祖厲河流域水質(zhì)評(píng)價(jià)與生態(tài)環(huán)境需水量研究

，，

(甘肅省定西水文水資源勘測(cè)局，甘肅 定西 743000)

流域水質(zhì)評(píng)價(jià)是防治水污染,規(guī)劃和治理水環(huán)境的基礎(chǔ)性工作。利用合理的水質(zhì)評(píng)價(jià)方法評(píng)價(jià)流域內(nèi)水環(huán)境，為水資源的可持續(xù)發(fā)展提供有力保障[1]。國(guó)家提出要大力推進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)，以改善水環(huán)境質(zhì)量為核心，系統(tǒng)推進(jìn)水污染防治、水生態(tài)保護(hù)和水資源管理。隨著人類(lèi)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、水資源的過(guò)度開(kāi)發(fā)利用以及人類(lèi)排污影響，帶來(lái)了諸如河道斷流、水質(zhì)惡化、濕地消退、生物多樣性減少、水土流失嚴(yán)重等一系列生態(tài)環(huán)境問(wèn)題。生態(tài)環(huán)境作為人類(lèi)生存和發(fā)展的基礎(chǔ)，需要水資源的支撐和保障。水資源已成為區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展和環(huán)境保護(hù)的主要限制因子，在水資源開(kāi)發(fā)利用中必須考慮生態(tài)環(huán)境需水量，因?yàn)樯鷳B(tài)環(huán)境需水量是水資源在生態(tài)環(huán)境建設(shè)和國(guó)民經(jīng)濟(jì)各行業(yè)合理分配的關(guān)鍵依據(jù)[2]。目前，針對(duì)祖厲河流域水質(zhì)評(píng)價(jià)與生態(tài)環(huán)境需水量的研究尚未見(jiàn)報(bào)道，因此，開(kāi)展祖厲河流域內(nèi)水質(zhì)評(píng)價(jià)以及生態(tài)環(huán)境需水量研究，并且對(duì)上下游河段的水質(zhì)狀況提出生態(tài)工程措施，對(duì)維持河流基本生態(tài)功能具有重大的意義和應(yīng)用價(jià)值。

1 研究區(qū)概況

祖厲河是黃河一級(jí)支流，祖厲河上源是厲河，發(fā)源于甘肅省會(huì)寧縣南部與通渭縣交界處的華家?guī)X北麓，北流至?xí)幙h城匯合東來(lái)祖河后始稱(chēng)祖厲河，北偏西流至靖遠(yuǎn)縣城西3 km處的紅嘴子注入黃河。地處東經(jīng)104°13′～105°35′、北緯35°16′～36°34′之間，東西寬124 km，南北長(zhǎng)144 km，主河道全長(zhǎng)219 km，河源至河口平均坡度1.94‰，流域面積10 680 km2。流域?qū)贉貛О敫珊禋夂騾^(qū)，氣溫由南到北遞增，降水由南到北遞減。流域地勢(shì)特征東南高，西北低，流域地處隴西黃土高原，地貌形態(tài)為黃土丘陵和殘?jiān)?。流域水系分布呈羽狀，大致左右岸?duì)稱(chēng)分布。流域內(nèi)設(shè)有會(huì)寧、郭城驛、靖遠(yuǎn)、定西、定西西河、巉口、大羊營(yíng)7處水文站，27處雨量站，站網(wǎng)分布均勻。

2 資料來(lái)源與研究方法

2.1 資料來(lái)源

研究資料選取流域內(nèi)上游會(huì)寧站、下游靖遠(yuǎn)站2個(gè)斷面的地表水水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和實(shí)測(cè)流量數(shù)據(jù)，選用水質(zhì)評(píng)價(jià)具有代表性的評(píng)價(jià)因子：溶解氧、高錳酸鹽指數(shù)、化學(xué)需氧量、五日生化需氧量、氨氮、總磷、六價(jià)鉻,經(jīng)過(guò)對(duì)資料序列的完整性和連續(xù)性的分析，確定水質(zhì)評(píng)價(jià)研究年限為2008-2017年。

2.2 研究方法

本文采用層次分析法確定各評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重，應(yīng)用模糊綜合評(píng)價(jià)法對(duì)流域水質(zhì)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，能夠有效地反映各因子對(duì)對(duì)流域水質(zhì)評(píng)價(jià)的貢獻(xiàn)和決定性因素的評(píng)價(jià)成份，彌補(bǔ)了只考慮單因子評(píng)價(jià)方法的不足。層次分析法與模糊綜合評(píng)價(jià)法的結(jié)合，使其對(duì)水質(zhì)的評(píng)價(jià)更具有合理性，客觀性，提高了評(píng)價(jià)結(jié)果的準(zhǔn)確性。其次采用Tennant法、近10 a最枯月流量法、90%保證率最枯月流量法、月年保證率設(shè)定法分別計(jì)算流域的生態(tài)環(huán)境需水量。

3 結(jié)果與分析

3.1 流域水質(zhì)模糊綜合評(píng)價(jià)

3.1.1 建立模糊綜合評(píng)價(jià)模型[3-5]

選用流域水質(zhì)評(píng)價(jià)具有代表性的評(píng)價(jià)因子，建立因素集u={u1，u2，…u7}={溶解氧、高錳酸鹽指數(shù)、化學(xué)需氧量、五日生化需氧量、氨氮、總磷、六價(jià)鉻}。以國(guó)家地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)為標(biāo)準(zhǔn)，把水質(zhì)分為5類(lèi)，組成評(píng)判集h={h1，h2，…h(huán)5}={Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ}。

構(gòu)造因素集后，逐個(gè)對(duì)被評(píng)價(jià)事物在每個(gè)因素上進(jìn)行量化，進(jìn)而得到模糊關(guān)系矩陣R；

矩陣R中第i(i=1,2,…,7)行，第j(j=1,2,…,5)列元素rij，表示某個(gè)被評(píng)價(jià)因素u對(duì)評(píng)判集h等級(jí)模糊子集的隸屬程度。利用模糊綜合評(píng)價(jià)法的關(guān)鍵就在于建立準(zhǔn)確的隸屬函數(shù)，根據(jù)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)值，按照線性隸屬函數(shù)，確定評(píng)價(jià)因素隸屬函數(shù)計(jì)算公式為(hi，j表示第i項(xiàng)指標(biāo)的第j級(jí)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn))：

1)指標(biāo)值與流域水質(zhì)分類(lèi)呈正相關(guān)(指標(biāo)值越大，分類(lèi)越低)：

ui>hi，1，則ri1=1，ri2=ri3=ri4=ri5=0；

ui

2)指標(biāo)值與流域水質(zhì)分類(lèi)呈負(fù)相關(guān)(指標(biāo)值越大，分類(lèi)越高)：

ui

ui>hi，5，則ri5=1，ri1=ri2=ri3=ri4=0；

根據(jù)以上計(jì)算公式，祖厲河流域上下游汛期和全年水質(zhì)評(píng)價(jià)隸屬度評(píng)價(jià)矩陣分別為：

會(huì)寧站汛期

會(huì)寧站全年

靖遠(yuǎn)站汛期

靖遠(yuǎn)站全年

3.1.2 構(gòu)建各評(píng)價(jià)因子的判斷矩陣

本文采用層次分析法，來(lái)確定評(píng)判過(guò)程中的權(quán)數(shù)分配。層次分析法是一種行之有效的確定權(quán)系數(shù)的有效方法，它把復(fù)雜問(wèn)題中的各因素劃分為互相聯(lián)系的有序?qū)邮怪畻l理化。根據(jù)對(duì)客觀實(shí)際的模糊判斷，相對(duì)重要性給出定量的表示，再利用數(shù)學(xué)方法確定全部元素相對(duì)重要性次序的權(quán)系數(shù)[6]。使用成對(duì)比較法和1～9比較尺度構(gòu)造成判斷矩陣，直到最下層。祖厲河流域上下游汛期和全年水質(zhì)評(píng)價(jià)構(gòu)建的判斷矩陣分別如表1～表4。

表1 會(huì)寧站汛期水質(zhì)評(píng)價(jià)判斷矩陣

表2 會(huì)寧站全年水質(zhì)評(píng)價(jià)判斷矩陣

3.1.3 權(quán)重系數(shù)的確定及一致性檢驗(yàn)

權(quán)重系數(shù)的確定是根據(jù)上層某元素的判斷矩陣，利用和法或根法，計(jì)算出某層次因素對(duì)上一層因素的相對(duì)重要性權(quán)值[7]。本文采用根法計(jì)算各指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)，將構(gòu)建的判斷矩陣的每列歸一化，按行求和并開(kāi)次方；將方根向量正規(guī)化，確定各指標(biāo)權(quán)重系數(shù)W。祖厲河流域上下游汛期和全年水質(zhì)評(píng)價(jià)構(gòu)建的判斷矩陣權(quán)重系數(shù)計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5。

3.1.4 確定模糊綜合評(píng)判矩陣

根據(jù)上述R矩陣和歸一化權(quán)向量W，將R和W進(jìn)行模糊矩陣合成運(yùn)算就可以得到模糊綜合評(píng)價(jià)結(jié)果，即可確定祖厲河流域上下游水質(zhì)綜合評(píng)價(jià)結(jié)果，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表8。根據(jù)最大隸屬度原則，祖厲河流域上下游汛期和全年水質(zhì)評(píng)價(jià)均為Ⅴ類(lèi)水質(zhì)。

表3 靖遠(yuǎn)站汛期水質(zhì)評(píng)價(jià)判斷矩陣

表4 靖遠(yuǎn)站全年水質(zhì)評(píng)價(jià)判斷矩陣

3.2 流域生態(tài)環(huán)境需水量計(jì)算[8-11]

河道生態(tài)環(huán)境需水是指維持水生生物正常生長(zhǎng)及保護(hù)特殊生物和珍稀物種生存，保護(hù)和改善河流水體水質(zhì)等維持生態(tài)環(huán)境所需要的水量。河道最小生態(tài)環(huán)境需水是指維系和保護(hù)河流的最基本生態(tài)環(huán)境功能不受破壞，所必須在河道內(nèi)保留的最小水量，其理論上由河流的基流量組成。

表5 判斷矩陣權(quán)重系數(shù)計(jì)算結(jié)果

3.2.1 Tennant法

以平均流量的百分比作為推薦流量，推薦的基流分為汛期和非汛期，推薦值以占流量的百分比作為標(biāo)準(zhǔn)。一般情況下，非汛期生態(tài)基流應(yīng)不低于多年平均流量的10%；汛期生態(tài)基流可按多年平均流量20%～30%確定。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表9和表10。

3.2.2 近10 a最枯月流量法

以河流年最枯月流量的多年平均值作為河流的基本環(huán)境需水量。該方法采用近10 a實(shí)測(cè)流量作為計(jì)算依據(jù)。計(jì)算公式為：

(1)

式中：Wb為河流最小生態(tài)環(huán)境需水量，m3/s；Qmin為第i年實(shí)測(cè)最枯月平均流量，m3/s；n為統(tǒng)計(jì)年數(shù)。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表9和表10。

3.2.3 90%保證率最枯月流量法

選取每年最枯月平均流量，取保證率90%的最枯月平均流量作為最小生態(tài)環(huán)境需水量。計(jì)算公式如下：

Wr =Min(Wij)P=90%

(2)

式中：Wr為河流最小生態(tài)環(huán)境需水量，單位m3/s；Min(Wij)P=90%表示90%保證率最枯月平均流量，單位m3/s。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表9和表10。

表6 隨機(jī)性指標(biāo)數(shù)值

3.2.4 月年保證率設(shè)定法[12]

根據(jù)系列水文統(tǒng)計(jì)資料，在不同的月保證率前提下，以不同天然流量百分比作為河道環(huán)境需水量的等級(jí)，分別計(jì)算不同保證率、不同等級(jí)下的月年河道基本環(huán)境需水量。計(jì)算步驟：

1)根據(jù)系列水文資料，計(jì)算90%保證率下所對(duì)應(yīng)的水文年及多年平均情況下的各月天然流量、多年平均值。

2)選擇90%保證率、多年平均所對(duì)應(yīng)的各月天然流量作為原始數(shù)據(jù)，進(jìn)行各月河道環(huán)境需水量計(jì)算，具體方法是分5個(gè)推薦流量等級(jí)：極好、非常好、好、中、最小。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表9和表10。

表7 一致性檢驗(yàn)結(jié)果

3.2.5 結(jié)果分析

根據(jù)上述分析計(jì)算，靖遠(yuǎn)站Tennant法非汛期、90%保證率最枯月平均流量和90%月年保證率中等(30%)情況的生態(tài)環(huán)境需水量接近，占多年平均流量的8.2%～12.5%，平均10.3%。會(huì)寧Tennant法非汛期和90%月年保證率中等(30%)情況的生態(tài)環(huán)境需水量接近，分別占多年平均流量的9.1%和10.1%。而近10年最枯月流量、90%保證率最枯月流量和最小生態(tài)環(huán)境需水量計(jì)算結(jié)果相差較大。Tennant法汛期會(huì)寧占84.8%，靖遠(yuǎn)占83.2%。上述方法的計(jì)算結(jié)果都在90%月年保證率中等(30%)的計(jì)算范圍之內(nèi)，因此，采用90%月年保證率法來(lái)計(jì)算祖厲河流域的生態(tài)環(huán)境需水量較為合理。通過(guò)分析得出，祖厲河流域的生態(tài)環(huán)境需水量會(huì)寧站為0.039 m3/s，靖遠(yuǎn)站為0.413 m3/s，分別占多年平均流量的10.1%和12.5%，滿(mǎn)足多年平均流量的10%以上。

表8 各監(jiān)測(cè)斷面水質(zhì)評(píng)價(jià)結(jié)果

表9 祖厲河流域生態(tài)環(huán)境需水量計(jì)算結(jié)果 m3/s

表10 不同計(jì)算方法占多年平均流量的比例結(jié)果 %

4 結(jié)論與建議

綜上所述，通過(guò)對(duì)祖厲河上下游2個(gè)監(jiān)測(cè)斷面的水質(zhì)分汛期和全年兩個(gè)時(shí)段進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)以及對(duì)2個(gè)斷面的生態(tài)環(huán)境需水量進(jìn)行計(jì)算分析，得出如下結(jié)論：

(1)根據(jù)最大隸屬度原則，祖厲河流域上下游汛期和全年兩個(gè)時(shí)段的水質(zhì)評(píng)價(jià)均為Ⅴ類(lèi)水質(zhì)。會(huì)寧站水質(zhì)汛期比全年污染更嚴(yán)重些，可能與非汛期河道出現(xiàn)斷流，汛期工業(yè)廢水、城市居民生活污水排放過(guò)多有關(guān)；靖遠(yuǎn)站水質(zhì)汛期與全年相比污染較輕些，可能與汛期河道來(lái)水量大、降水量多，污染物質(zhì)降解稀釋較強(qiáng)有關(guān)。

(2)文中采用多種方法計(jì)算祖厲河流域生態(tài)環(huán)境需水量，對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析，得出采用90%月年保證率設(shè)定法來(lái)計(jì)算祖厲河流域的生態(tài)環(huán)境需水量較為合理。最后確定祖厲河流域的生態(tài)環(huán)境需水量會(huì)寧站為0.039 m3/s，靖遠(yuǎn)站為0.413 m3/s，分別占多年平均流量的10.1%和12.5%，滿(mǎn)足多年平均流量的10%以上。

針對(duì)祖厲河流域水環(huán)境問(wèn)題，對(duì)流域水污染控制和生態(tài)環(huán)境保護(hù)提出以下建議：

(1)源頭控制，控制化肥農(nóng)藥施用，發(fā)展循環(huán)農(nóng)業(yè)，將農(nóng)村畜牧業(yè)和人類(lèi)生活垃圾進(jìn)行無(wú)害化處理，減少工業(yè)生活污水產(chǎn)出量，加大污水處理力度，減少面污染。

(2)河道水體稀釋凈化，保證河道生態(tài)環(huán)境最小需水量，維持河道生態(tài)環(huán)境健康。流域上游非汛期經(jīng)常性出現(xiàn)斷流，近幾年尤為嚴(yán)重，因此權(quán)宜之計(jì)是通過(guò)跨流域調(diào)水，增加河道水量，擴(kuò)大水環(huán)境容量，以解決經(jīng)濟(jì)用水?dāng)D占生態(tài)環(huán)境需水的局面，這是實(shí)現(xiàn)祖厲河流域水環(huán)境治理目標(biāo)的重要前提。