汾河源区雷鸣寺泉流量预测与水环境特征分析.pdf
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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
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