1、DOI:1016616/jcnki10-1326/TV20230901汾河源区雷鸣寺泉流量预测与水环境特征分析徐树媛1,3 相兴华2,3 张书凯4(1 山西能源学院地质与测绘工程系,山西 晋中 030060;2 山西能源学院强基学院,山西 晋中 030060;3 山西能源学院地质环境与防灾减灾研究中心,山西 晋中 030060;4 太原理工大学水利科学与工程学院,山西 太原 030024)【摘 要】为加强汾河源区内水资源与水环境研究工作,本文构建了雷鸣寺月泉流量的灰色 GM(1,1)预测模型,采用单因子评价法、综合污染指数法及内梅罗污染指数法,对汾河源区水源地水质状况进行分析评价。结果表明,雷
2、鸣寺泉流量稳定在 0 028 0 391m3/s,年内月平均流量最大值与最小值分别出现在 7 月与 12 月。源区内北石沟、大庙沟与雷鸣寺下游水质均未达到水功能区水质标准,水环境受到污染。研究成果可为区域优化水资源配置提供理论支撑。【关键词】汾河源区;泉流量预测;水环境分析;雷鸣寺中图分类号:TV213 4 文献标志码:B 文章编号:2096-0131(2023)09-001-07Prediction of Flow Rate and Analysis of Water EnvironmentCharacteristics of Leiming Temple Spring in Fenhe R
3、iver Source AreaXU Shuyuan1,3,XIANG Xinghua2,3,ZHANG Shukai4(1.Department of Geology and Surveying and Mapping,Shanxi Institute of Energy,Jinzhong 030060,China;2.Qiangji College,Shanxi Institute of Energy,Jinzhong 030060,China;3.Research Center of Geological Environment and Disaster Prevention and M
4、itigation,Jinzhong 030060,China;4.College of Water Resources Science and Engineering,Taiyuan University of Technology,Taiyuan 030024,China)收稿日期:2023-02-20网络首发地址:http:/ strengthen the research on water resources and water environment in Fenhe River Source Area,this paperestablishes a grey GM(1,1)pred
5、iction model for the monthly flow rate of Leiming Temple Spring.The single-factorevaluation method,comprehensive pollution index method,and Nemerow pollution index method are employed to analyzeand evaluate the water quality in the water source area of Fenhe River.The results indicate that the flow
6、rate of LeimingTemple Spring remains stable at 0 028 0 391m3/s,with the maximum and minimum monthly average flow rates occurringin July and December,respectively.The water quality in Beishigou,Damiaogou,and downstream of Leiming Temple in the1source area does not meet the water quality standards for
7、 water functional zones,indicating pollution in the waterenvironment.The research findings can provide theoretical support for optimizing the rational allocation of water resourcesin the region.Key words:Fenhe River Source Area;flow rate prediction of spring;water environment analysis;Leiming Temple
8、 汾河全流域位于山西省境内,是山西的第一大河,也是黄河的第二大支流。汾河源出于宁武县管涔山脚下雷鸣寺泉1,自北向南流经静乐、太原、临汾三大盆地后,于河津市万荣县汇入黄河,全长 716km,纵贯山西省境中部,经过 6 市 45 县(区)。汾河流域是山西经济社会发展与生态建设的核心区域,源头水资源与水环境特征直接影响着汾河流域的生态环境质量。近年来,受人类活动影响,汾河源区水源涵养能力减弱,上游水土流失严重,成为汾河向黄河输入泥沙的主要源区。针对汾河源头水资源与环境问题,崔炳玉等2利用数值分析法计算了雷鸣寺泉水资源量,马浩天等3利用稳定同位素方法进行了汾河水源解析,葛熙豪等4针对汾河源头的地质环境
9、问题提出了治理关键技术,以上研究多集中在汾河源头水量、水质以及环境问题等单一方面的探讨。由于汾河源头雷鸣寺泉流量资料少,研究程度低,且源区内酸性老窑水出流严重影响到周边生态环境,因此,亟需加强对汾河源区内水资源与水环境的综合研究工作。本文将汾河源区视为独立系统,预测雷鸣寺泉流量,分析源区内水环境特征,为资源型地区实现可持续发展、优化水资源配置提供理论支撑。1 汾河源区概况汾河源区位于雷鸣寺泉域5西北部,北以神池县南部两条北东东向断层为界,与神头泉域相邻;南至汾河支流地表分水岭;西部边界位于大东沟下官庄黄草梁一带,以地表分水岭为界,与天桥泉域相邻;东以近南北向摩天岭断层和地下水滞留性隔水边界为界
10、;源区总面积 377km2,其中裸露岩溶区面积 113km2,约占总面积的30%。汾河源区内水资源丰富。19712017 年多年平均水资源总量为 1 46 亿 m3,其中可利用水资源量为0 35 亿 m3。区域内水资源利用主要为农村生活用水与雷鸣寺取水工程供水,雷鸣寺取水工程主要供水对象为宁武县城居民生活用水与部分工业用水,年均供水量为 151 万 m3。区域内历史非法采矿活动与近年的公路建设改变了原始地形地貌,山坡变陡,岩体裸露,植被遭到大量破坏,更多降水转化为坡面径流,汛期河流径流量增加,枯水期河流水位下降,水土流失严重,流域内水源涵养能力降低。春景洼村东侧与南侧沟谷中有两处酸性老窑水出流
11、点6,老窑水味道刺鼻,pH 值低,硫酸根离子浓度和矿化度高,具有很强的溶解性和侵蚀性,出流至地表后,成为流域内地表水体与土壤的长期污染源,对源区水环境与生态环境造成破坏。老窑水出露位置见图 1,水质化验结果见表 1。表 1 老窑水出露点水质化验结果单位:mg/L出露点位检 测 指 标pH 值硫酸盐铁锰总硬度溶解性总固体东侧沟谷2 564560 0453 0033 4014607040南侧沟谷5 26369 00 063 16356772两沟汇合处2 543490 0215 0026 1015306720入汾河口处8 2873 30 030 01268387 此外,源区内大庙沟流域与北石沟流域均
12、存在农村生活垃圾随意堆放在沟谷与河边、生活污水及畜禽粪便等污染物未经处理排入河流的现象,严重污染了水环境。2图 1 老窑水出露位置2 汾河源头泉流量预测汾河源区是一个相对独立的水系统,其补给来源主要为大气降水,排泄方式主要为泉水出流。雷鸣寺泉缺少连续多年泉流量动态观测资料,至今仅有19972004 年间的 13 次偶测数据,泉流量平均为0 2m3/s。因此本次雷鸣寺泉流量预测基于水均衡分析,采用灰色模型进行。区域内设有宋家崖、岔上、春景洼与前马龙 4 座水文测站。首先利用 Voronoi diagram 法计算出 19712017 年间汾河源头流域内的月平均降水量,再选择期间月平均降水量与雷鸣
13、寺泉水流量拟合最好时所对应的降雨入渗系数,应用式(1)计算出雷鸣寺泉水长系列流量值。Q泉=Q降=PF(1)式中:Q泉为雷鸣寺泉水出流量,m3/s;Q补为源区内降雨入渗补给量,m3/s;为降雨入渗系数,拟合后取=0 056;P 为源区内降雨量,mm;F 为源区内裸露可溶岩区面积,m2。对泉流量数 据 建 立 时 间 序 列 x(0)=x(0)(1),x(0)(2),x(0)(3),x(0)(n),累加处理(1-AGO)后,根据 x(1)(k)=ki=1x(0)(i),得到新序列 x(1),模型的白化微分方程为dx(1)dt+ax(1)(t)=b(2)对 x(1)作紧邻均值生成,如z(1)(k)=
14、0 5x(1)(k)+0 5x(1)(k-1)(k=2,3,n)得到均值数列z(1)=z(1)(2),z(1)(3),z(1)(4),z(1)(n)在此基础上建立灰色 GM(1,1)模型:x(0)(k)+az(1)(k)=b(k=2,3,n)其中参数u=(a,b)T,Y=x(0)(2),x(0)(3),x(0)(n)T,B=-z(1)(2)1-z(1)(3)1-z(1)(n)1 利用最小二乘法求解,得到灰色 GM(1,1)模型:x(1)(k+1)=x(0)(1)-bae-ak+ba(k=1,2,n-1)19712017 年雷鸣寺泉各月流量见图 2。由图 2 可知,19712017 年间各月平均
15、降水量与泉流量基本稳定,均呈现出明显的季节性变化特征。因此,利用 matlab 软件计算出各月泉流量的灰色GM(1,1)3徐树媛等/汾河源区雷鸣寺泉流量预测与水环境特征分析 图 2 19712017 年雷鸣寺泉各月流量模型参数,达到模型设定的精度要求后,可作为天然条件下雷鸣寺泉月流量预测模型。模型参数见表 2。表 2 各月灰色 GM(1,1)模型参数参 数1 月2 月3 月4 月5 月6 月7 月8 月9 月10 月11 月12 月X(0)(1)0 0060 0120 0350 0320 0310 1600 4110 2320 2630 0340 0860 043a-0 01459-0 014
16、51-0 00741-0 01188-0 01353-0 00665-0 00714 0 000426-0 01367-0 00768-0 01698-0 02087b0 013450 023490 046410 061870 090000 192150 273140 316700 142730 073110 026570 01194 选择2013 年1 月至2017 年12 月期间雷鸣寺泉流量计算值,对构建的各月泉流量的灰色 GM(1,1)模型进行识别与残差检验,泉流量计算值与预测值对比见图 3。由图3 可知,模型的绝对平均残差为 0 022m3/s,平均残差率为 16 86%,模拟合格率为
17、 91 70%,因此,该灰色GM(1,1)模型可作为雷鸣寺泉流量的预测模型。基于汾河源区内的水资源开发利用现状与规划,应用雷鸣寺各月泉流量灰色 GM(1,1)模型,可知未来5 年内无人类活动干扰的雷鸣寺泉流量基本稳定,年内最大 月 平 均 流 量 一 般 出 现 在 7 月,预 测 值 为0 391m3/s;最小月平均流量一般出现在 1 月,预测值为 0 028m3/s,见图 4。4图 3 雷鸣寺泉流量拟合图图 4 雷鸣寺泉流量预测图3 汾河源区水环境现状与纳污能力分析3 1 汾河源区水质评价汾河源区内地表河流主要有位于雷鸣寺上游的北石沟与大庙沟,根据山西省地表水环境功能区划(DB 14/67
18、2019),北石沟与大庙沟水环境功能分属“重要源头水保护”与“汾河静乐源头水保护”区,水质分别执行地表水环境质量标准(GB 38382002)类与类标准;雷鸣寺泉下游河道属“地表水饮用水源补给区水源保护”区,水质执行地表水环境质量标准(GB 38382002)类标准。此次在北石沟流域与大庙沟流域内 7 个点位进行了水质采样监测,监测点位置见图 5。监测结果见表 3。图 5 水功能区划与水质采样监测点分布表 3 采样点监测结果单位:mg/L采样点pH 值氯化物高锰酸盐指数NH3-N 溶解氧 CODCrBOD5铜砷汞铅六价铬总硬度硝酸盐氮氟化物总磷总氮氰化物硫化物挥发酚18 185 982 000
19、 107 78 13 80 000790 00029000 004214 521 000 0660 011 730 0010 005 0 000328 292 992 120 087 910 83 80 001060 00610000 004161 790 920 1000 071 680 0010 005 0 000338 382 991 880 107 89 54 30 000870 00051000 004185 760 830 0930 011 580 0010 005 0 000348 235 982 080 078 77 63 50 000380 00031000 004217 5
20、21 150 0620 012 020 0010 0050 000458 335 982 160 098 17 23 00 000350 00043000 004197 750 720 0610 011 560 0010 005 0 000368 253 981 960 067 88 93 70 000540 00050000 004195 350 820 1080 011 500 0010 0050 000578 4601 500 097 529 02 100000 01600 011 2600 0140 0004 由采样点水质监测资料可知,BOD5、总氮含量超标,雷鸣寺下游 CODCr、总
21、氮含量超标。北石沟与大庙沟流域内河流水质仅达到地表水环境质量标准(GB38382022)类水质标准,水环境受到污染。根据流域内各河段的水环境功能区要求以及不同水质评价方法的适用条件7,本次评价首先利用单因子污染指数法识别出源区水环境的主要污染因子,然后结合综合污染指数法8与内梅罗污染指数法9对北石沟流域与大庙沟流域内的水质进行综合评价,为汾河源区水环境与水源地保护提供依据。水质评价方法见表4。5徐树媛等/汾河源区雷鸣寺泉流量预测与水环境特征分析 表 4 水质评价方法评 价 方 法评 价 模 型物理量含义适用条件单因子指数法Pi=Ci/Si Pi 第 i 项污染物的污染指数;Ci 第 i 项污染
22、物的实测值;Si 第 i 项污染物的评价标准值 仅个别指标超标或某一指标超标严重,判断水体主要污染物综合评价综合污染指数法Pi=Ci/SiP=1nni=1Pi Pi 第 i 项污染物的污染指数;Ci 第 i 项污染物的实测值;Si 第 i 项污染物的评价标准值;P 综合污染指数 判断水体主要污染物及污染程度内梅罗污染指数法P综=P2max+P2ave2Pave=1nni=1Pi P综 内梅罗污染指数;Pmax 监测点单因子污染指数最大值;Pave 监测点各项单因子污染指数平均值;n 参与评价的水质指标个数 检测河流水质污染最严重的超标因子 通过单因子污染指数法计算出各项监测指标污染指数最大值,
23、见表 5。表 5 汾河源区监测指标单项污染指数单位:mg/L采样点pH 值氯化物高锰酸盐指数NH3-N 溶解氧 CODCrBOD5铜砷汞铅六价铬硝酸盐氮氟化物总磷总氮氰化物 硫化物挥发酚10 390 020 330 101 540 410 950 000790 0058000 080 1000 0660 051 730 0050 0250 0620 430 010 350 081 580 540 950 001060 1220000 080 0920 1000 351 680 005 0 0250 0630 460 010 310 101 560 481 080 000870 0102000
24、080 0830 0930 051 580 005 0 0250 0640 410 020 520 141 450 511 170 000380 0062000 080 1150 0620 104 040 020 0 0500 2050 440 020 540 181 350 481 000 000350 0086000 080 0720 0610 103 120 020 0 0500 1560 420 020 490 121 300 591 230 000540 0100000 080 0820 1080 103 000 0200 0500 2570 4900 380 171 251 930
25、 7000000 3200 102 5200 1400 20 注 表中 pH 值为无量纲数值。经计算分析,汾河源区两河流域中水质出现异常的指标主要有总氮、CODCr和 BOD5。大庙沟 3 个断面总氮指标污染指数分别为 1 73、1 68 和 1 58,分别超标0 73、0 68 和0 58 倍;监测断面3 位置的 BOD5指标污染指数为 1 08,超标 0 08 倍。北石沟 3 个断面总氮指标污染指数分别为 4 04、3 12 和 3 00,分别超标3 04、2 12 与 2 00 倍;监测断面 1、3 位置的 BOD5含量分别超标 0 17 倍与 0 23 倍。雷鸣寺泉下游河道中总氮和 C
26、ODCr指标污染指数分别为 1 93 与 2 52,分别超标 0 93 倍与 1 52 倍。其余检测值不存在超标情况。3 2 水体纳污能力分析为了充分反映汾河源区内水环境的整体情况,评价水体综合污染程度,此次根据单因子水质评价结果,选取高锰酸盐指数、溶解氧、CODCr、BOD5、总磷、总氮等 6 项易超标指标与常用指标进行综合评价10。评价方法选用综合污染指数法与内梅罗污染指数法。大庙沟 3 个断面、北石沟 3 个断面以及雷鸣寺泉下游河道的综合污染指数、内梅罗污染指数与相应的污染级别见表6。由表6 可知,大庙沟与北石沟流域 BOD5、总氮含量超标,雷鸣寺下游 CODCr、总氮含量超标。由于两条
27、河流宽深比不大,污染物在横断面上能够短时间内均匀混合,因此利用河流一维水质模型11计算河流对污染指标的纳污能力,明确河流自净能力的阈值。河段水质目标与纳污能力计算结果见表 7。由表 7 可知,汾河源区内现状污染物入河量小于水域纳污能力。随着社会经济的发展,需根据水功能区类型与水质现状,制定污染物入河控制量与污染物削减量,提出水源涵养与水源地保护方案。6表 6 汾河源区水质评价结果监测点位置单 因 子 评 价 法综合污染指数法内梅罗污染指数法高锰酸盐指数溶解氧CODCrBOD5总磷总氮类别P级别P级别大庙沟10 330 650 410 950 051 730 69轻污染1 3220 350 63
28、0 540 950 351 680 75中污染1 3030 310 640 481 080 051 580 69中污染1 22北石沟40 520 690 511 170 104 041 17重污染2 9750 540 740 481 000 103 121 00中污染2 3260 490 770 591 230 103 001 03重污染2 24雷鸣寺泉下游0 380 801 930 700 102 521 07重污染1 94表 7 河段水质目标与纳污能力计算结果河段名称BOD5总 氮COD水质目标/(mg/L)纳污能力/(t/a)水质目标/(mg/L)纳污能力/(t/a)水质目标/(mg/L
29、)纳污能力/(t/a)大庙沟460 301 01 7120北石沟342 590 56 5815雷鸣寺泉下游30 542 14151220 34 结 语根据汾河源区内降水量与雷鸣寺泉流量的季节性波动特征,构建雷鸣寺各月泉流量预测模型,并利用单因子评价法、综合污染指数法及内梅罗污染指数法从污染因子、污染程度等方面对汾河源区内北石河、大庙河与雷鸣寺下游水体的水质进行评价。未来 5 年内,雷鸣寺泉流量变化不大,泉流量为0 028 0 391m3/s。汾河源区内大庙沟、北石沟内BOD5、总氮含量超标,雷鸣寺下游 CODCr、总氮含量超标。研究成果对保护汾河流域水土资源、实现资源型地区可持续发展具有重要意
30、义。由于雷鸣寺泉仅有数量较少的偶测资料,此次泉流量预测依靠降水量推算,今后需加强雷鸣寺泉流量的监测工作,结合多种方法预测,为汾河源头流域的水资源开发利用提供依据。参考文献1 谢浩,梁永平,申豪勇,等.汾河流域岩溶大泉的亘古亘今J.中国矿业,2019,28(S1):358-360.2 崔炳玉,崔红英.以数值分析法求解矛盾方程组计算雷鸣寺泉水资源量J.科技情报开发与经济,2007(9):152-153.3 马浩天,甄志磊,武小钢.汾河源头水源稳定同位素特征及水源解析J.环境化学,2021,40(11):3432-3442.4 葛熙豪,马亮,侯湖平,等.汾河源头矿山地质环境治理关键技术J.西部探矿工
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