针对水功能区划水质目标的可用水资源量联合评估方法

段或水库），其水量与水质平衡关系如图 １。
依据质量守衡原理，单元系统的水量平衡方
程如下：
ΔＶｉ＝Ｑｉ－１＋Ｒｉ－ ｑｉ－ Ｑｉ
（１）
式中，ΔＶｉ 为单元 ｉ 的蓄水变化量；Ｑｉ－１、Ｑｉ 分别为 单元的输入与输出水量；ｑｉ 为人类活动的取用水 量；Ｒｉ 为单元的区间产水量。
单元系统的水质模型为：
图 １ 单元水体的水量与水质平衡关系 Ｆｉｇ．１ Ｗａｔｅｒ ｑｕａｎｔｉｔｙ ａｎｄ ｗａｔｅｒ ｑｕａｌｉｔｙ ｂａｌａｎｃｅ ｉｎ ａ
一种“针对水功能区划目标的可用水资源量联合评估方法”。基本思路如下：
首先，依据河流水功能区划及其相应的水质目标，把流（区）域评价对象系统划分为相互
联系具有调蓄、排污、降解等迁移转化功能的水文水环境系统。其次，通过水量平衡和污染物
质的质量平衡原理，建立参数较少、结构简单、实用的单元系统水量和水质模型。依据实际的
进一步，可以计算单元系统排污负荷削减量 ＤＷｉ
ＤＷｉ＝Ｗｉ－ Ｗｉ(ｍａｘ
（１７）
２．３ 多河段系统水量水质联合评价方法
针对水功能区划水质目标的可用水资源水量水质联合评价，需要回答以下两类问题：①
在不改变污染现状和现行取水方式，满足水功能区划的多河段水质目标和河道生态需水量
Hale Waihona Puke Baidu
要求的条件下，流域每个河段能够取用的最大“剩余”水资源量，以及对应现行取水的最大可
（１４） （１５）
２．２．５ 单元系统的最大排污负荷
单元系统的控制最大排污负荷 Ｗｉ(ｍａｘ 是指在来水和取用水不变的情况下，达到水功能区
划水质目标 ＣＳｉ 时的系统允许最大排污负荷量。由式（６）可推得：
Ｗｉ*ｍａｘ＝（Ｑ·ｉ βｉ＋ｑｉ＋ΔＶｉ）·ＣＳｉ－ （Ｑｉ－１·Ｃｉ－１＋Ｒ·ｉ ＣＲｉ）
（１６）
ｕｎｉｔ ｒｅａｃｈ
! " ΔＣｉ＝
Ｑｉ－ １·Ｃｉ－ １ ＋Ｗｉ ＋Ｒｉ·ＣＲｉ Ｖｉ
－
ｑｉ ＋ΔＶｉ ＋Ｑｉ Ｖｉ
＋Ｋｉ
·Ｃｉ
（２）
式中，Ｋｉ 是单元系统的污染物降解系数；ＣＲｉ 是区间产流中的污染物浓度，其值取决于面源污 染；Ｃｉ－１、Ｃｉ 为单元输入与输出的水质浓度；Ｗｉ 是单元水体接纳的点源污染负荷总和。
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自然资源学报
２０ 卷
在实际工作中，水量与水质联合评价的时间尺度一般为月（或年），在研究的时段内可以
近似认为水质变化是稳定的，即 ΔＣｉ＝０，则有：
Ｃｉ
＝
Ｑｉ－ １·Ｃｉ－ １ ｑｉ ＋ΔＶｉ
＋Ｒｉ·ＣＲｉ ＋Ｗｉ ＋Ｑｉ ＋Ｋｉ·Ｖｉ
（３）
通常，一个河流（或水库）的蓄泄关系可以近似为：Ｖｉ＝α·ｉ Ｑｉ
Ｑｉ－ １ ＋Ｒｉ ＝ΔＶｉ ＋（ｑｉ ＋ΔＱｉ;ｍａｘ ）＋（Ｑｉ － ΔＱｉ;ｍａｘ ）
（９）
（Ｑｉ－ ΔＱｉ;ｍａｘ）≥０
结合式（６）可以推出：
& ’ ΔＱｉ;ｍａｘ ＝ｍｉｎ
"ｑｉ·ＣＳｉ ＋ΔＶｉ·ＣＳｉ ＋βｉ·Ｑｉ·ＣＳｉ %βｉ － １
#－ "Ｑｉ－ １·Ｃｉ－ １ ＋Ｒｉ·ＣＲｉ ＋Ｗｉ $·ＣＳｉ
水质监测以及流域来水和用水资料能够比较容易确定水量水质模型参数。然后，通过将水环
境容量分析与系统优化分析结合的研究思路，定量出水功能区划水质目标以及河道生态需
水量、水量平衡的约束条件下，单元系统的最大取用的临界流量，以及推广到流域多河段系
统的可用水资源量。回答针对水功能区划水质目标的可用水资源量水量水质联合评价问题。
摘要：受人类活动和气候变化的影响，我国水资源的外部环境与内部条件发生了很大变化。从水资
源可持续利用的评价、规划与管理的角度，急需搞清楚一条河流在一定的“生产、生活用水”条件下，
为满足水功能区划水质目标和一定河道生态需水要求，究竟有多少可用和能够调配的水资源量，以
及满足水功能区划目标所需削减的污染负荷。为此，论文综合考虑水量与水质的联合评价问题，提
２ 可用水资源量的评估方法
２．１ 基本思路
在以往水资源数量评价和水体质量评价中，缺少将水资源的保护同水资源开发与利用
的目标紧密结合，也没有将水量评价同水功能区划水质目标的要求紧密结合。因此，很难回
答针对水功能区划水质目标的可用水资源量究竟有多少？为了达到水功能区划水质目标的
要求，究竟需要对陆域排污负荷提出什么样的削减和控制要求？本文考虑到上述问题，提出
（２）在改变现状用水，重新配置水资源情景下，评估满足河流水功能区划水质目标和现 状生产、生活用水和生态用水（河流最小流量）基本要求，流域的最大“可用水资源量”与流域 来水情况、河流水功能区划的水质目标、流域水资源的取用水分配等有直接的关系。
水资源调查评价中的“可用水资源量”的水量水质联合评价，能够为水资源规划中的分 质供水，河流上、中、下游水资源的优化配置、流域水资源可持续利用提供决策依据。
单元系统的“剩余可用水量”是指现状用水条件下，针对河流水功能区划的水质目标以
及保证往下游输水的河道最小流量（如河流环境流量、生态需水、下游基本用水）的要求，单
元系统还能够增加的可用水量。根据剩余可用水量可进一步计算单元系统的临界流量和现
状条件下的最大可用水量。
基于水量平衡关系，单元系统的剩余可用水量 ΔＱｉ;ｍａｘ 不应超过单元系统的出流量 Ｑｉ，可 以按以下方法推求。
第 ２０ 卷 第 ５ 期 ２００５ 年 ９ 月
自然资源学报
ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＮＡＴＵＲＡＬ ＲＥＳＯＵＲＣＥＳ
Ｖｏｌ．２０ Ｎｏ．５ Ｓｅｐ．,２００５
针对水功能区划水质目标的可用水 资源量联合评估方法
夏 军 １，２ ， 王渺林 １，３ ， 王中根 １ ， 牛存稳 ２ ， 严 冬 ２
（１．中国科学院 地理科学与资源研究所陆地水循环及地表过程重点实验室，北京 １００１０１；２． 武汉大学 水资源与水电工程科学国家重点实验室，武汉 ４３００７２；３． 中国科学院 研究生院，北京 １０００３９）
Ｃｉ
＝
Ｑｉ－
１·Ｃｉ－ １ ＋Ｒｉ·ＣＲｉ ＋Ｗｉ ｑｉ ＋ΔＶｉ ＋Ｑｉ·βｉ
（６）
式（６）便是本文所建立的单元系统水量与水质概念模型，其中只有一个综合参数 βｉ。
２．２．２ 模型参数的确定与识别方法
已知单元系统的输入与输出，根据式（６）可推求模型参数。
β＾ｉ ＝
Ｑｉ－
１·Ｃｉ－
１
＋Ｗｉ
＋Ｒｉ·ＣＲｉ － Ｑｉ·Ｃｉ
出“可用水资源量”的概念，并结合水功能区划目标，提出单元系统水量水质模型和多河段系统的可
用水资源量评估方法。将该方法应用到滦河流域，经模型计算分析，１９９８ 年滦河未超标河段中在满
足水功能区划目标下可新增取水 ５．１×１０８ｍ３，水资源最大利用率为 ４３％（现状为 ３０％）。如果改变用
水方式，重新配置水资源后水资源最大利用率可达到 ５４％。
本文主要针对水资源调查评价中的第二类问题进行研究，提出“针对水功能区划目标的 可用水资源量联合评估方法”。本文提出的“可用水资源量”的概念是目前“水资源可利用量” 概念的一种拓广，它指统筹考虑生产、生活和生态用水基础上，满足河流水功能区划水质目 标的当地水资源量中可资一次性利用的最大水资源量。相对目前的水资源可利用量的定义， 它考虑了水质问题。本文中可用水资源量联合评估计算重点考虑以下两个基本情景。
（１）在现状来用水条件和水环境状况下，评估满足河流水功能区划水质目标和现状生
收稿日期：２００４－ １１－ ０２；修订日期：２００５－ ０５－ ０４。 基金项目：全国水资源综合规划专题研究项目（ＳＺＹＺＢ－ １）；国家自然科学基金项目（５０２７９０４９J５０２３９０５０）。 第一作者简介：夏军（１９５４～ ），男，教授，博士生导师，国家有突出贡献中青年专家，国际水文科协（ＩＡＨＳ）副主席，国际 水资源协会（ＩＷＲＡ）副主席，２０００ 年入选中国科学院“百人计划”。 致谢：本文研究过程中得到水利部规划计划司、水利部水利水电规划设计总院组织的专家学者的热情指导与帮助，河 北省水文水资源勘测局提供有关资料，在此一并表示感谢。
保证往下游输水的河道最小流量（如河流环境流量、生态需水、下游基本用水）的要求，单元
系统能够提供的最大可用水量。
为了计算单元系统的最大可用水量，需引进单元系统临界流量的概念。单元系统临界流
量指在来水和污染负荷不变的情况下，达到目标水质 ＣＳｉ 与河道生态需水量等要求，单元系 统所能够输出的最小流量，其值不应超过河道生态需水量，具体计算如下：
ｑｉ·Ｃｉ
－
ΔＶｉ·Ｃｉ
（７）
当 ＣＲｉ＝Ｃｉ 时，可得：
β＾ｉ ＝１＋
Ｑｉ－
１·（Ｃｉ－ １ － Ｃｉ Ｑｉ·Ｃｉ
）＋Ｗｉ
（８）
在实际应用时，往往缺少面源（或点源）污染观测资料，这时需要识别面源污染负荷 ＣＲｉ （或点源污染负荷 Ｗｉ）。面源污染 ＣＲｉ 可以假定为输出水质浓度的倍数，即 ＣＲｉ＝η·Ｃｉ。在评价 ＣＯＤＭｎ、ＮＨ３－Ｎ 等水质浓度时，面源污染浓度一般要大于常规观测浓度，此时 η大于 １。η的值 需要用最优化方法进行识别。点源污染负荷 Ｗｉ 的估算，首先假定单元系统每个月的点源污 染负荷相同；模型参数 βｉ 在年内恒定。然后，依据式（６）利用观测资料，通过最优化方法确定 参数 βｉ、η。最后，分别采用汛期和非汛期的污染物质平衡关系，推求汛期和非汛期的点源污 染负荷 Ｗｉ，得到年度的总污染负荷。 ２．２．３ 单元系统的剩余可用水量
２．２ 单元系统水量水质联合评价方法
为了探讨水功能区划多河段系统水量与水质联合评价的难题，首先基于单元水体的水
平衡关系，建立单元系统的水量与水质概念模型，确定单元系统水量与水质联合评价的方
法。然后，将该方法拓展到多河段系统。
２．２．１ 单元系统的水量与水质概念模型
对于任何一个单元水体（ｉ 如水功能区划的河
关 键 词：水量；水质；联合评价；可用水资源量
中图分类号：ＴＶ２１３
文献标识码：Ａ
文章编号：１０００－ ３０３７（２００５）０５－ ０７５２－ ０９
１ 引言
自 １９８１ 年全国第一次水资源评价工作以来，我国水资源的外部环境与内部条件发生了 很大变化［１～１０］。从水资源综合规划、配置和管理的实际需求出发，目前迫切需要探讨和解决两 类水资源数量与质量联合评价问题。第一类是评价研究区水资源数量中的水体质量分布情 况，以摸清水资源的家底为主要目的［１１］。另一类是从水资源可持续利用的角度，从更深层次 上搞清楚一条河流在一定的“生产、生活用水”条件下，为满足水功能区划水质目标和一定河 道生态需水要求，究竟有多少可用和能够调配的水资源量？这涉及到一条河流在水功能区划 和照顾到上下游需水、生产需水多目标下的水的可用方式和可用水资源量的测算。
$ ;Ｑｉ
（１０） （１１）
５期
夏军等：针对水功能区划水质目标的可用水资源量联合评估方法
７５５
其中，ＣＳｉ
为目标水质浓度，ＣＳｉ＝
Ｑｉ－ １·Ｃｉ－ １＋Ｒ·ｉ ＣＲｉ＋Ｗｉ ｑｉ＋ΔＱｉ(ｍａｘ＋ΔＶｉ＋（Ｑｉ－ ΔＱｉ(ｍａｘ）·βｉ
（１２）
２．２．４ 单元系统的最大可用水量
单元系统的最大可用水量是指现状用水条件下，满足河流水功能区划的水质目标以及
５期
夏军等：针对水功能区划水质目标的可用水资源量联合评估方法
７５３
产、生活用水和生态用水（河流最小流量）基本要求，流域的最大“可用水资源量”由现状取用 水量和河流“剩余的可用水量”组成。所谓“剩余的可用水量”是指满足现状生产、生活和生态 用水条件下，虽然河流受到一定程度排污影响，但未超过水功能区划水质目标还可以进一步 利用的最大“水资源量”，它是水量水质联合评价的重点，与流域来水情况、河流水污染程度 和水功能区划水质目标、陆域排污负荷以及洪水期间不可利用的水量等有关系。
（１）计算单元系统的临界流量 Ｑｉ(ｍｉｎ Ｑｉ*ｍｉｎ ＝ｍａｘ #!Ｑｉ － ΔＱｉ(ｍａｘ "(Ｑｉ(０ $
（１３）
式中，Ｑｉ(０ 为河道生态需水量，Ｑｉ≥Ｑｉ(０≥０。 （２）计算单元系统的最大可用水量 ｑｉ(ｍａｘ ｑｉ(ｍａｘ＝ｑｉ＋（Ｑｉ－ Ｑｉ(ｍｉｎ）－ Ｑｆ
式中，Ｑｆ 为汛期难以利用的洪水下泄水量。 （３）单元系统水资源的最大可利用率 ｒ％ ｒ％＝ ｑｉ(ｍａｘ ×１００％ Ｑｉ－ １ ＋Ｒｉ
将式（４）和式（３）联立，建立水量 Ｑ 与水质 Ｃ 的关系。
Ｃｉ
＝
Ｑｉ－ １·Ｃｉ－ １ ＋Ｒｉ·ＣＲｉ ＋Ｗｉ ｑｉ ＋ΔＶｉ ＋Ｑｉ ＋αｉ·Ｋｉ·Ｑｉ
＝ Ｑｉ－ １·Ｃｉ－ １ ＋Ｒｉ·ＣＲｉ ＋Ｗｉ ｑｉ ＋ΔＶｉ ＋Ｑｉ·（１＋αｉ·Ｋｉ ）
（４） （５）
令 βｉ＝１＋α·ｉ Ｋｉ，其中，αｉ 是调蓄系数，βｉ 定义为综合参数，则