摘要: 为实现调水工程受水区可持续发展，以二元水循环规律为基础，从受水区生态和环境用水水量和水质两方面对调水的规模进行了研究，并建立了与其水资源开发利用系数、污水排放率和区域外与区域内用水比例k 相关的生态和环境水安全调入水规模计算模型。以郑州市2010 年和2020 年不同频率年接受南水北调水为例进行计算和综合评价。结果是:① 2020 年因污水处理能力限制，平水年生态和环境用水水质水量都受到南水北调调入水规模过大而不合格，需要维持5. 312 亿m3 规模，或对污水进行深度处理，减少污染物排放量;②2010 年极度干旱和2020 年干旱年和极度干旱年计划调水，kT 值小于生态和环境质量达标所求k 值，调入水规模还可以增大，分别为2. 650、0. 096 和4. 213 亿m3 ;③2010 年平水、干旱年和2020 年平水年南水北调满足郑州市生态和环境水量要求，但不满足水质要求，给郑州生态和环境容量带来压力;④从生态和环境用水安全角度看，郑州市2010 年和2020 年平水年、干旱年和极度干旱年从南水北调的引水规模分别是2. 687、5. 324、5 . 745、5 . 312、7 . 115 和7. 115 亿m3 。

关键词: 用水安全; 二元水循环; 南水北调; 调入水规模; 受水区; 水质; 水量; 郑州

中图分类号: P333　  文献标识码: A

The Study on the Water Diversion Scale Based on the Security Ecology and Environmental Water Usage

ZHANGYun-xin1 ，CHENGYao1 ，MA Run-shui2 ，PENG Bin1

Abstract: In order t o achieve the sustainable development of the intake area in the diversion project，we study the water scale from the quality and quantity of the ecology and environmental water usage in the intake area based on the binary water cycle rules.We establish a computational model of the water diversion scale about the ecology and environmental water usage which is relevant to development utilization co-efficiency，sewage emission ratio and water use ratio k from within to outside. In this paper，taking the Zheng zhou city as an example，we use the model to compute and assess the receiving water scale from the south-to-north water transfer project in 2010 and 2020 percent y ears. The results are: From the perspective of ecological and environmental water security ，zheng zhou city，in the year 2010 and 2020 50%，75% and 95 % the water diversion scales from the south-to-north water diversion in differenty ears will be 268. 7，532. 4，574. 5，531. 2，711. 5 and 711. 5 million cubic meters.

Key words: water use safety; Binary water cycle; South-to-Nor th water diversion project; the w ater diversion scale; intake area; water quality; water quantity; Zheng zhou

0 引言

跨域调水工程在缓解沿线城市生产生活用水紧张，促进经济发展的同时，对调水区、输水区和受水区也可能产生不可忽视的生态和环境负效应或潜在威胁。受水区调水所产生的正负效应与调入水规模密切相关。因此，对受水区调入水规模的论证，意义极为重要。如何确定受水区调入水规模，使其既满足受水区要求，又达到水资源合理利用; 同时，使得产生负面影响最小化。这是调水工程受水区重要的现实问题。1998 年陈建耀[1] 从系统的角度把区域调入水规模分为宏观层、中观层和微观层，提出区域调入水规模的指标体系及基于此的PRED 综合论证; 并以北京市水资源开发利用为案例，用PRED 综合协调分析分别对北京市的用水及趋势作了论证，得到北京市水资源可维持现状下的开发利用。但从生态和环境用水安全角度对受水区调入水规模进行研究论证鲜有报道。随着人水和谐和理念的不断深入发展与可持续发展完善，区域生态和环境与人类的关系成了平等和谐，文献[ 1] 中以人为中心的PRED 综合协调分析方法需要进行补充。为此，本文提出受水区生态和环境用水安全的调入水规模确定方法，从生态和环境水量水质安全角度，对现有以社会发展为目标确定的调入水规模进行综合评价。它为受水区确定调入水规模及生态系统管理、保护提供决策依据。

在“二元”水循环下[2- 4] ，生态和环境用水不仅来自于天然降水，而且受到社会系统排水的补充，其水量大小与水质状况同时受到人类利用水资源程度、利用效率、污水排放率等的影响。意味着二元水循环下的生态和环境用水无论是水量，还是水质，已经完全不等同于一元水循环下的生态和环境用水。所以，生态和环境用水不仅要考虑量的问题更要考虑质的问题。下面主要讨论确保受水区生态和环境用水安全前提下确定其调入水规模。

1 确定受水区生态和环境用水安全的调入水规模方法

1. 1 区域水量收支确定

假设以某一受水区域为研究对象。区域内降水与蒸发及入渗之差视为自产水量，该区域地表水包括区域自产水量和流经区域内河流的客水水量。因此，降水与蒸发不再单列在收支项目中。从区域外调来水费用比较高，直接供人类生活生产利用，取水量为QUO 。

区域收入项: 地表水量(即上游区域客水和该区域自产水量) QR ，QR 不包括不能被资源化部分的洪水; 区域地下水可利用量QG ; 人类利用后排放来的污水QD ，包括使用区域内和外调水产生的污水。

区域支出项: 区域内生活生产利用取水量Q| - UR 。除了人类利用外，区域水量还有流出该区域的水量和蓄留本区域被生态环境利用的水量。由于水的特性，流出区域的水在流的过程中也可以被区域部分生态环境无消耗的利用。这样，就把流出区域的那部分水量也视为生态系统利用水量，生态环境用水量QE 包括地表水补给地下水的水量。

1. 2 区域生态环境用水水量及水质计算原理

1. 2. 1 区域生态环境用水水量计算

按照水量平衡原理，区域自然水循环水量平衡关系方程:

QR + QG + QD = QUR + QE (1)

QN 为区域自然水资源可利用总量; QUR 为留好生态基流水量后生产生活从区域自然水资源可利用总量中取用的水量。令区域水资源开发利用率u 为QUR 与QN 的比，则有:

QR + QG = QN (2)

QUR / QN = u (3)

令所排污水占总用水量的百分比为η，称为排污率，反映该地区节水水平及节水潜力。则区域耗水率用(1- η) 表示。令QU 为区域总用水量。社会水循环水量平衡规律有:

QU = QUR + QUO (4)

QD = ηQU =η(QUR + QUO)(5)

在区域内的总用水量中，令区域调入水量与区域内取用水量的比为，称为区域用水调入比。调入比可以确定调入水规模，反映该区域用水结构及水资源安全程度。

QUO / QUR = k (6)

QD =η(1 + k) QUR (7)

根据式(2) - (7) 区域内可供生态环境用水量可表示为:

QE = [ 1 - u + uη(1 + k) ] QN (8)

式(8) 两边同除区域自然水资源可利用总量，得到区域生态环境用水占区域自然水资源可利用总量的比RE 。

RE = 1 + uη(1+ k) - u (9)

由式(9) 可知提高生态环境用水比例有两种途径，一是控制区域水资源开发利用率; 二是当u 不能变时，提高k 值，增大区域调水工程的调入水量。区域用水调入比k 提高了，同时提高生态环境用水比。

1. 2. 2生态和环境用水水质计算

(1) 生态和环境用水污染物负荷。排放污水携带了一定浓度的污染物，其污染物浓度为Cd 。若来水径流来水污染物浓度的本底值为C0。虽然受水区地下水位降低很多，其量与地表来水量相比很小，同时，地下水经过土壤净化，几乎没有污染。但鉴于北方污染严重，保守计算认为地下水的污染物浓度等同上游来水径流。则生态需水的污染物负荷量(W) 为:

W = Cd QD + C0(1 - u) QN (10)

(2) 生态和环境用水质计算。在已知点源与农业退水污染负荷的条件下，污水排放回归到天然水系统后的混合水质除与排放回归污水的浓度有关外，还与天然水系统的容量密切相关。同时，水体有自净化作用，与水环境水量有关，接纳环境水量大，净化作用就强; 且水体净化前几天单位时间净化效果明显好于后面时间，即水体单位时间净化能力下降的。取前N天为准。设综合降解系数为d。因此，生态和环境用水的水质用污染物浓度表示为:

把式(3) 、式(7) 、式(8) 带入式(11) 得:

由式(12) 可以看出生态和环境用水不仅与水资源开发利用率、排污率有关，而且与排放污水浓度、来水径流污染物浓度、区域用水外内比有关，是质量与数量的统一体，是随排放污水浓度、排污率、水资源开发利用率、区域用水外内比变化而变化的函数。

当给定生态需水的水质标准CE 0 时，则可调节水资源的开发利用率或排污率，用以求k，从而可以从生态和环境用水水量方面确定该地区的外调水量规模。

调入水量要小于等于域外向该区域调水的供水能力量Q_O^T ，此式为约束条件。

调入水规模模型由式(12)、(13) 和(9) 构成，其中，式(13)为硬约束，式(9) 为软约束。

1. 3 调入水规模模型及求解

随着人水和谐理念的深入和生态和环境需水量和质量研究精度不断提高，区域中生态和环境所需水量和水质的值很容易得到; 即生态和环境所需水量和水质还有控制目标值。当一个区域接受域外调水时，说明本区域水资源开发利用率已经达到极限，其值可知，C0 和Cd 也很容易得到。由式(9) 可知，生态和环境用水比例，随受水区调入量增加而变大，是其增函数,有下限，没有上限。由式(12) 可知，区域生态和环境水质是调入水量的减函数，有上限最大值和最小值零。由于节水水平和污水处理能力有限，污水排放总量增大。区域水环境容量有限，生态和环境水质将随着调入水规模增大而加剧恶化。区域节水水平也可以从供水部门得到。水质不仅是区域社会经济发展的保障，而且是生态和环境用水的灵魂。因此，用式(12)求得未知数k1 。把k 1 代入式(13) ，如果k1 < kT ，再把k 1 代入式(9) 得RE > RE 0，生态和环境用水比达标，则k= k1 值即为所求; 否则，令k= kT ，再把kT 代入式(9) 得到RE > RE0 ，生态和环境用水比达标，则k= kT 值即为所求。如果RE < RE 0 ，不达标;当k1 < kT 时，对污水进行加深度处理，采用更严格排污标准,从而提高k 值; 当k1 > kT 时，加大节水力度，降低u 值，直到RE> RE0 达标为止。

2 实例应用

2. 1 郑州市概况[ 5]

郑州市是河南省省会，其多年平均(1956- 1979 年系列) 地表水资源量为8. 67 亿m3 ，地下水资源量为8. 65 亿m3 ，地表、地下重复计算量为3. 93 亿m3 ，水资源总量为13. 39 亿m3 。随着工业发展，人口增长，生产、生活需水量日以剧增，这不仅加剧了水资源的供需矛盾，而且由于工业废水、生活污水不加处理大量排放严重污染了河流和水体，使郑州市水环境遭到严重破坏。大量污水排放超过了郑州市的环境容量允许排放量，导致河流水体水质严重污染水环境恶化，郑州属于缺水城市，利用南水北调水源是必要的。

2. 2 确定调入水规模模型中参数

以人水和谐和可持续发展理念为指导，郑州市和谐发展规划，在引南水北调水情况下，2010 年和2020 年境内保证生态和环境用水比达到50% 和55%，水资源利用系数分别达到0. 7和0. 75，境内来水以主要污染物CODcr 为目标，保证达到30mg/ L，以供本是用水卫生，出境水质主要污染物CODcr 控制目标为35 mg/ L。污水按一级排放标准(100 mg / L) 处理后排放。郑州市2010 年和2020 年境内供人类生活生产利用的水量见表1。

表1 郑州市2010 年和2020 年境内供水能力亿m3

Tab. 1 The water supply capacity of ZhengZhou itself in 2010 and 2020

2. 3 计算调入水规模确定

模型中所需参数由2. 1 节可知，前7 d 取污染物综合降解系数，见表2。

表2 模型参数

Tab. 2 The parameters of model

注: 综合降解系数d 主要指郑州市污水深度处理厂处理能力，为简化计算归到d 中。

以南水北调2010 和2020 年分给郑州市水量为调水限制量QTO ，分别为5. 745 和7. 115 亿m3 。把表2 参数代入模型，结合式(6) 最终确定2010 年和2020 年值和调入水规模，对现有计划规模进行评价分析，并得到生态和环境纳水能力盈亏见表3。

2. 4 结果分析

从表3 结果来看，调水5. 312 亿m3 时，2020 年平水年生态和环境用水比例RE = 0. 54，小于目标值0. 55，表明此年份生态和环境用水量将比较紧张，生态和环境用水水量比不足。为了保证郑州市生态和环境质量，按计划从南水北调中区5. 475 亿m3 ，能保障生态用水量要求。但是，从生态环境用水水质方面看，此规模超过2020 年平水年份生态和环境纳水能力，调入水规模偏大。如果通过提高值到0. 55 时COD 为37 mg / L，与控制目标35 mg/ L 相比不能承受。相应措施: 措施是维持5. 312亿m3 规模，加大节水力度，降低η值; 或对污水进行深处里，提高k 值，来缓解生活生产和生态和环境的用水紧张。否则，南水北调水量将加重郑州市污染，加剧郑州市生态和环境恶化。

从生态和环境水质限制来看，2010 年极旱和2020 年干旱年份调水限制kT 值小于生态和环境质量达标所求k 值，说明这样年份南水北调分给郑州的规模合适，使得郑州市生态和环境容量还有容余量，生态和环境调入水规模还可以增大，分别为2. 650、0. 096 和4. 213 亿m3 。

表3结果还表明，同一年份，不同境内来水情况下，出现生态和环境容量的盈亏原因: 以2010 年为例分析，郑州市的污水处理能力及深度水平在一年内为一个定值，它能达标处理极度干旱年份来水与计划调水水量之和用后产生的污水; 当平水年和干旱年来水量比较多，来水量加上计划调水量之和产生的污水超过其处理能力。超过部分得不到处理就排放，多用多排。从而加剧了生态和环境水环境恶化，出现亏缺。当污水总水量小于污水处理能力的时候，处理达标排放，环境容量出现盈余。

所以，从生态和环境用水安全角度讲，以其2010 年和2020 年污水处理和节水水平及能力所限，郑州市2010 年和2020 年平水年、干旱年和极度干旱年，南水北调的生态和环境安全调入水规模分别是2. 687、5. 324、5. 745、5. 312、7. 115 和7. 115 亿m3 。

表3 郑州市2010 年和2020 年调入水规模

Tab. 3 The fold water quantity of Zhengzhou fromout in 2010 and 2020

3 结语

(1) 本文研究发现受水区生态和环境用水水量和水质与其水资源开发利用系数、污水排放率和区域用水外内比密切相关。受水区生态和环境用水比，随着调水量增加而增大，是其增函数，只有下限。由于污水处理能力一定，生态和环境水质是调水量的减函数，有上限最大值和最小值零。实际调入水规模受到生态和环境用水比(水量) 、生态和环境水体污染物浓度(水质) 和调水工程供水能力约束，通过分析三者关系，建立了受水区生态和环境用水安全调入水规模模型。

(2) 当传统分析的计划调入水规模超出生态和环境能承受调入水规模，且境内水资源开发利用率，节水水平不变情况下,可以通过两种措施解决矛盾。①维持计划调入水规模，加大节水力度，污水处理回用，从而降低η值;②对污水进行深度处理，实行更严格的废水排放制度，减少污染物的排放，从而可以提高k 值，来缓解生活生产和生态和环境用水紧张。

(3) 研究得出郑州市2010 年和2020 年平水年、干旱年和极度干旱年生态和环境用水安全可承受的调入水规模分别是2. 687、5 . 324、5 . 745、5. 312、7. 115 和7. 115 亿m3 。

参考文献:

[ 1] 陈建耀，于静洁. 区域调入水规模的指标体系与PRED 综合论证[J] . 地理研究，1999，18(4) : 373- 381.

[ 2] 王浩，陈敏建，秦大庸，等. 西北地区水资源合理配置和承载能力研究[ M] . 郑州: 黄河水利出版社，2003.

[ 3] 王建华，江东. 黄河流域二元水循环要素反演研究[M] . 北京:科学出版社，2005.

[ 4] 王西琴，刘昌明，张远. 基于二元水循环的河流生态需水水量与水质综合评价方法——以辽河流域为例[J] . 地理学报，2006，61(11) : 1 132- 1 140.

[ 5] 张泽中. 黄河河南段水资源配置体系研究[D] . 华北水利水电学院，2006.

作者简介: 张运鑫(1981-) ，男，硕士研究生，讲师，主要从事水资源高效利用研究。