汾河源区雷鸣寺泉流量预测与水环境特征分析

徐树媛 相兴华 张书凯

(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)

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;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。1971—2017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

图1 老窑水出露位置

此外,源区内大庙沟流域与北石沟流域均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 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1997—2004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1971—2017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寺泉水流量拟合最好时所对应的降雨入渗系数α,应用式(1)计算出雷鸣寺泉水长系列流量值。

Q泉=Q降=αPF

(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;α为降雨入渗系数,拟合后取α=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。

(2)

对x(1)作紧邻均值生成,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),…

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年雷鸣寺泉各月流量见图2。

图2 1971—2017年雷鸣寺泉各月流量

由图2可知,1971—2017年间各月平均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)

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

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。

图3 雷鸣寺泉流量拟合图

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。

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—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 3838—2002)Ⅱ类与Ⅲ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 3838—2002)Ⅱ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。

表3 采样点监测结果 单位:mg/L

图5 水功能区划与水质采样监测点分布

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》(GB 3838—2022)Ⅴ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。

表4 水质评价方法

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,见表5。

表5 汾河源区监测指标单项污染指数 单位:mg/L

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CODCr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。

表7 河段水质目标与纳污能力计算结果

4 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。