水資源水質水量聯(lián)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(lián)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(lián)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(fā)展趨勢。

關鍵詞水資源；水質水量；聯(lián)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(huán)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(xù)發(fā)展，而水環(huán)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(tǒng)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(lián)合配置研究。

1水質水量聯(lián)合配置發(fā)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(huán)境效益、社會經濟效益分析。如Loftis等[1]建立了水資源優(yōu)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(tǒng)。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(guī)劃模型。Afzal等[4]以分質供水思想，采用線性規(guī)劃模型，實現了巴基斯坦某灌溉區(qū)水量配置。Avogadro等[5]建立了考慮水質約束的水資源規(guī)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(fā)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(guī)律。Cai等[9]建立了集流域經濟、農業(yè)、水文和水質為一體的模型，并通過大系統(tǒng)的分解協(xié)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(qū)域環(huán)境和經濟的響應關系。Genius等[10]、Vink等[11]將水量水質系統(tǒng)作為一個綜合系統(tǒng)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(lián)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(tǒng)一調度和管理。

1.2國內研究現狀

現階段，水質水量聯(lián)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(tǒng)水質水量控制耦合模型，提出了水庫群動態(tài)水質評價。張翔等[16]模擬了淮河流域水質水量聯(lián)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(tǒng)技術難題，提出了基于物聯(lián)網河湖水系連通工程水質水量智能調控及應急處置系統(tǒng)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(lián)合配置模型，分析了各水功能區(qū)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(qū)水質目標的水質水量聯(lián)合配置模型，為水資源開發(fā)利用、水環(huán)境保護和生態(tài)安全保障提供科學依據。

可見，我國水質水量聯(lián)合配置研究發(fā)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(yōu)化調度、水資源合理配置等實際問題。

2水質水量聯(lián)合配置研究前沿課題

2.1多目標問題研究

水質水量聯(lián)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(qū)域水量的合理配置。在區(qū)域水量優(yōu)化配置中，其配置目標包括城鎮(zhèn)農村生活、工業(yè)生產、農業(yè)、生態(tài)環(huán)境等；其水源包括外調水、地表水、地下水、非常規(guī)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(yè)最優(yōu)配置，達到水量供給可促進經濟社會又好又快發(fā)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(yǎng)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(qū)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(lián)合配置研究是一個巨系統(tǒng)工程問題，其規(guī)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(tǒng)分解協(xié)調技術、模擬優(yōu)化技術、決策支持技術等先進技術，在復雜水資源系統(tǒng)問題上得到廣泛應用，為水質水量聯(lián)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(lián)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。“3S”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(tǒng)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(tǒng)計特性和未來趨勢等。

2.2.2水質監(jiān)測實時傳輸技術。利用移動水質監(jiān)測車、水下仿生機械人監(jiān)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(lián)互通技術，實現現場水質采集系統(tǒng)與遠程監(jiān)控中心之間的實時傳遞。

3存在的主要問題及發(fā)展趨勢

3.1存在的主要問題

3.1.1缺乏水資源水環(huán)境承載能力的監(jiān)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(jiān)控已引起了環(huán)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(lián)合配置研究。在水資源稀缺地區(qū)，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(lián)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(tài)水量的水質評價，沒有考慮到人工水循環(huán)系統(tǒng)和天然水循環(huán)系統(tǒng)之間的動態(tài)作用關系。在水質水量聯(lián)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(tài)到動態(tài)轉變。

3.1.4缺乏水質水量聯(lián)合配置的后效型評價機制。目前，對聯(lián)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(qū)達標情況、用戶缺水率等指標的綜合效應分析。

3.2發(fā)展趨勢

3.2.1建立水資源水環(huán)境承載能力監(jiān)測網絡，加強水質動態(tài)監(jiān)測，實現流域水質保護。通過通訊互聯(lián)互通技術、實時傳輸技術，將管理需求與不同水質監(jiān)測斷面（監(jiān)測站）監(jiān)控有機結合，實現對污染負荷遷移轉化的實時監(jiān)測。通過對水質水量聯(lián)合配置目標、可行手段和水環(huán)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(yè)、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(jiān)測的基礎上實現水環(huán)境不達標的溯源追蹤，進而為污染動態(tài)監(jiān)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(lián)合配置研究。這對實現河湖濕地恢復、行水暢通、生態(tài)環(huán)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(tài)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(qū)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(yè)節(jié)水標準；再者，根據水功能區(qū)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(huán)保部門和水利部門管轄，若要實現水質水量的綜合管理，環(huán)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(lián)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(fā)展趨勢。開展水質水量聯(lián)合配置研究對解決區(qū)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(huán)境污染問題。

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