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(xiàn)［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(shí)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(shí)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)?；诖耍P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(shí)現(xiàn)供需平衡分析，通過污染物排放與入河分析，實(shí)現(xiàn)污染物消減和水功能水質(zhì)達(dá)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(jì)用水嚴(yán)重短缺等問題，提出了基于宏觀經(jīng)濟(jì)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(jì)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(jì)系統(tǒng)供水滿足程度和社會經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)對水資源系統(tǒng)的需水壓力，實(shí)現(xiàn)了基于國民經(jīng)濟(jì)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(diǎn)，提出了基于經(jīng)濟(jì)生態(tài)系統(tǒng)的水資源可持續(xù)配置［6］，實(shí)現(xiàn)了社會經(jīng)濟(jì)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(jì)用水?dāng)D占生態(tài)用水狀況，并且針對西北地區(qū)獨(dú)特的旱區(qū)生態(tài)系統(tǒng)特點(diǎn)、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(jì)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(kuò)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(jì)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(jì)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(shí)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(jìn)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(jì)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(shí)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(jì)領(lǐng)域出發(fā)，改變調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、改變經(jīng)濟(jì)增長方式是當(dāng)前我國水資源配置過程中國民經(jīng)濟(jì)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(hù)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(hù)。在此背景下，從水資源的全方位出發(fā)進(jìn)行優(yōu)化配置顯得尤為重要，進(jìn)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(yùn)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(jìn)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(jì)用水、河道內(nèi)生態(tài)需水以及航運(yùn)、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(shí)行分質(zhì)供水；以社會經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的高效節(jié)水為前提，通過國民經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和改變經(jīng)濟(jì)增長方式，實(shí)現(xiàn)用水效率和效益的提高，通過減少污染物排放量，擴(kuò)大污水處理能力，減少污染物入河量，實(shí)現(xiàn)水功能區(qū)水質(zhì)達(dá)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(jìn)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(gè)層面上進(jìn)行從供水端擴(kuò)大供水而需求端進(jìn)行節(jié)水，最終實(shí)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(diǎn)分層進(jìn)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(jìn)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(xiàn)，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(shí)現(xiàn)本地水和外調(diào)水聯(lián)合配置，以此實(shí)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(shí)現(xiàn)增加供水，減少缺水量。從需求上實(shí)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(kuò)大供水量；通過污水回用擴(kuò)大供水源；通過尋求外調(diào)水補(bǔ)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(jìn)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(shí)行分質(zhì)供水條件下的水資源優(yōu)化配置?；谒Y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(jì)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(jì)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(jìn)行產(chǎn)污、治污評價(jià)，模擬計(jì)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(jìn)行校核，從最嚴(yán)格水資源管理制度出發(fā)對需求進(jìn)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(fèi)現(xiàn)象。然后根據(jù)現(xiàn)狀水利工程供水能力進(jìn)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(jì)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(hù)目標(biāo)，進(jìn)行污染物消減。

（2）二次平衡分析?！岸纹胶狻狈治鍪窃凇耙淮纹胶狻狈治龌A(chǔ)上，進(jìn)一步通過擴(kuò)大水源來緩解缺水量；通過截污減排措施實(shí)施，保證水功能區(qū)水質(zhì)達(dá)標(biāo)。開源工程從凈水和中水兩個(gè)方面進(jìn)行擴(kuò)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(kuò)大中水回用量在整個(gè)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(fèi)，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(jì)規(guī)模進(jìn)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(shí)現(xiàn)開源節(jié)流的同時(shí)，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(shí)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(dá)標(biāo)和納污能力達(dá)標(biāo)。分析在分質(zhì)供水情況下的水功能區(qū)水質(zhì)達(dá)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(shí)現(xiàn)開源節(jié)流，擴(kuò)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(shí)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。總之，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(dá)標(biāo)控制要求出發(fā)，實(shí)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(shí)，實(shí)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(yùn)用和優(yōu)化配置，分析跨流域調(diào)度對擴(kuò)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(shí)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(shí)現(xiàn)了水量水質(zhì)雙重控制下的供需平衡，同時(shí)實(shí)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(jìn)行控制。

2.3 基本特點(diǎn) 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(diǎn)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(shí)現(xiàn)水功能區(qū)納污總量控制和水質(zhì)達(dá)標(biāo)，從水質(zhì)水量的雙目標(biāo)出發(fā)，進(jìn)行二次平衡分析解決水質(zhì)型缺水問題；在擴(kuò)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(hù)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(shí)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(diǎn)：（1）實(shí)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(shí)行分質(zhì)供水配置。從水質(zhì)水量的雙總量要求出發(fā)，進(jìn)行水資源配置，擴(kuò)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(shí)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(jìn)行分析，從水資源量和質(zhì)的屬性出發(fā)，進(jìn)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(shí)現(xiàn)了真正意義上的雙總量控制要求。

3 實(shí)例應(yīng)用

本文以西遼河流域?yàn)檠芯渴痉秴^(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(jìn)行了分析，根據(jù)三次平衡的基本思路和要求進(jìn)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(jì)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(jì)進(jìn)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(jìn)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(jì)算對流域水資源配置格局進(jìn)行了分析。根據(jù)模型運(yùn)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(shí)際供水量為30.55億m3，缺水量高達(dá)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(shí)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(bǔ)充本地水資源緊張形勢，實(shí)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(dá)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(jià) 西遼河流域存在嚴(yán)重的資源型缺水。在2006年國民經(jīng)濟(jì)嚴(yán)重?cái)D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(jìn)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(shí)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(jìn)行評價(jià)，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(shí)際納污總量的1.8倍。而通過規(guī)劃年實(shí)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(shí)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(jì)發(fā)展要求還是從水生態(tài)水環(huán)境系統(tǒng)保護(hù)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(jìn)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(shí)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(jìn)行取水總量控制和納污總量控制。在需水端，實(shí)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(kuò)大中水回用比例，減少供水系統(tǒng)不必要浪費(fèi)和有條件開展外調(diào)水工程；在排水端，實(shí)行污染物消減與水功能區(qū)納污總量控制，實(shí)現(xiàn)水功能區(qū)水質(zhì)達(dá)標(biāo)。本文通過實(shí)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(jìn)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。

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