大凌河河道生态水环境容量修复技术研究

张 鸿

(辽宁省抚顺水文局，辽宁 抚顺 113015)

物元分析是一种能够有效解决多因素不相容问题的数学方法，其关键在于利用可拓集合揭示了事物的内在发展规律，虽不属于数学领域的分支，却保留了较强的开放性能力[1-3]。“物元”概念的提出和完整物元变换体系的创建属物元分析法的典型特征，考虑到存在不相容问题，若从抽象的角度单纯考量“量与形”等要素，则难以保证分析结果的真实客观性。所以，必须以统一的整体看待“量与形”转换，在“质”与“量”转变的同时合理控制相关干扰条件，从而获取最佳的计算结果，这也是物元分析求解不相容问题的核心[4]。

大凌河流域地处辽西地区，流域左侧河网水系密布，有凉水河子河、细河、老虎山河、第二牤牛河等支流。流域内河道生态水环境受降水等气候因素影响，长期处于动态变化中。为有效保护生态水涵养能力，有必要在和谐用水模式下利用传统的可持续规划法确定水资源配置需求，并利用水体敏感性计算方法深入探讨水环境生态功能标准。然而，该方法很容易使得生态水涵养能力计算结果偏低，对大凌河流域河道生态环境的适应性较差[5]。为解决以上问题，本文将水环境容量修复技术与物元分析法有机结合，通过设计一种新型技术手段实现了受污染水体的快速修复，在精准计算水体容量的同时，保证了生态水环境实际蓄洪能力的有效提升。

1 物元分析法

1.1 归一化处理

对于大凌河流域生态水环境而言，物元分析体系中各指标的数量级和单位不尽相同，有的指标数值越大则生态水环境优越(正向指标)，而有的指标数值越小则生态水环境越优(负向指标)。因此，为便于从优隶属度的精准计算，必须先归一化处理水环境评判指标，其计算式(1)为：

(1)

式中：Wij为经归一化处理的标准值；Eij为水环境评价指标实测值；max(Eij)为水环境评价指标的最大值；min(Eij)为水环境评价指标的最小值。

1.2 关联系数计算

河道生态水环境一般是由湿地、河滩地、河堤、河岸、水体等部分组成立体化容量体系，而大凌河流域生态水环境还应包括各类拥有特殊修复功能的区域，这也是物元分析过程中的重要参数[6]。生态水环境保护不仅要保护相关的周边环境条件，如信息、物质、能量等，更要注重河流自然形态的保护。以物元参考标准作为归一化条件，则大凌河流域生态水环境容量实轴上的数值就是关联函数量值K的计算结果，并且评价系数符合实际范围内的容量修复技术，如式(2)：

(2)

式中：β为水环境容量系数提取参量；X0、Xn为大凌河流域生态水环境容量实轴，表示集合和第n个关联函数表示量值集合。

1.3 水环境评价标准

大凌河流域生态水环境具有自然、社会两种属性特征，从营养结构的角度上自然属性可包括分解者、消费者和生产者，主要与微生物及低等动植物相对应[7-8]。流域水环境系统在不受人为干扰的情况下能够维持物资守恒和营养循环，但受人类活动参与流域水环境系统中的生产者数量大幅度增加，如城市污水、暴雨雨水、固体废弃物等有机类营养物质，不仅增大了生活用水、工业生产用水等消费者的水资源消耗量，而且不利于水资源应用和综合用水规划。结合物元分析原理，设f为初始容量修复系数，定义集合X0与X的评价标准如式(3)：

(3)

2 生态水环境容量修复技术

2.1 生态水环境蓄洪能力

大凌河流域的水体蓄洪能力在很大程度上决定着水环境容量的维持和修复功能，这也是准确评判流域水资源储备能力的主要参数。大凌河流域生态水环境比较复杂，多种因素相互作用构成一个完整的有机体系。流域生态水系布局即要强化人工水环境的作用，更要强调水污染治理的核心地位，注重构建河流沿岸湿地缓冲带，逐步建成流域水环境生态保护屏障，以此实现水资源蓄洪能力的不断提升[9]。考虑到后续水体补水质量和水系统现存污水的处理，在生态水环境受纳水体前都要考虑人工和自然处理单元的应用，如设置独立的高效低耗处理区、建成水环境前置处理库、形成稳定自然湿地等。

2.2 水体涵养容量计算

在合理划分大凌河流域生态水环境容量标准的情况下，应用物元分析法计算各集水区水体涵养容量值[10-11]。其中，地面覆盖水系的透水能力是水体涵养容量值φ的主要影响因素，一般条件下透水性越强则生态水体渗透补给地下水层的能力越强，相应的地表径流系数越小。在水环境容量修复和控制时引入区域性综合径流系数，对于开放性区域，其取值区间为0.5～0.8，对于大中型流域水系，如凉水河子河、细河、老虎山河、第二牤牛河等支流的综合径流系数处于0.5～0.6范围。采用物元分析法和历史统计资料，利用水体涵养容量计算公式确定各项参量之间的相互作用关系，并以此作为修复水环境容量的根本依据，其计算式(4)为：

(4)

运用以上公式完成物元分析法的计算处理，并结合各项理论控制系数保证水环境容量修复技术的实施。

3 实例应用

3.1 水环境现状

为检验水环境容量修复工程中物元分析法的应用价值，结合流域实际情况设计相应的对比试验。喷泉试验能够反映大凌河流域生态水环境与当前修复策略的适应性，并且喷泉设备不受水位高低、季节变化等因素的影响，具有施工操作简单、占地面积较小、符合实际防洪要求等优势。此外，喷泉设备相对于其他实验装置具有较好可移动性，在开闸泄水或汛期到来时可以将其全部转移至水面以外，这既保证了河流行洪顺畅又实现了对喷泉系统实行维护和保养[12-16]。

将多个拦蓄结构设置于大凌河流域水系，选择3处典型河段合理布设监测断面，每个断面设3个取样点，于2020年4—9月对所有拦蓄结构开展多次监测，对各项指标权系数利用层次分析法计算结果如表2。

表2 拦蓄河段水质监测均值(待评价物元)

结果显示，表2中的拦蓄河段水体监测结果表现情况明显优于已知可持续规划法的计算结果，已知可持续规划法的pH值相对较低，表明大凌河流域水体处于酸性环境，这与水体容量实际修复要求明显不符。表2中所有监测样本的pH值总体位于7～8范围，表明大凌河流域水体处于弱碱环境，这与水体容量实际修复要求保持一致。

3.2 构造经典域和节域

结合大凌河流域水资源严重匮乏、水环境问题突出、境外来水污染严重、水生态平衡破坏、滨海盐碱湿地退化等生态水环境现状，可通过明确生态规划区水质水量要求、周边水体功能定位等方式维持和修复水环境容量，由此降低湖库水体污染负荷，促使水环境质量不断改善。协同建设自然生态景观增强水环境外界互联功能，加快建成功能显著的生态城区域。因此，针对大凌河流域水污染控制和水环境质量改善目标，考虑运用物元分析法构建受污染水体修复工程，通过采取一系列水体修复和整治措施，保证流域水系达到5年一遇防洪标准和《地表水环境质量标准》中Ⅲ类值要求，更好地满足非人体直接接触及大多数工业用水区用水。

本文综合考虑水环境控制目标等级、水生态规划等要求，将水质从高到低划分成3个等级，不同等级下所有参评指标的节域RN和经典域R01、R02、R03、R04，如表3。

表3 节域和经典域物元

3.3 水环境容量关联度

设生态水环境容量修复工程实施前、后的实际数据为待评物元，利用文中所述公式评价河流水质状况，如表4。所有参评指标在不同评价等级下均为非负值，所以该数值大小反映了隶属于某水质等级的程度。

表4 水环境容量的各等级关联度

总体而言，在大凌河流域河道生态水环境中新型水体容量修复技术具有较好的适用性，对水资源保护发挥着明显积极作用。

4 结 论

物元分析法相对于可持续规划法能够准确地反映pH值变化趋势，更好地满足流域生态水环境保护要求。受蓄洪条件 等因素影响，大凌河流域生态水环境长期处于动态变化的复杂状态，并且水环境容量修复效果难以满足预期目标要求。因此，结合水环境容量实际需求建立更加科学合理的修复方案，在水体涵养容量精准计算的情况下，深入分析大凌河流域实际蓄洪能力，对实现流域水资源高效利用和合理保护具有重要意义。