汾河源區雷鳴寺泉流量預測與水環境特征分析

徐樹媛 相興華 張書凱

(1.山西能源學院地質與測繪工程系, 山西 晉中 030060;2.山西能源學院強基學院,山西 晉中 030060;3.山西能源學院地質環境與防災減災研究中心,山西 晉中 030060;4.太原理工大學水利科學與工程學院,山西 太原 030024)

汾河全流域位于山西省境內,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,經過6市45縣(區)。汾河流域是山西經濟社會發展與生態建設的核心區域,源頭水資源與水環境特征直接影響著汾河流域的生態環境質量。近年來,受人類活動影響,汾河源區水源涵養能力減弱,上游水土流失嚴重,成為汾河向黃河輸入泥沙的主要源區。針對汾河源頭水資源與環境問題,崔炳玉等[2]利用數值分析法計算了雷鳴寺泉水資源量,馬浩天等[3]利用穩定同位素方法進行了汾河水源解析,葛熙豪等[4]針對汾河源頭的地質環境問題提出了治理關鍵技術,以上研究多集中在汾河源頭水量、水質以及環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,且源區內酸性老窯水出流嚴重影響到周邊生態環境,因此,亟需加強對汾河源區內水資源與水環境的綜合研究工作。本文將汾河源區視為獨立系統,預測雷鳴寺泉流量,分析源區內水環境特征,為資源型地區實現可持續發展、優化水資源配置提供理論支撐。

1 汾河源區概況

汾河源區位于雷鳴寺泉域[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;源區總面積377km2,其中裸露巖溶區面積113km2,約占總面積的30%。

汾河源區內水資源豐富。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。區域內水資源利用主要為農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用水,年均供水量為151萬m3。

區域內歷史非法采礦活動與近年的公路建設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,水土流失嚴重,流域內水源涵養能力降低。春景洼村東側與南側溝谷中有兩處酸性老窯水出流點[6],老窯水味道刺鼻,pH值低,硫酸根離子濃度和礦化度高,具有很強的溶解性和侵蝕性,出流至地表后,成為流域內地表水體與土壤的長期污染源,對源區水環境與生態環境造成破壞。老窯水出露位置見圖1,水質化驗結果見表1。

表1 老窯水出露點水質化驗結果 單位:mg/L

圖1 老窯水出露位置

此外,源區內大廟溝流域與北石溝流域均存在農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處理排入河流的現象,嚴重污染了水環境。

2 汾河源頭泉流量預測

汾河源區是一個相對獨立的水系統,其補給來源主要為大氣降水,排泄方式主要為泉水出流。雷鳴寺泉缺少連續多年泉流量動態觀測資料,至今僅有1997—2004年間的13次偶測數據,泉流量平均為0.2m3/s。因此本次雷鳴寺泉流量預測基于水均衡分析,采用灰色模型進行。

區域內設有宋家崖、岔上、春景洼與前馬龍4座水文測站。首先利用Voronoi diagram法計算出1971—2017年間汾河源頭流域內的月平均降水量,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的降雨入滲系數α,應用式(1)計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補為源區內降雨入滲補給量,m3/s;α為降雨入滲系數,擬合后取α=0.056;P為源區內降雨量,mm;F為源區內裸露可溶巖區面積,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)

得到均值數列

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

在此基礎上建立灰色GM(1,1)模型:

x(0)(k)+az(1)(k)=b(k=2,3,…,n)

其中參數

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定,均呈現出明顯的季節性變化特征。因此,利用matlab軟件計算出各月泉流量的灰色GM(1,1)

模型參數,達到模型設定的精度要求后,可作為天然條件下雷鳴寺泉月流量預測模型。模型參數見表2。

表2 各月灰色GM(1,1)模型參數

選擇2013年1月至2017年12月期間雷鳴寺泉流量計算值,對構建的各月泉流量的灰色GM(1,1)模型進行識別與殘差檢驗,泉流量計算值與預測值對比見圖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測模型。

圖3 雷鳴寺泉流量擬合圖

基于汾河源區內的水資源開發利用現狀與規劃,應用雷鳴寺各月泉流量灰色GM(1,1)模型,可知未來5年內無人類活動干擾的雷鳴寺泉流量基本穩定,年內最大月平均流量一般出現在7月,預測值為0.391m3/s;最小月平均流量一般出現在1月,預測值為0.028m3/s,見圖4。

圖4 雷鳴寺泉流量預測圖

3 汾河源區水環境現狀與納污能力分析

3.1 汾河源區水質評價

汾河源區內地表河流主要有位于雷鳴寺上游的北石溝與大廟溝,根據《山西省地表水環境功能區劃》(DB 14/67—2019),北石溝與大廟溝水環境功能分屬“重要源頭水保護”與“汾河靜樂源頭水保護”區,水質分別執行《地表水環境質量標準》(GB 3838—2002)Ⅱ類與Ⅲ類標準;雷鳴寺泉下游河道屬“地表水飲用水源補給區水源保護”區,水質執行《地表水環境質量標準》(GB 3838—2002)Ⅱ類標準。

此次在北石溝流域與大廟溝流域內7個點位進行了水質采樣監測,監測點位置見圖5。監測結果見表3。

表3 采樣點監測結果 單位:mg/L

圖5 水功能區劃與水質采樣監測點分布

由采樣點水質監測資料可知,BOD5、總氮含量超標,雷鳴寺下游CODCr、總氮含量超標。北石溝與大廟溝流域內河流水質僅達到《地表水環境質量標準》(GB 3838—2022)Ⅴ類水質標準,水環境受到污染。

根據流域內各河段的水環境功能區要求以及不同水質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法識別出源區水環境的主要污染因子,然后結合綜合污染指數法[8]與內梅羅污染指數法[9]對北石溝流域與大廟溝流域內的水質進行綜合評價,為汾河源區水環境與水源地保護提供依據。水質評價方法見表4。

表4 水質評價方法

通過單因子污染指數法計算出各項監測指標污染指數最大值,見表5。

表5 汾河源區監測指標單項污染指數 單位:mg/L

注表中pH值為無量綱數值。

經計算分析,汾河源區兩河流域中水質出現異常的指標主要有總氮、CODCr和BOD5。大廟溝3個斷面總氮指標污染指數分別為1.73、1.68和1.58,分別超標0.73、0.68和0.58倍;監測斷面3位置的BOD5指標污染指數為1.08,超標0.08倍。北石溝3個斷面總氮指標污染指數分別為4.04、3.12和3.00,分別超標3.04、2.12與2.00倍;監測斷面1、3位置的BOD5含量分別超標0.17倍與0.23倍。雷鳴寺泉下游河道中總氮和CODCr指標污染指數分別為1.93與2.52,分別超標0.93倍與1.52倍。其余檢測值不存在超標情況。

3.2 水體納污能力分析

為了充分反映汾河源區內水環境的整體情況,評價水體綜合污染程度,此次根據單因子水質評價結果,選取高錳酸鹽指數、溶解氧、CODCr、BOD5、總磷、總氮等6項易超標指標與常用指標進行綜合評價[10]。評價方法選用綜合污染指數法與內梅羅污染指數法。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、內梅羅污染指數與相應的污染級別見表6。由表6可知,大廟溝與北石溝流域BOD5、總氮含量超標,雷鳴寺下游CODCr、總氮含量超標。

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均勻混合,因此利用河流一維水質模型[11]計算河流對污染指標的納污能力,明確河流自凈能力的閾值。河段水質目標與納污能力計算結果見表7。由表7可知,汾河源區內現狀污染物入河量小于水域納污能力。隨著社會經濟的發展,需根據水功能區類型與水質現狀,制定污染物入河控制量與污染物削減量,提出水源涵養與水源地保護方案。

表7 河段水質目標與納污能力計算結果

4 結 語

根據汾河源區內降水量與雷鳴寺泉流量的季節性波動特征,構建雷鳴寺各月泉流量預測模型,并利用單因子評價法、綜合污染指數法及內梅羅污染指數法從污染因子、污染程度等方面對汾河源區內北石河、大廟河與雷鳴寺下游水體的水質進行評價。

未來5年內,雷鳴寺泉流量變化不大,泉流量為0.028～0.391m3/s。汾河源區內大廟溝、北石溝內BOD5、總氮含量超標,雷鳴寺下游CODCr、總氮含量超標。研究成果對保護汾河流域水土資源、實現資源型地區可持續發展具有重要意義。由于雷鳴寺泉僅有數量較少的偶測資料,此次泉流量預測依靠降水量推算,今后需加強雷鳴寺泉流量的監測工作,結合多種方法預測,為汾河源頭流域的水資源開發利用提供依據。