杜强1 陈凯麒1 宿华2 张士杰1

（1 中国水利水电科学研究院水环境所100044；2 松花江流域水保局 130026）

摘要：简要分析了流域水资源保护规划中存在的问题，在实例分析的基础上，提出了大流域水资源保护应以新的理论和方法为指导，制订确实可行，可操作性强的水资源保护规划，同时应强化流域机构的作用，真正实现水资源的统一规划管理和保护。

1 前言

　　水资源保护是水问题研究中非常重要的内容,近年来随着我国水资源短缺和水环境恶化进一步加剧,水资源保护受到越来越多的重视.目前,水资源保护工作是按照水利部门编制的流域水资源保护规划组织实施的.无疑,水资源保护规划在我国水资源保护工作中曾起到重要的作用.然而,在全国范围内水环境不断恶化的事实表明,当前水资源保护的力度远远不够,规划没有起到应有的作用,甚而有人戏称”规划规划墙上一挂”,这其中除了投资经费不到位,规划中相应的工程措施无法落实等因素外,水资源保护规划本身所存在的问题值得研究.现行的水资源保护规划的编制以水环境容量和污染物总量控制理论为依据,而这一理论有其局限性,存在许多争议,欧美国家以及它的发源地日本仅在理论上作过探讨和研究,并没有真正应用于实际.

　　本文作者参加了松花江流域水资源保护规划的部分工作,在工作中对水资源保护规划的编制及未来水资源保护有一些认识.本文意在就大流域水资源保护的模式谈几点看法,首先以松花江流域水质模拟模型的建立和应用为例,分析了流域水质管理模型的作用和意义,在分析总结的基础上,提出大流域水资源保护和管理必须采用现代技术手段,必须以流域水质管理模型为依据,在对一系列管理方案进行对比分析的基础上, 制定水质目标和相应的保护措施。

2 实例分析

2.1松花江流域概况

　　松花江流域是我国七大流域之一,位于我国东北地区，面积为55．68万km2。流域地貌的基本特征为西、北、东三面环山，中南部和东北部为平原.流域内气候具有明显的大陆性季风气候特征，四季变化明显。松花江流域多年平均降水量大致在300—1200mm之间，在地区的分布上差别较大，由东向西北递减。降水年内分配不均，6—9月占全年的70％一80％。松花江流域径流的主要特点与降水量一致，地区分布不均匀，年内分配相差悬殊,中小河流在冬季枯水期大多断流,年际变化很大，且有连续丰枯交替发生。嫩江为松花江干流北源, 流向由北向南,南源第二松花江自东南向西北流。嫩江和第二松花江在三岔河交汇,形成流向由西向东的松花江干流.根据松花江流域总水资源量约1650.87亿m3，流域内水资源比较丰富，但年内分配不均匀,一年出现春汛和夏汛两个汛期。

图1松花江水质干流模拟区

2.2干流水动力学河水质特征

　　松花江流域干流水质模型区域包括嫩江、第二松花江和松花江干流，全长2214.3km，详细见图1。嫩江从石灰窑至三岔河口，河长970.7km，沿江地势起伏较大,河槽平均纵比降约0.18 0/00,河道形态及河面宽窄变化较大。从吉林市阿什至三岔河口，河长378.2km；沿江地势起伏较大,河槽平均纵比降约0.19 0/00, 河道弯曲，河道形态及河面宽窄变化较小。松花江干流从三岔河口至富锦，河长865.4km,沿江地势起伏较小,谷坡平缓，河槽平均纵比降约0.070/00,河道形态相似，河面宽窄变化较大。

　　松花江流域干流佳木斯站多年平均流量约2498m3/s、其中嫩江来流量约占佳木斯站流量的29％，第二松花江来流约占佳木斯站流量的31％。嫩江、第二松花江和松花江干流有主要的一级支流19条，汇入的总流量约占佳木斯站流量的70％.松花江流域干流流量年内分配极不均匀，以佳木斯站为例，枯水期径流量占全年总径流量的16.5%，平水期径流量占全年总径流量的23.2%，丰水期径流量占全年总径流量的60.1%。其中嫩江和松花江干流水位陡涨陡落，变幅较大。松花江流域干流河道宽窄相间，水流沿程阻力较大，干流河段形态的变异，较强地影响各河段水流运动规律。

　　松花江流域主要污染区域为嫩江齐齐哈尔市，第二松花江吉林市，松花江干流哈尔滨市和佳木斯市。主要污染物为CODcr、挥发酚和石油污染类。从松花江干流的污染状况看，在没有城镇污水排放的江段，河流水质都较好,点源污染负荷是最主要的污染负荷。本研究仅考虑点源污染负荷，主要为城镇工业和生活污染两大类，并确定CODcr和氨氮作为模拟研究对象。一般地，水利部门的水质监测采用CODmn,而环保部门采用CODcr，松花江流域采用如下关系式，即CODcr=2.65CODmn作换算。

　　按照松花江流域1994年排污口调查结果，对干流排污口资料进行了统计分析。统计表明，沿干流分布有大小15座城市，有排污口150个，平均每个城市15个排污口。各城市排污口流量、CODcr和氨氮浓度详细见表1。

表1 沿干流城市及排污口统计表

　　对1998年松花江流域片水质监测成果进行分析评价表明，Ⅰ和Ⅱ类水质河段10.3％；Ⅲ类水质河段占总评价河长的26.06％；Ⅳ类水质河长占总评价河长的27.88％；Ⅴ类水质河长占总评价河长的18.23％；劣Ⅴ类水质河长占总评价河段的17.45％。嫩江在枯水期水质较好，丰水期水质较差；而松花江干流和第二松花江干流枯水期水质较差，丰水期水质较好。松花江流域干流水质总体上较差，其中氨氮(NH3-N)和CODmn在一年中的绝大部分时间内不能GB3838－88二类水质标准。

　　要特别说明的是松花江流域干流为沿江城市的主要饮用水原地,并且都由河道直接取水,但目前松花江干流饮用水原地水质污染严重，以哈尔滨市为例，约70%的饮用水取自松花江，位于哈尔滨市朱顺屯水源地的监测断面常年检测结果显示，松花江水水质不能满足地表水Ⅲ类标准，主要表现为有机污染。从1999年水源地水质监测结果与以往水质资料对比分析看，近年来哈尔滨市江段水质污染非但没有减轻，反而表现进一步加剧的趋势。饮用水源水质关系到千百万沿江人民的健康和生命安全，因而加强水源地水质保护，特别是加大上游地区污染治理力度非常迫切。

2.3干流水动力学和水质模型

　　水动力学模型 通过分析松花江干流地形地貌和水文等各种条件，在认识和掌握干流水动力学特征的基础上，对各影响要素进行了合理概化，譬如，不考虑降雨和径流过程，只考虑较大一级的支流；忽略了地表水和地下水间的相互转换，将河床概化为无渗漏和补给的稳定河床，概化后的水文模型为，无河床渗漏的一维非恒定流。在概化的水文概念模型基础上，引用圣维南方程，建立了描述干流水流的数学模型：

(1)

其中：Q 流量；A 断面面积；q 侧向入流；α 流速在垂向的分布系数；h 水深；C 谢才系数；R 水力半径 ；ζ 边界；h1 、q1 边界水深和流量；h0 、q0 初始水深和流量。

　　干流水动力学模型的率定期选定为1986年和1987年，验证期选定为1997年，从收集的资料情况看，1986年和1987年水文资料较为丰富， 1997年资料差。大断面资料主要采用了1987年实测结果.其次，进行单元剖分，剖分时考虑干流的功能区，在开发利用区剖分单元要小，其它区域剖单元大。剖分步长从2km到10km不等。总共有水位节点450个，水量节点440个。对于干流上的较大支流，在对比分析流量和污染物浓度的基础上，进行取舍或归并，最后进入模型的支流有19条。其中，嫩江上7条；第二松花江1条；松花江干流11条。模型考虑大型取水口11个，其中，嫩江上3个；第二松花江上4个，松花江干流上4，排污口、支流口和取水口作为旁侧入流处理。

　　模型率定参数为糙率，最后确定出符合干流水动力条件的糙率值在0.025---0.067。对大多数水位和流量站，计算和实测值拟合的较好。模型的率定和验证期拟合结果表明，所确定的参数能够比较好地反映干流的水动力学特征，同时也表明干流水动力学模型能够较好地描述干流水位流量的时空变化规律，这一模型可以用于水质模拟研究。

　　水质模型 废污水排入水体，伴随着一系列复杂的物理、化学和生物作用过程,为了使问题简化，这里将污染物在水中的各种物理、化学和生物作用过程对模拟组份浓度变化的的影响，概化为物染物的综合衰减，并由综合衰减系数来表征。同时，河流动力学条件对水质的影响作用仅考虑输移和扩散作用。通过这样的概化，在干流水动力学模型的基础上，建立起描述干流水质输移扩散的一维非恒定模型。其数学表达式为：

(2)

式中, C 污染物浓度；D 弥散系数；ν 断面平均流速；K 综合衰减系数；S 源汇项；c1、c0 分别为边界和初始浓度。

　　对于以上输移扩散方程, MIKE11采用与水动力学模型相一致的有限差分格式进行求解,网格单元和时间步长的剖分与水动力学模型的剖分相同。剖分的每个节点都作为污染物计算点.

　　同样，模型以1986年和1987年作为率定期，以1997年为验证期。模型率定参数为弥散系数和综合衰减系数，根据所收集的资料，给出符合干流氨氮和CODcr的弥散系数和综合衰减系数。弥散系数取值范围在5~25之间，CODcr的衰减系数取值范围为0.06~0.16; 氨氮衰减系数取值范围为0.07~0.18

　　对大多数水质监测站点，氨氮和CODcr的计算和实测值拟合的较好。水质模型的率定和验证期拟合结果表明，所确定的参数能够比较好地反映干流的氨氮和COD的污染特征，同时也表明干流水质模型能够较好地描述氨氮和COD的时空变化规律，这一模型可以用于松花江流域干流水资源保护和管理。

2.4干流水质预测和预报

　　松花江流域水资源保护规划以1997年为基准年,2005年、2010年和2020年为规划水平年。在规划水平年各支流口流量和各取水口流量已由各省区给出，支流口氨氮和CODcr浓度由较长系列水质监测资料结合和支流口上游城市工农业发展规划由统计分析给出。取水口氨氮和CODcr浓度为规划水平年各取水口计算浓度值。规划水平年排污口流量和浓度以1994年的调查结果为基础，同时考虑了规划期工农业发展的规模和水平，作了适当修正。规划期各边界条件采用了水文学方法作了预报。通过干流水质模型的预测和预报，在三个规划水平，干流所设定的74个目标断面处，绝大多数不能满足规划目标的要求。其中嫩江水质相对较好，二松和松干水质较差。干流仍然具有城市江段水质较差的特征。 2.5实例分析总结

　　松花江流域干流水动力学河水质模型尽管存在一些问题,比如在模型建立时作了较多的概化;模型仅考虑了点源污染等不足之处.但总体上看,松花江流域干流水质模型基本上能够描述干流水质时空变化的特征和规律，该模型可以用于水质的预测和预报，可为干流水资源保护提供科学的依据。同时也表明，水质模型的建立可以为河流中污染物排放和河流水质提供定量的关系。由于水资源系统的庞大复杂性，人们很难用倾倒大量污染物或停止排放污染物的办法来试验水资源的自净能力和迁移转化规律，采用物理模型的方法难以达到相当的真实性，并且要消耗大量的人力和物力。而采用数学模型的方法具有较大的灵活性和适应性，可以在短时间完成各种方案的计算比较，特别是在进行多个预测方案的比较时更具有优越性。水质模型是水资源保护规划中最重要的技术工具，在给定设计水文和污染负荷条件下，利用水质模型可以进行水质预测。水质模型是数字化河流系统的重要组成部分。

3水资源保护模式

3.1 技术上建立数字化河流系统

　　数字化河流系统是物理河流的虚拟对照体，即通过全数字化数据库平台的构建，建立流域及其相关地区的数字化虚拟研究对象，采用数学模型对河流开发治理和保护的各种方案进行模拟分析。换句话说数字化河流系统是把河流装进计算机，从而可方便地研究河流的各种现象，探索其内在规律，为决策提供技术支持。数字化河流系统包括多个环节，其中数学模拟是系统的核心。数学模拟是运用数学模型和计算机技术对自然系统进行仿真模拟的技术，仅从以上建立的水质模型就可以看出，对干流上的所有排污口都可以纳入模型之中，每个排污口对紧邻目标断面的作用和影响多可以通过模型计算加以量化，可以对排污口浓度河流连对目标断面的影响程度做出分析。从而避免了笼统的总量控制。事实上我国地区间发展极不平衡，东南部地区经济发达但资源量相对稀缺，而西北部地区经济发展落后，但资源含量较为丰富，在确定各地区污染物容许排放总量时，我国采取的办法是将各地区污染物容许排放总量“冻结”在1995年的排放量水平上，这样做实际上相当于承认了各地区1995年的污染现状，这样的总量分配方法无法使已污染的水环境得到治理和改善。

　　以新的理论和方法为指导，制订确实可行可操作性强的水资源保护规划是大流域水资源保护的关键。

3.2 管理上强化流域机构的作用

　　各流域机构的水资源保护规划已作了几次，以1990年完成的《规划》为例，上次规划在管理上存在以下几方面的问题，①所列入的治理费用没有能够全面落实或合理利用，加上对水资源管理和保护重视不够，流域内水污染范围逐年增大，水污染程度逐年恶化。② 由于废水治理成本高，排污收费低，以及治理工程本身的设计、管理不当等因素的影响，使得处理设施运行率、设备利用率和污染物去除率都不理想。中小企业工艺落后，乡镇企业多数排污量极大，绝大多数又不执行有关排污政策；有些国家大型企业废污水及污染物的排放量远大于设计值。③ 城市污水处理厂绝大部分没有开工或没有按时投入运行。④流域机构及流域内各省（区）均无强有力的组织管理机构，工作难以开展。因而，在这样的管理机制下不可能实现规划所提出的目标。所以，必须赋予流域机构更大的权限，真正建立统一领导统一管理的机制，发挥流域机构的功能，形成一套水资源保护的保障体系。

　　由于历史等方面的原因，我国在水资源管理和保护中水利和环保部门并存，长期形成了水利部门不上岸，环保部门不下河的局面，这种局面极其不利于流域水资源的保护。但各流域中的水资源保护局受水利和环保两个部门的双重领导，所以应充分发挥水保局的这种优势，不但要控制排污口也要管污染源。

3.3 完善水质监测

　　松花江流域水质模型的建立过程中，水质监测数据所反映的问题较多，其中，监测站点有限，监测数据少，系列性差是最典型的问题。另外1997年底的淮河流域“零点行动”和1998年底的太湖流域“零点行动”表明，监督检查的工作相当繁重而复杂，尽管国家三令五申对这两个流域内的城市、乡镇与污染源给出了明确的达标排放任务，但许多城市废水与污染源排放的废水都未达到要求，甚至弄虚作假。 水质监测是流域水资源保护规划编制的基础，同时也是检验各项保护工作取得成果的主要方式，所以，进行监测站点的合理规划，采用现代化技术手段进行河流水质监测，实现数据采集、传输和存储及处理的自动化是未来流域水资源保护工作重要内容。实际上，水质监测本身也是数字化河流系统建设的基础工作。

结论

　　通过以上分析，可得到以下几点认识，以新的理论和方法为指导，制订确实可行可操作性强的水资源保护规划；国家赋予流域机构更大的权限，真正建立统一领导统一管理的机制，发挥流域机构中水资源保护局双重领导的优势，形成一套水资源保护的保障体系；在监测站点合理规划的基础上，采用现代化技术手段进行河流水质监测，实现数据采集、传输和存储及处理的自动化是大流域水资源保护的必由之路。