界河污染物時(shí)段通量評(píng)估技術(shù)應(yīng)用研究

張 弘

(遼寧省丹東水文局，遼寧 丹東 118000)

1 研究目的及意義

河流污染物通量指斷面在一定時(shí)間內(nèi)某種污染物的通過量，它分為瞬時(shí)通量和時(shí)段通量。在實(shí)際工作中主要是估算河流污染物的時(shí)段通量，與斷面瞬間通量相比，估算時(shí)段通量較為困難，用有限的瞬間實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行估算誤差較大，因此應(yīng)該非常謹(jǐn)慎地選定估算方法，充分有效地利用水量水質(zhì)實(shí)測數(shù)據(jù)。界河水資源問題不僅是國內(nèi)問題，也是國際問題，近幾年來隨著國家加大了界河水文監(jiān)測工作的投入力度，一些比較先進(jìn)的科學(xué)方法和技術(shù)手段在界河水文監(jiān)測工作中得到廣泛應(yīng)用，但在應(yīng)用技術(shù)的消化吸收方面仍存在諸多問題，尤其是水量實(shí)時(shí)監(jiān)測方面存在顯著差距。因此，對(duì)河流水文監(jiān)測技術(shù)進(jìn)行全面深入的分析總結(jié)，充分利用現(xiàn)有的水量水質(zhì)實(shí)測數(shù)據(jù)，選擇適合界河河流特點(diǎn)的污染物通量估算方法，對(duì)探索構(gòu)建界河污染物時(shí)段通量評(píng)估技術(shù)和減小評(píng)估誤差具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

2 評(píng)估方法建立

2.1 污染物通量估算

近年來，國內(nèi)外學(xué)者相繼開展了污染物通量估算方面的方法研究，較為典型的成果是Webb等利用時(shí)段平均濃度與時(shí)段流量乘積、各時(shí)段通量之和這兩種方法建立了5種常用的河流污染物平估方法。鴨綠江污染物時(shí)段通量評(píng)估工作中，根據(jù)界河的季節(jié)性特點(diǎn)，采用弱化和強(qiáng)化徑流量作用相結(jié)合的模式估算污染物通量，即枯水期水量較低且平穩(wěn)時(shí)采用弱化徑流量作用的計(jì)算模式，豐水期水量較大或變化較大時(shí)采用強(qiáng)化時(shí)段總徑流量的模式。

(1)

2.2 水量數(shù)據(jù)

由于流量測驗(yàn)技術(shù)比較復(fù)雜、耗資比較昂貴，難以連續(xù)進(jìn)行，而連續(xù)地觀讀水位則容易進(jìn)行，因此通常將連續(xù)的水位資料，通過水位流量關(guān)系推算、轉(zhuǎn)換為連續(xù)的流量資料。經(jīng)過對(duì)界河水文斷面實(shí)測流量與相應(yīng)水位數(shù)據(jù)分析，可以看出斷面面積、水力比降和糙率等水力因素在同一水位時(shí)，維持不變；即使在同一水位時(shí)，上述各因素雖有變動(dòng)，但其變動(dòng)對(duì)水位流量關(guān)系的影響可以互相補(bǔ)償；而且斷面實(shí)測流量與相應(yīng)水位的點(diǎn)據(jù)呈密集帶狀分布，具有穩(wěn)定的水位流量關(guān)系，可用一條單一曲線來表示。據(jù)此點(diǎn)繪水位流量關(guān)系，利用多項(xiàng)式方程建立水位流量計(jì)算數(shù)學(xué)模型，估算水量實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。

(2)

表1 水位流量、水位面積、水位流速關(guān)系曲線檢驗(yàn)結(jié)果表

式中，Qi—計(jì)算流量，m3/s；Ze—實(shí)測水位，m;a0、a1、a2、…、am—方程系數(shù)。

根據(jù)2010—2018年水位流量實(shí)測數(shù)據(jù)(船測)點(diǎn)繪水位流量關(guān)系，并按照以上計(jì)算公式率定各個(gè)參數(shù)，從計(jì)算結(jié)果來看，建立的水位流量計(jì)算數(shù)學(xué)模型相關(guān)性較好，相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.9977，繪制的水位流量、水位面積、水位流速三條平滑關(guān)系曲線沒有反曲現(xiàn)象，如圖1所示，平均相對(duì)誤差未超過3%，見表1，符合《流量測驗(yàn)規(guī)范》的基本要求要求，方法用于水量實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)估算，結(jié)果可靠。

圖1 水位流量、水位面積、水位流速關(guān)系曲線

2.3 水質(zhì)數(shù)據(jù)

界河水質(zhì)監(jiān)測以常規(guī)水質(zhì)監(jiān)測為主，即人工采集水樣，送至實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行監(jiān)測分析，由于人力物力所限，監(jiān)測頻次為每月一次，水質(zhì)數(shù)據(jù)無法做到與水量數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)響應(yīng)。在界河干流上建立水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測站后，實(shí)現(xiàn)了界河水質(zhì)的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測，監(jiān)測頻次達(dá)到4次/d，水質(zhì)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)了與水量數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)響應(yīng)。

3 評(píng)估結(jié)果

以界河水量水質(zhì)常規(guī)監(jiān)測和在線監(jiān)測兩種模式取得的監(jiān)測數(shù)據(jù)為依據(jù)，采用建立的評(píng)估方法，分別進(jìn)行界河污染物時(shí)段通量評(píng)估。

3.1 常規(guī)監(jiān)測評(píng)估結(jié)果

根據(jù)2010—2018年水量水質(zhì)同步監(jiān)測數(shù)據(jù)以及逐日水量數(shù)據(jù)，按照2.1介紹的計(jì)算方法進(jìn)行污染物通量估算，污染物通量評(píng)估結(jié)果為，主要污染物高錳酸鹽指數(shù)(Imn)通量平均55901t/a，最大值(2010年)131667t/a，最小值(2015年)21973t/a，最大值是最小值的6倍；氨氮通量平均4163t/a，最大值(2010年)19205t/a，最小值(2015年)1114t/a，最大值是最小值的17倍。估算結(jié)果詳見表2。

表2 常規(guī)監(jiān)測污染物通量評(píng)估結(jié)果 單位：t/a

3.2 在線監(jiān)測評(píng)估結(jié)果

根據(jù)2019年汛期水量水質(zhì)在線監(jiān)測數(shù)據(jù)，按照2.1介紹的評(píng)估方法進(jìn)行污染物通量估算，高錳酸鹽指數(shù)污染物通量評(píng)估結(jié)果為11540t，同常規(guī)監(jiān)測數(shù)據(jù)相比高錳酸鹽指數(shù)污染物通量增加了1024t，增幅9.7%；日通量同常規(guī)監(jiān)測數(shù)據(jù)相比最大相差194%。水量水質(zhì)在線監(jiān)測與常規(guī)監(jiān)測日時(shí)段通量如圖2所示。

圖2 水量水質(zhì)在線監(jiān)測與常規(guī)監(jiān)測日時(shí)段通量

4 結(jié)果討論

(1)在水位流量關(guān)系穩(wěn)定的界河斷面，應(yīng)用水位流量計(jì)算數(shù)學(xué)模型實(shí)現(xiàn)斷面流量的實(shí)時(shí)監(jiān)控是可行的，模擬計(jì)算數(shù)據(jù)可信，結(jié)果可靠。

(2)目前，多數(shù)水文站水位測驗(yàn)項(xiàng)目均實(shí)現(xiàn)了遙測，通過建立的水位流量計(jì)算數(shù)學(xué)模型，依據(jù)遙測水位數(shù)據(jù)，可以實(shí)現(xiàn)水量的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

(3)界河研究區(qū)河段污染物通量受水量影響較大，斷面污染來源主要為流域面源污染，隨地表徑流進(jìn)入河道。

(4)對(duì)季節(jié)性河流來說，選擇適合的估算方法對(duì)估算結(jié)果的可靠性和可信性非常重要；實(shí)際工作中應(yīng)該依靠水質(zhì)水量已有數(shù)據(jù)進(jìn)行不同方法的比對(duì)，從而尋求最佳的估算結(jié)果。