祖厉河流域水质评价与生态环境需水量研究

，，

(甘肃省定西水文水资源勘测局，甘肃 定西 743000)

流域水质评价是防治水污染,规划和治理水环境的基础性工作。利用合理的水质评价方法评价流域内水环境，为水资源的可持续发展提供有力保障[1]。国家提出要大力推进生态文明建设，以改善水环境质量为核心，系统推进水污染防治、水生态保护和水资源管理。随着人类社会经济的发展、水资源的过度开发利用以及人类排污影响，带来了诸如河道断流、水质恶化、湿地消退、生物多样性减少、水土流失严重等一系列生态环境问题。生态环境作为人类生存和发展的基础，需要水资源的支撑和保障。水资源已成为区域经济发展和环境保护的主要限制因子，在水资源开发利用中必须考虑生态环境需水量，因为生态环境需水量是水资源在生态环境建设和国民经济各行业合理分配的关键依据[2]。目前，针对祖厉河流域水质评价与生态环境需水量的研究尚未见报道，因此，开展祖厉河流域内水质评价以及生态环境需水量研究，并且对上下游河段的水质状况提出生态工程措施，对维持河流基本生态功能具有重大的意义和应用价值。

1 研究区概况

祖厉河是黄河一级支流，祖厉河上源是厉河，发源于甘肃省会宁县南部与通渭县交界处的华家岭北麓，北流至会宁县城汇合东来祖河后始称祖厉河，北偏西流至靖远县城西3 km处的红嘴子注入黄河。地处东经104°13′～105°35′、北纬35°16′～36°34′之间，东西宽124 km，南北长144 km，主河道全长219 km，河源至河口平均坡度1.94‰，流域面积10 680 km2。流域属温带半干旱气候区，气温由南到北递增，降水由南到北递减。流域地势特征东南高，西北低，流域地处陇西黄土高原，地貌形态为黄土丘陵和残原。流域水系分布呈羽状，大致左右岸对称分布。流域内设有会宁、郭城驿、靖远、定西、定西西河、巉口、大羊营7处水文站，27处雨量站，站网分布均匀。

2 资料来源与研究方法

2.1 资料来源

研究资料选取流域内上游会宁站、下游靖远站2个断面的地表水水质监测数据和实测流量数据，选用水质评价具有代表性的评价因子：溶解氧、高锰酸盐指数、化学需氧量、五日生化需氧量、氨氮、总磷、六价铬,经过对资料序列的完整性和连续性的分析，确定水质评价研究年限为2008-2017年。

2.2 研究方法

本文采用层次分析法确定各评价指标的权重，应用模糊综合评价法对流域水质进行综合评价，能够有效地反映各因子对对流域水质评价的贡献和决定性因素的评价成份，弥补了只考虑单因子评价方法的不足。层次分析法与模糊综合评价法的结合，使其对水质的评价更具有合理性，客观性，提高了评价结果的准确性。其次采用Tennant法、近10 a最枯月流量法、90%保证率最枯月流量法、月年保证率设定法分别计算流域的生态环境需水量。

3 结果与分析

3.1 流域水质模糊综合评价

3.1.1 建立模糊综合评价模型[3-5]

选用流域水质评价具有代表性的评价因子，建立因素集u={u1，u2，…u7}={溶解氧、高锰酸盐指数、化学需氧量、五日生化需氧量、氨氮、总磷、六价铬}。以国家地表水环境质量标准为标准，把水质分为5类，组成评判集h={h1，h2，…h5}={Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ}。

构造因素集后，逐个对被评价事物在每个因素上进行量化，进而得到模糊关系矩阵R；

矩阵R中第i(i=1,2,…,7)行，第j(j=1,2,…,5)列元素rij，表示某个被评价因素u对评判集h等级模糊子集的隶属程度。利用模糊综合评价法的关键就在于建立准确的隶属函数，根据水质标准值，按照线性隶属函数，确定评价因素隶属函数计算公式为(hi，j表示第i项指标的第j级水质标准)：

1)指标值与流域水质分类呈正相关(指标值越大，分类越低)：

ui>hi，1，则ri1=1，ri2=ri3=ri4=ri5=0；

ui

2)指标值与流域水质分类呈负相关(指标值越大，分类越高)：

ui

ui>hi，5，则ri5=1，ri1=ri2=ri3=ri4=0；

根据以上计算公式，祖厉河流域上下游汛期和全年水质评价隶属度评价矩阵分别为：

会宁站汛期

会宁站全年

靖远站汛期

靖远站全年

3.1.2 构建各评价因子的判断矩阵

本文采用层次分析法，来确定评判过程中的权数分配。层次分析法是一种行之有效的确定权系数的有效方法，它把复杂问题中的各因素划分为互相联系的有序层使之条理化。根据对客观实际的模糊判断，相对重要性给出定量的表示，再利用数学方法确定全部元素相对重要性次序的权系数[6]。使用成对比较法和1～9比较尺度构造成判断矩阵，直到最下层。祖厉河流域上下游汛期和全年水质评价构建的判断矩阵分别如表1～表4。

表1 会宁站汛期水质评价判断矩阵

表2 会宁站全年水质评价判断矩阵

3.1.3 权重系数的确定及一致性检验

权重系数的确定是根据上层某元素的判断矩阵，利用和法或根法，计算出某层次因素对上一层因素的相对重要性权值[7]。本文采用根法计算各指标的权重系数，将构建的判断矩阵的每列归一化，按行求和并开次方；将方根向量正规化，确定各指标权重系数W。祖厉河流域上下游汛期和全年水质评价构建的判断矩阵权重系数计算结果见表5。

3.1.4 确定模糊综合评判矩阵

根据上述R矩阵和归一化权向量W，将R和W进行模糊矩阵合成运算就可以得到模糊综合评价结果，即可确定祖厉河流域上下游水质综合评价结果，计算结果见表8。根据最大隶属度原则，祖厉河流域上下游汛期和全年水质评价均为Ⅴ类水质。

表3 靖远站汛期水质评价判断矩阵

表4 靖远站全年水质评价判断矩阵

3.2 流域生态环境需水量计算[8-11]

河道生态环境需水是指维持水生生物正常生长及保护特殊生物和珍稀物种生存，保护和改善河流水体水质等维持生态环境所需要的水量。河道最小生态环境需水是指维系和保护河流的最基本生态环境功能不受破坏，所必须在河道内保留的最小水量，其理论上由河流的基流量组成。

表5 判断矩阵权重系数计算结果

3.2.1 Tennant法

以平均流量的百分比作为推荐流量，推荐的基流分为汛期和非汛期，推荐值以占流量的百分比作为标准。一般情况下，非汛期生态基流应不低于多年平均流量的10%；汛期生态基流可按多年平均流量20%～30%确定。计算结果见表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为河流的基本环境需水量。该方法采用近10 a实测流量作为计算依据。计算公式为：

(1)

式中：Wb为河流最小生态环境需水量，m3/s；Qmin为第i年实测最枯月平均流量，m3/s；n为统计年数。计算结果见表9和表10。

3.2.3 90%保证率最枯月流量法

选取每年最枯月平均流量，取保证率90%的最枯月平均流量作为最小生态环境需水量。计算公式如下：

Wr =Min(Wij)P=90%

(2)

式中：Wr为河流最小生态环境需水量，单位m3/s；Min(Wij)P=90%表示90%保证率最枯月平均流量，单位m3/s。计算结果见表9和表10。

表6 随机性指标数值

3.2.4 月年保证率设定法[12]

根据系列水文统计资料，在不同的月保证率前提下，以不同天然流量百分比作为河道环境需水量的等级，分别计算不同保证率、不同等级下的月年河道基本环境需水量。计算步骤：

1)根据系列水文资料，计算90%保证率下所对应的水文年及多年平均情况下的各月天然流量、多年平均值。

2)选择90%保证率、多年平均所对应的各月天然流量作为原始数据，进行各月河道环境需水量计算，具体方法是分5个推荐流量等级：极好、非常好、好、中、最小。计算结果见表9和表10。

表7 一致性检验结果

3.2.5 结果分析

根据上述分析计算，靖远站Tennant法非汛期、90%保证率最枯月平均流量和90%月年保证率中等(30%)情况的生态环境需水量接近，占多年平均流量的8.2%～12.5%，平均10.3%。会宁Tennant法非汛期和90%月年保证率中等(30%)情况的生态环境需水量接近，分别占多年平均流量的9.1%和10.1%。而近10年最枯月流量、90%保证率最枯月流量和最小生态环境需水量计算结果相差较大。Tennant法汛期会宁占84.8%，靖远占83.2%。上述方法的计算结果都在90%月年保证率中等(30%)的计算范围之内，因此，采用90%月年保证率法来计算祖厉河流域的生态环境需水量较为合理。通过分析得出，祖厉河流域的生态环境需水量会宁站为0.039 m3/s，靖远站为0.413 m3/s，分别占多年平均流量的10.1%和12.5%，满足多年平均流量的10%以上。

表8 各监测断面水质评价结果

表9 祖厉河流域生态环境需水量计算结果 m3/s

表10 不同计算方法占多年平均流量的比例结果 %

4 结论与建议

综上所述，通过对祖厉河上下游2个监测断面的水质分汛期和全年两个时段进行综合评价以及对2个断面的生态环境需水量进行计算分析，得出如下结论：

(1)根据最大隶属度原则，祖厉河流域上下游汛期和全年两个时段的水质评价均为Ⅴ类水质。会宁站水质汛期比全年污染更严重些，可能与非汛期河道出现断流，汛期工业废水、城市居民生活污水排放过多有关；靖远站水质汛期与全年相比污染较轻些，可能与汛期河道来水量大、降水量多，污染物质降解稀释较强有关。

(2)文中采用多种方法计算祖厉河流域生态环境需水量，对结果进行分析，得出采用90%月年保证率设定法来计算祖厉河流域的生态环境需水量较为合理。最后确定祖厉河流域的生态环境需水量会宁站为0.039 m3/s，靖远站为0.413 m3/s，分别占多年平均流量的10.1%和12.5%，满足多年平均流量的10%以上。

针对祖厉河流域水环境问题，对流域水污染控制和生态环境保护提出以下建议：

(1)源头控制，控制化肥农药施用，发展循环农业，将农村畜牧业和人类生活垃圾进行无害化处理，减少工业生活污水产出量，加大污水处理力度，减少面污染。

(2)河道水体稀释净化，保证河道生态环境最小需水量，维持河道生态环境健康。流域上游非汛期经常性出现断流，近几年尤为严重，因此权宜之计是通过跨流域调水，增加河道水量，扩大水环境容量，以解决经济用水挤占生态环境需水的局面，这是实现祖厉河流域水环境治理目标的重要前提。