基于徑流事件的農(nóng)業(yè)面源監(jiān)測(cè)采樣間隔分析

王 超 ,王 劍 ,文立群 ,秦 赫 ,柳 根 ,賈海燕 ,尹 煒 * (1.長(zhǎng)江水資源保護(hù)科學(xué)研究所,湖北 武漢 001；2.長(zhǎng)江水利委員會(huì)湖庫(kù)水源地面源污染生態(tài)調(diào)控重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖北 武漢 001；.華中農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院,湖北 武漢 0070；.水環(huán)境污染監(jiān)測(cè)先進(jìn)技術(shù)與裝備國(guó)家工程研究中心,湖南 長(zhǎng)沙 1020；.南水北調(diào)中線水源有限責(zé)任公司,湖北 丹江口 2700)

小流域是農(nóng)業(yè)面源輸出的基本單元[1].小流域溝道徑流受降雨影響大,污染物通常呈現(xiàn)出脈沖式輸出特征[2].在高流量事件中,流量和濃度之間通常存在強(qiáng)相關(guān)性[3-4],流量上升期間,物質(zhì)濃度可能達(dá)到最大,在第一次沖刷之后則有可能產(chǎn)生稀釋效應(yīng),濃度逐漸降低[5-6];大量懸浮顆粒物的運(yùn)輸可能只發(fā)生在高流量時(shí)期[7-9].準(zhǔn)確捕捉主要降雨徑流事件是小流域農(nóng)業(yè)面源監(jiān)測(cè)和污染負(fù)荷輸出通量核算的關(guān)鍵.常規(guī)的水質(zhì)監(jiān)測(cè)采樣頻次一般按月計(jì),很難捕捉降雨徑流事件,產(chǎn)生的負(fù)荷通量核算誤差較大[10].有研究提出采樣頻次至少1 周1 次才能滿足負(fù)荷估算誤差要求[11];也有研究提出分時(shí)期開展監(jiān)測(cè),農(nóng)事活動(dòng)密集期1 周1 次,農(nóng)事活動(dòng)密集且有徑流事件1 天1 次[12].隨著水質(zhì)自動(dòng)采樣技術(shù)的快速發(fā)展,特別水位流量傳感器可以實(shí)時(shí)獲取徑流過程數(shù)據(jù),對(duì)單次降雨徑流事件進(jìn)行過程監(jiān)測(cè)成為可能[13].通過設(shè)置合適的水位和流量觸發(fā)條件,自動(dòng)采樣設(shè)備能夠?qū)χ匾涤陱搅魇录M(jìn)行采樣監(jiān)測(cè)并測(cè)算每次降雨徑流事件的負(fù)荷輸出[14].相比于提高采樣頻次,基于降雨徑流事件的監(jiān)測(cè)方案能夠獲得更加準(zhǔn)確的農(nóng)業(yè)面源負(fù)荷估算結(jié)果[15].

采樣間隔是小流域降雨徑流事件監(jiān)測(cè)的重要參數(shù),一般有時(shí)間間隔和水量間隔兩種類型[16].時(shí)間間隔可以通過計(jì)時(shí)器直接控制,水量間隔則需要通過水位或者流量的變化來計(jì)算得到.不論是時(shí)間間隔還是水量間隔,采樣間隔越小,污染物濃度變化曲線與實(shí)際變化過程越接近,負(fù)荷通量核算精度越高;但采樣間隔的減小會(huì)導(dǎo)致樣品數(shù)量增加和成本提高,因此在允許的誤差條件下確定最大的采樣間隔(有效采樣間隔)是降雨徑流事件監(jiān)測(cè)需要解決的關(guān)鍵問題[17-20].目前,針對(duì)有效采樣間隔的研究較少,對(duì)有效采樣間隔的分析方法、影響因素等認(rèn)識(shí)不足.

本文以我國(guó)丘陵山區(qū)的典型農(nóng)業(yè)小流域?yàn)閷?duì)象,基于降雨徑流事件的加密監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行不同時(shí)間間隔和水量間隔模擬采樣,分析污染負(fù)荷通量估算誤差,并探討了有效采樣間隔的分析流程和影響因素,旨在為小流域農(nóng)業(yè)面源自動(dòng)監(jiān)測(cè)方案的制定提供依據(jù).

1 材料與方法

1.1 小流域降雨徑流事件監(jiān)測(cè)

以丹江口庫(kù)區(qū)的五龍池小流域?yàn)閷?duì)象進(jìn)行降雨徑流事件加密監(jiān)測(cè),采集的水質(zhì)和流量數(shù)據(jù)作為徑流過程的真實(shí)值.五龍池小流域位于湖北省丹江口市習(xí)家店鎮(zhèn)和嵩坪鎮(zhèn),為山地丘陵地形,屬于漢江三級(jí)小支流,面積1.92km2.五龍池小流域?qū)儆诒眮啛釒О霛駶?rùn)季風(fēng)氣候,冬夏溫差較大.多年平均氣溫為16.1℃,年均降水量797.6mm,多年最大降雨量為1360.6mm,最小降雨量為503.5mm,且主要集中在5～10 月的豐水期.豐水期降雨量占全年降雨量的80%以上,并且降雨集中且強(qiáng)度大、徑流匯集時(shí)間短.五龍池小流域出口建設(shè)有卡口站,可觀測(cè)流量.

以2021 年4 月的一次降雨徑流事件作為分析對(duì)象,采樣測(cè)定總氮(TN)和總磷(TP),并同步觀測(cè)流量.在卡口站采集水樣置于100mL 聚乙烯水樣瓶中,4℃冷藏箱保存,隨即送至五龍池小流域野外試驗(yàn)站分析.TN 測(cè)定采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法,TP 測(cè)定采樣鉬酸銨分光光度法.流量數(shù)據(jù)通過卡口站水槽的水位換算,水位通過浸沒式的壓力水位計(jì)(PTX1830, Druck, USA)測(cè)定.水質(zhì)采樣時(shí)同步讀取流量數(shù)據(jù).降雨主要集中在4 月23 日15:00～24:00,徑流觀測(cè)開始的時(shí)間為2021 年4 月23 日13:30,結(jié)束的時(shí)間為2021 年4 月30 日8:30,歷時(shí)約7d.采樣過程中,第1d 采樣間隔15min,第2d 間隔30min,后期隨著流量平穩(wěn)逐步擴(kuò)大采樣間隔,最長(zhǎng)間隔12h.

1.2 模擬采樣方案

1.2.1 時(shí)間間隔模擬采樣 流量數(shù)據(jù)插值:按照1min 間隔對(duì)流量數(shù)據(jù)進(jìn)行插值,形成流量數(shù)據(jù)序列{qi}.

計(jì)算水量累積曲線:將流量與時(shí)間間隔相乘后累加,得到累積水量序列{Qi},并繪制累積水量曲線,計(jì)算公式如式(1).

式中,Qi為第i分鐘的累積水量,m3;qs為第smin 的流量,m3/s,s=1,2,……,i;Δt為時(shí)間間隔,此處為60s.

水質(zhì)數(shù)據(jù)插值:按照1min 間隔對(duì)水質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行插值,形成水質(zhì)數(shù)據(jù)序列{ci}.

不同間隔模擬采樣:基于上述步驟得到的1min 間隔累積水量和水質(zhì)數(shù)據(jù)序列,按照5,10,15,20,30,60,120,240,480,720min 等時(shí)間間隔模擬采樣,生成不同時(shí)間間隔的累積水量數(shù)據(jù)序列{Qj}和水質(zhì)數(shù)據(jù)序列{cj}.根據(jù)初始時(shí)間的不同,每個(gè)時(shí)間間隔模擬采樣5 次,如5min 間隔的初始點(diǎn)分別為0,1,2,3,4min; 10min 間隔的初始點(diǎn)分別為0,2,4,6,8min,以此類推.

1.2.2 水量間隔模擬采樣 流量數(shù)據(jù)插值、計(jì)算水量累積曲線、水質(zhì)數(shù)據(jù)插值:同時(shí)間間隔模擬采樣.

確定最小水量間隔:根據(jù)累積水量曲線,確定1min 間隔對(duì)應(yīng)的最大水量(一般在流量曲線峰值處),以此作為最小水量間隔ΔV.

不同間隔模擬采樣:基于上述步驟得到的1min間隔流量、累積水量和水質(zhì)數(shù)據(jù)序列,按照1,2,4,8,16,24,36,50,100,200ΔV等水量間隔模擬采樣.模擬采樣過程中,按照不同水量間隔對(duì)累積水量曲線的縱坐標(biāo)進(jìn)行等分,根據(jù)對(duì)應(yīng)的橫坐標(biāo)時(shí)間點(diǎn),對(duì)照插值后的水質(zhì)曲線,生成不同水量間隔的水質(zhì)數(shù)據(jù)序列{ck}.根據(jù)初始水量的不同,每個(gè)水量間隔模擬采樣5 次,如ΔV間隔的初始點(diǎn)分別為0,1/5,2/5,3/5,4/5ΔV;2ΔV間隔的初始點(diǎn)分別為0,2/5,4/5,6/5,8/5ΔV,以此類推.

1.3 通量估算方法和誤差分析

1.3.1 時(shí)間間隔采樣 計(jì)算真實(shí)污染負(fù)荷:將插值后的水質(zhì)數(shù)據(jù)與對(duì)應(yīng)的流量數(shù)據(jù)相乘后累加,得到真實(shí)污染負(fù)荷,計(jì)算公式如式(2):

式中:Ltot為真實(shí)污染負(fù)荷,kg;ci為第imin 水質(zhì)濃度,mg/L;qi為第imin流量,m3/h;60000為單位換算系數(shù).計(jì)算模擬采樣負(fù)荷:將模擬采樣水質(zhì)結(jié)果作為對(duì)應(yīng)時(shí)段水量的濃度平均值,與水量相乘后累加得到估算污染負(fù)荷,計(jì)算公式如式(3):

式中:Lest為模擬采樣的估算污染負(fù)荷,kg;cj為模擬采樣水質(zhì)濃度,mg/L;Qj和Qj-1為相鄰兩個(gè)模擬采樣累積水量,m3;0.001 為單位換算系數(shù).

負(fù)荷誤差計(jì)算:將不同采樣間隔下的估算負(fù)荷與真實(shí)負(fù)荷比較,按污染指標(biāo)計(jì)算負(fù)荷估算誤差,計(jì)算公式如式(4):

式中:Err 為計(jì)算誤差,其他參數(shù)含義同上.

1.3.2 水量間隔采樣 計(jì)算真實(shí)污染負(fù)荷:同時(shí)間間隔模擬采樣.

計(jì)算模擬采樣負(fù)荷:將不同流量間隔的水質(zhì)濃度與水量相乘后累加得到估算污染負(fù)荷,計(jì)算公式如式(5).

式中:Lest為估算污染負(fù)荷,kg;ck為模擬采樣水質(zhì)濃度,mg/L;V為水量間隔,m3;0.001 為單位換算系數(shù).

負(fù)荷誤差計(jì)算:同時(shí)間間隔模擬采樣.

2 結(jié)果

2.1 降雨徑流事件監(jiān)測(cè)結(jié)果

如圖1,初始流量約為55m3/h,第1d 達(dá)到峰值977.3m3/h,隨后下降;第2d 再次出現(xiàn)峰值745.4m3/h,隨后緩慢下降,最后下降到47.46m3/h.TN 初始濃度約2mg/L,隨流量增加快速增加,在流量峰值處達(dá)到約8mg/L;流量下降后TN 依然保持高位波動(dòng),最高超過10mg/L;隨后緩慢下降,第7d 回落到約6mg/L,高于初始濃度.TP 變化基本與流量變化趨勢(shì)基本一致,初始濃度約0.05mg/L,隨流量增加快速升高,在流量峰值處也達(dá)到峰值約0.25mg/L;隨著流量下降,TP 快速降低,第7d 基本恢復(fù)到初始濃度水平.

圖1 降雨徑流事件監(jiān)測(cè)結(jié)果Fig.1 Monitoring results of the rainfall runoff event

2.2 模擬采樣結(jié)果

對(duì)徑流監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)按照1min 間隔進(jìn)行線性插值,插值后數(shù)據(jù)共計(jì)9871 行.通過水量累積曲線,計(jì)算得到此次降雨徑流事件累積輸出水量約46300m3,最小水量間隔ΔV為16m3.

由圖2 可見,間隔5,10,15,20min 采樣時(shí),采樣點(diǎn)密集分布,能夠完整覆蓋整個(gè)徑流過程.采樣間隔30,60,120min 時(shí),徑流上升階模擬采樣點(diǎn)逐步稀疏,但對(duì)徑流峰值的覆蓋較好.采樣間隔240,480,720min時(shí),徑流上升階段采樣點(diǎn)進(jìn)一步稀疏,下降階段采樣點(diǎn)逐步分散.

圖2 不同時(shí)間間隔模擬采樣結(jié)果Fig.2 Simulation sampling results at different time intervals

由圖3 可見,水量間隔16,32,64,128m3模擬采樣時(shí),采樣點(diǎn)密集分布.水量間隔256,384,576,800m3時(shí),徑流上升階段樣點(diǎn)逐步稀疏,但在對(duì)峰值過程覆蓋較好.水量間隔1600,3200m3時(shí),徑流上升階段樣點(diǎn)明顯不足,但徑流峰值處均有覆蓋,徑流下降階段樣點(diǎn)進(jìn)一步稀疏.

圖3 不同水量間隔模擬采樣結(jié)果Fig.3 Simulated sampling results at different flow intervals

2.3 通量估算和誤差分析結(jié)果

如表1 和表2 所示,計(jì)算得到降雨徑流事件TN負(fù)荷真實(shí)負(fù)荷通量為355.68kg,TP 真實(shí)負(fù)荷通量為5.088kg.TN 負(fù)荷估算結(jié)果300～355kg,TP 負(fù)荷估算結(jié)果4.42～5.68kg.采樣間隔5,10,15,20min 時(shí),TN 和TP 各次模擬采樣的負(fù)荷估算結(jié)果差異不大;采樣間隔增加到30,60,120,240min 時(shí),負(fù)荷估算結(jié)果出現(xiàn)波動(dòng);采樣間隔增加到480min 和720min 時(shí),各次估算結(jié)果差異進(jìn)一步擴(kuò)大.水量間隔16,32,64,128m3時(shí),各次模擬采樣估算結(jié)果差異不大;水量間隔擴(kuò)大到256,384,576,800m3時(shí),負(fù)荷估算結(jié)果出現(xiàn)波動(dòng);水量間隔擴(kuò)大到1600m3和3200m3時(shí),負(fù)荷估算結(jié)果差異明顯增加.

表1 不同時(shí)間間隔模擬采樣負(fù)荷通量估算結(jié)果Table 1 Estimated results of simulated sampling load flux at different time intervals

表2 不同水量間隔模擬采樣負(fù)荷通量核算結(jié)果Table 2 Estimated results of simulated sampling load flux at different flow intervals

誤差分析結(jié)果見圖4,時(shí)間間隔模擬采樣中,TN負(fù)荷估算誤差在采樣間隔超過30min 時(shí)明顯增加,間隔720min 時(shí)最大達(dá)到-15.4%;TP 負(fù)荷估算誤差在采樣間隔超過 30min 時(shí)明顯增加,采樣間隔480min 和720min 時(shí)最大誤差分別達(dá)到11.7%和-13.1%.水量間隔模擬采樣中,TN 和TP 負(fù)荷估算誤差在采樣間隔超過 576m3時(shí)均明顯增加,間隔3200m3時(shí)TN 負(fù)荷估算誤差最大達(dá)到-10.2%,TP 負(fù)荷估算誤差最大達(dá)到-14.8%.以±5%作為允許的誤差范圍,則采樣時(shí)間間隔應(yīng)小于120min,水量間隔應(yīng)小于1600m3.

圖4 不同間隔采樣的負(fù)荷估算誤差變化Fig.4 Variation of load estimation error at different sampling intervals

3 討論

3.1 徑流過程和氮磷濃度曲線的關(guān)系

本次觀測(cè)的五龍池小流域降雨徑流事件具有明顯的峰值特征,TN 和TP 濃度變化也呈現(xiàn)出顯著的脈沖過程線.TP的峰值過程與徑流峰值基本同步,主要是因?yàn)門P以顆粒態(tài)輸出為主[21],降雨沖刷產(chǎn)生的水土流失通常造成泥沙含量與徑流峰值同步變化[22],因此TP形成了與徑流量基本一致的過程線.TN 濃度達(dá)到峰值后,衰減過程比較緩慢,原因是TN 的輸出以溶解態(tài)為主,壤中流的氮素負(fù)荷輸出能夠占到降雨徑流氮素負(fù)荷總量的80%以上[23].初期降雨產(chǎn)流過程中,在泥沙和徑流溶出的共同作用下,TN 濃度很快形成峰值;降雨停止后,流域產(chǎn)流過程持續(xù),土壤溶出的大量氮素隨徑流進(jìn)入溝道,依然能夠維持較高的TN濃度.盡管TN和TP 的濃度消減過程所有差異,但二者的上升過程和峰值位置都與徑流都保持一致,因此有效捕捉徑流事件的峰值對(duì)于氮磷濃度變化過程分析和氮磷負(fù)荷輸出通量核算都至關(guān)重要[24].

3.2 時(shí)間間隔和水量間隔采樣比較

模擬采樣過程中,時(shí)間間隔和水量間隔均能夠較好覆蓋徑流過程,但在徑流峰值捕捉能力存在差異.對(duì)比模擬采樣點(diǎn)數(shù)量(表3),水量間隔采樣在徑流峰值區(qū)域的樣點(diǎn)覆蓋數(shù)量明顯高于時(shí)間間隔.若以徑流峰值區(qū)域(峰值±10%區(qū)間)至少5 個(gè)樣品為標(biāo)準(zhǔn),時(shí)間間隔采樣至少需要采集164 個(gè)樣品,水量間隔僅需要采集80 個(gè)樣品.對(duì)比徑流峰值區(qū)域樣品數(shù)量占比,水量間隔采樣在7%左右,明顯高于時(shí)間間隔采樣的2%左右.水量間隔采樣是以累積的水量作為采樣觸發(fā)條件,由于徑流峰值區(qū)域是整個(gè)徑流事件中流量最高的時(shí)段,累積同樣的水量徑流峰值區(qū)域需要的時(shí)間最短,這也決定了水量間隔采樣在徑流峰值區(qū)域會(huì)形成最為密集的樣點(diǎn)覆蓋,因此對(duì)徑流峰值的捕捉能力較強(qiáng)[25].

表3 模擬采樣樣品數(shù)量統(tǒng)計(jì)Table 3 Statistics of the number of simulated samples

由于峰值捕捉能力較強(qiáng),水量間隔采樣效率明顯高于時(shí)間間隔.按照5%的誤差線計(jì)算,水量間隔采樣需要的樣品數(shù)量(最少28 個(gè)樣品)遠(yuǎn)少于時(shí)間間隔采樣(最少82 個(gè)樣品).水量間隔更能夠反映降雨事件,準(zhǔn)確度更高[26].根據(jù)水量間隔的采樣原理,對(duì)所有樣品取平算數(shù)平均值,能夠很方便的將樣品濃度換算成徑流事件平均濃度(EMC),快速計(jì)算徑流事件的負(fù)荷通量[27].

實(shí)際應(yīng)用過程中,水量間隔采樣的關(guān)鍵在于實(shí)時(shí)獲得流量數(shù)據(jù),通過流量計(jì)算累積水量,以此觸發(fā)采樣動(dòng)作.由于水位數(shù)據(jù)可通過水位計(jì)(如壓力式水位計(jì)、雷達(dá)水位計(jì)等)實(shí)時(shí)傳輸,因此流量和累積水量數(shù)據(jù)可實(shí)時(shí)獲得.通過水位計(jì)與自動(dòng)采樣器的偶聯(lián),便可實(shí)現(xiàn)水量間隔采樣.目前很多自動(dòng)采樣設(shè)備已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)這一功能.相對(duì)于水量間隔采樣,時(shí)間間隔采樣實(shí)現(xiàn)難度更小且更加可靠,如果關(guān)注濃度變化過程,時(shí)間間隔也能夠滿足要求[28].

3.3 氮磷負(fù)荷估算差異和采樣間隔主要影響因素

從負(fù)荷估算誤差的結(jié)果來看,TP 的誤差波動(dòng)范圍比TN 更大.TP 在徑流消減階段迅速降低,濃度曲線與徑流曲線高度同步;TN 在達(dá)到峰值后相對(duì)穩(wěn)定,濃度受徑流影響相對(duì)較小.King 等[17]研究了理想徑流過程曲線下不同類型濃度曲線對(duì)負(fù)荷估算誤差的影響,發(fā)現(xiàn)濃度曲線與徑流曲線同步變化時(shí),負(fù)荷估算誤差對(duì)采樣間隔最為敏感.與該研究結(jié)果類似,本研究中隨著采樣間隔的增大,與徑流同步的TP 負(fù)荷估算誤差比受徑流影響較小的TN 增加的更加明顯.

模擬采樣時(shí)間周期可能對(duì)有效采樣間隔的估算結(jié)果產(chǎn)生影響.本研究采取模擬采樣時(shí)間為7d,主要是考慮到徑流事件的持續(xù)時(shí)間為7d(流量下降到初始流量).模擬采樣的時(shí)間越長(zhǎng),徑流下降期的時(shí)間一般越長(zhǎng);而下降期的徑流和污染物濃度變化都相對(duì)平緩均勻,這一階段產(chǎn)生的污染負(fù)荷輸出占整個(gè)徑流事件污染負(fù)荷輸出總量的比例越大,估算得到的有效采樣間隔可能越大.為更好反映降雨期間的有效采樣間隔,對(duì)出現(xiàn)降雨的前2d(4 月23 日13:30～4 月24 日23:59)進(jìn)行有效采樣間隔計(jì)算.該時(shí)段真實(shí)負(fù)荷為TN155.70kg,TP2.982kg.負(fù)荷估算誤差變化表明,相比于整個(gè)徑流事件的模擬采樣,對(duì)降雨期徑流進(jìn)行單獨(dú)模擬采樣時(shí),估算誤差對(duì)采樣間隔的變化更加敏感,誤差值隨采樣間隔增加迅速擴(kuò)大,有效采樣時(shí)間間隔減小至60min,有效采樣水量間隔減小至576m3.實(shí)際應(yīng)用過程中,若以核算負(fù)荷輸出總量為目的,則可采用基于整個(gè)降雨徑流事件的有效采樣間隔;若要進(jìn)行單次降雨徑流事件的污染物變化和負(fù)荷輸出過程分析,則需要進(jìn)行分段估算有效采樣間隔.

雖然采樣間隔越小負(fù)荷估算誤差越小,但在實(shí)際監(jiān)測(cè)過程中還需要綜合考慮經(jīng)濟(jì)成本和技術(shù)可行性問題.采樣間隔越小意味著樣品數(shù)量越多,分析成本越高.Kovacs 等[29]研究發(fā)現(xiàn)將采樣頻率從1 次/3d 增加到1 次/d.分析成本將提高50%.本著成本最小化的原則,采樣間隔的設(shè)置應(yīng)以能夠滿足負(fù)荷估算誤差要求的最大采樣間隔為最佳.技術(shù)可行性方面,一般自動(dòng)采樣器從泵吸到采樣到清空需要1～2min 時(shí)間,管路越長(zhǎng)時(shí)間越長(zhǎng),這就導(dǎo)致自動(dòng)采樣存在最小時(shí)間間隔;另外,有些暴雨過程流量變化極快,如Harmel 等[14]分析的300 場(chǎng)降雨中有5 場(chǎng)的峰值流量(以水位表征)增速超過1mm/min,超出了自動(dòng)采樣的反應(yīng)能力,難以實(shí)現(xiàn)1mm 水量間隔采樣.本研究表明時(shí)間間隔小于 120min 或者水量間隔小于1600m3時(shí)能夠獲得比較準(zhǔn)確(誤差±5%)的估算結(jié)果,基本不存在技術(shù)約束,但如果經(jīng)濟(jì)成本是主要限制因素,則需要適當(dāng)提高誤差限值,減少樣品數(shù)量.

3.4 有效采樣間隔的估算方法流程

研究表明,小流域降雨徑流事件的峰值時(shí)間和峰值流量與小流域的坡度條件、土壤類型、土地利用等都有關(guān)系,不同類型小流域的徑流過程和污染物濃度曲線可能存在差異[30];即使在同一個(gè)小流域,徑流過程和污染物濃度曲線也可能隨降雨強(qiáng)度和持續(xù)時(shí)間產(chǎn)生差異[31].本次觀測(cè)為五龍池小流域的典型徑流事件觀測(cè),估算得到的采樣間隔可能無法簡(jiǎn)單推廣到其他區(qū)域和其他降雨類型.但本研究在采樣間隔的確定過程中形成了一套分析流程(圖5),可用于不同小流域采樣有效間隔確定.

圖5 有效采樣間隔確定方法流程Fig.5 Method flow for determining effective sampling interval

多數(shù)情況下,野外小流域無歷史監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可供參考,因此可通過自動(dòng)采樣設(shè)備進(jìn)行前期密集采樣,收集不同類型降雨徑流事件的徑流過程和水質(zhì)變化過程.通過水質(zhì)和流量數(shù)據(jù)插值生成連續(xù)曲線,并計(jì)算最小水量間隔.接下來根據(jù)采樣間隔類別分別計(jì)算真實(shí)污染負(fù)荷,并進(jìn)行時(shí)間間隔模擬采樣和水量間隔模擬采樣,同時(shí)計(jì)算模擬采樣的輸出負(fù)荷.最后將模擬采樣負(fù)荷結(jié)果與真實(shí)污染負(fù)荷比較計(jì)算負(fù)荷估算誤差,并按照約定的誤差限值確定有效采樣間隔.通過這一流程,可快速優(yōu)化小流域自動(dòng)采樣設(shè)備的采樣策略,在保證監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確性的同時(shí),最大限度減少樣品產(chǎn)生量,降低監(jiān)測(cè)成本.

4 結(jié)論

4.1 五龍池小流域降雨徑流事件具有明顯的峰值特征.TP 濃度曲線與徑流曲線高度同步;TN 濃度隨徑流達(dá)到峰值后相對(duì)穩(wěn)定,受徑流影響相對(duì)較小.

4.2 水量間隔采樣對(duì)徑流峰值的捕捉能力明顯高于時(shí)間間隔采樣.水量間隔采樣在徑流峰值區(qū)域的樣品數(shù)量占比為7%左右,時(shí)間間隔采樣為2%左右.

4.3 負(fù)荷估算誤差表明,以±5%作為允許的誤差范圍,降雨徑流事件采樣監(jiān)測(cè)的有效時(shí)間間隔為120min,有效水量間隔為1600m3.

4.4 形成一套有效采樣間隔分析流程:首先采集典型降雨徑流事件的水質(zhì)流量過程真實(shí)值,其次通過模擬采樣估算不同采樣間隔的負(fù)荷輸出通量,最后根據(jù)要求的誤差范圍確定有效采樣間隔.