黃本勝，李深林，邱 靜，胡 培，劉 達

（1.廣東省水利水電科學研究院，廣東 廣州 510635；2.河口水利技術(shù)國家地方聯(lián)合工程實驗室，廣東 廣州 510635；3.廣東省水安全科技協(xié)同創(chuàng)新中心，廣東 廣州 510635；4.南方海洋科學與工程廣東省實驗室（珠海），廣東 珠海 519000；5.廣東工業(yè)大學環(huán)境生態(tài)工程研究院，廣東 廣州 510006）

1 研究背景

由于水的復雜特性，不同行業(yè)、不同部門對于水資源的理解不盡相同，而隨著人類認識的改變和生產(chǎn)生活的需要，對水資源的評價理論也不斷更新發(fā)展[1-3]。

國外開始使用“水資源”一詞較早，《大不列顛大百科全書》解釋水資源為“全部自然界任意形態(tài)的水”，而1963年英國的水資源法中，定義水資源為（地球上）具有足夠數(shù)量的可用水源，突出了“可使用性”。1977年聯(lián)合國世界水會議建議，水資源應指“可資利用或可能被利用的水源，這個水源應具有足夠的數(shù)量和可用的質(zhì)量”[4-6]。

國內(nèi)從1980年代初對“水資源”一詞正式使用，大量科研技術(shù)人員對其進行了深入研究，取得了豐富的研究成果。王浩等[7]提出了水資源的評價準則及其計算口徑，建立了廣義水資源、狹義水資源、生態(tài)耗用水量和國民經(jīng)濟可利用量計算方法；賈仰文等[8-9]提出了基于流域水循環(huán)模型的廣義水資源評價方法和具體計算公式；陳顯維[10]綜述了國內(nèi)外有關(guān)水資源和水資源可利用量的概念和定義；王忠靜等[11]提出基于物理參數(shù)的分布式水文模型用于變化環(huán)境下水資源評價方法的原理；李佩成等[12]從水的社會屬性出發(fā)，討論景觀水資源的概念內(nèi)涵；張蕾等[13]將水功能區(qū)目標水質(zhì)與實際水質(zhì)對比，在估算各水功能區(qū)水資源可利用量基礎(chǔ)上，將不滿足水功能區(qū)功能要求的水資源數(shù)量進行剔除，提出有效水資源可利用量概念并給出計算方法。

從水文學角度，水資源量是指一定區(qū)域內(nèi)由降雨產(chǎn)生的，河川徑流量與地下水補給量之和扣除重復計算量。該定義從科學宏觀情況來說是完整的適應的，但是對于人類活動密集的城鎮(zhèn)區(qū)域來講，適用性不足。水資源短缺問題已成為城市化進程加快和社會經(jīng)濟持續(xù)發(fā)展的重要制約因素[14-17]，而城市粗放型發(fā)展造成的水環(huán)境污染進一步加劇了水資源短缺問題[18-21]。在評價城市區(qū)域水資源時，如不考慮城市人口和產(chǎn)業(yè)集聚排污造成河湖水質(zhì)污染、進而導致匯入徑流無法被充分利用的普遍現(xiàn)象，不僅給水資源的計算和評價帶來誤解，更可能造成水資源規(guī)劃、合理開發(fā)利用及環(huán)境保護的問題和損失。本文提出“臟盆理論”，以珠三角九市為例，討論基于河湖水質(zhì)影響的水資源評價新方法，量化評估人類活動對水資源水環(huán)境造成的客觀影響，以促進區(qū)域水資源保障和生態(tài)文明建設(shè)。

2 研究方法

2.1 “臟盆理論”基本思路區(qū)域降雨經(jīng)過產(chǎn)匯流過程形成本地地表水資源。然而由于密集粗放的人類活動，大量污染物隨意排放，對本地河湖水環(huán)境造成嚴重污染，“死水河”、“黑臭水體”頻繁出現(xiàn)，形成一個個地表“臟盆”。位于城鄉(xiāng)結(jié)合部的鄉(xiāng)鎮(zhèn)工業(yè)區(qū)域，治污體系不完善的工業(yè)和城市區(qū)域等等都是典型的“臟盆”區(qū)域（圖1）。當降雨落入這些“臟盆”，“清水”也變?yōu)椤芭K水”，不僅無法被有效利用，還因為混合了大量污染物而成為污染源。對本地來講，這類水源的“資源”屬性已經(jīng)不復存在，不應該算入本地水資源量?；谝陨掀毡槭聦崳狙芯刻岢觥芭K盆理論”，構(gòu)建基于河湖水質(zhì)影響的本地地表水資源評價新方法，對本地地表水資源的定義和計算方法進行重新思考。這對于水環(huán)境污染地區(qū)真實理解本地水資源狀態(tài)，科學開展水資源管理決策，以及提升社會對水環(huán)境保護和節(jié)約用水的意識都具有重要意義。

圖1 典型“臟盆”區(qū)域

“臟盆理論”的核心，是當區(qū)域內(nèi)河湖水質(zhì)較差，降雨產(chǎn)生的地表徑流匯入后即受到污染，無法達到可使用的水質(zhì)要求時，視該部分徑流量為“地表水資源損失量”，將其從傳統(tǒng)評估方法計算得到的地表水資源量中扣除，以此對區(qū)域地表水資源進行重新評估。

2.2 “臟盆理論”計算方法根據(jù)研究區(qū)域?qū)嶋H情況，可以選擇流域單元計算法和網(wǎng)格單元計算法。

（1）流域單元計算法。在一定區(qū)域內(nèi)，以子流域為計算單元，根據(jù)設(shè)定的水質(zhì)要求，以子流域出口斷面水質(zhì)判斷區(qū)域產(chǎn)生的地表徑流是否滿足水質(zhì)要求，對不滿足要求的予以扣除，從而評估全區(qū)域地表水資源。該方法要求區(qū)域內(nèi)各個子流域邊界清晰，節(jié)點斷面的徑流量和水質(zhì)數(shù)據(jù)完整。

（2）網(wǎng)格單元計算法。在一定區(qū)域內(nèi)，以人工網(wǎng)格為計算單元，估算各網(wǎng)格一定時期內(nèi)降雨產(chǎn)生的地表徑流量和污染物入河總量，將其比值（可近似理解為稀釋濃度）與設(shè)定的水質(zhì)要求對比，如果劣于水質(zhì)要求，扣除相應網(wǎng)格的地表水資源量，從而評估全區(qū)域地表水資源。在流域邊界不清晰，河涌短小交錯，水動力條件較差的河網(wǎng)地區(qū)，可以利用網(wǎng)格單元計算法近似估算地表水資源損失量。

網(wǎng)格大小的選擇對評估結(jié)果的科學性至關(guān)重要。過大的網(wǎng)格可能同時覆蓋了臟盆區(qū)域和非臟盆區(qū)域，導致評價結(jié)果失真。較小的網(wǎng)格可以保證網(wǎng)格內(nèi)水污染特征保持統(tǒng)一，但是對網(wǎng)格內(nèi)污染物排放數(shù)據(jù)的精度要求更高。為兼顧科學性和可操作性，網(wǎng)格可利用土地利用類型數(shù)據(jù)套縣區(qū)等行政區(qū)邊界進行劃分。

具體計算步驟為：（1）將研究區(qū)域劃分為合適的若干子區(qū)域，編號為j（j=1，2，…，N）；（2）對子區(qū)域j，計算一定時期內(nèi)（例如一年）i類別污染物質(zhì)的入河量Mji，以及同周期內(nèi)區(qū)域降雨產(chǎn)生的地表水資源量qj，將其比值視為編號j的子區(qū)域內(nèi)，i類別污染物質(zhì)的稀釋濃度，計做Cji（如式1所示）。Mji按照網(wǎng)格單元內(nèi)的污染源類別，產(chǎn)污系數(shù)和入河系數(shù)進行估算，qj可按徑流系數(shù)法進行估算，也可參考區(qū)域水資源公報數(shù)據(jù)，利用面積比進行估算；（3）將Cji與i類別污染物質(zhì)達標濃度C0i進行比較，如果Cji＜C0i，j區(qū)域的地表水資源qj0等于傳統(tǒng)評估方法計算得到的地表水資源量qj，反之，地表水資源qj0為0（如式2所示）；（4）各子區(qū)域qj0之和為研究區(qū)域應用“臟盆理論”計算得到的地表水資源Q0（如式3所示）；（5）傳統(tǒng)評估方法和基于“臟盆理論”評估方法計算結(jié)果的差值（Q-Q0），即為研究區(qū)域地表水資源損失量Qs（如式4所示）。

3 研究區(qū)域

以位于粵港澳大灣區(qū)的珠三角九市（廣東省廣州市、深圳市、珠海市、佛山市、惠州市、東莞市、中山市、江門市、肇慶市）作為研究區(qū)域。珠三角九市面積5.48萬km2，2018年常住人口6300萬，經(jīng)濟總量8.1 萬億元，約占全國經(jīng)濟總量的9%，是我國開放程度最高、經(jīng)濟活力最強的區(qū)域之一，是粵港澳大灣區(qū)發(fā)展戰(zhàn)略的重要載體，在國家發(fā)展大局中具有重要戰(zhàn)略地位。

然而，大灣區(qū)珠三角九市面臨相當凸出的水資源和水環(huán)境問題。珠三角九市用水總量高達221.1億m3，占廣東省用水總量的52.5%，給當?shù)厮Y源供給保障形成了巨大壓力。部分城市本地水資源量嚴重偏少，尤其是深圳市和東莞市，人均水資源量分別只有229和289 m3，屬于嚴重缺水城市。為保障城市用水需求，耗費了巨大的財力和物力修建大型水資源輸送工程，如東深供水工程、廣州西江引水工程和珠江三角洲水資源配置工程等。水環(huán)境污染是威脅區(qū)域水資源安全保障的另一重要因素，人口集聚產(chǎn)生的大量污染物質(zhì)嚴重污染了區(qū)域水環(huán)境，內(nèi)河涌水質(zhì)狀況很不樂觀，在枯水年和枯水季常面臨有水不能喝的困境。

珠三角九市作為水資源緊缺與水環(huán)境污染問題均十分突出的典型區(qū)域，研究其水環(huán)境污染對本地水資源的損害關(guān)系，有助于多角度評價本地水資源和水環(huán)境狀況，為解決水資源緊缺和水環(huán)境污染問題的戰(zhàn)略決策提供理論依據(jù)。

圖2 珠三角九市土地利用分布

鑒于珠三角河網(wǎng)區(qū)水系眾多，流域邊界模糊，河涌流量和水質(zhì)數(shù)據(jù)掌握不足等因素，研究選擇網(wǎng)格單元計算法進行計算：按照珠三角九市各縣區(qū)級（或鎮(zhèn)級）行政單位邊界劃分109個子區(qū)域，選擇氨氮作為評價污染物質(zhì)，以2018年為典型年，按子區(qū)域計算氨氮年入河量和年地表徑流量。需要特別說明的是：（1）根據(jù)利用目的不同，對水體中不同污染物指標及其濃度要求各異。本研究中選擇不同水資源利用目的中普遍考慮的氨氮作為評價污染物質(zhì)開展示例研究，達標濃度選擇2.0 mg/L。2.0 mg/L為V類水質(zhì)和劣V類水質(zhì)的臨界值，也是區(qū)域水環(huán)境管理中重點關(guān)注的水質(zhì)指示濃度之一。選擇2.0 mg/L的氨氮濃度作為達標濃度具有一定的代表性；（2）根據(jù)經(jīng)驗，水環(huán)境污染一般出現(xiàn)在人口集聚的城鎮(zhèn)區(qū)域，因此本文在計算時，利用2015年土地利用數(shù)據(jù)成果[22]，重點計算了各子區(qū)域的城鎮(zhèn)和其他建設(shè)用地的地表水資源和居民生活排污量，設(shè)定其他土地類型（如水田或林草地）內(nèi)污染物稀釋濃度滿足達標濃度要求。

4 結(jié)果與討論

4.1 現(xiàn)狀地表水資源損失量水資源公報發(fā)布的地表水資源量和“臟盆理論”計算得到的地表水資源結(jié)果如表1和圖3所示。根據(jù)水資源公報，珠三角九市2018年地表水資源量共計637.92億m3，而根據(jù)“臟盆理論”計算，則為549.67億m3，地表水資源損失量為88.25億m3，損失比（地表水資源損失量占水資源公報中地表水資源量的比重）為13.83%。該損失量體量巨大，相當于珠三角九市2018年用水總量（221.1億m3）的40%，是深圳市年用水總量（20.33億m3）的4.3倍，是珠江三角洲水資源優(yōu)化配置工程設(shè)計年調(diào)水量（17.06億m3）的5.2倍。其危害影響，不僅是計為損失量的這部分水資源無法使用，而且會擴散污染其他過境水資源，進一步加重了水環(huán)境治理的成本。

表1 珠三角九市2018年本地地表水資源量和損失量

圖3 珠三角九市地表水資源損失量分布

從圖3可知，不同地市地表水資源損失量也存在較大差異。地表水資源損失量最大的是廣州市，為16.06億m3，相當于廣州市2018年用水總量（64.39億m3）的24.9%，人均地表水資源從495m3降為387 m3；其次為東莞市、佛山市、深圳市，分別損失14.27億m3、13.64億m3和13.07億m3；最小的是江門市，為2.89億m3。從損失比來看，損失比最高的是東莞市，達到了60.34%；其次是深圳市，為44.96%；佛山市、珠海市、中山市和廣州市的比重也較高，分別達到38.23%、29.81%、29.76%和21.78%。占比較小的是惠州、江門和肇慶市，只占本地地表水資源量的1%～7%。總體而言，水資源損失量評價結(jié)果與各地市實際水污染情況基本相符，位于珠三角網(wǎng)河區(qū)的廣州、東莞、深圳、佛山等地人口和產(chǎn)業(yè)密集，排污量大，內(nèi)河涌污染較普遍，相應的地表水資源損失量較大，占本地水資源量比重較高，網(wǎng)河區(qū)六市地表水資源損失量達到69.62億m3，損失比達到34.04%。非網(wǎng)河區(qū)地市，包括肇慶、江門和惠州，人口和產(chǎn)業(yè)排污總量相對較少，密集排污的區(qū)域也較少，相應的地表水資源損失量小，占本地地表水資源量的比重也較小，非網(wǎng)河區(qū)三市地表水資源損失量18.62億m3，損失比為4.3%。廣州、東莞、深圳、佛山等地的本地地表水資源量本就偏少，根據(jù)“臟盆”分析，河湖水質(zhì)污染又導致其地表水資源遭受大比例損失，同時污染了過境水資源，進一步加劇了當?shù)厮Y源緊張局勢。

4.2 應用“臟盆理論”評價污水處理效果“臟盆理論”不僅可以有效評估河湖水質(zhì)影響下的水資源量，還可應用于評價城市不同污水處理規(guī)模和標準對改善水環(huán)境、降低區(qū)域地表水資源損失的影響。選擇污水收集處理率和出水標準作為變量，計算不同水平的收集處理率和出水水平條件下，區(qū)域地表水資源損失量的變化情況。污水收集處理率取值范圍為0～100%，出水水質(zhì)選擇準Ⅳ類，準Ⅴ類，一級A，一級B和二級等5種標準。結(jié)果如圖4所示。

研究結(jié)果展示的第一個特征是，當污水收集處理率較低時，對降低地表水資源損失量幾乎沒有影響。如圖4所示，當污水集中收集處理率低于90%，地表水資源的損失量仍然較大，說明剩余未經(jīng)處理的排污量仍然超出本地地表水資源量的稀釋能力。當污水集中處理率達到90%以上時，損失量才顯著減少，說明只有當城鎮(zhèn)截污比例達到較高水平時，才能達到顯著改善地表水環(huán)境的效果。

結(jié)果展現(xiàn)的第二個特征是，如果采用一級A或者更低的出水標準，即使污水處理率達到100%，仍然無法避免地表水資源存在損失。如圖4所示，當污水處理率為100%時，采用一級A 出水標準，珠三角九市的地表水資源損失量為6.19億m3，當采用一級B或者二級出水標準時，損失量還更高，分別達到48.13億m3和85.82億m3。只有當出水標準達到準Ⅴ類或者準Ⅳ類時，地表水資源損失量才有可能降為0。這也解釋了有些地區(qū)全面截污處理后，由于出水標準過低，仍然無法根治水污染問題的現(xiàn)象。據(jù)調(diào)查，珠三角九市現(xiàn)狀污水處理能力為2246.1萬m3/d，其中達到一級A和一級B出水標準的分別為919.8萬m3/d和671.7萬m3/d，合計占比達到了70.9%，準Ⅳ類和準Ⅴ類的分別為423.5萬m3/d和84萬m3/d，合計占比只有22.6%，且基本都集中在深圳?？梢?，現(xiàn)狀珠三角九市的污水處理標準普遍偏低，為進一步改善水環(huán)境，降低地表水資源損失，污水處理提標改造尤為必要。

圖4 不同污水處理率和出水標準條件下的地表水資源損失量變化

4.3 “臟盆理論”的現(xiàn)實意義由以上結(jié)果可知，“臟盆理論”：（1）量化了水環(huán)境污染對水資源的影響。基于對降雨產(chǎn)流受到地表環(huán)境污染影響而無法被有效利用的普遍事實，本研究分析提出了“臟盆理論”。對“臟盆”影響下地表水資源損失量的量化表達，有利于深化對水環(huán)境污染的危害以及本地水資源緊張局勢的認識。研究結(jié)果顯示，廣州市地表水資源從73.75億m3降為57.69億m3，減少了21.78%，東莞市從23.65億m3降為9.38億m3，減少了60.34%。巨大的損失量或者損失比直觀地說明了水環(huán)境污染加劇了本地水資源緊張局勢。同時，通過評估“臟盆”影響下的本地地表水資源，決策者和規(guī)劃者可多角度審視地區(qū)水資源條件，更加合理地制定地區(qū)水資源開發(fā)和保護策略；（2）拓寬了水資源安全保障戰(zhàn)略思路。當下緩解區(qū)域水資源短缺問題的常用手段是修建跨流域調(diào)水、遠距離輸水等水利工程，如粵港澳大灣區(qū)境內(nèi)的東深供水工程，廣州西江引水工程和珠江三角洲水資源配置工程等。而通過“臟盆理論”計算，珠三角九市本地水資源存在巨大的“損失量”。如果采取有效的防污治污手段，對本地水環(huán)境進行整治，不僅可以改善人居環(huán)境，提升城市發(fā)展質(zhì)量，同時可以有效涵養(yǎng)本地水資源，降低“損失量”，提高可利用性，為本地水資源安全保障提供新的戰(zhàn)略思路。

4.4 “臟盆理論”的完善方向作為新提出的概念和方法，“臟盆理論”仍存在進一步改進的空間，比如：（1）水污染評價物質(zhì)和達標濃度的確定。水資源使用的目的不同，對水質(zhì)的要求就存在差異，對地表水資源損失量的評價結(jié)果也不盡相同。因此，應用“臟盆理論”評價地表水資源損失量需要根據(jù)地區(qū)實際用水要求，清晰地定義要滿足的水質(zhì)目標要求；（2）雨污分流等工程對降低地表水資源損失量的貢獻?！芭K盆理論”提出的事實基礎(chǔ)是，自然狀態(tài)下，降雨產(chǎn)流與地表受污染水體混合后受到污染，無法被有效利用。然而，人工措施（例如雨污分流、初雨水收集處理等）可以改變自然匯流條件，避免清水、污水混合變成臟水。本文現(xiàn)階段只討論了截污治污對降低地表水資源損失量的影響，雨污分流等工程對降低地表水資源損失量的貢獻也值得進一步深入研究。（3）水體自凈過程的影響。河湖水體都具有一定流動性，流動水體的自凈能力與其流動速度有密切關(guān)系[23]。由于水體自凈能力，“臟水”流動一定距離之后可能變?yōu)椤皟羲?。然而，由于珠三角網(wǎng)河區(qū)感潮河段受潮汐影響存在往復流現(xiàn)象，以及“臟盆”區(qū)域由于內(nèi)源污染造成長期的“臟盆”效應，等等，水體自凈過程在地表水資源損失量的評估中，影響作用十分復雜，需要深入研究，以進一步完善“臟盆”理論體系和計算方法。

5 結(jié)論

本研究基于城市群普遍存在的水污染問題，提出了“臟盆理論”——一種基于河湖水質(zhì)影響的地表水資源評價新方法。對粵港澳大灣區(qū)珠三角九市因河湖污染造成的地表水資源損失量展開評價。結(jié)果表明，由于污染物大量排放，2018年珠三角九市的地表水資源損失了13.8%；損失量主要分布在廣州、深圳、東莞等珠三角網(wǎng)河區(qū)城市，其損失比例高達34.1%；提高區(qū)域污水收集處理率和污水處理標準，對于減少地表水資源損失十分關(guān)鍵。本研究成果豐富了水資源量評估理論，為地區(qū)科學判斷本地水資源形勢，解決日益嚴重的水資源緊缺和水環(huán)境污染問題，合理規(guī)劃水資源開發(fā)和水環(huán)境保護戰(zhàn)略布局提供了有力的理論支撐。