河流类型划分及水生态环境治理技术研究

唐剑津，陈艳萍，陈志刚

（新余市生态环境污染防治中心，江西 新余 338000）

我国疆域辽阔，不同地区的水文气象条件有所不同，东西部的经济发展也不均衡，水污染态势表现出时空差异性。但是，各个层级流域水生态环境治理的布局与管控未综合分析此差异性，因而造成确定的方案不具备适用性，对此，相关部门应全面考虑流域水污染的特点及影响因素，再基于治理差异性的需要，兼顾气象和经济条件等，构建河流类型划分方法。

1 河流流域介绍

某河流流域面积大概有3.2×103km2，干流长度一共约达到374 km，属于一条关键的支流。这一流域地势为西高东低，最高、最低海拔依次是4 836 m与2 169 m，地方气候是大陆性气候，年降水量为460.5 mm。水系总体呈树枝状，包含较多的支流，而其中的断面为干流在城市的出境断面。研究数据源自普查，涉及到多个县的经济与社会建设统计资料，按照现有研究成果划分控制子单元。

2 河流类型划分的方法

对河流开展分类的核心在于建立科学的指标体系，使用有效的分类方式。因为各个河流污染与生态破坏等有所差异，所采取的治理措施也不一样，所以应该基于河流分类，根据各类河流特征，明确相应的治理技术。通过建立相关的指标体系，采取聚类分析方式对河流进行分类。对于河流类型的划分方法，本文主要从以下方面进行分析，以供参考。

2.1 建立分类指标体系

为相对全面地衡量流域的状况，按照水生态系统的现状及影响因素，遵循相关原则，以多方面为切入点，构建分类指标体系。第一，水环境指标。一般以水体污染度表示，而通过承载率可以相对全面地表示水体污染度。使用比较普遍的是COD以及氨氮，所以，选择二者的承载率作为水环境指标。第二，社会经济及人口指标。以支持农业、经济等发展的指标表示，通过耕地面积的占比表示对农业发展的支撑程度，用资产投资额表示对工业发展的支持，通过GDP表示对社会经济建设的支持，用人口密度表示对人口发展的支持，GDP与投资额源于统计资料。第三，水环境指标。其涉及到表示水量高低及水质情况的指标，通过地表水丰裕度来表示水量多少，以水环境脆弱程度表示水质状况。第四，水生态指标。需要全方位表征抗干扰的恢复能力，通过绿地覆盖情况表示生境质量高低，而恢复能力与生态廊道存在很大关系，用连通度表示。连通度可用连接度指数表示，其计算需要使用ArcGIS软件。具体而言，要将数据进行格栅化处理，然后导入计算COHESION。对于连接度指数，无论是景观还是类型水平，均有着较好的适用性。对绿地覆盖度计算同样也要使用ArcGIS软件，以研究河流作为基准，两岸各五十米是缓冲区，再对植物面积进行计算，与总面积比较获得覆盖度。

2.2 用最短距离聚类法进行河流分类

根据相似性对事物进行分类实际上是一种无监督分类，其中涉及到多种类型，比如动态及图论聚类。在河流分类中，对于系统聚类，不需要提前掌握分类结构，可以将数据标准化后，结合亲疏关系进行分类，而此次研究事先并不掌握应分成几类，也就是还不了解分类结构，所以，系统聚类相对适用。因为每一类指标存在不同的量纲，可采取标准化方式消除量纲，本研究选择极差标准化方式。经常使用的系统聚类一般有两种，即直接与最短距离聚类。第一种聚类根据距离最短原则，结合顺序选取分类目标，按照分类状况绘出聚类谱系图，对于数据较多的样本具有较好的适用性。第二种聚类基于m阶距离矩阵，寻找dpq=min{dij}，把分类目标归为Gr，由drk=min{dpk，dqk}（k不等于p或者q）可以获得各类和新类距离，进而获得（m-1）阶距离矩阵，直至都合一，对于数据不多的样本具有较好的适用性。显而易见，第二种聚类方法更适合此次研究。

2.3 水污染和生态破坏特点解析及技术时序安排判别准则

参考现有研究成果获取划分结果后，基于考察和统计资料，采集获得指标数据，在进行标准化处理后，选择聚类方式对河流进行分类[1]。按照可视化结果，根据有关文献了解不同类型河流的特点，解析水生态环境问题。再基于各种水污染及生态破坏特点，思考不同类型河段应该实施的治理及修复措施及制对策，同时要引入相关命名规则对不同类型河段进行命名。按照水生态环境状况，列出环保及生态修复举措。根据实际情况，明确技术运用的时间节点，再判定时序安排，其中涉及到多项判别准则，比如需求性及可行性分析。对于技术适宜性研究：要结合气候及地理要求，判断是否适合这一区域，如果不适合则不考虑运用；如果适合，则应该深入分析是否运用与何时运用。对于需求性分析：一些技术既使适合、同时具体运用中存在需求，也应该进行深入分析并明确时序安排。对不仅适合本地区运用，还存在运用需求的技术，要研究技术的成熟度：一些技术相对成熟，可以直接运用，无论是处于中期还是前期，该类技术都有着较好的适用性；一些技术不够成熟，则要等今后成熟后，在远期运用。针对适宜运用、存在需求同时相对成熟的技术，应该结合经济可行性进行衡量：针对成本不高并且收益相对理想的技术，在前期运用，及时获取收益；针对所需成本投入相对突出的技术，在获得初始效果的前提下，可以在中期开始运用[2]。

3 河流流域分类情况以及各类河段特征解析与管制举措

3.1 河流流域分类情况

聚类结果如图1所示，控制子单元HY-1、2、3和HB-1、2等处在流域上游，人类活动带来的影响较小、环境较好、系统抵抗力及可靠性相对突出，分成第一类，定为水源保护及生态保育区；控制子单元HHZ-1、2和DT-2、3等被农林活动严重影响、具有污染及水土流失现象的分成第二类；控制子单元DT-4处在城乡过渡带、设施建设难以符合需求、工业污染突出、群众环保意识不强的分成第三类；HZ-1大部分处在河流流域中游、核心产业是养殖业的分成第四类，作为养殖污染控制区；XN-1处在城市地区、被人们活动严重影响的分成第五类，作为管制和水体修复区[3]。

3.2 各类河段特征解析与管制举措

第一类河段人为干扰不大，只存在少许的农牧业污染源，选择的管制举措：水源地生态保育及环保。第二类河段化肥以及杀虫剂等污染突出，选取的管制举措：农田节水，以废水治理为中心。第三类河段工业污染突出、水体净化率不高，选取的管理措施：以工业点源污染处理为主。第四类河段污染源是养殖中废水的排放，选择的管理举措：对养殖区进行科学划分，同时引导产业集中化，加强建设废物治理设施。第五类河段存在很多问题，比如水体净化能力没有符合相关标准，有黑臭水体现象，选取的管制举措：以雨污分流和修复整治为主，详情见表1。

表1 不同河段特点分析与管制建议

4 各类河段治理和修复可选择的技术以及技术适宜引入和运用的时段

4.1 各类河段治理和修复可选择的技术

第1类河段可以选择的技术包括生态预警及保育技术、红线与保护区划定等。第2类河段可以选择的技术包括尾水水量预测、对面源污染进行管制、对水质情况进行实时监控及湿地与沉沙池净化等。第3类河段可以选择的技术包括水质处理效率提升技术，借助人工湿地对污水进行治理、通过物联网来对偷排与漏排进行监督与管理、中水回用技术等。对于第4类河段可以选择的技术包括对禁养区进行划定、生态保育与重金属处理技术等。对于第5类河段可以选择的技术包括中水回用以及雨污分流技术，CSO与过滤带净化等。适应于研究区第一类河段的技术有：生态红线和保护区划定、生态保育以及预警技术等；适用于研究区第二类河段的技术有：灌溉节水，湿地与沉沙池净化，水质与水量预测技术以及实时监控技术；适用于研究区第三类河段的技术有：中水回用以及污水治理等；适用于研究区第四类河段的技术有：生态红线以及禁养区划定、废水治理与使用技术、重金属处理等；适用于研究区第五类河段的技术有：黑臭水体治理，比如采取人工方式进行增氧，CSO控制以及中水回用等。

4.2 技术适宜引入和运用的时段

针对第一类河段，保护区及生态红线的划定、生态保育及预警技术适合地区的气候与地理条件，同时存在需求，技术较为成熟且满足经济性要求，因此在前期开始运用。对于天地一体化监管，契合地方气候与地理情况同时存在需求、技术较为成熟却不满足经济性要求，因此在中期开始运用。针对第二类河段，灌溉节水适合地方气候与地理条件，同时存在需求、技术较为成熟满足经济性要求，因此在前期开始运用。基于尾水水质以及水量，预测和实时监控技术契合地方气候与地理情况，同时存在需求、技术较为成熟却不满足经济性要求，因此在中期开始运用。沉淀池及湿地等净化技术适合地方地理以及气候条件，同时存在需求，但和地方具体结合度较低，因此在远期开始运用。针对第三类河段，中水回用以及污水治理技术适合地方气候以及地理条件，同时存在需求、技术较为成熟且满足经济性要求，因此在前期开始运用。物联网监管技术契合地方气候与地理情况，同时存在需求、技术较为成熟却不满足经济性要求，因此在中期开始运用。针对第四类河段，生态红线以及禁养区划定与生态保育，契合地方气候与地理情况同时存在需求，技术较为成熟且满足经济性要求，因此在前期开始运用。废水处理及所使用的技术适合地方气候及地理条件，同时存在需求，技术较为成熟却不满足经济性要求，因此在中期开始运用。重金属处理契合地方气候与地理情况并存在需求，预计今后养殖深入统一化后会发生相对突出的入河现象，目前问题较小，故而在远期开始运用。针对第五类河段，水体处理以及中水回用适合地方气候以及地理情况，同时存在着技术需求，技术较为成熟且有着较好的经济性，故而在前期开始运用。CSO控制以及污水箱涵技术适合地方气候以及地理情况，同时存在着技术需求、技术较为成熟但经济性较低，因此在中期开始运用，CSO控制涉及到较多有关技术，无法实现一次性完成，应该结合实况在远期应用这些技术。管网破损检测契合地方气候以及地理情况，同时存在需要、但当下并非严重问题，故而在远期开始运用。

5 结语

以某一河流流域为例，基于构建河流分类方式，对多个子单元开展污染物特点分析，为更好地健全分类方法体系提供思路，为生态修复与河道治理等提供参考。将GDP以及COD承载率等作为指标建立分类指标体系，通过系统聚类把这些子单元分成多种流域类型。按照流域分类结果，分析不同河段的污染物特点，进而根据地方实况提出治理以及修复措施，同时根据有关的命名规则对不同河流命名。根据决策树判别准则，以需求性以及可靠性分析为切入点，指明不同技术合适的引入和运用时段。