大凌河河道生態(tài)水環(huán)境容量修復(fù)技術(shù)研究

張 鴻

(遼寧省撫順?biāo)木?，遼寧 撫順 113015)

物元分析是一種能夠有效解決多因素不相容問題的數(shù)學(xué)方法，其關(guān)鍵在于利用可拓集合揭示了事物的內(nèi)在發(fā)展規(guī)律，雖不屬于數(shù)學(xué)領(lǐng)域的分支，卻保留了較強(qiáng)的開放性能力[1-3]?！拔镌备拍畹奶岢龊屯暾镌儞Q體系的創(chuàng)建屬物元分析法的典型特征，考慮到存在不相容問題，若從抽象的角度單純考量“量與形”等要素，則難以保證分析結(jié)果的真實(shí)客觀性。所以，必須以統(tǒng)一的整體看待“量與形”轉(zhuǎn)換，在“質(zhì)”與“量”轉(zhuǎn)變的同時(shí)合理控制相關(guān)干擾條件，從而獲取最佳的計(jì)算結(jié)果，這也是物元分析求解不相容問題的核心[4]。

大凌河流域地處遼西地區(qū)，流域左側(cè)河網(wǎng)水系密布，有涼水河子河、細(xì)河、老虎山河、第二牤牛河等支流。流域內(nèi)河道生態(tài)水環(huán)境受降水等氣候因素影響，長期處于動(dòng)態(tài)變化中。為有效保護(hù)生態(tài)水涵養(yǎng)能力，有必要在和諧用水模式下利用傳統(tǒng)的可持續(xù)規(guī)劃法確定水資源配置需求，并利用水體敏感性計(jì)算方法深入探討水環(huán)境生態(tài)功能標(biāo)準(zhǔn)。然而，該方法很容易使得生態(tài)水涵養(yǎng)能力計(jì)算結(jié)果偏低，對(duì)大凌河流域河道生態(tài)環(huán)境的適應(yīng)性較差[5]。為解決以上問題，本文將水環(huán)境容量修復(fù)技術(shù)與物元分析法有機(jī)結(jié)合，通過設(shè)計(jì)一種新型技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)了受污染水體的快速修復(fù)，在精準(zhǔn)計(jì)算水體容量的同時(shí)，保證了生態(tài)水環(huán)境實(shí)際蓄洪能力的有效提升。

1 物元分析法

1.1 歸一化處理

對(duì)于大凌河流域生態(tài)水環(huán)境而言，物元分析體系中各指標(biāo)的數(shù)量級(jí)和單位不盡相同，有的指標(biāo)數(shù)值越大則生態(tài)水環(huán)境優(yōu)越(正向指標(biāo))，而有的指標(biāo)數(shù)值越小則生態(tài)水環(huán)境越優(yōu)(負(fù)向指標(biāo))。因此，為便于從優(yōu)隸屬度的精準(zhǔn)計(jì)算，必須先歸一化處理水環(huán)境評(píng)判指標(biāo)，其計(jì)算式(1)為：

(1)

式中：Wij為經(jīng)歸一化處理的標(biāo)準(zhǔn)值；Eij為水環(huán)境評(píng)價(jià)指標(biāo)實(shí)測值；max(Eij)為水環(huán)境評(píng)價(jià)指標(biāo)的最大值；min(Eij)為水環(huán)境評(píng)價(jià)指標(biāo)的最小值。

1.2 關(guān)聯(lián)系數(shù)計(jì)算

河道生態(tài)水環(huán)境一般是由濕地、河灘地、河堤、河岸、水體等部分組成立體化容量體系，而大凌河流域生態(tài)水環(huán)境還應(yīng)包括各類擁有特殊修復(fù)功能的區(qū)域，這也是物元分析過程中的重要參數(shù)[6]。生態(tài)水環(huán)境保護(hù)不僅要保護(hù)相關(guān)的周邊環(huán)境條件，如信息、物質(zhì)、能量等，更要注重河流自然形態(tài)的保護(hù)。以物元參考標(biāo)準(zhǔn)作為歸一化條件，則大凌河流域生態(tài)水環(huán)境容量實(shí)軸上的數(shù)值就是關(guān)聯(lián)函數(shù)量值K的計(jì)算結(jié)果，并且評(píng)價(jià)系數(shù)符合實(shí)際范圍內(nèi)的容量修復(fù)技術(shù)，如式(2)：

(2)

式中：β為水環(huán)境容量系數(shù)提取參量；X0、Xn為大凌河流域生態(tài)水環(huán)境容量實(shí)軸，表示集合和第n個(gè)關(guān)聯(lián)函數(shù)表示量值集合。

1.3 水環(huán)境評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

大凌河流域生態(tài)水環(huán)境具有自然、社會(huì)兩種屬性特征，從營養(yǎng)結(jié)構(gòu)的角度上自然屬性可包括分解者、消費(fèi)者和生產(chǎn)者，主要與微生物及低等動(dòng)植物相對(duì)應(yīng)[7-8]。流域水環(huán)境系統(tǒng)在不受人為干擾的情況下能夠維持物資守恒和營養(yǎng)循環(huán)，但受人類活動(dòng)參與流域水環(huán)境系統(tǒng)中的生產(chǎn)者數(shù)量大幅度增加，如城市污水、暴雨雨水、固體廢棄物等有機(jī)類營養(yǎng)物質(zhì)，不僅增大了生活用水、工業(yè)生產(chǎn)用水等消費(fèi)者的水資源消耗量，而且不利于水資源應(yīng)用和綜合用水規(guī)劃。結(jié)合物元分析原理，設(shè)f為初始容量修復(fù)系數(shù)，定義集合X0與X的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)如式(3)：

(3)

2 生態(tài)水環(huán)境容量修復(fù)技術(shù)

2.1 生態(tài)水環(huán)境蓄洪能力

大凌河流域的水體蓄洪能力在很大程度上決定著水環(huán)境容量的維持和修復(fù)功能，這也是準(zhǔn)確評(píng)判流域水資源儲(chǔ)備能力的主要參數(shù)。大凌河流域生態(tài)水環(huán)境比較復(fù)雜，多種因素相互作用構(gòu)成一個(gè)完整的有機(jī)體系。流域生態(tài)水系布局即要強(qiáng)化人工水環(huán)境的作用，更要強(qiáng)調(diào)水污染治理的核心地位，注重構(gòu)建河流沿岸濕地緩沖帶，逐步建成流域水環(huán)境生態(tài)保護(hù)屏障，以此實(shí)現(xiàn)水資源蓄洪能力的不斷提升[9]。考慮到后續(xù)水體補(bǔ)水質(zhì)量和水系統(tǒng)現(xiàn)存污水的處理，在生態(tài)水環(huán)境受納水體前都要考慮人工和自然處理單元的應(yīng)用，如設(shè)置獨(dú)立的高效低耗處理區(qū)、建成水環(huán)境前置處理庫、形成穩(wěn)定自然濕地等。

2.2 水體涵養(yǎng)容量計(jì)算

在合理劃分大凌河流域生態(tài)水環(huán)境容量標(biāo)準(zhǔn)的情況下，應(yīng)用物元分析法計(jì)算各集水區(qū)水體涵養(yǎng)容量值[10-11]。其中，地面覆蓋水系的透水能力是水體涵養(yǎng)容量值φ的主要影響因素，一般條件下透水性越強(qiáng)則生態(tài)水體滲透補(bǔ)給地下水層的能力越強(qiáng)，相應(yīng)的地表徑流系數(shù)越小。在水環(huán)境容量修復(fù)和控制時(shí)引入?yún)^(qū)域性綜合徑流系數(shù)，對(duì)于開放性區(qū)域，其取值區(qū)間為0.5～0.8，對(duì)于大中型流域水系，如涼水河子河、細(xì)河、老虎山河、第二牤牛河等支流的綜合徑流系數(shù)處于0.5～0.6范圍。采用物元分析法和歷史統(tǒng)計(jì)資料，利用水體涵養(yǎng)容量計(jì)算公式確定各項(xiàng)參量之間的相互作用關(guān)系，并以此作為修復(fù)水環(huán)境容量的根本依據(jù)，其計(jì)算式(4)為：

(4)

運(yùn)用以上公式完成物元分析法的計(jì)算處理，并結(jié)合各項(xiàng)理論控制系數(shù)保證水環(huán)境容量修復(fù)技術(shù)的實(shí)施。

3 實(shí)例應(yīng)用

3.1 水環(huán)境現(xiàn)狀

為檢驗(yàn)水環(huán)境容量修復(fù)工程中物元分析法的應(yīng)用價(jià)值，結(jié)合流域?qū)嶋H情況設(shè)計(jì)相應(yīng)的對(duì)比試驗(yàn)。噴泉試驗(yàn)?zāi)軌蚍从炒罅韬恿饔蛏鷳B(tài)水環(huán)境與當(dāng)前修復(fù)策略的適應(yīng)性，并且噴泉設(shè)備不受水位高低、季節(jié)變化等因素的影響，具有施工操作簡單、占地面積較小、符合實(shí)際防洪要求等優(yōu)勢。此外，噴泉設(shè)備相對(duì)于其他實(shí)驗(yàn)裝置具有較好可移動(dòng)性，在開閘泄水或汛期到來時(shí)可以將其全部轉(zhuǎn)移至水面以外，這既保證了河流行洪順暢又實(shí)現(xiàn)了對(duì)噴泉系統(tǒng)實(shí)行維護(hù)和保養(yǎng)[12-16]。

將多個(gè)攔蓄結(jié)構(gòu)設(shè)置于大凌河流域水系，選擇3處典型河段合理布設(shè)監(jiān)測斷面，每個(gè)斷面設(shè)3個(gè)取樣點(diǎn)，于2020年4—9月對(duì)所有攔蓄結(jié)構(gòu)開展多次監(jiān)測，對(duì)各項(xiàng)指標(biāo)權(quán)系數(shù)利用層次分析法計(jì)算結(jié)果如表2。

表2 攔蓄河段水質(zhì)監(jiān)測均值(待評(píng)價(jià)物元)

結(jié)果顯示，表2中的攔蓄河段水體監(jiān)測結(jié)果表現(xiàn)情況明顯優(yōu)于已知可持續(xù)規(guī)劃法的計(jì)算結(jié)果，已知可持續(xù)規(guī)劃法的pH值相對(duì)較低，表明大凌河流域水體處于酸性環(huán)境，這與水體容量實(shí)際修復(fù)要求明顯不符。表2中所有監(jiān)測樣本的pH值總體位于7～8范圍，表明大凌河流域水體處于弱堿環(huán)境，這與水體容量實(shí)際修復(fù)要求保持一致。

3.2 構(gòu)造經(jīng)典域和節(jié)域

結(jié)合大凌河流域水資源嚴(yán)重匱乏、水環(huán)境問題突出、境外來水污染嚴(yán)重、水生態(tài)平衡破壞、濱海鹽堿濕地退化等生態(tài)水環(huán)境現(xiàn)狀，可通過明確生態(tài)規(guī)劃區(qū)水質(zhì)水量要求、周邊水體功能定位等方式維持和修復(fù)水環(huán)境容量，由此降低湖庫水體污染負(fù)荷，促使水環(huán)境質(zhì)量不斷改善。協(xié)同建設(shè)自然生態(tài)景觀增強(qiáng)水環(huán)境外界互聯(lián)功能，加快建成功能顯著的生態(tài)城區(qū)域。因此，針對(duì)大凌河流域水污染控制和水環(huán)境質(zhì)量改善目標(biāo)，考慮運(yùn)用物元分析法構(gòu)建受污染水體修復(fù)工程，通過采取一系列水體修復(fù)和整治措施，保證流域水系達(dá)到5年一遇防洪標(biāo)準(zhǔn)和《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中Ⅲ類值要求，更好地滿足非人體直接接觸及大多數(shù)工業(yè)用水區(qū)用水。

本文綜合考慮水環(huán)境控制目標(biāo)等級(jí)、水生態(tài)規(guī)劃等要求，將水質(zhì)從高到低劃分成3個(gè)等級(jí)，不同等級(jí)下所有參評(píng)指標(biāo)的節(jié)域RN和經(jīng)典域R01、R02、R03、R04，如表3。

表3 節(jié)域和經(jīng)典域物元

3.3 水環(huán)境容量關(guān)聯(lián)度

設(shè)生態(tài)水環(huán)境容量修復(fù)工程實(shí)施前、后的實(shí)際數(shù)據(jù)為待評(píng)物元，利用文中所述公式評(píng)價(jià)河流水質(zhì)狀況，如表4。所有參評(píng)指標(biāo)在不同評(píng)價(jià)等級(jí)下均為非負(fù)值，所以該數(shù)值大小反映了隸屬于某水質(zhì)等級(jí)的程度。

表4 水環(huán)境容量的各等級(jí)關(guān)聯(lián)度

總體而言，在大凌河流域河道生態(tài)水環(huán)境中新型水體容量修復(fù)技術(shù)具有較好的適用性，對(duì)水資源保護(hù)發(fā)揮著明顯積極作用。

4 結(jié) 論

物元分析法相對(duì)于可持續(xù)規(guī)劃法能夠準(zhǔn)確地反映pH值變化趨勢，更好地滿足流域生態(tài)水環(huán)境保護(hù)要求。受蓄洪條件 等因素影響，大凌河流域生態(tài)水環(huán)境長期處于動(dòng)態(tài)變化的復(fù)雜狀態(tài)，并且水環(huán)境容量修復(fù)效果難以滿足預(yù)期目標(biāo)要求。因此，結(jié)合水環(huán)境容量實(shí)際需求建立更加科學(xué)合理的修復(fù)方案，在水體涵養(yǎng)容量精準(zhǔn)計(jì)算的情況下，深入分析大凌河流域?qū)嶋H蓄洪能力，對(duì)實(shí)現(xiàn)流域水資源高效利用和合理保護(hù)具有重要意義。