東苕溪河流健康評(píng)價(jià)預(yù)警體系初探

柯斌樑，曾國熙，陳革強(qiáng)

(浙江省水文局，浙江 杭州 310009)

1 問題的提出

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展，我國生態(tài)與環(huán)境形勢(shì)日益嚴(yán)峻，改善生態(tài)環(huán)境，修復(fù)污染水體，恢復(fù)優(yōu)美自然景觀，協(xié)調(diào)水資源開發(fā)利用與生態(tài)保護(hù)之間關(guān)系，成為擺在各級(jí)政府部門面前的一項(xiàng)重要任務(wù)，也是浙江省“五水共治”治污水的重點(diǎn)內(nèi)容之一。

東苕溪是杭州市境內(nèi)的重要供水河道，其水質(zhì)的好壞直接影響到杭州市、湖州市及杭嘉湖平原約500萬人的生產(chǎn)生活用水，同時(shí)也在流域防洪、灌溉、航運(yùn)等多方面具有重要影響。河流健康是社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的標(biāo)志，因此，進(jìn)行東苕溪河流健康評(píng)估及生態(tài)整治方面的研究，對(duì)杭州市經(jīng)濟(jì)社會(huì)的和諧發(fā)展有著十分重大的意義。

2 流域概況

2.1 自然地理

東苕溪發(fā)源于臨安東天目山北麓，東流經(jīng)臨安、余杭、德清，至湖州市西郊與西苕溪匯合后注入太湖，干流長(zhǎng)151km，流域面積2354.9km2，平均坡降7.5‰。流域介于東經(jīng) 119°30'～120°10'，北緯 30°08'～ 30°52'，地勢(shì)自西南向東北傾斜，西南部為天目山區(qū)，山高坡陡，東北部為低山丘陵區(qū)。東苕溪以東為杭嘉湖平原，地勢(shì)低洼、平坦，河流縱橫交錯(cuò)。

2.2 河流健康存在的主要問題

(1)東苕溪上游屬于山區(qū)，源短流急，洪水暴漲暴落;下游太湖湖水倒灌，排水不暢。同時(shí)，人們對(duì)河流進(jìn)行了各種方式的改造和利用，興建各類水利工程，較大地改變了河流的自然屬性，使河流生態(tài)系統(tǒng)發(fā)生變化，河流服務(wù)功能下降，威脅到人類供水、防洪等公共安全。

(2)城市化進(jìn)程的加快使得東苕溪河道堤防部分被固化，破壞了河流生態(tài)系統(tǒng)的完整性，水生生物資源銳減，直接威脅到河流的永續(xù)利用，使河流凈化、調(diào)蓄等功能減弱。

(3)東苕溪下游屬于平原河網(wǎng)地帶，本身水體流動(dòng)性低，自凈能力弱，再加上經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)，水污染問題突出、湖水倒灌、運(yùn)河水倒灌、東苕溪上游干流的工農(nóng)業(yè)生活和養(yǎng)殖污染，也加劇了下游水質(zhì)的污染狀況。

3 體系構(gòu)成

東苕溪河流健康評(píng)價(jià)預(yù)警體系主要構(gòu)成包括流域納污能力研究、河流健康評(píng)價(jià)體系研究、河流健康實(shí)時(shí)預(yù)警系統(tǒng)建設(shè)3大核心單元內(nèi)容。研究以河流健康理論為指導(dǎo)，分別建立東苕溪流域水動(dòng)力學(xué)模型、水質(zhì)模型，計(jì)算河流納污能力;建立河流健康評(píng)價(jià)模型，計(jì)算評(píng)價(jià)指數(shù)，在二者基礎(chǔ)上耦合構(gòu)建河流健康預(yù)警模型。

3.1 流域納污能力計(jì)算

3.1.1 模型組成

MIKE11是動(dòng)態(tài)模擬一維河流水力的一款應(yīng)用軟件，具有很強(qiáng)的模擬能力，為河流水動(dòng)力和環(huán)境模擬提供功能強(qiáng)大和較全面的方法。MIKE11模塊主要包括水動(dòng)力模塊、結(jié)構(gòu)物操作模塊、降雨徑流模塊、非粘性泥沙輸運(yùn)模塊、污染負(fù)荷計(jì)算模塊、對(duì)流擴(kuò)散模塊等［1-2］。MIKE21近年也有較多應(yīng)用，但其屬大范圍平面二維數(shù)學(xué)模型，不適用于近區(qū)三維或急流等問題，對(duì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的要求也復(fù)雜得多［3］。本次采用MIKE11的HD水動(dòng)力模塊和AD對(duì)流擴(kuò)散模塊。

3.1.2 水質(zhì)模擬分析

通過河網(wǎng)概化、斷面選擇、初始條件及邊界條件設(shè)定、河網(wǎng)糙率參數(shù)率定等步驟建立河流水動(dòng)力學(xué)模型。考慮到本文研究河段水流較長(zhǎng)，斷面復(fù)雜的特點(diǎn)，充分考慮河道沿程變化，在已有資料的基礎(chǔ)上盡量選取較多的河段，以準(zhǔn)確地反映河道沿程變化和過水能力。選定水質(zhì)模型的主要水質(zhì)指標(biāo)為BOD5、COD、DO、TP、TN等5項(xiàng)，其生化反應(yīng)按一級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程描述。應(yīng)用河道觀測(cè)資料對(duì)模型進(jìn)行率定和驗(yàn)證，使模擬結(jié)果能較好地反映河段的自然特性。擬定幾種典型的工程狀況，應(yīng)用建立的水動(dòng)力學(xué)模型、水質(zhì)模型，對(duì)東苕溪主要水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行模擬分析，計(jì)算納污能力。

3.2 河流健康評(píng)價(jià)

3.2.1 評(píng)價(jià)理論基礎(chǔ)

河流與健康相結(jié)合是可持續(xù)發(fā)展和社會(huì)價(jià)值進(jìn)步的必然結(jié)果，河流健康概念尋求利用生物或生態(tài)評(píng)價(jià)方法來完善傳統(tǒng)的物理—化學(xué)評(píng)價(jià)方法。河流具有完整的生態(tài)功能，這些功能和用途與水力學(xué)、水文學(xué)、水質(zhì)、生態(tài)學(xué)等方面都有關(guān)，因此需要采用一定的指標(biāo)和方法來監(jiān)測(cè)河流的各個(gè)方面，即從多角度來評(píng)估河流的健康狀況，從而提供對(duì)整治、管理有用的信息。建立指標(biāo)體系進(jìn)行河流健康狀況評(píng)價(jià)，有助于提高河流管理質(zhì)量，不僅可揭示河流生態(tài)系統(tǒng)的現(xiàn)狀，還提供了將不同河流進(jìn)行比較的基準(zhǔn)，同時(shí)還可評(píng)估受損河流生態(tài)恢復(fù)的成效，從而提高管理決策能力［4-6］。通過河流管理提高受損河流的健康狀況，保護(hù)健康河流，從而滿足人們持續(xù)的環(huán)境、社會(huì)和經(jīng)濟(jì)需要。

3.2.2 評(píng)價(jià)模型構(gòu)建

在河流健康概念的基礎(chǔ)上，結(jié)合東苕溪河流的功能和屬性，分別對(duì)指標(biāo)體系、指標(biāo)權(quán)重、評(píng)價(jià)方法進(jìn)行分析與研究［7-8］，并建立河流健康評(píng)價(jià)模型。運(yùn)用評(píng)價(jià)模型對(duì)東苕溪流域河流進(jìn)行健康評(píng)價(jià)，確定河流管理的目標(biāo)和可能的瓶頸問題，為后繼開展的河流健康實(shí)時(shí)預(yù)警提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和決策依據(jù)。

(1)指標(biāo)體系構(gòu)建。評(píng)價(jià)指標(biāo)是綜合評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)，指標(biāo)確定的是否合理，對(duì)于后續(xù)的評(píng)價(jià)工作有決定性的影響。本次評(píng)價(jià)指標(biāo)體系分為3層，分別為目標(biāo)層、準(zhǔn)則層和指標(biāo)層。在指標(biāo)選取上，遵循系統(tǒng)性、典型性、可度量性和獨(dú)立性的原則。在指標(biāo)篩選上，選用主成分分析方法。河流健康反映的是在河流生命存在期人類對(duì)其功能發(fā)揮的認(rèn)可程度，因此，健康河流是指在相應(yīng)時(shí)期內(nèi)自然功能與社會(huì)功能均衡發(fā)揮的河流。東苕溪河流健康評(píng)價(jià)指標(biāo)確定為自然功能和社會(huì)功能2個(gè)方面，含生態(tài)基流量、基礎(chǔ)水位、水體質(zhì)量、輸沙量、生態(tài)環(huán)境影響因子、水源地水質(zhì)達(dá)標(biāo)率、河體演變、城鎮(zhèn)供水保證率等8個(gè)指標(biāo)。

(2)指標(biāo)權(quán)重賦值。指標(biāo)的權(quán)重分主觀權(quán)重和客觀權(quán)重，主觀權(quán)重是決策分析者對(duì)指標(biāo)的重視程度，客觀權(quán)重是指標(biāo)本身所包含信息的大小。各種賦權(quán)方法都有不同的特點(diǎn)和適用范圍，在對(duì)指標(biāo)重要性缺乏深入了解的情況下，應(yīng)優(yōu)先選用客觀權(quán)重法。本次選取的權(quán)重賦值方法為熵值法。

(3)評(píng)價(jià)方法選擇。由于不同評(píng)價(jià)方法各有優(yōu)點(diǎn)，本次對(duì)灰色關(guān)聯(lián)度法、模糊物元評(píng)價(jià)方法、投影方法等進(jìn)行比較分析選取合適的評(píng)價(jià)方法。

(4)模型建立及應(yīng)用。評(píng)價(jià)模型的建立堅(jiān)持系統(tǒng)性與層次性相結(jié)合的原則。流域河流的健康是一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)，它由不同層次、不同要素組成，根據(jù)各層次、各要素之間的特點(diǎn)及相互關(guān)系，可以把流域復(fù)合系統(tǒng)劃分為若干個(gè)相互聯(lián)系又相互獨(dú)立的子系統(tǒng)。這些具體體現(xiàn)在不同河段計(jì)算分區(qū)、不同評(píng)價(jià)準(zhǔn)則指標(biāo)的設(shè)定上。同時(shí)，評(píng)價(jià)模型的建立堅(jiān)持動(dòng)態(tài)性與靜態(tài)性相結(jié)合的原則。作為一個(gè)系統(tǒng)，河流健康是不斷變化的，這就要求對(duì)不同工況、不同時(shí)期河流健康狀況也要進(jìn)行評(píng)價(jià)。

3.3 河流健康實(shí)時(shí)預(yù)警系統(tǒng)建設(shè)

3.3.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

河流健康的預(yù)警包含3層含義:①整體健康預(yù)警。在河流健康評(píng)價(jià)基礎(chǔ)上，確定河流健康等級(jí)，以此建立河流開發(fā)利用閥值和河流生態(tài)系統(tǒng)退化閥值，前者約束人類開發(fā)利用河流的行為，后者為人們保護(hù)河流生態(tài)提供預(yù)警;②水功能區(qū)的“面”預(yù)警。在水質(zhì)評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)上，對(duì)超出目標(biāo)水質(zhì)的水功能區(qū)進(jìn)行報(bào)警;③突發(fā)水污染事件的“點(diǎn)”預(yù)警。當(dāng)發(fā)生污染事件，某處點(diǎn)源或面源污染濃度加大，如超出納污能力進(jìn)行報(bào)警。

東苕溪河流健康實(shí)時(shí)預(yù)警系統(tǒng)主要分為2大部分:①數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。利用現(xiàn)有可能影響河流健康的水利、供水、環(huán)保等各部門所有的監(jiān)測(cè)站網(wǎng)并加以優(yōu)化，在最大程度上實(shí)現(xiàn)流量、水位、水質(zhì)等監(jiān)測(cè)資料共享，實(shí)現(xiàn)真正意義上的水資源質(zhì)量同步監(jiān)測(cè)，建立水量、水質(zhì)信息采集系統(tǒng);②數(shù)據(jù)應(yīng)用平臺(tái)。數(shù)據(jù)應(yīng)用平臺(tái)展現(xiàn)的是從數(shù)據(jù)平臺(tái)接收到數(shù)據(jù)以后進(jìn)行解碼入庫，同時(shí)應(yīng)用系統(tǒng)提供各種系統(tǒng)服務(wù)，一般有Web服務(wù)、GIS服務(wù)、預(yù)警服務(wù)等。

3.3.2 系統(tǒng)功能模塊設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

東苕溪河流健康實(shí)時(shí)預(yù)警系統(tǒng)主要包括預(yù)警展示平臺(tái)和短信平臺(tái)2個(gè)子系統(tǒng)。從功能上設(shè)計(jì)為6大主要模塊，分別為首頁信息展示模塊、查詢分析模塊、地圖監(jiān)視預(yù)警模塊、移動(dòng)短信發(fā)送模塊、水量水質(zhì)參數(shù)過程表達(dá)模塊和系統(tǒng)后臺(tái)管理維護(hù)模塊。系統(tǒng)功能框架見圖1。

該系統(tǒng)在保證水雨情數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性和有效性的前提下，能夠提供可視化的GIS圖形操作界面，實(shí)現(xiàn)水量、水質(zhì)信息的分級(jí)顯示與標(biāo)注，能查詢各個(gè)不同時(shí)段不同站點(diǎn)的水量、水質(zhì)信息，實(shí)現(xiàn)水量、水質(zhì)信息的圖形化表達(dá)等功能，并采用三維虛擬仿真技術(shù)，結(jié)合水質(zhì)模擬和河流健康評(píng)價(jià)，最終為相關(guān)部門提供決策依據(jù)。

3.4 耦合技術(shù)路線

體系研究的3個(gè)技術(shù)關(guān)鍵分別是納污能力計(jì)算、河流健康評(píng)價(jià)指數(shù)計(jì)算、河流健康實(shí)時(shí)預(yù)警系統(tǒng)建設(shè)。通過在對(duì)水量、水質(zhì)、河道地形、污染源分布和排放等信息全面調(diào)查、監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)上，建立東苕溪流域水動(dòng)力學(xué)模型、水質(zhì)模型，計(jì)算得到符合實(shí)際的、科學(xué)合理的東苕溪流域納污能力;通過建立包括指標(biāo)體系、指標(biāo)權(quán)重、評(píng)價(jià)方法的河流健康評(píng)價(jià)體系，評(píng)價(jià)得到定量化的東苕溪健康評(píng)價(jià)指數(shù);通過采集信息數(shù)據(jù)庫的支撐，結(jié)合納污能力計(jì)算和健康評(píng)價(jià)計(jì)算，運(yùn)用三維虛擬仿真技術(shù)，對(duì)東苕溪河流健康提供實(shí)時(shí)預(yù)警。耦合模型各部分研究任務(wù)及相互關(guān)系見圖2。

圖2 耦合模型各部分研究任務(wù)及相互關(guān)系圖

4 結(jié)語

當(dāng)前河流生態(tài)系統(tǒng)不斷受到人類活動(dòng)的干擾和損害，在河流治理、開發(fā)利用和保護(hù)的同時(shí)，開展河流健康評(píng)價(jià)、預(yù)警和河流生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)研究，變河流治理為河流修復(fù)是非常必要的。對(duì)東苕溪的河流健康評(píng)價(jià)預(yù)警體系建設(shè)進(jìn)行了初步探索，為東苕溪流域生態(tài)河流建設(shè)、水資源的統(tǒng)一調(diào)度與管理提供有效手段和技術(shù)支撐。項(xiàng)目的實(shí)施將推動(dòng)水生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)與修復(fù)的進(jìn)程，形成東苕溪流域國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境保護(hù)、水資源開發(fā)利用與河流健康之間的“雙贏”局面，獲得巨大經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益和環(huán)保效益。

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