量要求；（3）在分析地區(qū)水資源承載力基礎(chǔ)上，識別資源型缺水，提出解決資源型缺水的跨流域調(diào)水措施和本地承載主體的轉(zhuǎn)移。

基于水資源全要素優(yōu)化配置模式下的三次平衡，實現(xiàn)了水質(zhì)水量的聯(lián)合配置分析，對影響水資源配置的水量和水質(zhì)要素進行分析，從水資源量和質(zhì)的屬性出發(fā)，進行不同層次的分析，突破了傳統(tǒng)三次平衡配置過程中基于理想水質(zhì)的假設(shè)和用戶對水質(zhì)的無差別要求，實現(xiàn)了真正意義上的雙總量控制要求。

3 實例應(yīng)用

本文以西遼河流域為研究示范區(qū)域，在建立西遼河水資源全要素優(yōu)化配置模型的基礎(chǔ)上，對西遼河流域水資源配置格局進行了分析，根據(jù)三次平衡的基本思路和要求進行示范研究。

西遼河是我國東北地區(qū)水資源相對缺乏的地區(qū)，多年平均降雨量在400mm左右。長期以來經(jīng)濟的粗放式發(fā)展，促使區(qū)域內(nèi)缺水現(xiàn)象十分嚴(yán)重，河道水功能區(qū)納污能力急劇下降，嚴(yán)重影響了地區(qū)經(jīng)濟進一步發(fā)展和河流水生生態(tài)系統(tǒng)。必須統(tǒng)籌地區(qū)水資源承載能力，從水質(zhì)水量的雙總量要求出發(fā)進行水資源配置。西遼河流域水資源配置網(wǎng)絡(luò)圖如圖4所示。

3.1 水量平衡分析 通過建立松遼流域水資源全要素優(yōu)化配置模型，根據(jù)三次平衡分析計算對流域水資源配置格局進行了分析。根據(jù)模型運算，得到2006年配置結(jié)果。具體情況見表1。

表1 2006年西遼河流域供需平衡分析結(jié)果 （單位：億m3、%）

從表1可以看出，在2006年分質(zhì)供水情況下地表水供水量減少，說明地表水質(zhì)不能滿足用戶要求，水質(zhì)型缺水量為4.74億m3。根據(jù)《遼河流域水資源綜合規(guī)劃》，西遼河流域水資源可利用量為35.30億m3，而2006年則供水量為45.97億m3，供水量大于流域水資源可利用量，說明基準(zhǔn)年存在擠占河道內(nèi)生態(tài)用水量問題。根據(jù)流域水資源配置可持續(xù)要求，在基準(zhǔn)年情況下西遼河流域可供水量為35.30億m3，扣除水質(zhì)型缺水量，實際供水量為30.55億m3，缺水量高達24.51億m3，其中水質(zhì)型缺水比例為19.3%，其余為資源型缺水量，占到全部缺水量的80.7%。

通過基準(zhǔn)年供需平衡分析，識別遼河流域水資源開發(fā)利用存在的問題，提出規(guī)劃年水資源開發(fā)利用方案，具體的配置方案如表2所示。

表2 水資源配置工程組合方案

根據(jù)松遼流域水資源綜合規(guī)劃到2020年、2030年西遼河流域需水量分別為55.60億m3和57.43億m3。根據(jù)水資源全要素優(yōu)化配置框架下三次平衡分析，得到西遼河流域規(guī)劃年具體配置結(jié)果，如表3所示。

通過表3可以看出，在一次平衡分析情況下存在水質(zhì)型缺水，而經(jīng)過截污減排措施的實現(xiàn)，在二次平衡分析情況下，分質(zhì)供水和非分質(zhì)供水量相同說明不存在水質(zhì)型缺水。三次平衡分析的基礎(chǔ)上經(jīng)過流域外調(diào)水來補充本地水資源緊張形勢，實現(xiàn)了供需平衡。

從表3可以看出，西遼河流域是資源型缺水最為嚴(yán)重的流域之一，到2030年資源型缺水量高達21.62億m3，占全部缺水量的80.4%。

表3 西遼河流域規(guī)劃年配置結(jié)果 （單位：億m3、%）

表4 西遼河流域缺水分析結(jié)果 （單位：億m3、%）

3.2 水功能區(qū)納污能力評價 西遼河流域存在嚴(yán)重的資源型缺水。在2006年國民經(jīng)濟嚴(yán)重擠占河道內(nèi)生態(tài)用水量的情況下，必然導(dǎo)致水功能區(qū)納污能力下降。此外，2006年西遼河流域污水處理率僅為19%，大量污水不經(jīng)排放直接進入河流，必然導(dǎo)致斷面水惡化污染物入河量超過水功能納污總量。在實行截污減排措施情況下，對不同水平年污染物入河量及其納污能力進行評價，具體結(jié)果如表5所示。

通過表5可以看出，在2006年COD入河量是水功能實際納污總量的1.8倍。而通過規(guī)劃年實現(xiàn)的截污減排措施，使COD污染物的消減量最終控制在水功能區(qū)納污能力范圍之內(nèi)，從總體上實現(xiàn)了污染物總量控制。

4 結(jié)語

在當(dāng)前新形勢下，水資源優(yōu)化配置的基礎(chǔ)環(huán)境已經(jīng)發(fā)生很大變化，無論是宏觀經(jīng)濟發(fā)展要求還是從水生態(tài)水環(huán)境系統(tǒng)保護要求，都要求在傳統(tǒng)水資源配置的基礎(chǔ)上，從水資源的服務(wù)功能多屬性和物理特性的多屬性出發(fā)進行水資源配置。原有三次平衡從水量平衡角度出發(fā)分析，通過開源與節(jié)流手段實現(xiàn)供水滿足。而在新形勢下，基于水資源全要素優(yōu)化配置框架下新的三次平衡，以“三條”紅線為基本考核要求，根據(jù)最嚴(yán)格水資源管理制度進行取水總量控制和納污總量控制。在需水端，實現(xiàn)定額考核與總量控制納入準(zhǔn)則制度，減少不合理水量需求；在供水端，擴大中水回用比例，減少供水系統(tǒng)不必要浪費和有條件開展外調(diào)水工程；在排水端，實行污染物消減與水功能區(qū)納污總量控制，實現(xiàn)水功能區(qū)水質(zhì)達標(biāo)。本文通過實際應(yīng)用研究，對基于水資源全要素配置框架下的三次平衡分析進行了示范研究，對于推廣水質(zhì)水量控制要求的三次平衡具有重要意義。

［1］王浩，秦大庸，王建華，等.黃淮海流域水資源合理配置［M］.北京：科學(xué)出版社，2003.

［2］尤祥瑜，謝新民.我國水資源配置模型研究現(xiàn)狀與展望［J］.中國水利水電科學(xué)研究院學(xué)報，2004，2（2）：131-140.

［3］潘家錚，張澤禎.中國北方地區(qū)水資源的合理配置和南水北調(diào)問題［M］.北京：中國水利水電出版社，2001.

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

［5］United Nations Development Program（UNDP）.Water resources management in North China［R］.Research Center of North China Water Resources China Institute of Water Resources and Hydropower Research，1994.

［6］王浩，陳敏建，秦大庸.西北地區(qū)水資源合理配置和承載能力研究［M］.鄭州：黃河水利出版社，2003.

［7］裴源生，趙勇，張金萍.廣義水資源合理配置研究（Ⅰ）—理論［J］.水利學(xué)報，2006，38（1）：1-7.

［8］趙勇，陸垂裕，肖偉華.廣義水資源合理配置研究（Ⅱ）—模型［J］.水利學(xué)報，2006，38（2）：163-170.

［9］周祖昊，王浩，秦大庸，等.基于廣義ET的水資源與水環(huán)境綜合規(guī)劃研究Ⅰ—理論［J］.水利學(xué)報，2009，40（9）：1025-1032.

［10］裴源生，趙勇，陸垂裕，等.經(jīng)濟生態(tài)系統(tǒng)廣義水資源合理配置［M］.鄭州：黃河水利出版社，2006.

［11］魏婧，梅亞東，楊娜，等.現(xiàn)代水資源配置研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢［J］.水利水電科技進展，2009，29（4）：73-77.

［12］嚴(yán)登華，羅翔宇，王浩，等.基于水資源合理配置的河流“雙總量”控制研究—以河北省唐山市為例［J］.自然資源學(xué)報，2007，22（3）：322-328.

［13］魏傳江.利用水資源配置系統(tǒng)確定供水工程的建設(shè)規(guī)模［J］.中國水利水電科學(xué)研究院學(xué)報，2007，5（1）：54-58.