缺资料地区水资源水质联合评价研究

缺资料地区水资源水质联合评价研究

1基于水循环过程的水量水质联合评价方法水资源是质量和体积的统一。但长期以来,水资源数量评价和水体质量评价都自成体系,相互独立。在第一次全国水资源评价中,针对当时的流域情况和需要,重点从量的方面查明了全国各地区地表水资源的数量及其时空分布特点。随着社会经济的发展,水资源的外部环境与内部条件都发生了很大变化,污染对水资源量的影响日益严重。据水利部门对全国约700条大中河流近105km河长监测结果表明:我国现有河流近1/2的河段受到污染,1/10的河流长期污染严重,不少地区出现了“水质型缺水”的现象。在新时期的流域水资源管理中,迫切需要探讨和解决水资源数量与质量联合评价问题,重新认识流域的水资源量及其分布。目前水量水质联合评价方法仍在不断探索中。刘克岩等结合我国北方地区水资源特点,提出了以用水为主体的水质水量联合的评价方法;夏军等在全国水资源综合规划“水资源数量与质量联合评价方法及其应用”专题研究中,提出了针对水功能区划水质目标的可用水资源量联合评价和针对地表来用水状况的水量水质联合评价两种方法,并且成功应用到栾河流域、黑河流域、鉴江流域。但在这些研究中,是利用已有的水量水质数据进行联合评价,但很难应用到缺资料地区或者是未来变化环境下的水资源评价中。分布式水量水质耦合模型在分析复杂流域内气候变化、土地覆被变化以及人类活动等对流域水量水质的影响具有不可比拟的优势,可以较好解决资料系列缺乏以及未来环境变化对水量水质联合评价带来的束缚。本文以此为基础,提出了基于水循环过程的水量水质联合评价方法,并应用在海河流域典型地区。研究有效补充了现有水量水质联合评价方法,将为解决资料缺乏地区以及未来变化环境下水资源评价提供了一种新的思路。2水质耦合模型基于水循环过程的水量水质联合评价,主要包括两个方面:一方面利用现有资料建立流域分布式水量与水质耦合模型,模拟研究区内不同区域不同时间段的水量水质同步变化过程,分析全区水资源的时空分布及其变化规律;另一方面通过改变模型的输入和边界条件,进行情景分析和预测,为资料缺乏地区或不同情景方案下的水资源综合规划与管理,提供水量与水质联合评价结果。主要研究思路如下(图1):(1)气候、水文包括基础地理信息数据,如DEM、土地利用、土壤类型等;水文气象数据,如降水、气温、蒸发、径流;以及水环境数据,如点源排污、断面水质监测数据等。(2)建立分布分布规律和水质耦合模型选择合适数学模型,分析流域水循环特征以及污染物迁移转化过程,进行水量、水质过程模拟。(3)基于模型的河流水观测利用现有的水量水质资料,完成模型参数率定和检验工作。在此基础上,将模型应用到资料缺乏地区,输出研究地区的水量与水质过程信息,并设置不同情景方案,预测未来气候变化和人类活动等多种情景下水量与水质变化过程,为流域水资源数量与质量的联合评价提供基础数据。(4)水资源量tn在获得研究区内不同断面的水量水质的同步变化数据后,采用水量水质联合评价思路对区域水资源进行综合评价。对于某一特定断面,评价公式为:{W(ti)=i∑j=1Q(tj),i,j≤nλj=Q(tj)/W(tn)δi=n∑j=1Q(tj,i)/W(tn),i∈(Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ,Ⅳ,Ⅴ,劣Ⅴ)(1)⎧⎩⎨⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪W(ti)=∑j=1iQ(tj),i,j≤nλj=Q(tj)/W(tn)δi=∑j=1nQ(tj,i)/W(tn),i∈(Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ,Ⅳ,Ⅴ,劣Ⅴ)(1)式中,W(ti)为0～ti时间段内累积的水资源量;n为总时段数;Q(tj)、λj分别为tj时段内的水资源量及所占总水资源量的比例;i为水质类别,分别为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ和劣V类;Q(tj,i)为tj时段第i类水的水量;δi为第i类水资源量占总水资源量的比例,5∑i=1∑i=15δi=1.0。通常情况下水资源评价的时间尺度为年,而水量水质模拟以月或日为最小时间步长。因此在计算中,选取的时间步长与水量水质数据保持一致,分时段对水资源进行评价,最后通过统计获得全年的水资源总量。3使用实例3.1涉县工业概况本文选取海河流域涉县为例,对境内的水量水质进行综合评价。涉县位于东经113°26′～114°,北纬36°17′～36°55′之间,地处太行山东麓,河北省西南隅(图2)。涉县境内主要河流为清漳河、浊漳河以及南洺河等,分别属于海河流域漳卫南运河水系和子牙河水系。涉县1956～2000年平均气温10.7～14.2℃,年平均降水量555mm,年平均水面蒸发量1732mm。涉县以工业为主体,工业增加值占GDP的比重达70%以上,主要为冶金、机械、建材、化工和食品等重污染行业。多年来由于境内居民生活饮用水受到严重污染,涉县一直是癌症高发地区。水质性缺水已经成为制约社会经济可持续发展的重要因素。3.2数据驱动的河流流域管理模型分布式水量水质耦合模型选取SWAT模型。该模型是20世纪90年代初JeffArnold等为美国农业部开发的大、中尺度的流域管理模型,模型在分布式水文循环、泥沙、营养物质和农药等模拟方面应用广泛。从基础资料来看,收集的涉县水量水质监测数据非常少,仅有清漳河上游刘家庄和下游匡门口两个水量水质同步监测站点,很难支撑传统的水资源评价。但充分利用有限资料构建耦合模型,便能够输出涉县境内不同断面连续的水量与水质过程数据,支撑水量水质联合评价与分析。建模过程和参数率定工作详见文献。3.3《侵权责任法》于2002年8月-2002年8月水质评价采用单指标法,评价标准为《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)。水量水质联合评价按照式(1)分别统计不同水质级别下的水资源数量,最后得到基准年和控制排污情景下的水量水质联合评价结果。(1)水源水质情况2004年涉县境内清漳河径流过程和相应的水质级别见图3。通过水量水质联合评价,全年水资源总量为2.46×108m3,其中Ⅱ类水0.39×108m3;Ⅲ类水0.30×108m3;Ⅳ类水0.40×108m3;其他均为劣Ⅴ类水。Ⅰ～Ⅲ类水占全年水资源量的28.0%;Ⅳ类水占16.0%;劣Ⅴ类水占56.0%,见图4。按照国家标准,饮用水水源的水质必须达到Ⅲ类水以上,清漳河2004年水污染非常严重,尤其在非汛期水质均为劣Ⅴ类,均达不到生活饮用水的标准。因此为保障涉县地区的用水安全,必须加强对污染源的控制。(2)u3000水体资源自2005年起,涉县对全境污染源排放加以控制,逐步关闭了沿河的主要排污工厂。通过模拟,2006年流域出口匡门口水质过程变化如图5。匡门口水质明显改善,与2004年比,氨氮年平均浓度削减了61.6%,CODMn年平均浓度削减了14.8%。联合评价得到:2006年涉县境内清漳河水资源总量为2.36×108m3,其中Ⅰ类水0.82×108m3;Ⅱ类水0.39×108m3;Ⅲ类水0.10×108m3;Ⅳ类水0.43×108m3;劣Ⅴ类水0.62×108m3。Ⅰ～Ⅲ类水占全年水资源量的55.4%;Ⅳ类水占18.2%;劣Ⅴ类水占26.2%,见图6、7。2006年涉县通过污染源控制,清漳河水质有显著改善,劣Ⅴ类水仅占总水资源量的26.2%,可利用水资源量有了大幅度增加,但氨氮污染依然比较严峻,还需进一步控制。4河流水质现状本文将分布式水量水质耦合模型引入水量水质联合评价中,提出了基于水循环过程的水量水质联合评价方法,较好地解决了资料缺乏地区和未来变化环境下的水资源评价问题。方法应用在海河流域典型区涉县,通过研究表明:(1)基准年(2004年),涉县境内主要河流清漳河全年水资源总量为2.46×108m3,其中Ⅰ～Ⅲ类水0.69×108m3,占全年水资源量的28.0%;Ⅳ类及Ⅳ类以下水共1.77×108m3,占全年水资源量的72.0%。清漳河2004年水污染非常严重,非汛期水质均达不到生活饮用水的标准。(2)涉县通过两年的污染整治,清漳河水质有了很大改善。2006年水资源总量为2.36×108m3,其