嫩江流域尼爾基水庫上游河段入河排污口建設(shè)適宜性評價

鄭國臣，張 怡，2，呂 軍，劉洪超

(1.松遼流域水資源保護(hù)局，吉林 長春 130021；2.吉林大學(xué) 植物科學(xué)學(xué)院，吉林 長春 130062)

隨著工農(nóng)業(yè)的發(fā)展和城鎮(zhèn)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，城市用水量不斷增大，排入江河湖庫的廢水、污水量也隨之增加。水污染已成為制約經(jīng)濟(jì)發(fā)展和影響生態(tài)環(huán)境的重要因素，控制水污染是目前人類面臨的重要生態(tài)問題之一[1-2]。入河排污口是指直接或者通過溝、渠、管道等設(shè)施向江河湖庫排放污水的排污口，通過入河排污口排放污水是造成水體污染的主要原因[3]。入河排污口的優(yōu)化布設(shè)對于實(shí)現(xiàn)水資源保護(hù)及防止水污染至關(guān)重要。近年來，學(xué)者們在入河排污口優(yōu)化布設(shè)及建設(shè)適宜性評價方面開展了大量研究：曹穎[4]根據(jù)水文地質(zhì)特點(diǎn)及河床演變規(guī)律，提出了適合錢塘江海寧河段的排污口位置；萬珊珊等[5]利用基于概率分析策略的PBIL算法，考慮區(qū)域地理?xiàng)l件、水環(huán)境容量、水域納污能力等條件，構(gòu)建了排污口優(yōu)化設(shè)置模型，并應(yīng)用于具體的工程實(shí)例；汪亮等[6]綜合考慮水域納污能力、污水處理廠選址和排污口空間分布三方面因素，提出了基于多因素的排污口優(yōu)化布設(shè)模型，并以黃河某水功能區(qū)為例，驗(yàn)證了模型的可用性；張守平[7]結(jié)合排污現(xiàn)狀并綜合考慮水域納污適宜性、排污口建設(shè)適宜性和排污口改造經(jīng)濟(jì)性3個指標(biāo)，建立了適宜于金沙江攀枝花江段入河排污口的位置優(yōu)化模型，遴選出了15個最佳入河排污口布設(shè)地點(diǎn)。由于我國尚未出臺入河排污口優(yōu)化布設(shè)的技術(shù)導(dǎo)則，因此目前相關(guān)研究多采用經(jīng)驗(yàn)方法并借助于水環(huán)境模型，考慮因素也不盡相同。

排污口設(shè)置無序、污水未經(jīng)處理直接排放等，導(dǎo)致嫩江干流沿江城市多個取水口受到入河排污口排放污水的影響[8]，特別是位于嫩江中游的尼爾基水庫。目前，受嫩江上游分布的入河排污口污水等影響，尼爾基水庫已經(jīng)出現(xiàn)嚴(yán)重的水生態(tài)環(huán)境問題，水庫供水功能也受到威脅[9]。因此，根據(jù)現(xiàn)有入河排污口特點(diǎn)，對排污口布設(shè)進(jìn)行優(yōu)化研究，對于改善尼爾基水庫水生態(tài)環(huán)境、加強(qiáng)嫩江流域水生態(tài)監(jiān)督管理等具有重要意義。本研究以尼爾基水庫上游河段入河排污口為研究對象，運(yùn)用層次分析和單因子分析方法，從排污口特性、水域納污特性及土地建設(shè)適宜性三方面對入河排污口的建設(shè)適宜性進(jìn)行評價分析，以期為水庫水生態(tài)保護(hù)、水資源可持續(xù)利用及流域機(jī)構(gòu)審批入河排污口建設(shè)提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

嫩江發(fā)源于大興安嶺伊勒呼里山中段南側(cè)，是松花江的北源，干流全長1 370 km，流域面積29.85萬km2，主要支流有那都里河、多布庫爾河、科洛河、甘河、納謨爾河、諾敏河、阿倫河、烏裕爾河、雅魯河、綽爾河、洮兒河、霍林河[10-11]。尼爾基水庫位于嫩江干流中上游，控制流域面積6.64萬km2，占嫩江流域面積的22.4%，具有防洪、工農(nóng)業(yè)和城鎮(zhèn)供水、發(fā)電、環(huán)保等綜合利用效益[12-13]。匯入尼爾基水庫的河流主要有多布庫爾河、固固河、歐肯河、門魯河、科洛河及甘河。本研究涉及的尼爾基水庫上游河段的入河排污口分別為松嶺排污口(多布庫爾河)、西小河排污口(甘河)、加格達(dá)奇防洪閘排污口(甘河)、建邊農(nóng)場場直排污口(固固河)、嫩江鎮(zhèn)喇叭河排污口(嫩江干流)、嫩北縣污水處理廠排污口(嫩江干流)、嫩江縣多寶山銅礦排污口(嫩江干流)、山河農(nóng)場場直排污口(尖山溝)，見圖1。

圖1 尼爾基水庫上游河段排污口分布

2 研究方法

2.1 排污口優(yōu)化布設(shè)模型

尼爾基水庫上游河段入河排污口的優(yōu)化布設(shè)采用指標(biāo)賦分模型，分為目標(biāo)層、要素層和指標(biāo)層。目標(biāo)層即為最佳排污點(diǎn)位置，要素層為影響排污性能的主要因素，一般情況下，最佳排污口位置由排污口特性、水域納污特性及土地建設(shè)適宜性三要素綜合決定[8]。

2.2 評價方法

本研究采用層次分析法和單因子評價法。層次分析法的步驟包括明確問題、構(gòu)造判斷矩陣、判斷矩陣的一致性檢驗(yàn)、層次單排序、層次總排序五步；單因子評價法是依據(jù)《地表水資源質(zhì)量評價技術(shù)規(guī)程》(SL 395—2007)進(jìn)行評價[14]。

2.3 河段劃分

選取上述8處排污口為主要優(yōu)化對象，對其所在河流進(jìn)行河段劃分。根據(jù)實(shí)際情況，將嫩江上游河流分為12 917個單元，其中嫩江干流1 727個、多布庫爾河2 394個、科洛河2 286個、甘河4 315個、固固河547個、門魯河1 648個。

3 數(shù)據(jù)收集與分析

3.1 排污口特性

根據(jù)2011—2013年8個入河排污口的CODMn、氨氮、總氮、總磷排放量數(shù)據(jù)，運(yùn)用ArcGIS軟件，對排污口所處河段單元進(jìn)行賦值。以尼爾基水庫庫尾為零點(diǎn)，以嫩江干流石灰窯(嫩江干流第一個控制斷面)到入庫點(diǎn)河長為基準(zhǔn)，計算嫩江干流上各排污口到入庫點(diǎn)的距離。同理，以各支流河長為基準(zhǔn)，計算各支流上排污口距匯入點(diǎn)的距離。

3.2 水域納污特性

根據(jù)2011年嫩江干流及各支流水質(zhì)監(jiān)測結(jié)果，選取CODMn、氨氮、總氮、總磷濃度作為水域納污指標(biāo)。

3.3 土地建設(shè)適宜性

采用SRTM數(shù)據(jù)的數(shù)字地面高程數(shù)據(jù)。根據(jù)處理結(jié)果可知，研究區(qū)內(nèi)地形起伏較大，高程變化范圍為-200～2 000 m，河段單元附近地形較為平緩，多低于200 m。研究區(qū)內(nèi)坡度整體較為平緩，變化范圍為0°～77°。采用Landsat 5衛(wèi)星的TM影像數(shù)據(jù)(圖2)，對研究區(qū)內(nèi)土地利用狀況進(jìn)行解譯，并結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行分類。依據(jù)排污口優(yōu)化評價標(biāo)準(zhǔn)，將指標(biāo)劃分成水體、農(nóng)田、荒地、草地、林地、建設(shè)用地等六類(圖3)。由圖3可知，嫩江上游主要為林地，尼爾基水庫附近以草地和農(nóng)田為主。

圖2 研究區(qū)遙感影像

圖3 研究區(qū)土地利用類型

4 結(jié)果與分析

4.1 排污口優(yōu)化布設(shè)指標(biāo)評價

結(jié)合嫩江流域特點(diǎn)，運(yùn)用層次分析法對排污口特性、水域納污特性及土地建設(shè)適宜性三要素進(jìn)行分析，并對指標(biāo)權(quán)重進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，求得不同要素層下13個指標(biāo)的權(quán)重，結(jié)果見表1。影響最佳排污口位置選擇的三要素權(quán)重從大到小依次為水域納污特性、土地建設(shè)適宜性、排污口特性。其中，土地利用、水功能區(qū)特點(diǎn)及距入庫點(diǎn)距離是影響入河排污口位置選擇的主要指標(biāo)。

表1 最佳排污口位置選擇評價指標(biāo)權(quán)重

4.2 各指標(biāo)的單因子評價

4.2.1 土地利用

由表1可知，土地利用是對排污口建設(shè)產(chǎn)生較大影響的指標(biāo)。各排污口中，嫩江干流的嫩江鎮(zhèn)喇叭河排污口、嫩江縣污水處理廠排污口和甘河的西小河排污口、加格達(dá)奇防洪閘排污口評價結(jié)果為差，其所在區(qū)域的土地利用為建筑用地；山河農(nóng)場場直排污口所在區(qū)域土地利用為農(nóng)田，其評價結(jié)果為中；嫩江縣多寶山銅礦排污口、建邊農(nóng)場場直排污口及松嶺排污口所在區(qū)域的土地利用為林地和草地，評價結(jié)果為良。

4.2.2 污染物排放量

各排污口中，加格達(dá)奇防洪閘排污口的污染物排放量較大，其排污口的建設(shè)適宜性較差。

4.2.3 距入庫點(diǎn)距離

各排污口中，嫩江干流兩個入河排污口因距離入庫點(diǎn)較近，單因子評價結(jié)果顯示為中，表明在其河段建設(shè)排污口的適宜性較低，而其他排污口由于距離入庫點(diǎn)較遠(yuǎn)，評價結(jié)果為優(yōu)。

5 結(jié) 論

采用層次分析法，對影響排污口布設(shè)的三要素進(jìn)行分析，確定了最佳排污口位置選擇的要素排序?yàn)樗蚣{污特性、土地建設(shè)適宜性、排污口特性。其中，土地利用、水功能區(qū)特點(diǎn)及距入庫點(diǎn)距離是影響入河排污口位置選擇的主要指標(biāo)。運(yùn)用單因子方法進(jìn)一步評價了土地利用、水功能區(qū)特點(diǎn)及距入庫點(diǎn)距離對入河排污口位置選擇的影響，其結(jié)果顯示：河段內(nèi)土地利用類型為草地或林地、污染物排放量較小、排污口距入庫點(diǎn)較遠(yuǎn)時，入河排污口的建設(shè)適宜性較高；土地利用類型為農(nóng)田或建設(shè)用地、污染物排放量較大、排污口距入庫點(diǎn)較近時，入河排污口的建設(shè)適宜性較低。本研究綜合考慮了入河排污口位置、水域納污能力，以及土地利用等方面的特性，對于嫩江上游入河排污口的合理規(guī)劃、建設(shè)、管理，以及尼爾基水庫水資源保護(hù)具有科學(xué)指導(dǎo)意義。