水污染控制课程论文

课程论文

学号： XX13020300XX 姓名： XXX

专业：水利水电工程指导老师：朱亮老师

任课老师：朱亮老师

水质水量联合调度研究现状和发展趋势

XXX

（河海大学水利水电工程学院，江苏南京210098）

摘要：水资源短缺和水质恶化等问题是当前制约我国社会经济发展的重要因素之一，可通过水质水量联合调度

方式解决我国当前水资源问题。介绍了水质水量联合调度的概念和重要性，简析了国内外水质水量联合调度的

研究现状。针对现有的调度模型进行了分析，提出了水质水量联合调度中存在的水质水量相互影响考虑不足缺

少统一有效的模型空间分配模型欠缺等问题，并对我国水质水量联合调度研究工作进行了展望。

关键词：水质水量；联合配置；研究进展；调度模型

1 引言

水资源短缺是制约经济社会可持续发展的主要因素之一，缺水很大程度上是由于资源得不到科学分配和合理利用所造成，因此加强水资源的管理调度是提高水资源利用效率的重要方向。水量调度管理是一个逐渐发展的过程，从最初的用水量控制为主到总量与用水效率并重。随着社会生活水平和工业化程度的提高，水质恶化逐渐成为缺水的重要原因，频繁发生的水污染事件使得环境质量降低，生态系统退化。从水务一体化管理的发展趋势来看，水量和水质的联合调度是未来水量调配和水污染控制的主要决策技术。

从配置的角度分析，水量和水质是水资源的二重属性，二者相互影响不可分割，不同用水对水量水质的要求不同，需要结合水质要求对水量进行分配。从污染控制的角度考虑，水资源开发利用影响水循环，进而影响到水污染的治理，因此污染控制应和水资源开发利用统一考虑才能实现流域水环境质量的根本改善，通过水质水量联合模拟的模型和方法，实现对区域水量和水质的联合调度，达到水资源利用与区域环境保护的双重目标。实现水质水量统一合理的配置，必将有利于水环境与生态的改善和保护，最终实现水资源开发利用的良性循环。

本文联系最新发展动态归纳总结了水质水量联合调度的具体概念，通过对国内外水质水量联合调度的研究现状发现现有的问题。并针对现有的调度模型进行分析，从而提出我国水量水质联合调度过程中存在的问题和急需改进之处。

2 水质水量联合调度研究概况

水质水量联合调度的基本思路是：根据水资源管理的需求，水量水质联合调控的目标包括污染控制、水量配置和水生态保护。根据不同目标给出相应的控制方案，最后进行水量水质联合配置，形成总量控制方案，并进行方案后评估分析。

2.1 国外研究概况

水质水量联合调度是指按照流域水资源综合管理的理念，以防洪安全保证为前提，以流域水生态功能目标需求为导向，依托各种水利工程或非水利工程调度措施，优化调整径流的时空分配特征，从而实现水资源的经济、社会和生态环境综合效益最大化的一种水资源开发利用模式。按照调度目标指向可以分为以提高水环境容量改善水质状况为目标的水质调度和以保障环境流量为目标的生态调度，按照调度所依托的水工程类型可以分为水库（群）调度、闸坝（群）调度及流域综合调度，按照时段划分可以分为常规调度和应急调度。

国外对于水质水量联合调度的研究较早。从20世纪80年代后期，随着水资源研究中量与质统一管理理论研究的不断深入，国际上从单纯的水配置研究发展到水量、水质统一配置模型研究，从追求流域经济最优到追求流域总体效益最优为目标的合理配置研究，更加重视生态环境与社会经济的协调发展。

Afzal Javaid等人于1992年提出了针对某个地区的灌溉系统建立了线性规划模型，对不同水质的水量使用问题进行优化该模型能得到一定时期内最优的作物耕种面积和地下水开采量等成果，在一定程度上体现了水质水量联合调度的思想[1]。Lind.Owen.T等人，在2002年对查帕拉湖进行水质分析时，发现水质问题明显取决于水量，这就决定了水质水量问题必须统一协调考虑[2]。Gines.Munoz.J，2006提出将水质水量协调统一的方法用于解决水质有问题的大坝，建立系统评价模型决定大坝下泄水量等数据，该实例详细描

述了解决水质问题的方法[3]。Vink.S等人在2009年针对Bowen盆地进行的研究中，分析了水质水量中存在管理与被管理脱节的问题，而后者作为一个单独的环境问题正越来越明显，由此得出水质水量问题必须作为一个综合系统进行管理[4]。

综上所述，国外对水资源配置的研究从地表水和地下水的联合调度开始，在水量调度的基础上，逐渐将水质加入对水量调度的分析中在对不同的湖泊河流的研究中，发现了水质和水量之间存在着不可忽略的互相影响关系，得出了水质水量联合调度在水资源调度中的重要性针对不同河流湖泊的具体情况，国外学者综合考虑了水质水量的联合合理配置，也提出了解决相应问题的水质水量联合调度模型。

2.2 国内研究概况

20世纪90年代，随着社会经济发展对水资源优化配置的需求变化，我国的水质水量联合调度研究逐步开展。在1996年，徐贵泉等研制出适应性较强的河网水量水质统一模型——Hwqnow模型，提出了调水改善水环境的措施，并应用于上海浦东新区河网水环境而进行的调水方案研究[5]。同年樊尔兰等在分析水库水温、水质与取水水位的基础上，建立了分层型水库水量水质综合优化调度的动态确定性多目标非线性数学模型，运用逐次逼近的逐步优化法对数学模型进行求解计算[6]。

张文鸽于2003年在《区域水质水量联合优化配置研究》中，以可持续发展为基础，以社会、经济、环境综合效益最大为目标，建立了区域水质水量联合优化配置模型。模型中考虑了社会目标、经济目标、环境目标的识别和度量方法，给出了三类目标的具体表达式[7]。在2004年，王好芳等则提出基于量与质的多目标配置模型，在水资源配置中嵌套了水质分析模型，为了使有限的水资源更为有效地发挥其使用价值，在其合理配置时应充分考虑水资源的水质，使不同水质的水资源尽量满足不同行业或用户的生产、生活需要[8]。

在2005年，郭新蕾结合岐江河及相关水系的实际情况，建立了相应的水动力模型，并与反映耗氧有机物的BOD5-DO水质模型相耦合，形成了水动力水质模型[9]。同年曹茜建立目标函数为绿色效益最大的水资源配置模型，将水质状况代入模型，构建了以水资源价值为基础的分质供水引导模式，初步实现了分质供水，实现了配置过程中水质与水量的耦合[10]。在2006年，吴浩云提出了水量水质一、二维模型耦合模拟的逐时段嵌套模式，建立了考虑供水保证、水质改善、防洪安全等多目标选择的优化调度模型，并以交互方式实现水量水质模型与调度模型间的耦合[11]。2007年，牛存稳在分布式水文模型（WEP-L）的基础上建立了流域水量水质综合模拟模型。该模型描述了不同点源和面源污染物的产生过程、入河过程及其在河道中的迁移转化过程，为水量水质综合调度提供了很好的工具[12]。

2010年，游进军等总结了水量水质联合调度的思路，提出根据不同目标给出相应的控制方案，最后进行水量水质联合配置，形成总量控制方案并进行评估[13]。2012年，朱磊等针对干旱半干旱地区的重度污染河流，建立了水质水量响应关系程序，对不同频率来水条件下的丰、平、枯水期的水质水量响应关系做了定量研究[14]。

综上所述，国内水质水量联合调度始于平原河网和湖库的水环境整治工作。在2003年全国水资源综合规划工作中，水资源数量与质量联合评价方法已作为研究的重点之一。2005年的第四届环境模拟与污染控制学术研讨会上，明确指出水质水量的联合配置和调度是水资源优化配置的研究方向。但“十二五”以前，国内对水质性缺水及水质水量联合配置研究还比较少，在配置过程考虑水质影响主要体现在分质供水思想，以水质作为约束条件来进行水资源优化配置。

3 水质水量模型建立的研究

国外以水资源系统分析为手段，水资源合理配置为日的的研究始于20世纪40年代，随着大系统分析理论、数学规划和模拟优化技术等在水资源领域的应用，促进了水资源优化配置模型的不断发展。本文主要介绍以下几种配置模型：基于地理信息系统的水质水量联合配置模型、基于数值模拟的水质水量联合调度模型、基于生态经济学的水质水量联合调度模型。

3.1 基于地理信息系统的水质水量联合配置模型

在对传统的流域水质评估方法的改进中，可采用地理信息系统（GIS）进行野外数据采集和水质水量模拟。该技术包含两个方面：①基于GIS的数据采集；②模型拟合。

基于GIS的数据采集是指通过便携式电脑、无线通信和互联网技术实现采集数据。模型拟合是指采用基于GIS的分布式模拟预测流域的水质和水量。这种模型的建立主要着眼于解决水质水量测量问题，通过

选择合适的野外站点，这种方案可以将各站点采集到的水质参数图形化，并将这些数据与当地的土地土壤类型和河流水文特征结合起来。这些成果形成的数据体系在各方面都较为全面可信，为水质水量的联合调度提供有利的条件。

3.2 基于数值模拟的水质水量联合调度模型

该模型针对水质水量模型优化的复杂性，对水质水量数值模拟的格式算法、优化调度的目标函数及约束条件、模拟与优化模型的协调衔接等关键环节，提出了合理可行的处理方法。该模型的目标函数为： ∑=-=n i it it i C G F 12))((min ?θ （1）

式中：n 为分区数；i θ为第分区水质改善的权重系数；it C 为第t 时段第i 分区的水质控制指标；it G 为第t 分区第i 时段的分水量；)(it G ?为第t 时段第i 分区引入it G 水量时水质指标的状态响应函数。

模型的约束包括水量平衡约束、水质控制约束和工程控制方面的约束。在模型求解方面，可采用动态规划进行求解。在动态规划递推过程中，对每一组合策略需调用水量水质模拟模型进行浓度计算；递推与回代计算完成后，得到各分区分水方案。据此确定主要水工建筑物的运行方案，然后利用水量水质模拟模型进行模拟计算得到受水区控制点水量水质的分布状态，转入下一时段计算。如此循环，得到整个调度时段的配水方案。

这一模型适用于水资源空间分配上实现宏观调度与微观模拟的结合。但该模型只在时段内水量空间分配上实现了水资源的宏观调度与水量水质微观模拟的结合，还有待在整个调度期进行深化。

3.3 基于生态经济学的水质水量联合配置模型

该模型以生态经济系统结构优化限制因素原理，由配置方案生成模型和配置方案效果评价模型组成，考虑生态经济系统的生态经济阈和水质水量联合配置可行方案拟定。该模型侧重于在生态经济学的指导下协调生态环境效益、经济效益和社会效益，因此是一个复杂的多目标模型。

为保证其可行性，借助多个模型组成的模型体系来实现，该模型体系分为成水质水量配置方案的核心模型和辅助模型两类。而在每个模型的建立中，由于水资源生态经济系统的社会效益和生态环境效益构成复杂，很多效益方面无法进行量化，也即定量的评价无法满足要求，需要有不确定性评价来做补充和完善。保证生态经济学的水质水量联合配置模型的优越性。

4 现有研究存在的不足及解决途径

4.1 存在的不足

（1）水量调度和水质模拟的过程结合不足

目前，水质水量联合调度技术在流域中的应用较少，现有水质水量联合调度实践主要是以减污和环境流量控制的应用为主，或以水质为约束目标进行水量分配调度研究为主，即水质和水量的模拟存在机理层面的分离。且目前对水资源的调度分析主要是基于静态的水资源评价结果，未考虑人工水循环系统和天然水循环系统之间的动态作用关系，需对水量和污染负荷双重平衡关系进行交互式分析。

（2）流域整体调度研究尚显不足

现有水质水量联合调度研究主要集中于平原河网地区，侧重于利用水动力学模拟，在河网概化上提出对局部区域治理目标的应对措施。尚未考虑以流域整体为研究对象的调度方案，当上下游边界条件关系变化时，不能较好地揭示流域整体条件下水质水量之间的动态响应关系。

（3）宏观目标和微观控制措施之间缺乏有机的耦合关联

水资源管理及污染控制目标通常是以流域和区域为制定对象，但实际模拟过程中必须考虑不同类别措施的组合性影响。未来管理中需将用水总量控制目标与微观管理定额相结合、污染负荷排放总量指标与纳污能力条件相结合，这就要求更好地分析流域层面目标控制与模拟层面具体措施影响效应之间的作用方式和关联效应。

（4）缺乏对调度方案有效性评估方面的深入研究

水质水量联合调度的最终目的是寻求经济社会发展、生态环境保护、水资源可持续开发利用间的动态

平衡，实现水资源综合效用最大化。由于水质和水量相关调度措施具有多样性，不同侧重的措施之间具有同向和异向的影响作用，同时对生态系统也具有不同影响。如何分析措施的综合效应，建立综合的调度方案费用效益评价体系和相应评估方法具有较大的研究空间。

4.2 解决途径

针对上述问题，在实践中需对水资源水质水量联合调度做进一步改进和完善。

（1）调度方案实施方面

现在的水质水量统一调度模型大多与计算机技术结合不够紧密，使得一系列的数学模型难以做到令决策者满意，这就阻碍了水质水量统一模型的应用和推广。因此，针对数学模型的局限性，可研究ES和DSS 技术。对此类决策支持系统的研究，可以加大理论与实际的联系，加强数学模型在实际运用中的适应性。计算机技术在优化调度模型建立中的运用，也可以令调度方案更能适合环境要求和决策要求.

（2）从流域层面综合考虑

从流域层面综合考虑水质水量联合调度的思路。根据水质水量联合调度的实践需求，流域调度越来越强调综合性管理需求。因此，须从“人工—自然”二元循环间的相互作用、流域的整体性、流域宏观层面的目标控制和流域微观层面的具体模拟等方面来综合考虑，以便更好地对流域进行水质水量的联合调度研究。

（3）完善水资源调度制度建设

依法、依规调度是保障水资源调度顺利开展的前提和基础。因此，要抓紧制定和完善水资源调度法规体系，依法规范调度程序、制度、手段，加强配套规章制度建设，增强水资源调度可操作性。对于应急调度要结合实际情况着手研究相应的管理办法，逐步规范调度，建立长效机制，使应急调度的管理方式趋于常规化。

（4）建立水污染防治新思路

将达标排放和总量控制结合起来，将污染减排和水量调控结合起来，进一步加强陆域污染负荷产生排放与水质日标的整体调控管理，加强水量和水质的整体调控，形成现代流域治理新理念。一方而，需要根据各个流域污染总量控制日标和流域经济发展结构特征，反推制定更为严格的行业排放标准及污水处理标准；另一方而，按照水量调控的要求，制定更为严格的行业和用户节水标准，同时按照水功能区的要求，适当调整水利工程调度运行规则，合理增加水环境容量

（5）加强动态监测和管理

提高水质水量监控管理水平，并将管理需求与监测点、断而的监控紧密结合，实现对污染负荷、排放和迁移转化的点线而立体监测。通过对水质水量总体调控的日标、可行手段和水环境量化评价关键因子进行模型标准化分析，提出基于分行业、涵盖点而源污染负荷的源头示踪分析技术，在机理过程分析和全而监测的基础上实现水环境不达标的溯源追踪，进而为污染动态监管提供支持

（6）开展水质水量联合调度关键技术研究示范工作

以协调“生产、生活、生态”用水为切入点，以在维持湖库河流主体功能基础上的河流生态基流保障、水体功能达标、水生态完整性保护为低、中和高日标，以流域水质水量联合调度模型为平台，以多类型水源开发利用、库群调度、闸坝调控等为手段，在流域控源基础上，结合河流流域水文水资源状况与水系湖库特点，钊一对重污染河流(段)和生态基流严重匾乏河流，发展水质和水量优化调配技术并开展示范工作。进而形成而向水生态完整性的环境流量计算技术体系，为环境流量适应性管理提供支持。

5 结论

本文联系水质水量联合调度的最新发展动态归纳总结了水质水量联合调度的具体概念，通过对国内外水质水量联合调度的研究现状发现现有的问题。并针对现有的调度模型进行分析，从而提出我国水量水质联合调度过程中存在的几点问题和并针对提出的问题提出了相应的改进与解决措施。水质水量联合调度与人们的生产生活息息相关，在进行建设或者改革的过程中，宣传教育是十分必要的，一定要充分调动人们的积极性，保护我们共同的水资源是每个人应尽的责任。

但由于水质水量联合调度尚在建设当中，各种模型技术都存在不确定性，本文的研究内容需要随着水改革的不断进行而加以深入。

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