大凌河河道生態水環境容量修復技術研究

張 鴻

(遼寧省撫順水文局，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學方法，其關鍵在于利用可拓集合揭示了事物的內在發展規律，雖不屬于數學領域的分支，卻保留了較強的開放性能力[1-3]。“物元”概念的提出和完整物元變換體系的創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，則難以保證分析結果的真實客觀性。所以，必須以統一的整體看待“量與形”轉換，在“質”與“量”轉變的同時合理控制相關干擾條件，從而獲取最佳的計算結果，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，流域左側河網水系密布，有涼水河子河、細河、老虎山河、第二牤牛河等支流。流域內河道生態水環境受降水等氣候因素影響，長期處于動態變化中。為有效保護生態水涵養能力，有必要在和諧用水模式下利用傳統的可持續規劃法確定水資源配置需求，并利用水體敏感性計算方法深入探討水環境生態功能標準。然而，該方法很容易使得生態水涵養能力計算結果偏低，對大凌河流域河道生態環境的適應性較差[5]。為解決以上問題，本文將水環境容量修復技術與物元分析法有機結合，通過設計一種新型技術手段實現了受污染水體的快速修復，在精準計算水體容量的同時，保證了生態水環境實際蓄洪能力的有效提升。

1 物元分析法

1.1 歸一化處理

對于大凌河流域生態水環境而言，物元分析體系中各指標的數量級和單位不盡相同，有的指標數值越大則生態水環境優越(正向指標)，而有的指標數值越小則生態水環境越優(負向指標)。因此，為便于從優隸屬度的精準計算，必須先歸一化處理水環境評判指標，其計算式(1)為：

(1)

式中：Wij為經歸一化處理的標準值；Eij為水環境評價指標實測值；max(Eij)為水環境評價指標的最大值；min(Eij)為水環境評價指標的最小值。

1.2 關聯系數計算

河道生態水環境一般是由濕地、河灘地、河堤、河岸、水體等部分組成立體化容量體系，而大凌河流域生態水環境還應包括各類擁有特殊修復功能的區域，這也是物元分析過程中的重要參數[6]。生態水環境保護不僅要保護相關的周邊環境條件，如信息、物質、能量等，更要注重河流自然形態的保護。以物元參考標準作為歸一化條件，則大凌河流域生態水環境容量實軸上的數值就是關聯函數量值K的計算結果，并且評價系數符合實際范圍內的容量修復技術，如式(2)：

(2)

式中：β為水環境容量系數提取參量；X0、Xn為大凌河流域生態水環境容量實軸，表示集合和第n個關聯函數表示量值集合。

1.3 水環境評價標準

大凌河流域生態水環境具有自然、社會兩種屬性特征，從營養結構的角度上自然屬性可包括分解者、消費者和生產者，主要與微生物及低等動植物相對應[7-8]。流域水環境系統在不受人為干擾的情況下能夠維持物資守恒和營養循環，但受人類活動參與流域水環境系統中的生產者數量大幅度增加，如城市污水、暴雨雨水、固體廢棄物等有機類營養物質，不僅增大了生活用水、工業生產用水等消費者的水資源消耗量，而且不利于水資源應用和綜合用水規劃。結合物元分析原理，設f為初始容量修復系數，定義集合X0與X的評價標準如式(3)：

(3)

2 生態水環境容量修復技術

2.1 生態水環境蓄洪能力

大凌河流域的水體蓄洪能力在很大程度上決定著水環境容量的維持和修復功能，這也是準確評判流域水資源儲備能力的主要參數。大凌河流域生態水環境比較復雜，多種因素相互作用構成一個完整的有機體系。流域生態水系布局即要強化人工水環境的作用，更要強調水污染治理的核心地位，注重構建河流沿岸濕地緩沖帶，逐步建成流域水環境生態保護屏障，以此實現水資源蓄洪能力的不斷提升[9]。考慮到后續水體補水質量和水系統現存污水的處理，在生態水環境受納水體前都要考慮人工和自然處理單元的應用，如設置獨立的高效低耗處理區、建成水環境前置處理庫、形成穩定自然濕地等。

2.2 水體涵養容量計算

在合理劃分大凌河流域生態水環境容量標準的情況下，應用物元分析法計算各集水區水體涵養容量值[10-11]。其中，地面覆蓋水系的透水能力是水體涵養容量值φ的主要影響因素，一般條件下透水性越強則生態水體滲透補給地下水層的能力越強，相應的地表徑流系數越小。在水環境容量修復和控制時引入區域性綜合徑流系數，對于開放性區域，其取值區間為0.5～0.8，對于大中型流域水系，如涼水河子河、細河、老虎山河、第二牤牛河等支流的綜合徑流系數處于0.5～0.6范圍。采用物元分析法和歷史統計資料，利用水體涵養容量計算公式確定各項參量之間的相互作用關系，并以此作為修復水環境容量的根本依據，其計算式(4)為：

(4)

運用以上公式完成物元分析法的計算處理，并結合各項理論控制系數保證水環境容量修復技術的實施。

3 實例應用

3.1 水環境現狀

為檢驗水環境容量修復工程中物元分析法的應用價值，結合流域實際情況設計相應的對比試驗。噴泉試驗能夠反映大凌河流域生態水環境與當前修復策略的適應性，并且噴泉設備不受水位高低、季節變化等因素的影響，具有施工操作簡單、占地面積較小、符合實際防洪要求等優勢。此外，噴泉設備相對于其他實驗裝置具有較好可移動性，在開閘泄水或汛期到來時可以將其全部轉移至水面以外，這既保證了河流行洪順暢又實現了對噴泉系統實行維護和保養[12-16]。

將多個攔蓄結構設置于大凌河流域水系，選擇3處典型河段合理布設監測斷面，每個斷面設3個取樣點，于2020年4—9月對所有攔蓄結構開展多次監測，對各項指標權系數利用層次分析法計算結果如表2。

表2 攔蓄河段水質監測均值(待評價物元)

結果顯示，表2中的攔蓄河段水體監測結果表現情況明顯優于已知可持續規劃法的計算結果，已知可持續規劃法的pH值相對較低，表明大凌河流域水體處于酸性環境，這與水體容量實際修復要求明顯不符。表2中所有監測樣本的pH值總體位于7～8范圍，表明大凌河流域水體處于弱堿環境，這與水體容量實際修復要求保持一致。

3.2 構造經典域和節域

結合大凌河流域水資源嚴重匱乏、水環境問題突出、境外來水污染嚴重、水生態平衡破壞、濱海鹽堿濕地退化等生態水環境現狀，可通過明確生態規劃區水質水量要求、周邊水體功能定位等方式維持和修復水環境容量，由此降低湖庫水體污染負荷，促使水環境質量不斷改善。協同建設自然生態景觀增強水環境外界互聯功能，加快建成功能顯著的生態城區域。因此，針對大凌河流域水污染控制和水環境質量改善目標，考慮運用物元分析法構建受污染水體修復工程，通過采取一系列水體修復和整治措施，保證流域水系達到5年一遇防洪標準和《地表水環境質量標準》中Ⅲ類值要求，更好地滿足非人體直接接觸及大多數工業用水區用水。

本文綜合考慮水環境控制目標等級、水生態規劃等要求，將水質從高到低劃分成3個等級，不同等級下所有參評指標的節域RN和經典域R01、R02、R03、R04，如表3。

表3 節域和經典域物元

3.3 水環境容量關聯度

設生態水環境容量修復工程實施前、后的實際數據為待評物元，利用文中所述公式評價河流水質狀況，如表4。所有參評指標在不同評價等級下均為非負值，所以該數值大小反映了隸屬于某水質等級的程度。

表4 水環境容量的各等級關聯度

總體而言，在大凌河流域河道生態水環境中新型水體容量修復技術具有較好的適用性，對水資源保護發揮著明顯積極作用。

4 結 論

物元分析法相對于可持續規劃法能夠準確地反映pH值變化趨勢，更好地滿足流域生態水環境保護要求。受蓄洪條件 等因素影響，大凌河流域生態水環境長期處于動態變化的復雜狀態，并且水環境容量修復效果難以滿足預期目標要求。因此，結合水環境容量實際需求建立更加科學合理的修復方案，在水體涵養容量精準計算的情況下，深入分析大凌河流域實際蓄洪能力，對實現流域水資源高效利用和合理保護具有重要意義。