基于物元分析法的河道生態水環境容量修復技術研究

張 琳，劉繼柱

(濟寧市水利事業發展中心，山東 濟寧 272019)

物元分析是用來求解不相容問題的方法，其應用重心在于總結事件的發展規律，其數學工具是基于可拓集合的數學計算模型，雖不屬于數學領域的研究分支對象，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果[1-2]。因此，必須將“量與形”看作一個統一的整體，在進行“質”“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值計算結果，這也是引入表征質量結合思想的發展初衷。

淮河流域地處我國華中與華東地區的交界處，由鹽河淮安、董鋪水庫、濱湖區、潁泉區等多個河段共同組成。由于自然降水等天氣因素的影響，該區域內河道生態水環境始終處于急速變動的狀態之中。為實現對河道生態水涵養能力的有效保護，傳統可持續規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，深入研究水環境的生態功能標準。然而此方法并不能很好地適應淮河流域體系中的河道生態環境，易導致生態水涵養能力的持續降低。為解決此問題，借助物元分析法，設計一種新型的河道生態水環境容量修復技術手段，在分析受污染水體修復工程的同時，研究生態水環境的實際蓄洪能力，從而完成對水體容量的精準計算。

1 水環境的物元分析法

水環境的物元分析法包含物元歸一化、關聯系數計算、水環境水平評價標準制定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，各指標相對于淮河流域的河道生態水環境安全水平來說，有些物理量的數值越大越優，這類容量指標為正向分析指標；而有些物理量的數值則越小越優，這類容量指標為逆向分析指標[3]。為更好地計算物元從優隸屬度條件，對相關淮河流域河道生態水環境評判指標進行歸一化處理：

(1)

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

1.2 關聯系數

常規的河道生態水環境由水體、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容量體系(如圖1所示)。而在淮河流域體系中，河道生態水環境還應包括自然河岸、濱河原生綠地、河灘地、各類濕地等多種具有特殊生態修復功能的地區，它們都是物元分析法所針對的關鍵數值參量指標[4]。嚴格保護這些生態水環境地區，不僅是保護河道的基本存在形態，更重要的是保護與之相關的能量、物質、信息等周邊環境條件。若以物元歸一化標準作為參考條件，關聯函數表示量值的取值結果始終存在于淮河流域河道生態水環境容量的實軸之上，且其物元評價系數也完全滿足容量修復技術參量的實際范圍程度[5-6]。具體計算方法見公式(2)。

圖1 河道生態水環境組成

(2)

式中，β—河道生態水環境容量系數提取參量；—關聯函數表示量值的原始系數集合；X0—淮河流域河道生態水環境容量的實軸表示集合；Xn—第n個關聯函數表示量值集合。

1.3 水環境水平評價標準

淮河流域的河道生態水環境系統具有社會屬性、自然屬性兩方面的容量特征。從營養結構方面來看，自然屬性范疇下的生產者、消費者與分解者，分別對應水體環境中的低等動植物及微生物。在不考慮人為干擾條件下，水環境水平評價標準能夠自發實現水體的營養循環與物質守衡[7-8]。但由于人類參與活動的影響，淮河流域的河道生態水環境系統大幅增加了具有社會屬性的生產者數量，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物質，不僅能夠增加工業生產、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劃與應用[9]。在物元分析法的支持下，設f代表淮河流域河道生態水環境的原始容量修復系數指標，聯立公式(2)，可將集合X與集合X0之間的水環境水平評價標準定義為：

(3)

式中，yX、yX0—與集合X和集合X0相關的水環境修復標準系數；χX、χX0—與集合X和集合X0相關的淮河流域河道生態水環境維持系數。

根據公式(3)可以得出具體的ρ(X，X0)計算結果，ρ(X，X0)值所表示的關聯函數含義見表1。

表1 河道生態水環境水平評價標準的關聯函數意義

2 河道生態水環境容量修復技術

在水環境物元分析法則的支持下，按照受污染水體修復工程研究、生態水環境蓄洪能力分析、水體涵養容量計算的處理流程，實現河道生態水環境容量修復技術的順利應用。

2.1 受污染水體修復工程

針對淮河流域體系“濱海鹽堿濕地退化、水生態平衡破壞、境外來水污染嚴重、境內水環境問題突出、水資源嚴重匱乏”的河道生態水環境現狀，可以通過周邊水體功能定位、確定生態城規劃區內水質水量要求等方式，實現對環境容量的修復與維護，從而削弱董鋪水庫等水系區域內的整體水污染負荷，達到改善水環境質量的目的。規劃河道生態水環境的外界互聯能力，在協同建設生態景觀環境的同時，形成多個明顯的生態城區域。基于此，引入物元分析法，分階段實現淮河流域體系內的水環境質量改善與水污染控制整改[10-11]。該區域內部的水系不僅要滿足3～5年一遇的排澇標準要求，也需要通過各項水體整治與修復準則在短時間內達到GB 3838—2002《地表水環境質量標準》中的第Ⅳ類水質水體要求，適用于大多數工業用水區及非人體直接接觸的娛樂用水，具體控制指標見表2.

表2 第Ⅳ類水體水質控制指標

2.2 生態水環境蓄洪能力分析

淮河流域體系內水體的蓄洪能力為考量其河道生態水資源儲備能力的重要指標，同時也能對水環境容量的修復與維持起到重要支撐作用。淮河流域體系的河道生態水環境構成組分相對較為復雜，但是卻又形成了一個極為完整的有機整體結構[12]。河道生態區域的水系布局需要以水庫污染治理為核心，在強化人工水系環境的同時，注重對兩側濕地緩沖帶的構建，從而使城市綠網逐漸成為生態屏障河道生態水環境的生態布局主體，并以此為依據加強水體資源的實際蓄洪能力[13-14]。無論是出于對水環境污水庫內現存污水進行處理的目的，還是考慮到后續水體補水的質量問題，在河道生態水環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，建立穩定型自然濕地、建立水環境前置處理庫、設置獨立的高效低耗處理區等。

2.3 水體涵養容量計算

在已知淮河流域河道生態水環境容量劃分標準的前提下，引入物元分析法，來計算每個集水區的水體涵養容量值。影響水體涵養容量值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，河道生態水體對于地下水層的滲透補給能力也就越強，其徑流系數值也就越小。在水環境容量修復中，對于淮河流域內的河道生態水環境的控制也可以采用區域性綜合徑流系數，一般開放性區域的綜合徑流系數φ始終處于0.5～0.8之間[15]。而淮河流域的大中型水系環境，如鹽河淮安、董鋪水庫、濱湖區、潁泉區等河道水體的綜合徑流系數則基本上介于0.5～0.6之間。水體涵養容量計算公式是在物元分析法的基礎上，通過對當地多年資料的分析與統計，找出其中各項參量之間的相互影響關系，從而作為河道生態水環境容量修復的應用依據。具體計算公式如下：

(4)

基于以上內容完成各項理論應用系數的計算與處理，在物元分析法的支持下，實現河道生態水環境容量修復技術的順利應用。

3 實例分析

為驗證基于物元分析法河道生態水環境容量修復技術的實際應用價值，設計如下對比實驗。在淮河流域水體環境中，噴泉實驗能夠反映當前修復策略與河道生態水環境之間的適應性關系，且噴泉設備使用不受季節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，符合河道水系環境中的實際防洪要求。與其它實驗裝置相比，噴泉設備具備較強的可移動性，在汛期到來或開閘泄水時，可將整個噴泉系統全部轉移到水面以外的河道環境中，這樣既能保證河道行洪的順暢性，也能對相關噴泉設備進行進一步的保養與維護(詳細實驗原理如圖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置多個攔蓄結構，對所有攔蓄結構從2019年11月至2020年3月進行多次監測，在河段中選取3個相對穩定的監測斷面，每個斷面中選取3個取樣分析點。監測的平均結果見表3。

已知可持續規劃法支持下的欄蓄河段水體監測結果遠不如表3中監測結果的表現情況，前者pH值結果相對較低，表示河道生態水環境依然處于強酸性狀態，不符合修復水體容量的實際應用需求。而表3中，所有監測樣本的pH值結果均處于7～8之間，表示河道生態水環境始終表現為中性狀態，較為符合修復水體容量的實際應用需求。

表3 欄蓄河段水體監測結果

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

4 結語

與可持續規劃法相比，物元分析法能夠較好地控制河道生態水體pH值的下降變化趨勢，符合保持水資源中性狀態的實際應用需求。在淮河流域體系中，由于水體污染、蓄洪受限等問題的影響，整個河道生態水環境始終處于相對復雜的存在狀態，且水容量的實際修復效果始終不能達到理想化標準水平。基于此建立更加合理的水環境容量修復技術方案，在精準計算水體涵養容量值的同時，分析生態水環境的實際蓄洪能力，實現對淮河流域內水系資源的合理保護與利用。