山區(qū)河流污染物通量監(jiān)測與估算研究

陳湛峰，李曉芳

（廣東省生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心，廣州 510308）

隨著國控、省控等不同級別監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)大，治污與溯源精準(zhǔn)化要求不斷提高，山區(qū)河流污染物通量監(jiān)測需求與實(shí)際監(jiān)測技術(shù)、估算方法不夠科學(xué)的矛盾日益突出。山區(qū)河流的顯著特征是枯水期水位較低，流量較小，甚至出現(xiàn)斷流；豐水期水位陡漲猛落，流量監(jiān)測難以捕捉整個洪水過程，洪水經(jīng)過斷面時間短，水質(zhì)監(jiān)測頻次不足，代表性不夠。國內(nèi)外針對山區(qū)河流污染物通量監(jiān)測與估算方法的研究較少。隨著水文水質(zhì)自動監(jiān)測技術(shù)的進(jìn)步和監(jiān)測手段的日益豐富，經(jīng)過多年的通量監(jiān)測經(jīng)驗積累，山區(qū)河流污染物通量監(jiān)測與估算逐步趨于科學(xué)合理。

尋烏水為東江干流上游段，發(fā)源于江西省尋烏縣大竹嶺椏髻缽，向南流經(jīng)江西省安遠(yuǎn)縣和定南縣，于廣東省龍川縣合河壩與定南水匯合后稱東江。全長為520 km，流域面積為2.7 萬km2，總落差為440 m?？菟?，尋烏水水位較低，河寬為3 ～5 m，水深約為1 m，流量較小；洪水期間，水位迅速抬高，水位最高可超過8 m，最大河寬可超過100 m。本文以尋烏水為例，對山區(qū)河流污染物通量開展自動監(jiān)測，并根據(jù)特點(diǎn)選擇通量估算方法，以提高監(jiān)測與估算的可操作性、科學(xué)性和精確度。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

山區(qū)河流的水文水質(zhì)數(shù)據(jù)均來源于自動監(jiān)測，自動監(jiān)測可以提供短時間間隔的水文水質(zhì)高頻監(jiān)測數(shù)據(jù)[1]。污染物通量監(jiān)測的高頻數(shù)據(jù)具有頻率高、數(shù)據(jù)量大、相關(guān)性強(qiáng)、周期性好等特征。水質(zhì)指標(biāo)4 h 監(jiān)測1 次，流量10 min 監(jiān)測1 次，頻次高，累計數(shù)據(jù)量大。某個時刻水文水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)與之前一段時間監(jiān)測數(shù)據(jù)具有較強(qiáng)的相關(guān)性，不同指標(biāo)也有較強(qiáng)的相關(guān)性。

1.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理方法

1.2.1 短時序缺失數(shù)據(jù)插補(bǔ)

高頻通量數(shù)據(jù)是通過自動監(jiān)測獲取的，由于運(yùn)行維護(hù)或者儀器故障等原因，自動監(jiān)測會出現(xiàn)中斷。線性插值法是短時序缺失數(shù)據(jù)插補(bǔ)的常用方法[2]，可采用式（1）進(jìn)行插補(bǔ)。

式中：xt為t時刻缺失值；xf、xb為t時刻前、后的數(shù)據(jù)；f、b為t時刻前后序列。

1.2.2 長時序缺失數(shù)據(jù)插補(bǔ)

針對具有趨勢性、季節(jié)性和周期性的數(shù)據(jù)，時間序列分解法是常用的分析方法[3]。時間序列分解模型通過分析原始數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)拆分成四部分：長期趨勢變化、季節(jié)變化、循環(huán)變化以及不規(guī)則變化[4]。因此，可以將時間序列表示為上述四部分的函數(shù)，如式（2）所示。

式中：Yt為時間序列；Tt為長期趨勢因素；St為季節(jié)因素；Ct為循環(huán)因素；It為不規(guī)則變化因素。

通過分析山區(qū)河流水流量可知，流量分豐水年和枯水年，各季節(jié)水流量也不是簡單的相加，因此，將對應(yīng)的監(jiān)測值除以移動平均序列，可求出季節(jié)性因素與不規(guī)則變化因素的乘積序列。

1.2.3 水文水質(zhì)數(shù)據(jù)同步處理

水文水質(zhì)數(shù)據(jù)之間、水質(zhì)各指標(biāo)之間的自動監(jiān)測頻率往往不一致，要將其同步到統(tǒng)一時間尺度，以便估算污染物通量。同步處理方法一般有2 種。一是采用最小時間排序法，按照時間周期最短數(shù)據(jù)排序，然后將時間周期較長數(shù)據(jù)鑲嵌進(jìn)去，通過一定的插值方法將空缺部分?jǐn)?shù)據(jù)填充，得到同步后的結(jié)果。二是唯一標(biāo)識法，定義一個新的唯一標(biāo)識，將各類數(shù)據(jù)按一定原則映射到這個標(biāo)識中，得到同步后的結(jié)果。若以日為尺度統(tǒng)計，則定義一年中的每日作為唯一標(biāo)識，所有數(shù)據(jù)均預(yù)處理成每日監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)入標(biāo)識中，即可得到以日為序列的各項指標(biāo)通量監(jiān)測數(shù)據(jù)。

1.3 通量估算方法

山區(qū)河流污染物通量為濃度與流量乘積的積分函數(shù)，可采用式（3）進(jìn)行計算。由于通量監(jiān)測數(shù)據(jù)頻率足夠高，可以將時間T 等分為n 段，計算每段時間的通量，然后計算累積量，即可得到斷面污染物通量。

式中：F為斷面T時間內(nèi)的污染物通量；C(t)為污染物濃度的時間函數(shù)；Q(t)為流量的時間函數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

2019 年2 月21 日至8 月31 日，水文站流量監(jiān)測儀器出現(xiàn)故障，導(dǎo)致數(shù)據(jù)空缺。估算2019 年污染物通量時，要對這段長時間缺失的數(shù)據(jù)進(jìn)行插補(bǔ)。由于缺失的是流量數(shù)據(jù)，而流量具有趨勢性、季節(jié)性和周期性，因此采用時間序列分解法進(jìn)行插補(bǔ)。選擇2017 年4 月27 日至2021 年12 月31 日預(yù)處理后的流量數(shù)據(jù)進(jìn)行移動平均，得到流量數(shù)據(jù)的移動平均序列。對移動平均序列進(jìn)行二次線性擬合，得到長期趨勢序列。根據(jù)已得到的長期趨勢序列、循環(huán)序列、季節(jié)性與不規(guī)則變化序列，對缺失數(shù)據(jù)時段數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，通過計算得到缺失時段的流量數(shù)據(jù)，如圖1所示。

圖1 插補(bǔ)數(shù)據(jù)

2.2 通量估算

經(jīng)過預(yù)處理，得到2017 年5 月至2021 年12 月的尋烏水省界斷面污染物濃度和流量數(shù)據(jù)。按照污染物通量估算公式，計算每天的污染物通量，結(jié)果如圖2 所示。計算結(jié)果表明，2017 年污染物通量較大，2018 年和2021 年均為干旱年，污染物通量較小。作為東江源頭區(qū)，尋烏水跨省斷面水質(zhì)較為穩(wěn)定，主要受面源污染影響，通量受地表徑流帶入河道的污染物影響較大。對比濃度曲線、流量曲線和通量曲線可以看出，高錳酸鹽指數(shù)受流量影響最大，汛期通量易形成峰值。

圖2 歷年通量監(jiān)測結(jié)果

3 結(jié)論

山區(qū)河流污染物通量監(jiān)測中，要對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，合理選用通量估算方法。同時，可選擇時間序列分解法插補(bǔ)缺失數(shù)據(jù)，并采用插補(bǔ)后的數(shù)據(jù)估算斷面污染物通量。本文以尋烏水為例，結(jié)合山區(qū)河流水文水質(zhì)特征，對高頻監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，估算2017—2021 年山區(qū)河流的污染物通量。結(jié)果表明，2017 年污染物通量較大，2018 年和2021 年均為干旱年，污染物通量較小；高錳酸鹽指數(shù)受流量影響最大，汛期通量易出現(xiàn)峰值；總磷通量受濃度影響較大，濃度峰值出現(xiàn)時，總磷通量也會形成峰值；氨氮通量對流量反應(yīng)最靈敏，波動最頻繁，流量的較小變化也會引起氨氮通量變化。