南水北调工程受水区限制排污总量分解研究——以邢台为例

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HebeiUniversityofEngineering顆士学位论文题目：南水北调T程孕水反限制排沄总晉4VMWf费______________—以邢台为例____________作者姓名：邵莹学校导师：路明副教桴企业导师：不勇高T工程领域：水利T趕所在学院：水电学院提交论文日期：_2015_年5_月2&曰 独创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研宄工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得河北工程大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：签字曰期：2〇故年夕月Zf日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解河北工程大学有关保留、使用学位论文的规定。特授权河北工程大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子文档。(保密的学位论文在解密后适用本授权说明）学位论文作者签名：®签字日期：2〇匕年坟月乂日r导师签名：签字日期：如|女年s月攻日 分类号：TV213密级：公开UDC：单位代码：10076工程硕士学位论文南水北调工程受水区限制排污总量分解研究——以邢台为例作者姓名：邵莹指导教师：路明企业导师：王勇申请学位级别：工程硕士工程领域：水利工程所在单位：水电学院授予学位单位：河北工程大学I ADissertationSubmittedtoHebeiUniversityofEngineeringFortheAcademicDegreeofMasterofEngineeringThereceivingwaterdiversionprojecttolimitthetotalamountofsewageDecomposition—ACaseStudyinXingtaiCandidate：ShaoYingSupervisor：LuMingPluralisticSupervisor：WangYongAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngineeringSpecialty：WaterConservancyProjectSchool/Department：SchoolofwaterconservancyandhydroelectricHebeiUniversityofEngineeringApril，2015 摘要跨流域调水工程可以有效缓解我国华北地区的工业、农业及生活用水不足的矛盾，促进区域经济发展。同时华北地区的水污染问题已经成为制约其生态文明建设的主要因素之一。因此，以区域为整体，以水质目标为导向的调水规模以及污染物限制排放总量控制是解决水资源、水环境问题的有效途径和必由之路。准确分析南水北调受水区污染物限制排放总量控制研究中存在的关键问题，建立适合南水北调受水区水资源、水环境管理特征的限制排放总量控制与分解技术体系，对于实现区域水质改善、生态恢复，协调区域经济健康快速发展，具有重大的现实意义。本文在广泛收集国内外相关研究成果的基础上，以水功能区水质达标为导向，进行了南水北调受水区主要污染物限制排放及削减方案的研究，并以邢台为例进行了实例分析，取得了主要成果如下：（1）系统地分析了研究区的水资源、水环境现状；（2）以流域现状为基础，开展了经济社会情景下污染物负荷预测与分析；（3）以南水北调受水区水环境、水生态安全为目标，建立基于生态和环境安全的调入水模型，并进行了调入水规模研究；（4）针对不同的情景下的调水规模，进行了水功能区限制排污总量与分解研究，以水质达标为导向，制定了研究区排污总量的削减方案。南水北调工程的实施必然会为我国带来巨大的经济、社会和生态效益。与此同时,必须采取合理有效的生态保护措施,消除调水工程可能带来的负面影响,改善生态环境质量,促进经济增长方式转变,加快资源节约型和环境友好型社会建设进程,实现河北省受水区经济、社会、环境又好、又快的发展。关键词：南水北调；受水区；调入水规模；纳污能力；削减量方案 AbstractInterbasinwatertransferprojectcaneffectivelyalleviatetheNorthChinaindustrial,agriculturalanddomesticwatershortage,topromotethedevelopmentofregionaleconomy.Atthesametime,theproblemofwaterpollutioninNorthChinahasbecomeoneofthemainfactorsrestrictingtheconstructionofecologicalcivilization.Therefore,intheregionasawhole,thewaterqualitygoalorientedwatertransferscaleandpollutantlimitsthetotalemissioncontrolisaneffectivewayandtherouteonemusttaketosolvetheproblemofwaterenvironment,thewaterresources.TheaccurateanalysisofthesouthtoNorthWaterTransferProjectkeyproblemsintheresearchofthetotalemissioncontrolofwaterpollutantlimits,fortheestablishmentofthesouthtoNorthWaterDiversionofwaterresources,waterenvironmentmanagementfeaturelimitsthetotalemissioncontrolanddecompositiontechnologysystem,toimprovethewaterquality,ecologicalrestoration,thecoordinationofregionaleconomyhealthyandrapiddevelopment,hasthesignificantpracticalsignificance.Basedontheextensivecollectionofrelevantresearchresultsathomeandabroad,thewaterqualityofwaterfunctionzonescomplianceoriented,thesouthtoNorthWaterDiversionofwatertolimitemissionsofmajorpollutantsandcuts,andtakingXingtaiasanexample,themainresultsobtainedareasfollows:(1)thesystemofwaterresourcesthestudyarea,waterenvironmentsituation;(2)inthebasinisbasedonthecurrentsituation,tocarryoutthepredictionandanalysisofpollutantloadindifferenteconomicandsocialcircumstances;(3)tothesouthtoNorthWaterTransferProjectofwaterenvironmentandwaterecologicalsecurityasthegoal,setupwithwatermodelbasedonecologicalandenvironmentalsafety,andweretransferredtotheresearchwaterscale;(4)accordingtothedifferentscenariosofwatertransferscale,carriedoutwiththedecompositionoftotalpollutantdischargelimitsofwaterfunctionarea,thewaterqualitystandardsasaguide,madeofthetotalamountof/emissionscuts.TheimplementationofSouthtoNorthWaterDiversionProjectwillbringhugeeconomic,socialandecologicalbenefitsinchina.Atthesametime,wemusttakereasonableandeffectivemeasuresforecologicalprotection,eliminatethenegativeeffectsofwaterdiversionprojectmaybring,improvetheecologicalenvironment,promotethetransformationofeconomicgrowthmode,tospeedupresource-savingII andenvironment-friendlysocietybuildingprocess,therealizationofHebeiregioneconomy,society,environmentandgoodandfastandsustainabledevelopment.Keywords:South-to-NorthWaterDiversion;Thereceiving;Withwaterscale;Assimilativecapacity;ReductionschemeIII 目录摘要...............................................................................................................................IAbstract...........................................................................................................................II第1章绪论..................................................................................................................11.1课题研究意义.........................................................................................................11.2受水区水资源水环境国内外研究现状.................................................................21.2.1国内研究现状..................................................................................................21.2.2国外研究现状..................................................................................................41.2.3目前研究中存在的问题..................................................................................71.3主要研究内容及方法.............................................................................................81.3.1主要研究内容..................................................................................................81.3.2主要研究方法与技术路线..............................................................................9第2章邢台市水资源水环境现状调查与评价.........................................................112.1自然环境概况........................................................................................................112.2社会环境概况.......................................................................................................122.3水文情势特征.......................................................................................................132.3.1区域降水........................................................................................................132.3.2区域径流........................................................................................................142.3.3暴雨洪水........................................................................................................152.4水功能区排污及水质现状...................................................................................152.4.1流域水功能区划............................................................................................152.4.2入河排污评价................................................................................................162.4.3水质现状........................................................................................................162.5区域水土流失现状...............................................................................................172.5.1水土流失影响因素........................................................................................172.5.2水土流失现状................................................................................................172.5.3水土保持现状................................................................................................17第3章流域未来经济社会情景下污染物负荷预测与分析....................................193.1流域当前经济社会情景下污染物负荷现状.......................................................193.2在未来经济社会情景下污染物总量预测...........................................................193.2.1经济预测........................................................................................................193.2.2人口预测........................................................................................................20I 3.2.3废污水排放量预测........................................................................................213.2.4水污染物排放量预测....................................................................................223.3实例应用...............................................................................................................253.3.1污染物排放量与入河量现状........................................................................253.3.2污染源排放量与入河量预测........................................................................253.4流域未来经济社会情景下污染物负荷分析.......................................................28第4章调入水规模....................................................................................................314.1调水规模研究.......................................................................................................314.1.1调水规模概况................................................................................................314.1.2调水规模指标体系........................................................................................314.1.3南水北调中线供水区PERD指标值的综合论证........................................324.2确定受水区调入水规模方法...............................................................................334.2.1确定区域的收支水量....................................................................................334.2.2区域自然环境用水水量和水质计算原理....................................................334.2.3调入水的规模模型及求解............................................................................354.3实例应用...............................................................................................................354.3.1邢台市概况....................................................................................................354.3.2确定调入水规模模型中参数........................................................................36第5章水功能区限制排污总量与分解....................................................................415.1水功能区水质现状与水功能区划分...................................................................415.1.1水功能区水质现状........................................................................................415.1.2水功能区划分................................................................................................415.2水功能区入河污染负荷现状分析.......................................................................425.3水功能区排污总量核定.......................................................................................425.4水功能区纳污能力优化控制研究.......................................................................435.4.1依照水功能区实际情况合理安排水体纳污................................................435.4.2科学利用自然状态下水域的纳污能力........................................................445.5拟定原则...............................................................................................................445.6构建水质模型.......................................................................................................455.7非调水模型下削减方案.......................................................................................475.7.1邢台市流域污染物入河量............................................................................475.7.2邢台市流域纳污能力....................................................................................495.7.3邢台市流域污染物削减量............................................................................495.8调水模式下削减方案...........................................................................................50II 5.8.1邢台市流域调水模式下纳污能力................................................................505.8.2邢台市流域调水模式下污染物削减量........................................................515.9邢台市水资源问题及建议...................................................................................535.9.1水资源利用中的问题分析............................................................................535.9.2水资源可持续利用对策................................................................................54第6章结论和展望....................................................................................................576.1本文主要结论.......................................................................................................576.2本文中的不足与展望...........................................................................................57致谢................................................................................................................................59参考文献........................................................................................................................61作者简介........................................................................................................................65发表论文情况说明........................................................................................................65III 第1章绪论1.1课题研究意义水不仅是人们日常生活中不可缺少的一部分，也是维持社会发展的关键资源，是实现国家经济发展的重要战略性资源。这里所指的主要是淡水资源，由地表水[1-3]资源和地下水资源两部分构成，两者之间相互转化形成我国水资源体系。我国水务部门会每隔一段时间开展保护水资源、提高水资源利用率等方面的活动，通过对整个社会的宣传增强各界群众对水资源的现状有深入的了解，提供群众保护水资源意识，在日常生活中注意节约用水。在人类社会经济的不断发展过程中，人类对社会的影响越来越大。人类对环境的破坏不断加深造成了水资源污染加重和水资源得不到充分的利用。致使当今水资源问题日益严峻。我国近些年来经济取得了持续快速的发展，但是水资源短缺也是影响我国经济进一步发展的重要的因素。在上世纪五十年代开始，我国的人口总量一直在不断的增加，再加上水资源利用方式存在的问题导致的水资源的浪费，环境污染问题带来的水污染使得可以利用的水资源进一步减少。在全球的很多地区都面临了水资源稀缺的困境，很多地区的地表和地下水资源严重稀缺，而且还存在了严重的污染，这给人们的生产生活带来很大的考验。从水资源的总量上来看，我国水资源的总量在整个世界范围内居第六位，由于我国拥有世界上3最多的人口，导致我国的人均水资源占有量只有2240m，这一水平还达不到整个世界人均水平的四分之一。通过相关机构的统计分析，我国平均淡水资源占有量排名88位。国内的相关机构也对国内的水资源分布进行了分析，发现我国超过十六个省区的人均水资源占有量不仅低于世界的平均水平，而且相比于缺水线也要3低很多。甚至有个别省区水资源极度稀缺，水资源人均占有量不足490m。水资源的分布具有不均匀性，这个不均匀性体现在空间与时间上，有些地方干旱少雨，有些地方洪灾泛滥。解决这个问题的关键在于将水资源合理的重新分配，跨流域调水工程就这样应运而生，在很大程度上解决了社会经济发展的用水要求。以满足调水工程稳步推进，论文以二元循环规律为出发点，从受水区生态生活用水的水量、水质两个角度对调水量进行探讨。[4-5]]水功能区纳污能力也叫做水体环境容量，其定义是在特定区域内以不影响水域功能的前提下，以目前的水文条件为基础，水功能区能够承受的最大污染程度。落实水功能区水体环境容量并以此对排污量进行要求，是进行水资源保护的1 [6-7]重点。认真执行水功能区限制排污总量能够最优化的利用和维护水环境，对防止水污染和水资源稳步发展上有着重要影响。邢台市水资源入不敷出，缺水极为严重。随着社会经济的发展，水供需矛盾日益加剧，资源型水危机十分突出。邢台市滏东平原蕴藏着深层淡水，位于咸水区的咸水体之下，由于补给极为缓慢（通过同位素测定，深层淡水的循环周期平均在12.5万年）。只能作为后备水源”。1970年以后，邢台地表水严重不足，在此严峻的大环境下，大量开采后备水源，邢台市近些年来年平均淡水开采水量在33.18亿m以上（不包括石鼓以及百泉）。由于长时间大面积过量开采地下水，邢[8-10]台市地下水水位大量下降、地下水降落漏斗大面积扩大、含水断层大面积疏干、泉水干枯与地面下沉以及淡咸水界面下降等多重水危机与问题。纵观邢台市的水资源压力问题，包括资源性缺水、工程性缺水、水质性缺水和管理性缺水，以此之外，水质污染问题也占很大的比例。到目前为止，已有62.1%的河流遭受到了污染，水质达到IV类或V类，超过半数的河流受到了严重污染，[11-13]水质达到超V类水体已失去了利用价值。因此合理确定水质模型和水质目标、设计流量等相关参数，应用调入水模型与水质模型计算水功能区调水规模、水域纳污能力和应削减量，拟定符合邢台市现状的水功能区污染物削减方案具有重要的实用价值。1.2受水区水资源水环境国内外研究现状全球经济一体化的时代已经到来，水资源与水环境生态安全的研究已经加入到了全球行动，现今越来越多的人们关注因水资源短缺所导致的生态问题，水资源的发展越来越趋向将水资源和生态安全结合起来研究，特别是在干旱与半干旱地区，社会经济与生态安全对水资源产生了双重依赖，水资源与生态安全二者紧密相连，因此在水资源开发利用过程中，应当加倍重视水环境生态平衡，以保障资源与生态环境的安全。1.2.1国内研究现状目前我国社会经济发展迅速，水资源匮乏已经影响到了社会与生活的每一个方面，国家和社会对此非常重视。自1978年改革开放以后，水资源领域有关的应用研究开始受到关注。自1980年以来，我国开始着手研究和开展水资源管理工作。政府着重于制定国家科技攻关计划。在第六个五年计划和第七个五年计划后确定了水资源的评定方法、并且掌握了华北地区的大气水、地表水、土壤水和水源转化规律，针对当前水资源现状提出地表水和地下水的调度方法；宏观经济形式下2 [14-17]的水资源优化配置的理论方法是在第八个五年计划后进行研究的，它是把水资源的开发利用与区域宏观经济相联系得出的；区域需水量与水资源承载能力方面的突破是在第九个五年计划中，该项研究针对西北干旱区的生态环境特点将生态、经济与水资源三者联系起来共同分析，把水资源作为经济发展的基础资源和生态系统中重要因子，三者相互依存、相互牵制。[18]1987年周克俊对Haimes发展的模型进行优化改良，同时将优化之后的模型在常州市水资源研究上给予应用。在这个研究中，还有一定的缺陷，即忽略了污水处理。研究中如果没有把污水处理所需的成本考虑到，那么会导致供水、用水系统的规模程度超过规划目标，这是因为污水处理的成本会在很大程度上限制用[19]水系统。1990年都金康等人构建了城市水资源的分解协调模型，这个模型对周克俊模型进一步改进，将污水处理也包含在内，模型划分为两层次，第一层次是城市水资源的管理协调系统，第二层次是供水、用水和污水系统的整合。两个层次共同作用时第一个层次中提出的系统分解协调法能与第二层次中的模型有机的结合在一起，协同构成了一个分解协调模型。1993年张超等人设置了一个新型的评价系统，这个系统里他们将模型在实际生活中与城市水资源的使用结合在一起，使用动态模拟技术、不确定动态模拟技术，此外还有多目标规划技术等等，把这些技术作用于实际水体保护利用中。水利部以及联合国人居署为纪念“世界水日”，为了将可持续发展的目标贯彻实施，关与解决水资源不足以及改善生态环境的国际会议于1996年举行，会议的目的是呼吁保护水资源同时还包含增强各国之间的相互合作；在1997年，由联合国出资的研究项目（21世纪的中国城市水管理）交由中国负责，并且由中国商务部国际经济及技术中心相关部门作为主力进行研究，该项目还得到中建的大力支持。该项目的实行的主要目的是将城市的供水和污水管理机制进行完善，并积极推进水资源的持续开发利用，为实现该目标需要水资源相关部门制定行之有效的制度和策略；在1999年，西安曾出现断水现象，人们针对当时的缺水情况，从数学角度来思考该问题，并构建了相关的数学模型，而且还从水的储存量及质量方面进行限制，据此获取相关的数学模型参数；但是长春市相关的水资源问题却并未得到解决，在2000年，研究人员根据当地的实际情[20]况建立了优化的城市水资源管理模型，该模型涉及到地表、地下水的调度管理模型以及模型实现的总体目标，长春市的水资源管理问题利用该模型得到完美的解决；根据我国的当前形势，水资源供需不平衡，水质、水量不能得到保证，在2000年，研究人员提出了新的管理战略，即提出首先进行节流，并加大治理污染的力度，新增大量的水资源供应渠道。另外，董辅祥将节约用水和调整电费到合适的价位作为最主要的水资源保护战略，并制定了相关的方针政策；研究人员在2002年以动力学为基础，对城市的水资源供需问题进行合理优化，认为水费价格3 和污染治理的投资费用是亟需解决的问题，只有这两方面协调一致，城市水资源的可持续发展才能够得以实现；同时，研究人员在2003年有效解决了缺水地区出现的水资源时空分布不均匀的问题，并使用优化技术和仿真模拟技术对该问题进行建模，实现了能够分配和管理多水源、多项目以及多用户的水资源模型，并将水资源在各行业、各地区以及各部门进行合理的分布。另外，按照人们的节约用水水平和企事业单位用水量大小对配水管理模块进行建模，从而可以对企业的用水量进行合理配置。由于中国固有的地理位置问题，即水资源分配到个人的量相对小，农业对水的需求比较大，而且随着中国经济的快速发展，污染和浪费问题日益突出，使中国的水资源出现了危机。中国长久以来就将水资源的研究问题放在重要的位置上，而且已经取得了非常好的效果。相关研究人员指出应对河流中的水资源进行正确的调配，并把我国水资源配置中出现的问题明确指出来，提出了中国水资源配置下一步要研究的问题和将来的研究方向。另外，夏军等人员对中国北方的水资源问题进行了相关的研究。同时，研究人员根据干旱和半干旱地区存在的水资源利用问题对如何使灌区的水资源得到合理利用做了进一步的研究，提出要提高水资源的利用率以及增加罐区的经济效益，对灌溉效益的生态环[21-22]境和社会发展灌溉效率，并提出了在干旱和半干旱灌区需要研究的问题。力争为经济可持续发展，资源可持续利用国家战略目标服务，2003年11月中国科学[23]院发布了项目“北方地区水资源水循环安全性的研究”，该项目的首席科学家夏军等人主持下取得了重要进展。曹学军等学者为此做了大量的研究，研究内容包括确定资源可持续利用系数，建立可持续发展标准体系以及可持续发展的评价方法和标准。根据不均匀的空间和时间分布和丰枯交替频繁的特点，特别是在干旱年份更高的频率特性，采用优化和模拟技术，在水资源预分配管理模式建立的多源，多试验项目，多用户的复杂条件下，用来实现水资源在各地区，各部门的合理分配。1.2.2国外研究现状[24]二十世纪中期，关于水资源以及水库调度的研究开始引起了学者们的注意，最先开始进行研究的国外学者Masse。美国科罗拉多大学的学者开始就预测未来人类对水资源的需求问题进行了研究，主要探讨了人类用水的方式以及水资源的分配问题。随后，在技术方面开始运用优化分析的方法，营造良好的理论环境，使水资源的开发及利用得以提高；1953年最早的水资源模拟模型被建立，其设计者是美国陆军工程兵团，当时设计这一模型的目的是对密苏里流域的六座水库的调度问题加以解决，水资源系统与生态环境之间相辅相成，密不可分；1955年“哈4 佛水资源规划组”的各位专家将这两者进行综合考虑，运用系统分析的方法，对经济目标、工程系统以及政府三者的关系及功能进行了研究；1960年，随着计算机技术的迅猛发展，关于对水资源硬件设施的探讨日益增多，国外学者对水资源的空间系统进行了研究，并结合数值模拟将其加以扩展，使其方法更为有效，硬件设施更为先进，理论氛围更为浓厚，使建立的水资源系统更加具有合理性、复[25-26]杂性。水资源系统的模拟技术越来越受到人们的关注，其发展也日益迅猛，同其他模型比较而言，其优点是结果更加科学，更为合理。1962年该规划组成员马斯出版了书籍《水资源系统的设计》，书中主要运用系统分析的方法，并结合计算机技术研究水资源领域，这一研究对日后水资源的合理配置有着重要的指导意义，使水资源的形势又进入一个新阶段，开始了水资源配置模型的研究，这一研究在欧洲与美国等一些发达国家已经引起高度重视。随着水资源分配方法的增多，其系统的飞速发展，到七十年代，对其配置方面的研究更加突出，所获成果也越来越多。对水资源系统模拟模型的研究日益深入，系统的日益完善与技术的不断提高，学者们将数值模型与优化的技术二者结合起来，开始形成了水资源管理模式。水资源系统非常复杂，以往用于描述水资源系统的模型过于落后，使得模型的选择不够科学。针对这一问题，在1971年，D.H.Marks把数学模型应用到[27]了水资源的配置中，坚持把线性决策带入到数学模型中，使其描述制度更加合理；1974年D.H.Marks又对水资源的目标数量问题进行了研究，并针对目标众多这一问题进行解决；1975年，Y.Haimes研究了地表水与地下水的调度问题，其研究是建立在对水文过程的认识不断深化的基础上，并且其管理技术的研究方法是多层次的，从多个角度分别进行，多方联合使仿真模型系统得到更好的提升。上世纪80年代，电脑走入千家万户，地理信息系统GIS也得到了普遍应用，把GIS应用到水资源系统的工程中，结合了水资源的分配问题，扩大了其研究范围，也延伸了这一课题的深度。在1982年，英国P.D.Walsh等人把一个水资源区域分配问题作为研究对象的，产值最大作为目标，河道和水库的水容量作为约束条件，[28]通过借助水库的库容曲线，并用二次规划的数学方法来解决。1983年，经过一段时间的努力D.P..sheer在华盛顿建立了城市配水系统，该系统利用了优化和仿真相结合的技术来实现合理配水；1985年，Gawess对水资源领域系统分析方法的研究和应用成果进行了总结和分析，这种方法包括线性和非线性规划，对动态规划和不同类型的水资源配置系统领域进行仿真计算，并以水库调度管理的研究方法及应用为基础，对不同类型的分析方法进行了详细的探讨。1987年，威利斯利用线性规划的方法，把水的成本（或水损失）最小作为优化目标，目的是对管理地下水和地表水联合调度进行研究。随着水资源的概念的推广和人们对公共水资源形势的认识的不断深化，越来越多的人意识到了水资源5 管理的重要性，为了更好地反映水资源配置的公平性和合理性，专家学者开始提倡公众参进行开发研究，建立多重目标水资源优化配置模型。为了有助于解决多方面的水资源分配矛盾，Salewicz在原始模型的基础上，加入了输入数据项以达到反映水资源配置中多个类型用户的意图，这使得该模型可以根据仿真输入数据调整，考虑到水资源的不同类型用户的需求，基于基本的约束，目的是为了使水资源模拟系统得到多方的认可，来解决水资源研究中出现的问题。该模型被称作水[29][30]资源协商与交互式流域模拟模型又被命名为虹膜模式。Ferreim等学者开发了水资源管理仿真模型辅助决策，并在水资源管理决策的研究过程中引入数字图像，以及人类语言进行表达，从复杂的机器语言转化为被接受的模式，简化了模型的操作，提高了可视化程度。Kettunen等人对决策支持系统、水资源管理和多用户多标准协商讨论，并把芬兰屈米河流域作为应用试点。九十年代，随着水污染事件的增多，水危机日益加重。为了实现水资源的可持续利用，水质的约束和生态环境安全被国外学者纳入水资源分配，水量和水质共同控制水资源发展研究。在1992年6月，在巴西里约热内卢联合国环境与发展大会上通过了著名的“里约宣言”和“第二十一世纪议程”，世界各国政府做出了不懈的努力，针对如何研究社会、经济、资源和环境的协调发展问题方面做了大量的工作。艾克系统的分析了城市水资源管理的可持续性评价，并依次建立了城市水资源可持续利用的循环模拟模型，利用模型对城市水资源作出了详细的评价；1992年在一定时间内，afzaj在河水和地下水的有限的水供给源条件下对巴基斯坦某灌区采用线性规划优化模型，优化了种植面积的水补给的结果；1997年基甸等人以最大的经济效益和社会效益作为模型的优化目标，将以色列的南部地区根据多水源联合调度配置的思想，考虑不同部门用水的水质要求之间的差异，建立地表水和地下水联合管理模型；九十年代中期以后，计算与仿真方法开始出现，这种方法是基于水资源管理模型和[31]水文模型和经济模型与地理信息系统介绍遗传算法和灰色模拟技术等耦合的。Minsker等人建立的遗传算法求解的模型，同时考虑把水资源系统的不确定因素考虑在内，水资源的配置不仅是从单目标向多目标转变，也应该包含不确定的条件下，给出了相应的思路和方法。格勒等人面对经济发展和变化的需水量，提出了新的要求并针对经济模型和水文模型耦合提高了水资源配置和利用效率。自二十一个世纪以来，随着智能优化算法的有效性和优越性，国外学者开始研究智能优化算法，作为一种新的改进和应用研究。研究的同时进行水资源优化分配，通过合理有效的管理系统和区域水资源优化分配，从根本上解决机制冲突，并介绍了水权的概念，定义了水资源，水资源配置影响了组织和经济机构的产权管理。国外对城市水资源管理的研究，包括供应，需求和废水处理的研究。Scarato首次扩容优化原模型，对水处理和城市供水管道进行合理的布局规划，并取得了较好的6 效果；Riordan建立多级边际成本的动态规划模型，该模型是用来衡量城市水处理设施的标准，来作为为动态规划的城市污水处理设施的目标函数；马尔维希尔和[32][33]Dracup非线性规划方法建立了城市供水和污水处理联合规划模型，他们提出了一种动态规划的方法，并将这种方法用于城市供水系统的规划；Haimes把供水和用水作为协调对象，通过系统的分解区域建立了水资源供需协调模型，并对该区域水资源做出了规划；P.M.J.terpstra构造了模拟城市生活用水的模型，使用模型来模拟水条件下不同供水管理水平，通过模拟来确定水资源管理和优化方式的选择，以促进城市水资源的可持续发展；为了提高水资源的可持续管理水平，瑞士环境研究委员会开展了一个关于“城市水可持续管理”的研究项目，该项目进行了六年的不断研究。研究的主要目的是为了保护生态环境，保护自然资源和改善水资源污染和人类生活环境，饮用水处理系统这几个方面；Trencer探讨了城市雨水管理系统和污水回用系统。TerenceR.Lee针对拉丁美洲的美国市水资源管理的现状，以当前污水体系为基础，提出了解决的思路，为未来的水政策的制定提供了强有力的依据。1.2.3目前研究中存在的问题与传统的水资源研究相比，水环境污染物的削减研究起步较晚，虽然越来越多的水资源评价中考虑到了水环境污染物的削减，但目前研究的力度仍然不够，例如人员及资金投入不足，此方向研究结论较少，这些均是制约水环境污染物的[34]削减研究发展的主要因素。当今水环境污染物的削减研究中存在的主要问题有以下几点：（1）研究尺度难以控制水环境污染物的削减研究的难点问题在于时间上与空间上难以把握，水环境污染物的削减应该更多的考虑全局性和较长的时间范围，而不是局限于一个小的区域和短时间内，譬如研究某项工程时，该工程对河流水环境造成的污染物应该考虑整个流域范围，而不仅仅限制于河流及周围水局部区域。在时间上整体把握，从工程建设的过去、规划阶段到运行阶段进而到工程建设后的未来整体分析水功能区污染物的削减，然而当前研究中水环境污染物的削减时间与空间范围难以把握，导致一些水资源相互关系被人忽略掉，造成研究得出的结果有大的偏差。（2）研究方法侧重点不同传统水资源偏向研究对环境产生的直接或间接影响，而水环境污染物的削减偏向削减污染量改善水质现状，由于不同的研究方法各不相同，侧重点相应不同，有的根据大量实验利用经验判断，有的侧重构建模型严谨推倒等等，因此用单一7 的研究方法把所用的方面进行透彻的研究是非常有难度的，所以要加大研究力度综合完善适合更多特性及规律的研究方法。（3）研究局限于定性而忽视定量由于我国对水环境污染物的削减的研究起步较晚，而且研究方案尚不成熟，对污染物削减方案还处于摸索阶段，只是停留在定性阶段上，对水环境污染物的削减的理论、规律及评价方法层面上，而未能做到用适当的方法对水环境污染物的削减做出定量方面的实质成果，定量方面研究的滞后性严重影响了研究方法作用于实践，制约了研究方法的功能性。（4）污染物削减评价体系尚不明确当前研究的水环境评价以及污染物总量控制评价体系只是局限在项目层面和区域层面，在技术层面上缺少具有针对性的具体指标原则，造成水环境污染物削减方案未能深入的研究。除了上面提及到的水环境污染物削减方案中共同的问题之外，污染物削减方案还存在研究对象片面的问题。例如目前关于水环境污染物的削减研究中我们关注度都放在了城市用水、工农业用水，而忽视了大自然、湿地等天然因素的影响。本文论述的调水规模下的水环境污染物削减方案目前研究较少，所以关于这方面可以借鉴的经验和资料较少。以上这些都是目前水资源研究存在的问题与未来的研究方向，未来应对此加强关注。1.3主要研究内容及方法1.3.1主要研究内容结构性缺水、资源性缺水、水质性缺水、工程性缺水和管理性缺水等问题大大加重了水资源的压力，水质污染也给解决水资源问题增加了难度。因此合理确定水质模型和水质目标、等相关参数，利用水质模型得到水功能区调入水规模、水功能区纳污能力进而得到污染物应削减量是具有重要意义的。根据邢台市水资源水环境现状制定水功能区污染物限制排污总量方案。（1）搜集及分析邢台市水资源水环境自然环境现状、水文情势特征及区域水土流失现状。（2）以流域现状为基础，开展了不同经济社会情景下污染物负荷预测与分析。（3）以南水北调邢台受水区水环境、水生态安全为目标，建立基于生态和环境安全的调入水模型，并进行了调入水规模研究。（4）建立水质模型计算出邢台市流域纳污能力。（5）探讨邢台市水功能区调水模型下与非调水模型下的削减方案。8 1.3.2主要研究方法与技术路线本文通过调查邢台市水资源自然环境、社会环境、水文特征、水质现状等基本情况的前提下，基于环境用水安全建立了调入水规模计算模型。从而计算得到调入水规模，根据水功能区设计流量等推出水功能区纳污能力，最终得到水功能区削减量，从而提出控制要求来缓解邢台市受水区水资源的污染。见图1-1。受水区水环境现状水功能区设计流量调入水模型水质模型受水区调入水规模水功能区纳污能力流域污染物入河量流域污染削减/控制要求图1-1邢台市水功能区限制排污总量研究技术路线Fig.1-1Xingtaipollutantwaterfunctionareawaterdiversioncutresearchtechnicalroute9 10 第2章邢台市水资源水环境现状调查与评价随着社会经济的发展，邢台市水资源短缺问题日趋尖锐。供应和需求的水资3源危机日益加剧的问题十分突出。1997到1999年，3年平均年用水量20.10亿m。用水量超过了水资源的总量平均值59.7%。由于地表水资源先天不足，地下水资源成为用水的主要来源。自80年代以来，平原区地下水过度开采，从1997到19993年平均地下水资源量不足l6.85亿m，占总供水量的83.8%。平原区浅层淡水3年3来平均年开采10.55亿m，过度开采占总量49.4%。邢台市滏东平原咸水区下有深层的淡水，因为补给很慢只是作为一个后备水源。因邢台区域地表水缺乏，只3得将储备水做为正常淡水开采，年开采量在3.17亿m以上。由于长期大面积造成地下水过量开采，地下水位大幅度下降，降落漏斗增大，地下水含水层疏干，地面沉降，造成了咸水底界面下沉的水危机和环境问题。浅层地下水开采为主的“宁[35]2柏隆”漏斗区，到1999年为止，漏斗面积已达524km，中心水位埋48.25m，中心水位下降速率1.44m/s。以地下水为主的滏东平原形成的沉降漏斗几乎覆盖了整个滏东平原区，漏斗中心的地下水埋深达到80.13m，平均每年下降2.71m。地下水层水位差加大，底界面下降，平均每10年下降约5m。自1978年以来，由于邢台市对喀斯特水的过度开采，地下水位每年下降1.6~1.8m。水资源严重缺水造成许多工矿企业停产，同时邢台市大量泉眼干涸，地下水过量开采使得第一含水层已基本无水。以南宫为中心的黑龙港平原东部沉降速率大于20mm/s，由于天然径流减少，水的消耗量增加，邢台市平原河流几乎常年干燥。没有河水排放的废水不能自然的稀释和净化，但是废污水仍然被全部消耗。2.1自然环境概况邢台市地处于河北省中南部，位于东经113°45′到115°50′和北纬36°45′到37°48′之间。西部靠近太行山与山西接壤，东部与山东以卫运河为界，北边与石家庄市和衡水市搭界，南边与邯郸相临。市域东西最长185km，南北最宽80km，总面积2面积12456km。邢台市共有约20条行洪排水的河道，自北向南分别是洨河、北沙河、留垒河、[36]及滏阳河等大小河流，最终流入大陆泽和宁晋泊。这些河流大部分发源于西部山区，上游支沟源多，大部分为季节性河流，且形状多为扇形，旱季河流流量通常很小，甚至干涸，雨季河水暴涨暴跌，持续时间短。河道上游距源头近、水流11 急，洪水起来快，河道下游进入平原，坡度变缓，泥沙淤积严重，河道较浅。2.2社会环境概况邢台市地处于河北省中南部，与山东省毗邻，东以卫运河为界，北依石家庄、衡水，南临邯郸，西与山西省相连，见图2-1。邢台市的丘陵区位于西部，平原区位于东部。西部丘陵区海拔大部分在1000m以下，最高为1822m，约1%的平均梯度。丘陵和平原之间过渡较小，没有明显的缓冲阶段。平原地区分为滏西平原和黑龙港平原，两者基本上以滏阳河为界，滏西平原海拔一般在40m~75m，1/400到1/1000的坡度，地势平坦开阔，与大陆泽和宁晋泊连接。在地势较平坦的黑龙港平原，约1/10000的坡度，大部分海拔在30m～35m之间，最低为24m。河床和[37]沙丘岗坡的分布为带状结构，地形复杂，从而形成了较多的封闭洼地。图2-1邢台市地理位置图Fig.2-1Xingtaigeographiclocations12 2.3水文情势特征2.3.1区域降水制约河流水文情势的最重要因素就是降水。降水量的多少及时间与空间上的分布，都对径流的变化产生了直接影响。地表水和地下水的主要来源均是降水。水文局对邢台市进行了二次评价，评价结果显示该市多年平均降水量达到了525.1mm(山区年降水量594.5mm，平原降水量497.5mm)。每年的6月份到9月份由于受到大气影响，使南部海洋面上气流流向本地，由于太行山脉的阻挡，配合地形，造成了降雨量大、降雨强度大、降雨历时不一等降水特性。邢台地区距离南部海洋较远，海上气流不稳定，进入汛期时间不稳定，为确保汛期的安全稳定，把每年的6月1日至9月30日作为汛期。按历年资料分析得出主汛期为七月下旬至八月上旬。另外，受到地形影响，降雨具有明显的地形梯度。从历年等值线图分析得出，邢台市山区中獐貘、路罗为高值降水区，平原地区中宁晋、新河一带为低值降水区。山区历年降水量平均在560mm与700mm之间，平原地区降水量平均在500mm与550mm之间，个别地区在500mm以下。例如獐貘站实测最大年降水量可达2549.0mm，而南宫站实测最大年降水量仅为864.0mm。两站最大年降水量差距悬殊。通过不均匀系数法对降雨量进行分配，见表2-1。表2-1.典型年（多年平均）降雨量时程分配Table2-1.typicalyears(averageyears)distributionofrainfalltime12101112站名项目3月4月5月6月7月8月9月月月月月月月降4.25.812.024.143.063.5186.6202.460.528.914.63.4水mm獐貘百分0.60.91.93.76.69.828.831.39.34.42.20.5比%月降3.76.812.825.032.257.7155.7135.642.731.314.53.5邢台水mm市百分0.71.32.44.86.211.129.926.08.26.02.80.6比%月降3.45.811.723.730.355.5146.1108.041.828.512.63.8水mm宁晋百分0.71.22.55.06.411.831.122.98.96.02.70.8比%邢台市降水量的年内分配具有不均匀性，其特点是春季雨水较少，夏季降水量大且时间密集，冬季雨量稀少，秋季受到大气流的影响，逐渐变为雨量较少的[38]季节，多年平均降雨量分配均匀系数设定为0.46。在6月至9月中，邢台市降13 水量最多时可达全年降水量的75.1%，其中7、8两个月降水量超过了全年总降水量的一半，连续最枯5个月降水量占全年总降水量还不足10%。12月和1月为降水量最少，降水量仅占全年总降水量的1.3%。邢台市非汛期的其它几个月的总降水量仅占全年总降水量的十分之一。邢台市的降雨量具有不规律性，该市平均年降雨量最大为1096.3mm，最小为291.3mm，比例严重失衡，邢台市降水量变差比值的范围为0.29～0.53，山区年降水量变化幅度高于平原地区，各站极值比均大于4.0，其中变幅最大的为獐貘、侯家庄站，变幅比分别高达9.4、9.2，变差系数分别为0.53、0.47。雨量站实测最小年降水量一般在200mm与300mm之间，另外个别站低于200mm，比如宁晋站降水量仅为177.3mm。从图2-2可以得出，邢台市自1956年到2000年降雨量虽呈波状曲线，但整体曲线是呈下降的趋势，其随时间变化的推出关系式为y=-2.7292x+6241。邢台市逐年降雨量过程线140012001000800600降雨量mm40020001955196019651970197519801985199019952000年份图2-2邢台市逐年降雨量过程线Fig.2-2Xingtaiyearlyrainfallprocessline2.3.2区域径流当前滏阳河已成为邢台市主控河流，山区河流为滏阳河的支流小河。山区沙河、泜河1980年以前常年有水。1980年12月由于降水的减少和用水的增加，部分地区出现河道断流。山区河道成为时令河。1975年两座大型水库建成，平原区的河道在发洪水时河道过水，无洪水年份部分河道有污水或无水。根据水资源评3价成果，邢台市平均流量为5.43亿m，折合成径流深为43.6mm。邢台市山区河道的径流主要来自降水，山区河流的径流和降水年内分配相似，受下垫面因素影响又有所不同。山区河道径流全年连续最大四个月水量一般出现在7月～10月，各河道流量的集中程度有所不同，一般为50%～80%。山区河流的汛期水量(6月～9月)可占全年水量65%左右，一些源短流急、植被较差的小河，汛期水量占全年14 水量的80%左右，如西台峪站占81.1%。河道的径流有降水和潜流组成，当降水量较大时，潜流汇集到河道变成基流，当降水量小时部分潜流被蒸发了，基流减少。径流的产生与降雨量、降水强度、[39]雨型、前期影响雨量、下垫面因素有关。受多种因素的影响使年际径流的变化更大，从年径流最大与最小的比值来看，路罗川为33.1倍，泜河西台峪站为88.7倍。从各水文站推求的逐年径流深与其当年降水量大小起伏有关，总体呈现递减的趋势。可以推算出西台峪站从1953年到2000年的径流深虽有波动，但总的趋势明显的递减，其随时间变化的拟合关系式为y=-1.5783x+3303.5。2.3.3暴雨洪水根据《水文情报拍报办法》的规定，暴雨即为12小时内降雨量超出30mm的降雨。但本文中所述暴雨是指有数据记载的特大暴雨。根据资料分析，邢台地区暴雨形成的原因主要是气团随台风暖气流北上，受太行山脉的阻挡，配合地形，形成的强降雨过程。暖气流具有停留时间长，覆盖面积大的特点，导致了较大的洪涝灾害，反之，则灾害影响较小。根据资料：1963年8月暴雨中心獐貘站的72日总降水量达2040mm，降水量大于1000mm的面积达到4710km，獐貘站最大日总降水量达863mm，全国罕见的大范围、高强度降水。1996年8月暴雨中心野沟门站3日降水量616mm，最大24小时降水量689.7mm，这次降水量500mm的降2水笼罩面积为3284km，这样的降水量造成了灾害性洪水。各次暴雨的规律和特点不一。暴雨是洪水的主要成因。山区遇到大雨，极易形成洪峰，所以暴雨极易造成严重灾害，如山体倒塌，严重的水土流失等。距源头距离短和水流湍急是邢台山区河道的特点，洪水几小时就能推进至平原。根据邢台市洪水资料分析：1963年32西台峪站最大洪峰流量达到了3980m/s，集水面积超过了126km；马河水库最大33水流量为1180m/s，最终造成溃坝，溃坝后最大水量达7400m/s，北京至广州铁路线路被冲断。佐村水库于8月5日l时溃坝，洪水向南沙河下泄最大流量达到323500m/s，洪水下泄至北京至广州铁路桥时波浪高lm至2m，最大洪峰流量312200m/s。暴雨导致的溃坝致使平原滞洪区被淹，经济损失无法估量。2.4水功能区排污及水质现状2.4.1流域水功能区划15 以《河北省水功能区划》作为标准，邢台市河流可以分为31个水功能区，其中包含20个农业用水区、8个饮用水源区、2个过渡区以及1个缓冲区。[40]根据入河排污口调查报告显示，邢台市共有上百个入河排污口汇入水功能区。大部分污水均汇入了农业用水区，汇入饮用水区与过渡区共有2个口门，汇入缓冲区的有1个口门，详见表2-2。表2-2邢台市水功能区排污情况统计表Table2-2.WaterfunctionzoneofXingtaiCity,pollutantdischargestatisticsCOD入河量氨氮入河量污水入河量超标口门水功能区入河排污口数（t/a）（t/a）（万t/a）数缓冲区11.120.0020.061饮用水源区29.110.02627.820农业用水区10231572.97821.385634.2067过渡区2185.9717.7062.832合计10731769.18839.115724.91702.4.2入河排污评价根据对入河排污口的调查、分析、计算、分析评价，得到氨氮入河量分别是：牛尾河占总量的比例超出了50%，滏阳河占总量的四分之一，泜河占总量的13.68%，澧河仅占总量的5.60%。化学需氧量入河量依次为：牛尾河占总量的比例超出了三分之一，澧河入河量占总量的30.72%，滏阳河入河量占总量的18.56%，午河仅占总入河量的3.32%。磷化物入河量依次为：牛尾河占总量的43.42%，泜河占总量的三分之一，七里河占总量的22.78%。挥发酚入河量依次为：牛尾河占总量的39.26%，澧河占总量的38.10%，滏阳河仅占总量的9.00%。硫化物入河量依次为：澧河约占总入河量的三分之一，牛尾河占总量的22.82%，七里河与滏阳河入河量均不足总量的百分之十。[41]污染物入河量最大的情况是：邢台市区氨氮入河量占全市的46.43%；化学需氧量入河量最大的南和县占全市总量的三分之一；氰化物入河量较大的邢台市区占全市总量的比值达到44.4%；挥发酚入河量较大的南和县占总入河总量的40%；硫化物入河量较大的南和县占入河总量的37.35%。2.4.3水质现状根据资料显示，邢台市共有31个水功能区，其中河干有3个，评价为劣V类16 水的水功能区有20个，占水功能区总数量的71.4%，其余的为I～Ⅲ类水，占总量的28.6%。水质最好的I类水质是渡口川邢台饮用水源区。Ⅱ类水质有1个，为白马河邢台市农业用水区。其余6个水功能区为Ⅲ类水质。综上所述，只有两个水功能区符合《河北省水功能区划》中的要求，其他的水功能区均未达到要求。排放到水功能区的污水总量已达到5724万t/a，其中流入到农业用水区的污水总量达到了5634万t/a，占总量的98.3%，汇入缓冲区的污水量为0.06万t/a。入河污染物COD为31769t、入河污染物氨氮839t，入河污染物总量为32607t，污水主要汇入农业用水区。汇入农业用水区的COD和氨氮量分别占邢台全市总量的99.3%、97.8%。流入饮用水源区的两个排污口均已达到污水排放的一级标准，而流入过渡区的污水均为达标，汇入饮用水源区的排污口超过半数超标。水功能区被大量超标污水汇入，因此水功能区水质受到了极大地威胁。由此看出，邢台市水资源污染问题十分严峻。2.5区域水土流失现状2.5.1水土流失影响因素[42]该区域土壤侵蚀以水力侵蚀为主，主要侵蚀形态有面侵蚀和沟侵蚀。降水是最关键因素，特别是雨水分散土壤，对土壤的破坏作用巨大，也增强了地表径[43]流的冲刷力和流动能力，增加土壤侵蚀量。此外，森林覆盖率是影响水土流失的重要因素，大量的植被破坏造成了严重的水土侵蚀。地表坡度是造成水土流失的又一影响因素，因为坡度不仅影响径流速度，而且对降雨入渗和径流量产生重要影响。2.5.2水土流失现状低山区水土流失侵蚀细沟状面存在的区域，稍有大雨，将会造成沟蚀的发生。高山区主要是深的沟面侵蚀，植被稀疏，表层土壤侵蚀较为严重，导致大量岩石裸露，土层变薄。当地村民造田，统一规划的水保措施缺失，排水系统不合理等人类活动，导致水土流失加剧。2.5.3水土保持现状该地区属于水土流失的国家和省重点治理区。自二十世纪八十年代以来，该地区长期的水土流失综合治理，林草措施，围护措施紧密结合，取得明显的效果。部分片麻岩治理效果明显，但在石灰岩山地治理不理想。采矿公司在该地区较多，17 水土流失严重。水行政主管部门成立了专门的水土保持监督管理机制，监督生产[44]企业采取预防和治理措施，减少对生态环境的影响，水土流失比以前有了很大的提高，大型企业对保护水土意识明显增强。18 第3章流域未来经济社会情景下污染物负荷预测与分析3.1流域当前经济社会情景下污染物负荷现状我国开展治理水资源污染的相关工作早已着手开展，最早可以追溯到中央制定的“十一五”发展期间。面对日趋严重的水资源水环境情势，国家早已将水资源的治理问题着重地提上了工作日程。据相关数据显示，我国的重点水域在基本检测参数上相对较好，“三河三湖”虽然在以前污染较为严重，但就目前来看，已经得到了很大的改善。各水体中出现的化学元素超标情况得到了一定程度的治理。水资源的污染问题相较于大气的污染问题，其显出更多是治理方面困难度较大，时间周期较长等特点。它在对环境的影响方面也是快速而且现象较为明显的。就我国目前的发展状况而言，氨氮具有近245万t的排放量，化学需氧量也具有2400万t的排放量，环境对于这么大的污染负荷显然是很难承受的。如果要使得环境现状有所改观，必须在污染物排放上做出比较严苛的控制，具体到数字上，就是要达到约30%～50%的降低额度。站在投资者的角度考虑，显然对于国家这么大力度的要求改善环境现状，其中的挑战与机遇不言而喻，民间加入投资也将能够得到更好地发展。我国不仅仅存在水资源污染问题，而且在水资源短缺等问题上也较为突出。因此，我国必将加大投资进行水资源再生以及污水处理。“十二五”发展时期，国家在城镇范围内进行的污水处理和再生利用设施建设规划投资将达到4300亿。3.2在未来经济社会情景下污染物总量预测[45]污染物总量预测包括6部分，分别是经济、人口、污水排放、污染物产生、污染物排放和污染物削减。其中非必要环节为经济预测和人口预测，它们是废水和污染物的产生及削减预测的准备工作。中间环节为污水排放量预测，它在水资源、经济和污染物预测之间起到了连接作用。污染物产生、污染物排放和污染物削减均为必不可少的环节。总量的预测就是污染物排放预测，由污染物的产生预测和削减预测的结果得出。3.2.1经济预测（1）生产函数法19 生产函数是在特定时间内，在其他因素不变的情况下，生产中所涉及到的生产要素与生产的产量之间的关系，即生产中投入与产出的关系。生产函数模型还可以看出最小的投入与最大的产出之间的关系，这也就间接反映出了生产技术的高低。生产函数分为多类，有固定替代比例生产函数、里昂剔夫生产函数和柯布[46]—道格拉斯生产函数等方法。通常采用的生产函数方法有外生经济增长模型和柯布—道格拉斯生产函数。GDP的增长速度可以通过经济增长模型推导得出，其公式如下：GDPs=a+mk+nl（3-1）式中：GDPs—GDP增长的速度；a—技术发展水平；k—资本；l—劳动生产率增长速度；m—资本弹性系数n—劳动力弹性系数。工业产值由柯布—道格拉斯生产函数模型求出，其公式如下：btmnGDPt=AeLK（3-2）式中：K—投入；L—劳动力；A，b—常量；m—资本弹性系数；n—劳动力弹性系数。上述中，m+n=1，n大致在0.6到0.8之间，m大致在0.2到0.4之间。由拟合结果可知，m=0.4753，n=0.5247，b=0.0268，A=31.5（2）投入产出法[47]投入产出法是研究经济系统各个部分间表现为投入与产出的相互依存关系的经济数量分析方法。投入产出法的“投入”是指产品生产出来后所分配的去向和流量，投入产出法的主要内容是：通过投入产出表和建立相应的线性代数方程体系，构建经济结构和社会产品再生产过程的经济数学模型，综合分析并确定国民经济各部门间的联系与再生产的比例关系。3.2.2人口预测生活污染排放增长的主要影响因素是人口的增长。在这里生活污染物排放主要统计可控的集中人群，即城镇人口的生活污染物排放；故在人口预测时，应着20 重预测城镇人口增长也就是要考虑机械化的人口增长率。以下方法提到的增长率均包括自然增长率和机械化增长率。（1）年增长率模型由于这里只需要一个大概数据，那么可以利用复合增长率来算，即假定每年的增长都在最后一天，并且每年保持一个不变的增长率r，那么利用此模型就很容易求出人口的增长。它可以简单表述成如下公式：tPt=P0(1+r)（3-3）式中：Pt—第t年的人口；r—增长率；t—时间。（2）马尔萨斯增长模型实际中的人口是不断增长的。用此方法计算时，把复合增长率的时间从每年变为连续。这样就能得出指数型增长模型：rtPt=P0e（3-4）[48]马尔萨斯增长模型比复合增长率模型更符合现实中的人口增长情况。马尔萨斯增长模型的增长率与其数值成比例。（3）人口统计学模型人口统计学是社会经济统计学中的重要部分，它通过数量表现来展示人口现象，包含人口的数量、年龄和分布等。简略的人口预测中用到的人口出生率、人口死亡率和迁徙率，增长率可以通过迁徙率与出生率的整合扣除死亡率得出。迁徙率即代表城市的机械化增长。3.2.3废污水排放量预测用工业生产所产生的污水加上人民生活中产生的污水减去再生水基本上就可得出排放量，如下式所示：WSPt=WSPGt+WSPSt－WSZt（3-5）式中：WSPt—第t年废水总量；WSPGt—第t年工业废水排出量；WSPSt—第t年生活废水排出量；WSZt—第t年再生水回用量。（1）工业废污水排放量预测由消耗的水量和排出水的系数求出工业污水排出量。消耗的水量可以采用曲21 线拟合、前景描述法等方法测算，而消耗的水量和排出水量之间存在一定的关系，如下式所示：WSPGt=Qt×Ct（3-6）式中：WSPGt—第t年污水排出量；Qt—第t年消耗的水量；Ct—第t年排出水的系数。排出水系数可使用现状值；或者由于生产技术的提高等使工业生产用水率提高，也能依据多年的排出水系数求平均值或预测。（2）生活废水排放量的预测生活废水排出量也是由消耗的水量和排出水的系数确定。用水量可用指标推算预测法求出。人均生活污水排放量采用下式计算：Ft=kt×Mt（3-7）式中：Ft—第t年的人均生活废水排出量；kt—第t年的排出水的系数；Mt—第t年的人均用水定额。生活废水排出量预测公式中的重点是第t年的人均用水定额。这里有两个方法，第一个是使用当前的用水定额来当做公式中的用水定额，第二个就是根据多年的人均定额来求平均的或者马尔萨斯增长模型预测。3.2.4水污染物排放量预测水污染物排放量可通过污染物产生量减去削减量求得，或者引用现在实地考察所得数据进行预测，也可通过综合上文所述的经济预测、人口预测和污水排放预测来求得。（1）使用经济数据法首先需要用到社会总产品的产生污染物的系数，先预测出社会总产品的量，然后再用社会总产品的产生污染物的系数与社会总产品的量相结合预测出污染物的总量，最后预测出污染物削减量，由此预测出排放的污染物的量。这就是用经济数据法预测。社会总产品的量由投入产出分析方法求得。投入产出法属于经济计量模型中特殊的一种，它具备其他模型所没有的优势。投入产出分析方法能全面分析国民经济中错综复杂的联系，分析宏观经济比例关系等问题，这是其他模型不容易实现的。22 （2）使用人口数据法[49-50]应用此法预测污染物产生量时，首先需要求出人均排污系数。按照我国目前国情，人均排污系数基本为：COD在60~100g/（人·d）之间、氨氮在4~10g/（人·d）之间。这是由于此系数为经验数据，由于人们的生活水平和地域的不同而存在较大差距。根据现有各个城市的排污系数和人口预测产污量WWSPt。其公式如下：WWSPt=Pt×Mt（3-8）式中：Pt—第t年人口；Mt—第t年人均排污系数。（3）使用废水排出量预测污染物排出量在污水排出量的预测基础上，污染物排出量的公式如下：WWGCt=Wt×Ct（3-9）式中：WWGCt—第t年污染物排出量；Wt—第t年污水排出量；Ct—第t年污水排出浓度。t年污水排出浓度可用下面的公式求得：Ct=WiCi/W0（3-10）式中：Wi—污排出量；Ci—污染物浓度；W0—污水排出量。污水排出浓度不随社会经济变化发生较大改变，城建部门资料显示，我国生活废水COD浓度为250~450mg/L，氨氮浓度为30~50mg/L，由此可以预测废水排出量。排出量公式如下：WWSCt=WSPSt×Ct（3-11）式中：WWSCt—第t年污染物排出量；WSPSt—第t年废水排出量；Ct—排出污水浓度。（4）直接预测在掌握大量多年污染物排出量的资料时，可以采用此法。在资料充足的情况下用延伸性预测法可以很快的预测出短时间内污染物排出量的分布趋势。此种方法较为简单。（5）使用产生、削减量进行预测通过水污染物产生量和削减量分别进行预测，叠加后得到污染物排放量。这种方法的优点是可以将污染治理需求和能力清楚地区分开，在确定目标时可容易23 的通过系数调节改变两者的比例：缺点是工业污染源的产生量难以通过统计值取得。预测程序如下：预测一定条件下的工业污染物及生活污染物产生量变化趋势。其中需考虑的因素有：社会因素（城镇人口增长）、经济发展因素（GDP增长、工业增加值、生活水平变化）、资源因素（水资源量变化）、环境因素（水环境约束、社会环境意识提高）等。预测一定条件下的污染物削减量变化趋势。需考虑的因素有：治理因素（污染治理投资和削减）、产业结构调整因素、排放绩效、用水效率等。将污染物新增量与削减量趋势叠加，形成污染物排放量变化趋势曲线。通过分析趋势曲线的形状与斜率，可得出排放量变化的规律。通过以上程序，得到污水排出量的公式如下：WWPt=WWGCt+WWSPt－WWZt－WWGXt（3-12）式中：WWPt—第t年污水排出总量；WWGCt—第t年工业污水产生量；WWSPt—第t年生活污水排出量；WWZt—第t年污水削减量；WWGXt—第t年工业点源的污水削减量。削减的工业污染物的量可根据各工业行业治理污染物所花费的单位费用计算而得，这里仅考虑工业企业自身对污染的治理，不考虑通过集中式城镇污水处理设施的削减能力。污染物削减量按下式计算：WWGXti=Fti×Pti（3-13）式中：WWGXti—第t年第i行业污染物削减量；Fti—第t年第i行业污染物的治理费用预测；Pti—第t年花费单位费用可削减的第i行业污染物量。其中，Fti可通过流域、区域的环境治理费用进行估算；Pti则需要根据现状的治理情况进行延伸性预测。[51]城镇集中污水处理削减量预测。城镇污水处理设施建设的污染物削减量根据规划年的城镇污水处理率进行预测：WWZt=(WSPGt+WSPSt)×mt(CPt－Ct)（3-14）式中：WWZt—第t年集中污水处理水污染物削减量；WSPGt—第t年工业废水排放量；WSPSt—第t年生活污水排放量；24 mt—第t年城镇污水处理率；CPt—第t年进入污水处理厂水污染物平均进水浓度；Ct—第t年污水处理厂标准排放浓度。式中(WSPGt+WSPSt)×mt即为第t年的集中式污水处理设施处理规模。可通过集中式污水处理设施的建设规模得到：（WTDt+WTD0）×dt。式中：WTDt为自现在到第t年的集中式污水处理设施新建规模；WTD0为现有的集中式污水处理设施规模；dt为第t年的集中式污水处理设施运转系数。在污水处理设施全部满负荷运行时，dt取0.75；如污水处理设施不能满负荷运行时，dt必然小于0.75，多与污水处理设施的管网配套情况、建设位置、收水能力等有关，可根据实际情况取值。3.3实例应用近年来邢台市社会经济快速发展，导致了用水需求和排污总量的大量增加，部分区域已经超出了水环境承载能力的极限。当前，水功能区地表水水质达标率仅为20.9%，污染趋势仍然没有得到有效的控制。为了实现水质规划目标，科学有效的治理水污染，本文通过水域纳污能力与水资源保护规划，制定中、远期水平年点源污染物预测和控制方案。（中远期水平年以2020年、2030年为例）。3.3.1污染物排放量与入河量现状流域水资源调查结果显示：2010年邢台市城镇工业废水与城镇生活污水排放7总量为5.98×10t/a，见表3-1。表3-1邢台市污水排放量及污染物入河量现状Table3-1.Xingtaicitysewageemissionsandpollutantsintoriverssituation水资源工业废水生活污水COD氨氮污染物COD氨氮城镇排放量排放量排放量排放量入河量入河量入河量桥东区1997.94856.269992.6264.491444.523140.2783.53桥西区2188.35937.8610943.9289.671582.193439.5691.48合计4186.291794.1220936.5554.163026.716579.83175.0143备注：表中污染量单位为10m/a，COD及氨氮单位是t/a3.3.2污染源排放量与入河量预测（1）污染源排放量预测方法25 1）生活污物预测方法：生活污物是指因城镇、农村生活用水而产生的水污染物。生活污物预测是在污染源现状的前提下，根据水平年城镇人口的数量与人均排出污物系数预测水污染物的排出量。根据废水排出系数和规划生活用水量预测废水排出量。总体上，[52]COD浓度应小于400mg/L，氨氮排出浓度应小于35mg/L。2）工业污物预测方法：工业污物预测的总原则是“排放需达标，总量要控制，生产必清洁，以新代替老”。工业污染源预测方法是以工业污染源的调查现状为前提，依据污水排放系数与规划水平年工业需水量预测工业污水排放量。COD排放浓度应控制在50~100mg/L范围内，氨氮排放浓度应控制在5~15mg/L范围内。把污水处理厂出水浓度的一级标准作为下限值，把污水处理厂综合排放标准中一级最高允许排放浓度作为上限值。并且依照行业污水排放标准，造纸工业COD按浓度350mg/L预测，纺织和钢铁COD浓度按100mg/L预测。其他的按现在水平年污染物排放的浓度预测。在以上原则的前提下，对排污控制区的污染物可以适当放宽条件，COD[53]排放浓度上限值可控制到150mg/L，氨氮排放浓度上限值可控制到25mg/L。（2）污染物负荷预测成果1）生活污染负荷及污染物预测结果：规划水平年生活污染负荷主要集中在桥东区和桥西区。桥东区和桥西区城镇人口密集，造成了生活污染负荷严重的后果。2）工业污染负荷及污染物预测结果：工业废水与污染物的排放区主要集中在任县和开发区等，任县和开发区等地工业较密集，污染较严重，工业废水和污染物排放量占全市65%以上。（3）2020年和2030年废污水与污染物排放总量预测。详见下表3-2。26 表3-2邢台市废污水及污染物的排放总量预测表Table3-2.ThetotaldischargeofsewageandwasteinXingtaiCitypredictiontable2020年排放量2030年排放量市县污水量COD氨氮污水量COD氨氮桥东区2854.29992.6264.492931.4310003.17272.91桥西区3126.2110943.9289.673126.2110943.9289.67邢台县1935.766782.94179.541935.766782.94179.54临城县1807.166330.88167.571807.166330.88167.57内丘县1255.834404.69116.591255.834404.69116.59柏乡县737.972258.3659.78737.972258.3659.78隆尧县672.112356.6362.38672.112356.6362.38任县808.552832.2974.97808.552832.2974.97南和县779.332734.0172.37779.332734.0172.37宁晋县1770.796207.05164.291770.796207.05164.29巨鹿县879.53076.0181.42879.53076.0181.42新河县679.562368.4362.69679.562368.4362.69广宗县722.622533.5367.06722.622533.5367.06平乡县602.012112.9155.93602.012112.9155.93威县1663.475819.85154.051663.475819.85154.05清河县1117.713917.24103.681117.713917.24103.68临西县780.282734.0172.37780.282734.0172.37开发区2489.368718.96230.782514.218755.29238.17大曹庄562.691969.4352.13562.691969.4352.13南宫市2663.019328.26246.912663.019328.26246.91沙河市2223.547779.45205.912223.547779.45205.91全市合计30131.66105201.42784.5830233.74105248.32800.3943备注：表中污染量单位为10m/a，COD及氨氮单位是t/a（4）废污水与污染物入河总量预测在现状年的前提下，核定规划水平年废污水和污染物入河的系数，把水功能区作为基本单位，对废污水与污染物入河总量进行预测。制定规划水平年废污水与污染物入河总量的标准是以废污水与污染物入河总量预测为前提的。2020年和2030年废污水与污染物入河总量预测结果详见下表3-3。27 表3-3邢台市废污水及污染物的入河总量预测表Table3-3.ThetotalamountofsewageandwasteintotheriverXingtaiCitypredictiontable水资源2020年入河量2030年入河量县市污水量COD氨氮污水量COD氨氮邢台县461.372129.7856.59461.372129.7856.59临城县431.541988.3052.93431.541988.3052.93内丘县298.851381.7036.66298.851381.7036.66柏乡县153.34811.9418.81153.34811.9418.81隆尧县160.68739.4819.7160.68739.4819.7任县192.36889.5923.59192.36889.5923.59南和县185.93857.4422.81185.93857.4422.81宁晋县421.911948.2851.74421.911948.2851.74巨鹿县209.33967.6625.67209.33967.6625.67新河县161.13747.6719.76161.13747.6719.76广宗县172.61795.0521.16172.61795.0521.16平乡县143.26662.3517.56143.26662.3517.56威县395.761830.1948.53395.761830.1948.53清河县266.671229.7432.72266.671229.7432.72临西县185.93858.4923.94185.93858.4923.94开发区593.112738.8775.97603.452791.4585.45大曹庄134.03619.1016.44134.03619.1016.44南宫市634.432929.4177.81634.432929.4177.81沙河市528.842446.4164.86528.842446.4164.86合计5731.0633151.79707.255741.433204.37716.7343备注：表中污染量单位为10m/a，COD及氨氮单位是t/a3.4流域未来经济社会情景下污染物负荷分析为了确定受水区域内的城市水资源短缺和水需求量，国家发展和改革委员会[54]]和水利部联合开展水资源规划工作有关城市部署。根据水资源条件，考虑不同水平年社会和经济发展对水资源的需求，通过调整经济布局和产业结构，加强节水措施和水价调整措施，抑制水需求的增长。同时，考虑到水资源的可持续利用，在未来供水量扣除地下水超采和引黄水超标，提高污水处理和再利用，通过水资28 源供需分析，确定水资源短缺量。3基于上述分析，预计2020年邢台市流域污水量57310600m/a，COD入河量333151.79t/a，氨氮入河量707.25t/a；2030年邢台市流域污水量57414000m/a，COD入河量33204.37t/a，氨氮入河量716.73t/a。从数据分析来看，在未来经济情景下，流域污染物负荷日趋严重、水资源日益匮乏、水生态系统不断破坏。在当前严峻的形势下，如何高效的利用有限的水资源，制定邢台市流域污染物削减方案是现今问题的关键所在。29 30 第4章调入水规模4.1调水规模研究4.1.1调水规模概况中国作为面积大国，拥有的各种自然资源虽比较丰富，但是在不同的地域资源分布情况也不尽相同。比如南方空气湿润，降水量大，因此水资源较为丰富，而由于地形等原因土地较为稀少；相比于南方，北方正好相反，基本上可以用“水少地多”四个字来概括。实施多年的南水北调是国家尽量解决北方用水难问题的举措，能够帮助北方弥补水少的自然缺陷，从而促进产业结构的完善和发展。虽然南水北调对北方的生产有很大的正面帮助作用，但是毕竟违反了自然环境的规[55]律，所以对环境也产生了一些破坏。在此，我们就必须考虑到调水规模，这是最终效应的重要影响因素之一。从整体系统来看，调水规模的影响因素有以下几个方面：（1）从宏观上看。注重从自然及人类社会的特点角度分析，充分考虑降水规律各区域的人口、经济特点。这一角度主要是从环境因素出发，判断具体的缺水类型，然后再决定水的调水规模。（2）从微观上看。需要探查此工程实施所经地的天然情况，再确定具体的路线，最终策划出完整的设计。这个角度注重调水的实施细节。（3）介于上述二者之间。这一角度既从宏观上观察地域的经济、人口状况，同时也考虑到具体的细节情况，从而既能够控制合理的工程规模，又能够符合自然和社会情况，完善策划，在经济和环保上达到双赢。本文将邢台市作为研究对象，对其工程规模进行了较深入的研究。4.1.2调水规模指标体系只有对工程涉及到的区域进行详细的水资源情况分析，才能确定合理的工程规模。对一个地方而言，当地的自然降水、经济情况、需求量和工程的实施方法都是影响供水量的重要因素。所以要确定合理的规模，必先计算出合理的需水量，这一因素随当地工农业、人们日常生活情况及环境现状的变化而变化，通常用包含上述四个变量的公式计算。其中公式中也会涉及到时间的变化，因为工农业等情况也随时间的变化而发展。从人们的日常生活来考虑，主要考虑到城市和农村31 两种地区性的用水。前者除了百姓日常生活用水，还有公共用水、美化环境用水等等。华北地区处于极度缺水的状态。以邢台市地区为例，农村的用水需求主要可归结为生活，生态，生产这个三方面。生活方面，华北平原一直以来都是人口密集区，生活用水量很大。同时由于平原地区大规模的牲畜养殖也会消耗很多用水。就生产而言，华北平原自古就是中国的富庶粮仓，农业用水量很大，同时又由于工业用水的激增，因此生产性用水占据了全部用水相当大的比重。生态用水主要是指为了保持生态原有样貌的自燃性用水，这是自然界必须的水消耗。我国的人口的峰值还未到来，用水量肯定还会进一步激增。因此节约用水是势在必行的。就目前的数据收集结果来看，我们虽然可以收集到各个方面的用水消耗量，但是我们现阶段却无法在整体上形成一个地区性用水的循环结构示意图。所以收集某一大类的综合指标性的用水量在分析时会更有用。4.1.3南水北调中线供水区PERD指标值的综合论证虽然已有的很多研究成果已经给出各类了不同的PERD的标准值，这些数值虽然也经过了实证研究，并且取得了很好的成果，但是这类标准值本质上是在研究某一具体地区时的提出来的。因此我们不能鲁莽的直接引用，在PERD的标准值确定上，我们必须充分考虑当地的人文，生态，经济等因素。但是无论什么地区，节约用水意识的提高主要来源于缺失的现实，用水效率的提高以及公民素质的提高而这些动力与时间和地域有关，对不同的时段、不同的地区的作用是有区别的。各个地区调水量配制采用适度或者偏少的原则进行，应采取加强节约用水、促进治理污水、减少浪费水资源、提高利用水的效率等措施，尽可能的减少由调水对被调水区生态环境产生的影响。并且考虑工程进行到一定程度后，将调水量在一个时期内保持不变，调水的规模应基本满足需求和经济的合理承受能力。经有关部门综合分析后，确定南水北调东、中线一期工程的调水规模分别为89亿333m和95亿m，共计184亿m。城市生产生活用水的压力可以通过跨域调水工程缓解，但在促进经济发展的同时，调、输和受水各区也可能造成不可忽视的威胁。各个区域所产生的正面和负面效果紧密相连。因此，对调水规模论证具有重要意义。确定受水区调入水规模，既可以满足受水区要求，又可以合理利用水资源，使产负面影响达到最小化。确定受水区调入水规模在调水工程现实问题中显得尤为重要。为实现调水工程受[56]水区可持续发展，须以二元水循环规律为基础，从受水环境用水的水量和水质两方面对调水规模进行研究，并建立了与污水排放率、水资源开发利用系数和区32 域外与区域内用水比值k相关的安全调入水规模计算模型。通过整体上的考量，本文关于华北地区的外来水源——南水北调，对于当地用水量影响的研究主要是从家庭，社区，再到整个地区的顺序进行的。本文特地对邢台地区用水的实际情[57]况进行了PRED论证，同时运用论证结果分析了该地区的未来用水量，同时也对其可持续发展能力做了分析。通过对人，社会和环境三者之间和谐关系的深入考量，本文提出了，以重视水的安全质量为第一目标，通过综合考量可用外来水源规模，以及社会的发展所需用水量，在实际论证的基础之上，对外来调水的整体规模进行科学的决策。在有外来调水的情况下，用水整体结构由过去达到单纯的“靠自己”，变成了而今“远水解近渴”。在这种改变之下，最大的变化是生态用水，过去生态用水受制于人类的生产和生活活动，而今由于南水北调的引入，当地的生态自然用水不再“受制于人”。但是这只是在量上有了充裕的保障，但是就水质而言，其还是要受到人类污染的影响。因此下面的研究重点是生态用水在水量充足的情况下，如何保持水质不受损害。4.2确定受水区调入水规模方法4.2.1确定区域的收支水量设定区域为研究对象。区域地表水量包含自产水量和区域内河流的水量，自产水量为区域内降水与蒸发的差。从区域外调水费用较高，作为人类生活和生产的部分水源，水量为QUO。对象区域收入部分：地表水量QR；地下水资源可利用量QG；人类生活生产后排放出来的污水QD。对象区域支出部分：人类生活生产中的取水量QUR。除了人类使用外，还包括流出该区域的河水水量和被自然环境利用的水。由于水具有流动性，区域内部分生态环境会在水流动的过程中利用流出该区域的水。因此，就把流出的那部分水量也划为被自然系统利用的水量，自然环境用水量QE。QE包含地表水补给地下水的水量。4.2.2区域自然环境用水水量和水质计算原理[58]以水量平衡原理为理论依据，得到如下关于计算区域水循环水量平衡关系的方程:QQQQQ(4-1)RGDURE在区域性自然水资源中，用QN表示利用总量，用QUR表示其中的生产用水量和33 生活用水量的总和。用QUR除以QN得到的比值用u表示，即水资源开发利用率，则公式为：QQQ(4-2)RGNQ/Qu(4-3)URN用η表示排污率，即总耗水量中的污水排放比例，那么，1－η就表示耗水率。地区总需水量用QU表示，地区取用水量用QUO表示。如下公式为社会水循环水量：QQQ(4-4)UURUOQQQQ(4-5)DUURUO在地区内的总需水量中，k是地区需水调入比，即调入地区水量与地区需水量的比值，从比值k可以预测出调水规模，也能从k值看出该地区的水资源安全程度。Q/Qk(4-6)UOUR1kQQ(4-7)URD根据式(4-2)至(4-7)可供自然环境需水量表示为：Q1uu1kQ(4-8)EN式(4-8)两边同时除地区水资源可利用总量，得到地区自然环境需水占地区水资源可利用总量的比值RE。R1u1ku(4-9)E由式(4-9)可知提高自然环境需水比例有两种方法，①合理规划地区水资源开发；②增加调水量。2、自然环境用水水质计算（1）自然环境用水污染物负荷。在所有被排污水中必然存在污染物，且具有一定的浓度，用Cd表示。同时，用C0表示自来水污染物浓度的本底值。相比于地表水的水量而言，地下水的实际水量并不多，被土壤中净化后的地下水纯净度相对较高。又由于北方有严重的污染，计算时假设地下水资源的污物浓度与地面污水相同。则生态用水的污物量(W)为：WCQC1uQ(4-10)dD0N（2）自然环境需水量。在污水的规定排放点已知的情况下，且在了解农业污水整体负荷水平之后，我们可以推断，影响被排放污水的浓度以及废水和自然水混合后浓度的主要因素是自然水系统的容量。由于水体有自主净化的作用，与自然水系统的容量有关，接纳环境的自然水系统的容量大，净化能力就越好。自然水体净化能力在初期较强，随着时间的推移，净化能力会越来越弱。以净化能力最强时为准。设NBOD降解系数为d。所以，自然环境需水水质污物浓度为：NWCQC(1u)QdD0NCE(1di)（4-11）QEQEi134 NWCu(1k)QC(1u)QdN0NCE(1di)QE[1uu(1k)]QNi1（4-12）NC(1u)Cu(1k)0d(1di)1uu(1k)i1由式(4-12)可以得出：自然环境需水与水资源的开发和污水排放有联系。污水的排出浓度、径流来水的污物浓度、地区用水和调水量也和自然环境需水有关。这个函数是随排出的污水浓度、排污率、水资源开发、地区用水和调水量变化而变化的。如果给定自然环境需水标准CE0，那么可以通过改变水资源开发率、排出的污水浓度等变量来求出k，最终可以通过求出自然环境用水水量预测出该区域的T调入水量。这个式子为约束条件，调入的水量不能大于对该地区的供水能力QO。TTkQUO/QURQO/QURk(4-13)4.2.3调入水的规模模型及求解人水和谐就是人文与水两系统之间的关系协调的良好循环状态，即通过不停改良水系统自我维持能力，使水资源可以为人类生存和发展提供持久的支持。越来越多的人们意识到人水和谐的重要性，对自然环境用水量等问题的研究不断深入，自然环境用水量等可以较为准确的预测出来，从而可以制定合理的政策。例如当某地区需要调入水源时，那么本地区的水资源开发基本达到极限，由此可以推算出很多数据。由式(4-9)可以算出自然环境需水比例与地区水调入量成正相关，此数据关系只有下限值。根据式(4-12)可得出地区自然水资源水质与调入水量成负相关，有最大值和最小值。受现实中的生产处理技术等限制，节水能力和废水处理能力是有限的，随着经济的增长污水排出量是一直增长的，区域水环境的容量也是有极限的。由于调水影响调水，输水和受水区的自然环境，自然环境水质会随着调入水量的增长而更加恶化。其中的地区节水水平可以从调研资料中获得。TT由式(4-12)、(4-13)分别计算k、k，当kRE0，那么自T然用水比合格。否则，令k=k，再计算式(4-9)可以得出RE>RE0，自然环境用水比T合格。当REk时，需要节约用水，直到达标为止。4.3实例应用4.3.1邢台市概况3河北省中南部的邢台市最近几年年均地表水资源量达到了5.56亿m，地下水资35 33源量达到了10.56亿m，以及地表、地下重复计算量达到了1.51亿m，水资源总量3为14.61亿m。随着人口总数逐渐增加促使人们对生活用水的需求量大大增加，工农业的快速发展导致了生产用水的需求量越来越大，很大程度的增加了水资源的供给压力，同时，未被处理的工业废水和生活污水被直接排放到河流中，给邢台市水资源造成了严重的后果。针对邢台市而言，污水接受能力已经远远达不到目前的废水排放的水平，水环境区域逐渐恶化。邢台市需要采取南水北调的方式来解决水资源短缺问题。目前，邢台市地下水资源和地表水资源，以及跨流域调水是邢台市水资源的3主要来源。从1999年至今，邢台市总供水量18.05亿m，其中地表水和外调水的平3均供水量达到2.91亿m，地表水供水量占总供水量的16.3%。另外，地下水供水量315.14亿m占总供水量的84.1%。从用水结构上来分析，农业方面的用水量达到了3313.76亿m，占总用水量的76.34%；工业方面的用水量2.43亿m，占总用水量的313.8%；居民生活用水量0.51亿m，占总用水量的2.81%；生态环境用水量0.09亿3m，占总用水量的0.5%。在我国，农业用水占总用水量的71%，居民生活和工业用水占总用水量的31%。可见农业用水所占比例高于全国平均水平。3当前邢台市50%年份可供水量达到10.06亿m，主要是地表水、浅层淡水、薄3层淡水、低于2g/L的微咸水、污水处理回用水、外调水，分别达到1.71亿m、7.06333333亿m、0.52亿m、0.26亿m、0.03亿m、0.48亿m。各部门需水量和缺水量为23.53m333和13.47亿m。75%年份可供水量达到9.2亿m，缺水量23.53亿m。到2010年为止，3达到可供水量12.37亿m的年份有50%，这些可供水量不仅包括新建9座蓄水闸供给的地表水量，还有污水利用量和微咸水利用量，三者在一定程度上都有增加。统333计得到有2.59亿m的地表水，有7.06亿m的浅层淡水，有0.52亿m的薄层淡水，有330.57亿m的微咸水，有0.05亿m的咸水，其中咸水是规划咸淡混灌，同时，有1.13333亿m污水处理回用水和0.48亿m的外调水。总计20.64亿m的需水量和11.05亿m33的缺水量。75%年份可供水量达到12.37亿m，缺水量28.80亿m的。4.3.2确定调入水规模模型中参数[59]邢台市在发展规划中坚持人与自然和谐相处与可持续发展的理念，在南水北调情况下2010年和2020年保证自然环境用水比分别达到50%和53%，为了提高水利用率，邢台地区主要水源污物以CODcr为目标，争取达到30mg/L，流出境内的水质污染物浓度控制在35mg/L。保证污水在净化合格后排放。邢台市现状水平年和规划水平年境内人类生活生产利用水量见表4-1。36 3表4-1邢台市现状水平年和规划水平年境内供水能力亿mTable4-1.ThecurrentsituationoftheXingtaicitylevelyearandplanninglevelyearsdomesticwatersupplycapacitybillioncubicmeters年型平水年干旱年极度干旱年过境水现状水平年5.2304.2033.1013.386规划水平年5.2304.2033.1013.3861、计算调入水规模由前文可知，前7d取污染物的综合降解系数分别设置情况，具体参看表4-2。表4-2模型参数Table4-2.Modelparametersud年型RCEηCOCECd平旱极旱平旱极旱现状水平年0.500.300.720.630.540.4450.4100.3903035100规划水平年0.550.250.720.640.550.4450.4100.3903035100其中，d表示综合降解系数，指的是邢台市污水深度处理厂对污水的实际处理能力，通过合理的计算可以归到d中。T基于现阶段南水北调现状水平年和规划水平年的实际情况，设定QO（调水限3制量）为邢台市被分配的水量，其中，现状水平年的调水限制量为6.765亿m，规3划平水年的调水限制量为7.135亿m。结合表二的参数和上文的式（4-6），可求解模型，得到现状水平年调水规模、规划平水年调水规模，从而可进一步分析评价当前计划规模的有效性、合理性、实用性。具体参见下表4-3。37 表4-3邢台市现状平水年和规划平水年调入水规模Table4-3.ThecurrentsituationoftheXingtaicityflatwateryearsandplanningofflatwateryearswithwaterscale参数现状平水年规划平水年平水年干旱年极度干旱年平水年干旱年极度干旱年k10.2000.4500.8300.3900.6001.100RE00.5000.5000.5000.5500.5500.550RE0.7100.6400.7600.5400.6300.740Tk0.4280.4860.5680.5220.5920.691k0.2000.4500.5680.3900.5920.6913QUO/亿m12.6408.9437.78112.8139.0787.9233QUO/亿m2.5284.0244.4194.9975.3785.4733QTO/亿m5.4054.3424.4196.6935.3785.4733QO/亿m-2.856-0.3222.038-1.6910.0733.2412、结果分析3根据表4-3可以看出，当调水量达到4.997亿m，生态和环境方面所耗用的水量占到规划平水年用水量的54%，即RE=0.54，稍低于规划目标的55%，因而可见该年的生态和环境方面所用水情况会比较紧张，呈现一定的用水不足。而邢台市为了保证生态环境的稳定，维护生态环境的质量，将会按规划从南水北调中调3入5.099亿m的水量，全面确保生态及环境的用水需求。然而，考虑到生态及环境用水是有一定的水质标准的，而调入南水北调的水超过规划量，则生态和环境纳水能力将会受到一定的影响。假设将RE提升到规划值0.55，则COD也会相应提升，达到37mg/L，从而高于规划的控制目标COD35mg/L，难以负荷。在这种情况下，可以采取一定的措施确保生活生产、生态环境中的用水协调稳定。具体3的措施有两类：其一，仍然保持4.997亿m的调水量，增强节约用水的意识，提高用水利用率，从而降低η值。其二，深入治理污水，提升污水循环利用率，使得k值增大，从而达到缓解用水压力的目的。如不采取相应的措施及时治理，邢台市将受到南水北调水量的影响进而出现生态及环境多方面的污染。从生态和环境水质标准的角度来看，当现状水平年出现干旱、极度干旱的情况下，调水量的TT上限标准为k，当调水量的上限标准小于年需水调入比时，即为k