基于物元分析法的河道生態(tài)水環(huán)境容量修復(fù)技術(shù)研究

張 琳，劉繼柱

(濟寧市水利事業(yè)發(fā)展中心，山東 濟寧 272019)

物元分析是用來求解不相容問題的方法，其應(yīng)用重心在于總結(jié)事件的發(fā)展規(guī)律，其數(shù)學(xué)工具是基于可拓集合的數(shù)學(xué)計算模型，雖不屬于數(shù)學(xué)領(lǐng)域的研究分支對象，但始終保留有較強的開放性能力。物元分析法的特點在于創(chuàng)造了“物元”這一全新概念思想，并可在該項理論的支持下，建立完整的物元變換體系。由于求解不相容等問題的存在，若單純從抽象的角度考量“量與形”等因素，則很難獲得真實的分析結(jié)果[1-2]。因此，必須將“量與形”看作一個統(tǒng)一的整體，在進行“質(zhì)”“量”交換的同時，合理化控制其他干擾條件，才能獲得理想化的數(shù)值計算結(jié)果，這也是引入表征質(zhì)量結(jié)合思想的發(fā)展初衷。

淮河流域地處我國華中與華東地區(qū)的交界處，由鹽河淮安、董鋪水庫、濱湖區(qū)、潁泉區(qū)等多個河段共同組成。由于自然降水等天氣因素的影響，該區(qū)域內(nèi)河道生態(tài)水環(huán)境始終處于急速變動的狀態(tài)之中。為實現(xiàn)對河道生態(tài)水涵養(yǎng)能力的有效保護，傳統(tǒng)可持續(xù)規(guī)劃法在和諧用水模式的支持下，確定水資源的具體配置需求，再通過計算水體敏感性的方式，深入研究水環(huán)境的生態(tài)功能標(biāo)準(zhǔn)。然而此方法并不能很好地適應(yīng)淮河流域體系中的河道生態(tài)環(huán)境，易導(dǎo)致生態(tài)水涵養(yǎng)能力的持續(xù)降低。為解決此問題，借助物元分析法，設(shè)計一種新型的河道生態(tài)水環(huán)境容量修復(fù)技術(shù)手段，在分析受污染水體修復(fù)工程的同時，研究生態(tài)水環(huán)境的實際蓄洪能力，從而完成對水體容量的精準(zhǔn)計算。

1 水環(huán)境的物元分析法

水環(huán)境的物元分析法包含物元歸一化、關(guān)聯(lián)系數(shù)計算、水環(huán)境水平評價標(biāo)準(zhǔn)制定3個處理流程，具體研究方法如下。

1.1 物元歸一化

在物元分析體系中，各指標(biāo)相對于淮河流域的河道生態(tài)水環(huán)境安全水平來說，有些物理量的數(shù)值越大越優(yōu)，這類容量指標(biāo)為正向分析指標(biāo)；而有些物理量的數(shù)值則越小越優(yōu)，這類容量指標(biāo)為逆向分析指標(biāo)[3]。為更好地計算物元從優(yōu)隸屬度條件，對相關(guān)淮河流域河道生態(tài)水環(huán)境評判指標(biāo)進行歸一化處理：

(1)

式中，(a)式—正向分析指標(biāo)的物元歸一表達(dá)式；(b)式—逆向分析指標(biāo)的物元歸一表達(dá)式；Wij—淮河流域河道生態(tài)水環(huán)境的物元從優(yōu)隸屬度條件；max(Eij)—已選取河道生態(tài)水環(huán)境評判的最大值；min(Eij)—已選取河道生態(tài)水環(huán)境評判的最小值；Eij—基于物元分析法的河道生態(tài)水環(huán)境容量定義系數(shù)；i、j—兩個不同的水環(huán)境容量修復(fù)權(quán)重值。

1.2 關(guān)聯(lián)系數(shù)

常規(guī)的河道生態(tài)水環(huán)境由水體、河岸、河堤、河灘地、濕地等多個部分共同組成，為完全立體化的生態(tài)容量體系(如圖1所示)。而在淮河流域體系中，河道生態(tài)水環(huán)境還應(yīng)包括自然河岸、濱河原生綠地、河灘地、各類濕地等多種具有特殊生態(tài)修復(fù)功能的地區(qū)，它們都是物元分析法所針對的關(guān)鍵數(shù)值參量指標(biāo)[4]。嚴(yán)格保護這些生態(tài)水環(huán)境地區(qū)，不僅是保護河道的基本存在形態(tài)，更重要的是保護與之相關(guān)的能量、物質(zhì)、信息等周邊環(huán)境條件。若以物元歸一化標(biāo)準(zhǔn)作為參考條件，關(guān)聯(lián)函數(shù)表示量值的取值結(jié)果始終存在于淮河流域河道生態(tài)水環(huán)境容量的實軸之上，且其物元評價系數(shù)也完全滿足容量修復(fù)技術(shù)參量的實際范圍程度[5-6]。具體計算方法見公式(2)。

圖1 河道生態(tài)水環(huán)境組成

(2)

式中，β—河道生態(tài)水環(huán)境容量系數(shù)提取參量；—關(guān)聯(lián)函數(shù)表示量值的原始系數(shù)集合；X0—淮河流域河道生態(tài)水環(huán)境容量的實軸表示集合；Xn—第n個關(guān)聯(lián)函數(shù)表示量值集合。

1.3 水環(huán)境水平評價標(biāo)準(zhǔn)

淮河流域的河道生態(tài)水環(huán)境系統(tǒng)具有社會屬性、自然屬性兩方面的容量特征。從營養(yǎng)結(jié)構(gòu)方面來看，自然屬性范疇下的生產(chǎn)者、消費者與分解者，分別對應(yīng)水體環(huán)境中的低等動植物及微生物。在不考慮人為干擾條件下，水環(huán)境水平評價標(biāo)準(zhǔn)能夠自發(fā)實現(xiàn)水體的營養(yǎng)循環(huán)與物質(zhì)守衡[7-8]。但由于人類參與活動的影響，淮河流域的河道生態(tài)水環(huán)境系統(tǒng)大幅增加了具有社會屬性的生產(chǎn)者數(shù)量，包括固體廢棄物、暴雨雨水、城市污水等多種類型的有機類營養(yǎng)物質(zhì)，不僅能夠增加工業(yè)生產(chǎn)、生活用水等消費者水體資源消耗量，也有助于綜合用水的規(guī)劃與應(yīng)用[9]。在物元分析法的支持下，設(shè)f代表淮河流域河道生態(tài)水環(huán)境的原始容量修復(fù)系數(shù)指標(biāo)，聯(lián)立公式(2)，可將集合X與集合X0之間的水環(huán)境水平評價標(biāo)準(zhǔn)定義為：

(3)

式中，yX、yX0—與集合X和集合X0相關(guān)的水環(huán)境修復(fù)標(biāo)準(zhǔn)系數(shù)；χX、χX0—與集合X和集合X0相關(guān)的淮河流域河道生態(tài)水環(huán)境維持系數(shù)。

根據(jù)公式(3)可以得出具體的ρ(X，X0)計算結(jié)果，ρ(X，X0)值所表示的關(guān)聯(lián)函數(shù)含義見表1。

表1 河道生態(tài)水環(huán)境水平評價標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)聯(lián)函數(shù)意義

2 河道生態(tài)水環(huán)境容量修復(fù)技術(shù)

在水環(huán)境物元分析法則的支持下，按照受污染水體修復(fù)工程研究、生態(tài)水環(huán)境蓄洪能力分析、水體涵養(yǎng)容量計算的處理流程，實現(xiàn)河道生態(tài)水環(huán)境容量修復(fù)技術(shù)的順利應(yīng)用。

2.1 受污染水體修復(fù)工程

針對淮河流域體系“濱海鹽堿濕地退化、水生態(tài)平衡破壞、境外來水污染嚴(yán)重、境內(nèi)水環(huán)境問題突出、水資源嚴(yán)重匱乏”的河道生態(tài)水環(huán)境現(xiàn)狀，可以通過周邊水體功能定位、確定生態(tài)城規(guī)劃區(qū)內(nèi)水質(zhì)水量要求等方式，實現(xiàn)對環(huán)境容量的修復(fù)與維護，從而削弱董鋪水庫等水系區(qū)域內(nèi)的整體水污染負(fù)荷，達(dá)到改善水環(huán)境質(zhì)量的目的。規(guī)劃河道生態(tài)水環(huán)境的外界互聯(lián)能力，在協(xié)同建設(shè)生態(tài)景觀環(huán)境的同時，形成多個明顯的生態(tài)城區(qū)域?；诖耍胛镌治龇?，分階段實現(xiàn)淮河流域體系內(nèi)的水環(huán)境質(zhì)量改善與水污染控制整改[10-11]。該區(qū)域內(nèi)部的水系不僅要滿足3～5年一遇的排澇標(biāo)準(zhǔn)要求，也需要通過各項水體整治與修復(fù)準(zhǔn)則在短時間內(nèi)達(dá)到GB 3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中的第Ⅳ類水質(zhì)水體要求，適用于大多數(shù)工業(yè)用水區(qū)及非人體直接接觸的娛樂用水，具體控制指標(biāo)見表2.

表2 第Ⅳ類水體水質(zhì)控制指標(biāo)

2.2 生態(tài)水環(huán)境蓄洪能力分析

淮河流域體系內(nèi)水體的蓄洪能力為考量其河道生態(tài)水資源儲備能力的重要指標(biāo)，同時也能對水環(huán)境容量的修復(fù)與維持起到重要支撐作用。淮河流域體系的河道生態(tài)水環(huán)境構(gòu)成組分相對較為復(fù)雜，但是卻又形成了一個極為完整的有機整體結(jié)構(gòu)[12]。河道生態(tài)區(qū)域的水系布局需要以水庫污染治理為核心，在強化人工水系環(huán)境的同時，注重對兩側(cè)濕地緩沖帶的構(gòu)建，從而使城市綠網(wǎng)逐漸成為生態(tài)屏障河道生態(tài)水環(huán)境的生態(tài)布局主體，并以此為依據(jù)加強水體資源的實際蓄洪能力[13-14]。無論是出于對水環(huán)境污水庫內(nèi)現(xiàn)存污水進行處理的目的，還是考慮到后續(xù)水體補水的質(zhì)量問題，在河道生態(tài)水環(huán)境進入受納水體之前，都需要考慮對自然及人工處理單元的利用。例如，建立穩(wěn)定型自然濕地、建立水環(huán)境前置處理庫、設(shè)置獨立的高效低耗處理區(qū)等。

2.3 水體涵養(yǎng)容量計算

在已知淮河流域河道生態(tài)水環(huán)境容量劃分標(biāo)準(zhǔn)的前提下，引入物元分析法，來計算每個集水區(qū)的水體涵養(yǎng)容量值。影響水體涵養(yǎng)容量值φ的主要因素是地面覆蓋水系的透水性能力，一般情況下，透水性強度越大，河道生態(tài)水體對于地下水層的滲透補給能力也就越強，其徑流系數(shù)值也就越小。在水環(huán)境容量修復(fù)中，對于淮河流域內(nèi)的河道生態(tài)水環(huán)境的控制也可以采用區(qū)域性綜合徑流系數(shù)，一般開放性區(qū)域的綜合徑流系數(shù)φ始終處于0.5～0.8之間[15]。而淮河流域的大中型水系環(huán)境，如鹽河淮安、董鋪水庫、濱湖區(qū)、潁泉區(qū)等河道水體的綜合徑流系數(shù)則基本上介于0.5～0.6之間。水體涵養(yǎng)容量計算公式是在物元分析法的基礎(chǔ)上，通過對當(dāng)?shù)囟嗄曩Y料的分析與統(tǒng)計，找出其中各項參量之間的相互影響關(guān)系，從而作為河道生態(tài)水環(huán)境容量修復(fù)的應(yīng)用依據(jù)。具體計算公式如下：

(4)

基于以上內(nèi)容完成各項理論應(yīng)用系數(shù)的計算與處理，在物元分析法的支持下，實現(xiàn)河道生態(tài)水環(huán)境容量修復(fù)技術(shù)的順利應(yīng)用。

3 實例分析

為驗證基于物元分析法河道生態(tài)水環(huán)境容量修復(fù)技術(shù)的實際應(yīng)用價值，設(shè)計如下對比實驗。在淮河流域水體環(huán)境中，噴泉實驗?zāi)軌蚍从钞?dāng)前修復(fù)策略與河道生態(tài)水環(huán)境之間的適應(yīng)性關(guān)系，且噴泉設(shè)備使用不受季節(jié)時間與水位高低的影響，總占地面積相對較小，施工操作步驟極為簡單，符合河道水系環(huán)境中的實際防洪要求。與其它實驗裝置相比，噴泉設(shè)備具備較強的可移動性，在汛期到來或開閘泄水時，可將整個噴泉系統(tǒng)全部轉(zhuǎn)移到水面以外的河道環(huán)境中，這樣既能保證河道行洪的順暢性，也能對相關(guān)噴泉設(shè)備進行進一步的保養(yǎng)與維護(詳細(xì)實驗原理如圖2—3所示)。

圖2 水體分層和普通噴泉噴水示意圖

圖3 浮箱式噴泉曝氣原理示意圖

在淮河流域體系中設(shè)置多個攔蓄結(jié)構(gòu)，對所有攔蓄結(jié)構(gòu)從2019年11月至2020年3月進行多次監(jiān)測，在河段中選取3個相對穩(wěn)定的監(jiān)測斷面，每個斷面中選取3個取樣分析點。監(jiān)測的平均結(jié)果見表3。

已知可持續(xù)規(guī)劃法支持下的欄蓄河段水體監(jiān)測結(jié)果遠(yuǎn)不如表3中監(jiān)測結(jié)果的表現(xiàn)情況，前者pH值結(jié)果相對較低，表示河道生態(tài)水環(huán)境依然處于強酸性狀態(tài)，不符合修復(fù)水體容量的實際應(yīng)用需求。而表3中，所有監(jiān)測樣本的pH值結(jié)果均處于7～8之間，表示河道生態(tài)水環(huán)境始終表現(xiàn)為中性狀態(tài)，較為符合修復(fù)水體容量的實際應(yīng)用需求。

表3 欄蓄河段水體監(jiān)測結(jié)果

綜上可知，在物元分析法的支持下，新型水體容量修復(fù)技術(shù)能夠較好地維持淮河流域的河道生態(tài)水環(huán)境，對保護水體資源起到較強的促進作用。

4 結(jié)語

與可持續(xù)規(guī)劃法相比，物元分析法能夠較好地控制河道生態(tài)水體pH值的下降變化趨勢，符合保持水資源中性狀態(tài)的實際應(yīng)用需求。在淮河流域體系中，由于水體污染、蓄洪受限等問題的影響，整個河道生態(tài)水環(huán)境始終處于相對復(fù)雜的存在狀態(tài)，且水容量的實際修復(fù)效果始終不能達(dá)到理想化標(biāo)準(zhǔn)水平?；诖私⒏雍侠淼乃h(huán)境容量修復(fù)技術(shù)方案，在精準(zhǔn)計算水體涵養(yǎng)容量值的同時，分析生態(tài)水環(huán)境的實際蓄洪能力，實現(xiàn)對淮河流域內(nèi)水系資源的合理保護與利用。