徐樹媛 相興華 張書凱

(1.山西能源學(xué)院地質(zhì)與測繪工程系, 山西 晉中 030060;2.山西能源學(xué)院強(qiáng)基學(xué)院,山西 晉中 030060;3.山西能源學(xué)院地質(zhì)環(huán)境與防災(zāi)減災(zāi)研究中心,山西 晉中 030060;4.太原理工大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院,山西 太原 030024)

汾河全流域位于山西省境內(nèi),是山西的第一大河,也是黃河的第二大支流。汾河源出于寧武縣管涔山腳下雷鳴寺泉[1],自北向南流經(jīng)靜樂、太原、臨汾三大盆地后,于河津市萬榮縣匯入黃河,全長716km,縱貫山西省境中部,經(jīng)過6市45縣(區(qū))。汾河流域是山西經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展與生態(tài)建設(shè)的核心區(qū)域,源頭水資源與水環(huán)境特征直接影響著汾河流域的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量。近年來,受人類活動影響,汾河源區(qū)水源涵養(yǎng)能力減弱,上游水土流失嚴(yán)重,成為汾河向黃河輸入泥沙的主要源區(qū)。針對汾河源頭水資源與環(huán)境問題,崔炳玉等[2]利用數(shù)值分析法計(jì)算了雷鳴寺泉水資源量,馬浩天等[3]利用穩(wěn)定同位素方法進(jìn)行了汾河水源解析,葛熙豪等[4]針對汾河源頭的地質(zhì)環(huán)境問題提出了治理關(guān)鍵技術(shù),以上研究多集中在汾河源頭水量、水質(zhì)以及環(huán)境問題等單一方面的探討。由于汾河源頭雷鳴寺泉流量資料少,研究程度低,且源區(qū)內(nèi)酸性老窯水出流嚴(yán)重影響到周邊生態(tài)環(huán)境,因此,亟需加強(qiáng)對汾河源區(qū)內(nèi)水資源與水環(huán)境的綜合研究工作。本文將汾河源區(qū)視為獨(dú)立系統(tǒng),預(yù)測雷鳴寺泉流量,分析源區(qū)內(nèi)水環(huán)境特征,為資源型地區(qū)實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展、優(yōu)化水資源配置提供理論支撐。

1 汾河源區(qū)概況

汾河源區(qū)位于雷鳴寺泉域[5]西北部,北以神池縣南部兩條北東東向斷層為界,與神頭泉域相鄰;南至汾河支流地表分水嶺;西部邊界位于大東溝—下官莊—黃草梁一帶,以地表分水嶺為界,與天橋泉域相鄰;東以近南北向摩天嶺斷層和地下水滯留性隔水邊界為界;源區(qū)總面積377km2,其中裸露巖溶區(qū)面積113km2,約占總面積的30%。

汾河源區(qū)內(nèi)水資源豐富。1971—2017年多年平均水資源總量為1.46億m3,其中可利用水資源量為0.35億m3。區(qū)域內(nèi)水資源利用主要為農(nóng)村生活用水與雷鳴寺取水工程供水,雷鳴寺取水工程主要供水對象為寧武縣城居民生活用水與部分工業(yè)用水,年均供水量為151萬m3。

區(qū)域內(nèi)歷史非法采礦活動與近年的公路建設(shè)改變了原始地形地貌,山坡變陡,巖體裸露,植被遭到大量破壞,更多降水轉(zhuǎn)化為坡面徑流,汛期河流徑流量增加,枯水期河流水位下降,水土流失嚴(yán)重,流域內(nèi)水源涵養(yǎng)能力降低。春景洼村東側(cè)與南側(cè)溝谷中有兩處酸性老窯水出流點(diǎn)[6],老窯水味道刺鼻,pH值低,硫酸根離子濃度和礦化度高,具有很強(qiáng)的溶解性和侵蝕性,出流至地表后,成為流域內(nèi)地表水體與土壤的長期污染源,對源區(qū)水環(huán)境與生態(tài)環(huán)境造成破壞。老窯水出露位置見圖1,水質(zhì)化驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 老窯水出露點(diǎn)水質(zhì)化驗(yàn)結(jié)果 單位:mg/L

圖1 老窯水出露位置

此外,源區(qū)內(nèi)大廟溝流域與北石溝流域均存在農(nóng)村生活垃圾隨意堆放在溝谷與河邊、生活污水及畜禽糞便等污染物未經(jīng)處理排入河流的現(xiàn)象,嚴(yán)重污染了水環(huán)境。

2 汾河源頭泉流量預(yù)測

汾河源區(qū)是一個相對獨(dú)立的水系統(tǒng),其補(bǔ)給來源主要為大氣降水,排泄方式主要為泉水出流。雷鳴寺泉缺少連續(xù)多年泉流量動態(tài)觀測資料,至今僅有1997—2004年間的13次偶測數(shù)據(jù),泉流量平均為0.2m3/s。因此本次雷鳴寺泉流量預(yù)測基于水均衡分析,采用灰色模型進(jìn)行。

區(qū)域內(nèi)設(shè)有宋家崖、岔上、春景洼與前馬龍4座水文測站。首先利用Voronoi diagram法計(jì)算出1971—2017年間汾河源頭流域內(nèi)的月平均降水量,再選擇期間月平均降水量與雷鳴寺泉水流量擬合最好時所對應(yīng)的降雨入滲系數(shù)α,應(yīng)用式(1)計(jì)算出雷鳴寺泉水長系列流量值。

Q泉=Q降=αPF

(1)

式中:Q泉為雷鳴寺泉水出流量,m3/s;Q補(bǔ)為源區(qū)內(nèi)降雨入滲補(bǔ)給量,m3/s;α為降雨入滲系數(shù),擬合后取α=0.056;P為源區(qū)內(nèi)降雨量,mm;F為源區(qū)內(nèi)裸露可溶巖區(qū)面積,m2。

(2)

對x(1)作緊鄰均值生成,如

z(1)(k)=0.5x(1)(k)+0.5x(1)(k-1) (k=2,3,…,n)

得到均值數(shù)列

z(1)=[z(1)(2),z(1)(3),z(1)(4),…,z(1)(n)]

在此基礎(chǔ)上建立灰色GM(1,1)模型:

x(0)(k)+az(1)(k)=b(k=2,3,…,n)

其中參數(shù)

u=(a,b)T,Y=[x(0)(2),x(0)(3),…

利用最小二乘法求解,得到灰色GM(1,1)模型:

(k=1,2,…,n-1)

1971—2017年雷鳴寺泉各月流量見圖2。

圖2 1971—2017年雷鳴寺泉各月流量

由圖2可知,1971—2017年間各月平均降水量與泉流量基本穩(wěn)定,均呈現(xiàn)出明顯的季節(jié)性變化特征。因此,利用matlab軟件計(jì)算出各月泉流量的灰色GM(1,1)

模型參數(shù),達(dá)到模型設(shè)定的精度要求后,可作為天然條件下雷鳴寺泉月流量預(yù)測模型。模型參數(shù)見表2。

表2 各月灰色GM(1,1)模型參數(shù)

選擇2013年1月至2017年12月期間雷鳴寺泉流量計(jì)算值,對構(gòu)建的各月泉流量的灰色GM(1,1)模型進(jìn)行識別與殘差檢驗(yàn),泉流量計(jì)算值與預(yù)測值對比見圖3。由圖3可知,模型的絕對平均殘差為0.022m3/s,平均殘差率為16.86%,模擬合格率為91.70%,因此,該灰色GM(1,1)模型可作為雷鳴寺泉流量的預(yù)測模型。

圖3 雷鳴寺泉流量擬合圖

基于汾河源區(qū)內(nèi)的水資源開發(fā)利用現(xiàn)狀與規(guī)劃,應(yīng)用雷鳴寺各月泉流量灰色GM(1,1)模型,可知未來5年內(nèi)無人類活動干擾的雷鳴寺泉流量基本穩(wěn)定,年內(nèi)最大月平均流量一般出現(xiàn)在7月,預(yù)測值為0.391m3/s;最小月平均流量一般出現(xiàn)在1月,預(yù)測值為0.028m3/s,見圖4。

圖4 雷鳴寺泉流量預(yù)測圖

3 汾河源區(qū)水環(huán)境現(xiàn)狀與納污能力分析

3.1 汾河源區(qū)水質(zhì)評價

汾河源區(qū)內(nèi)地表河流主要有位于雷鳴寺上游的北石溝與大廟溝,根據(jù)《山西省地表水環(huán)境功能區(qū)劃》(DB 14/67—2019),北石溝與大廟溝水環(huán)境功能分屬“重要源頭水保護(hù)”與“汾河靜樂源頭水保護(hù)”區(qū),水質(zhì)分別執(zhí)行《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)Ⅱ類與Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn);雷鳴寺泉下游河道屬“地表水飲用水源補(bǔ)給區(qū)水源保護(hù)”區(qū),水質(zhì)執(zhí)行《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)Ⅱ類標(biāo)準(zhǔn)。

此次在北石溝流域與大廟溝流域內(nèi)7個點(diǎn)位進(jìn)行了水質(zhì)采樣監(jiān)測,監(jiān)測點(diǎn)位置見圖5。監(jiān)測結(jié)果見表3。

表3 采樣點(diǎn)監(jiān)測結(jié)果 單位:mg/L

圖5 水功能區(qū)劃與水質(zhì)采樣監(jiān)測點(diǎn)分布

由采樣點(diǎn)水質(zhì)監(jiān)測資料可知,BOD5、總氮含量超標(biāo),雷鳴寺下游CODCr、總氮含量超標(biāo)。北石溝與大廟溝流域內(nèi)河流水質(zhì)僅達(dá)到《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2022)Ⅴ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn),水環(huán)境受到污染。

根據(jù)流域內(nèi)各河段的水環(huán)境功能區(qū)要求以及不同水質(zhì)評價方法的適用條件[7],本次評價首先利用單因子污染指數(shù)法識別出源區(qū)水環(huán)境的主要污染因子,然后結(jié)合綜合污染指數(shù)法[8]與內(nèi)梅羅污染指數(shù)法[9]對北石溝流域與大廟溝流域內(nèi)的水質(zhì)進(jìn)行綜合評價,為汾河源區(qū)水環(huán)境與水源地保護(hù)提供依據(jù)。水質(zhì)評價方法見表4。

表4 水質(zhì)評價方法

通過單因子污染指數(shù)法計(jì)算出各項(xiàng)監(jiān)測指標(biāo)污染指數(shù)最大值,見表5。

表5 汾河源區(qū)監(jiān)測指標(biāo)單項(xiàng)污染指數(shù) 單位:mg/L

注表中pH值為無量綱數(shù)值。

經(jīng)計(jì)算分析,汾河源區(qū)兩河流域中水質(zhì)出現(xiàn)異常的指標(biāo)主要有總氮、CODCr和BOD5。大廟溝3個斷面總氮指標(biāo)污染指數(shù)分別為1.73、1.68和1.58,分別超標(biāo)0.73、0.68和0.58倍;監(jiān)測斷面3位置的BOD5指標(biāo)污染指數(shù)為1.08,超標(biāo)0.08倍。北石溝3個斷面總氮指標(biāo)污染指數(shù)分別為4.04、3.12和3.00,分別超標(biāo)3.04、2.12與2.00倍;監(jiān)測斷面1、3位置的BOD5含量分別超標(biāo)0.17倍與0.23倍。雷鳴寺泉下游河道中總氮和CODCr指標(biāo)污染指數(shù)分別為1.93與2.52,分別超標(biāo)0.93倍與1.52倍。其余檢測值不存在超標(biāo)情況。

3.2 水體納污能力分析

為了充分反映汾河源區(qū)內(nèi)水環(huán)境的整體情況,評價水體綜合污染程度,此次根據(jù)單因子水質(zhì)評價結(jié)果,選取高錳酸鹽指數(shù)、溶解氧、CODCr、BOD5、總磷、總氮等6項(xiàng)易超標(biāo)指標(biāo)與常用指標(biāo)進(jìn)行綜合評價[10]。評價方法選用綜合污染指數(shù)法與內(nèi)梅羅污染指數(shù)法。大廟溝3個斷面、北石溝3個斷面以及雷鳴寺泉下游河道的綜合污染指數(shù)、內(nèi)梅羅污染指數(shù)與相應(yīng)的污染級別見表6。由表6可知,大廟溝與北石溝流域BOD5、總氮含量超標(biāo),雷鳴寺下游CODCr、總氮含量超標(biāo)。

由于兩條河流寬深比不大,污染物在橫斷面上能夠短時間內(nèi)均勻混合,因此利用河流一維水質(zhì)模型[11]計(jì)算河流對污染指標(biāo)的納污能力,明確河流自凈能力的閾值。河段水質(zhì)目標(biāo)與納污能力計(jì)算結(jié)果見表7。由表7可知,汾河源區(qū)內(nèi)現(xiàn)狀污染物入河量小于水域納污能力。隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,需根據(jù)水功能區(qū)類型與水質(zhì)現(xiàn)狀,制定污染物入河控制量與污染物削減量,提出水源涵養(yǎng)與水源地保護(hù)方案。

表7 河段水質(zhì)目標(biāo)與納污能力計(jì)算結(jié)果

4 結(jié) 語

根據(jù)汾河源區(qū)內(nèi)降水量與雷鳴寺泉流量的季節(jié)性波動特征,構(gòu)建雷鳴寺各月泉流量預(yù)測模型,并利用單因子評價法、綜合污染指數(shù)法及內(nèi)梅羅污染指數(shù)法從污染因子、污染程度等方面對汾河源區(qū)內(nèi)北石河、大廟河與雷鳴寺下游水體的水質(zhì)進(jìn)行評價。

未來5年內(nèi),雷鳴寺泉流量變化不大,泉流量為0.028～0.391m3/s。汾河源區(qū)內(nèi)大廟溝、北石溝內(nèi)BOD5、總氮含量超標(biāo),雷鳴寺下游CODCr、總氮含量超標(biāo)。研究成果對保護(hù)汾河流域水土資源、實(shí)現(xiàn)資源型地區(qū)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。由于雷鳴寺泉僅有數(shù)量較少的偶測資料,此次泉流量預(yù)測依靠降水量推算,今后需加強(qiáng)雷鳴寺泉流量的監(jiān)測工作,結(jié)合多種方法預(yù)測,為汾河源頭流域的水資源開發(fā)利用提供依據(jù)。