基于固定式ADCP的陈东港污染物通量计算.pdf

第 卷第 期 水 资 源 保 护 年 月.基金项目:国家自然科学基金项目()江苏省省属公益类科研院所自主科研经费资助项目()作者简介:徐海波()男硕士主要从事环境规划与管理研究:.通信作者:吴金华()男工程师硕士主要从事遥感与水生态研究:.:/基于固定式 的陈东港污染物通量计算徐海波吴金华任小龙顾炉华李秋红朱 玲(.江苏省环境科学研究院江苏 南京 .江苏省环境工程重点实验室江苏 南京.江苏省水文水资源勘测局无锡分局江苏 无锡)摘要:根据太湖流域西部重要入太湖河道陈东港 年 流量测验数据和水质在线监测数据分析了该河道流量、污染物质量浓度和通量的年内变化特征比较了流量、水质数据采集频次对污染物通量计算结果的影响 结果表明:年陈东港年平均流量为./年径流量为.亿 日均流量年内波动剧烈峰值出现在 月其变化过程受降水影响显著和 质量浓度的年内波动也较明显全年累计通量分别为 和 基于固定式 流量测验数据计算污染物通量较基于水文巡测数据的精度提升约.两者差异主要集中在 月若要将两种污染物年累计通量的计算相对误差控制在 以内流量采集频次不宜低于 一次若相对误差控制在 以内流量采集频次不宜低于 一次在丰水期(月)和枯水期(月)需提升至 一次 与流量采集频次相比两种污染物年累计通量对水质采集频次变化的敏感性相对较低当水质采集频次从 一次减少到 一次时相对误差仍在 以内关键词:固定式 污染物通量流量水质陈东港太湖流域中图分类号:文献标志码:文章编号:()/(.):./.()().:污染物通量是指单位时间通过某一过水断面的污染物质量 河道是流域水分、泥沙和污染物等物质输送和运移的基本通道河道污染物入湖是造成湖体水质污染及水生态破坏的重要原因 掌握河道污染物通量的时空变化特征可为流域污染物溯源、厘清跨界断面污染责任、控制和削减入河污染物提供技术支撑太湖、鄱阳湖、洞庭湖、呼伦湖等已有入湖河道污染物通量的相关研究这些研究主要聚焦于河道污染物的入湖贡献、通量估算方法的筛选与不同数据采集频次的误差分析以及污染物通量与湖体水质响应关系等问题 河道污染物通量计算在很大程度上依赖于流量、水质数据的获取实践中多通过水文巡测获取流量数据结合同期水质监测数据计算污染物通量但人工巡测获取流量的频次难以细致刻画污染通量的变化过程而高频次测量河道流量和水质需耗费大量人力物力 世纪初声学多普勒流速仪()开始应用于我国河道流量测验 利用声学多普勒频移实现流量自动监测具有数据获取高效、传输快捷的优点可获取分钟级别的流量数据近年来在镇江九曲河闸、京杭大运河谏壁闸等的流量观测中取得成功应用但应用 流量测验数据开展河道污染物通量计算的研究尚未系统开展本文基于 年固定式 的流量测验数据和河道水质在线监测数据探索河道污染物通量的耦合计算方法分析不同流量、水质采集频次对太湖西部重要入湖河道陈东港的污染物通量计算结果的影响以期为平原河网地区河道污染物通量科学、经济监测与获取提供参考 研究数据与研究方法.研究区概况陈东港位于江苏省宜兴市西起太湖流域西部重要湖泊东氿东至太湖是太湖湖西地区重要的入湖河道 陈东港全长.河底宽为 河面宽为 多年平均径流量约为.亿 陈东港承接上游宜兴市的来水多年平均入太湖水量占江苏省入太湖水量的 是宜兴市所有入太湖河流中径流量最大的一条 陈东港位置和 测流断面、水质监测点如图 所示 测流断面距离陈东港入湖口约 水质自动监测点位于陈东港入湖口上游 处流量和水质监测位置相邻同步开展监测图 陈东港河道位置及监测布局示意图.研究数据.流量数据陈东港流量数据由横向固定式 测验得到测流断面见图 利用声学多普勒效应根据反射声波与发射声波间的频率差计算流速该流速称为 代表流速 为进一步获取断面平均流速依据 声学多普勒流量测验规范需采集大于 个不同水流条件的流速数据样本通过代表流速法建立 代表流速与断面平均流速关系 考虑陈东港测流过程可能会受船行波、风浪等因素的影响共计比测了 测次的断面流速筛选了其中未受外部影响的 测次的断面流速参与率定分析图 陈东港 测流断面.固定式 采集得到测流断面不同垂线的流速在建立流速关系线时需选取单元流速垂向分布较规则、均匀、稳定且基本无干扰影响的区间作为最优代表单元区间 图 为陈东港测流断面 代表流速与断面平均流速散点图及拟合关系 采用符号、适线和偏离值 项检验及定线精度分析对该关系线进行定线合理性和精度评定评定结果满足 河流流量测验规范和/水文资料整编规范)的相关要求说明 流量测验数据精确可信图 陈东港 代表流速与断面平均流速关系线.在获取准确的 断面平均流速数据后基于流速面积法计算流量:式中:为断面流量/为过水断面平均流速/为过水断面面积 采用卡尔曼滤波对原始数据进行异常值处理最终得到陈东港每 一次的流量数据.水质数据水质指标包括高锰酸盐指数()和总磷()水质在线监测依据 地表水自动监测技术规范(试行)开展数据采集频次通常为 一次 其中的测定采用酸性高锰酸钾法(/水质高锰酸盐指数的测定)的测定采用钼酸铵分光光度法(/水质总磷的测定钼酸铵分光光度法)理论上陈东港全年应监测水质数据 条但实际监测过程中受供电、通信、仪器故障等不确定性因素影响导致部分时段数据缺失或无效最终 和 分别监测到 和 条数据数据有效率在 以上 对于缺失数据根据邻近数据由线性插值获取.污染物通量计算方法污染物通量可分为瞬时污染物通量和时段污染物通量瞬时污染物通量为河道瞬时流量与污染物质量浓度的乘积累计污染物通量则为一定时段内瞬时污染物通量的时间积分 等根据分时段通量、时段平均质量浓度与时段平均水量乘积两类估算方法构造了时段通量计算公式本文在其基础上根据所使用的流量、水质数据的频次采用如下污染物通量计算公式:()()式中:为瞬时污染物通量/为累计污染物通量 为时刻 的污染物质量浓度/为时刻 的瞬时流量/为总时刻数 结果与分析.年流量特征根据 流量测验和断面上游宜兴站的降水量数据绘制 年陈东港日均流量、月均流量和日降水量变化过程如图 所示 年陈东港年均流量为./日均流量波动剧烈峰值为./出现在 月 日谷值为./出现在 月 日 月和 月的日均流量比其他月份的波动更大 月尺度上 月流量呈上升趋势 月最高月均流量为./月过后流量有所回落 月又再次回升 月月均流量为./经计算 年陈东港年径流量为.亿 其中 月径流量最高为.亿 占全年径流量的.其次为 月(.亿)占全年径流量的.月、月的径流量相对较低分别为.亿 和.亿 占全年径流量的.和.图 年陈东港流量和降水量变化过程.通过对比 年陈东港日均流量和断面上游宜兴站的日降水量可以看出陈东港流量变化受降水影响显著日均流量较大的时段基本对应着强降水过程 月 日区域降水量为 单日最大降水量为 该降水过程对应着 月 日的流量过程日均流量为./单日最大流量为./月 日区域降水量为 月 日的日均流量为./月降水变化是造成该时段流量波动的主要原因.年水质特征陈东 港 年 平 均 质 量 浓 度 为./(图 ()达 到 地 表 类 水 标 准(/)根据每 一次的监测数据陈东港全年共超地表类水标准 次全年最高质量浓度为./超地表类水标准.倍质量浓度在 月中旬至 月中下旬的丰水期整体较低可稳定达到类水标准 月下旬至 月上旬质量浓度高位波动陈东港 年 平均质量浓度为./(图()达到地表类水标准(./)全年共超地表类水标准 次全年最高质量浓度为./超地表类水标准.倍 质量浓度波动较为明显但无明显规律 春夏之交 质量浓度的波动上升与微生物与底栖动物活动增强及河道底泥释放有着较大关系()()图 陈东港 年水质指标变化过程.年污染物通量计算结果 年陈东港污染物通量计算结果如表 所示变化过程如图 所示 和 通量的变化特征有一定的相似性 两种污染物的日均通量波动性较大日均通量与日均流量的波动特征基本一致其中峰值为./峰值为./两种污染物峰值均出现在 月 日对应着日均流量的峰值 此外日均通量在 月比 波动 幅度更大主要是受其质量浓度的影响 月尺度上 月两种污染物月均通量呈上升趋势 月有所降低随后均在 月达到全年峰值 月回落在 月月均通量再次升高之后再次回落表 陈东港 年污染物通量计算结果 时间平均通量/(/)累计通量/平均通量/(/)累计通量/月.月.月.月.月.月.月.月.月.月.月.月.全年.()()图 陈东港 年污染物通量变化过程.污染物累计通量方面陈东港 月、月 和 累计通量明显高于其他月份 月、月 累计通量分别为 和 占全年累计通量的.和.月、月 累计通量分别为 和 占全年累计通量的.和.月、月、月和 月的累计通量相对较低分别约占全年累计通量的 究其原因陈东港作为太湖上游地区重要的出水口其污染物通量变化过程与流域水文、气象条件以及人类活动息息相关 月开始进入汛期降雨增多叠加农田退水入河污染负荷较 月显著增加 月和 月由于有强降雨过程污染物通量在 月或 月均出现峰值 月以后污染物通量仍高于 月主要是受上游水产养殖尾水集中排放的影响图 为 年陈东港基于 流量测验数据的污染物通量计算结果与基于水文巡测数据的通量计算结果对比 与 流量测验数据相比采用水文巡测数据计算得到的、年累计通量误差分别为 和 平均相对误差为.从年内变化上由于巡测数据采集频次较低数据获取的随机性较强从而导致个别月份水文巡测数据与 测验数据计算的通量相差较大这一情况在 月尤为明显()()图 基于 测验数据和水文巡测数据的污染物通量计算结果对比.不同数据采集频次对污染物通量计算结果的影响.不同流量采集频次下污染物通量基于 一次的水质数据分别计算了 、和 流量采集频次下污染物年累计通量及与通量参考值(流量采集频次下污染物年累计通量)之间的相对误差结果如表 所示 可以看出随着流量采集频次的降低污染物年累计通量计算误差逐渐增大 同时由于采集频次降低后可获取的数据量减少从而导致计算结果的不确定性增大会出现相对高估或低估的情况 对陈东港而言当流量采集频次为 一次时通量计算值与参考值之间的相对误差为.通量计算结果会被低估而流量采集频次为 一次时相对误差增大至.通量计算结果被高估 因此如果需将两种污染物的年累计通量相对误差控制在 以内流量采集频次至少为 一次如相对误差需控制在 以内则流量采集频次至少为 一次表 不同流量采集频次下 年污染物年累计通量 流量采集频次年累计通量/相对误差/年累计通量/相对误差/平均相对误差/.图 为不同流量采集频次下污染物月累计通量与参考值之间的相对误差绝对值可以看出随着流量采集频次的降低污染物月累计通量计算误差逐渐增大当流量采集频次高于 一次时各月的通量计算误差可以控制在较低水平 流量采集频次为 一次时丰水期(月)和枯水期(月)的相对误差较大分别为 和.若要将相对误差控制在 以内均需将流量采集频次提升至 一次 这是因为陈东港作为湖西区下游河道受上游降雨和沿江口门调度双重影响丰水期和枯水期水量波动均较大需要加密监测以尽可能捕捉特征流量过程.不同水质采集频次下污染物通量基于 一次的流量数据分别计算了 、和 水质采集频次下污染物年累计通量及与通量参考值(水质采集频次下污染物年累计通量)之间的相对误差结果如表 所示 可以看出与流量采集频次对污染 ()()图 不同流量采集频次下污染物月累计通量计算误差.物通量的影响类似水质采集频次越低两种污染物通量计算误差越大同时不确定性上升出现相对高估或低估的情况 但总体而言水质采集频次降低对年污染物累计通量计算结果的影响不大 当水质采集频次从 一次减少到 一次时污染物年累计通量计算值与参考值之间的相对误差在 以内 表 不同水质采集频次下 年污染物年累计通量 水质采集频次年累计通量/相对误差/年累计通量/相对误差/平均相对误差/.因此在通量计算过程中提升水质采集频次能够提升通量计算的准确性但相较流量而言通量计算对水质采集频次的要求较低图 为不同水质采集频次的污染物月累计通量与参考值之间的相对误差绝对值可以看出随着水质采集频次的降低污染物月累计通量计算误差逐渐增大其中丰水期(月)和枯水期(月)的相对误差较大若要将相对误差控制在 以内丰水期需将水质采集频次提升至 一次枯水期需将水质采集频次提升至 一次 丰水期和枯水期加密频次的差异源于陈东港枯水期流量相对较小水质波动幅度比丰水期大()()图 不同水质采集频次下污染物月累计通量计算误差.结 论.年陈东港全年平均流量为./年径流量为.亿 流量峰值出现在 月其变化受降水影响显著和 年均质量浓度分别为./和./两种污染物质量浓度存在明显的季节性波动.年陈东港 和 平均通量分别为./和./累计通量分别为 和 峰值出现在 月 基于固定式 流量测验数据和水质在线监测数据的通量计算结果较基于水文巡测数据的通量计算结果精度提升约.相对误差较大的月份集中在 月.通过对比不同数据采集频次下的通量计算结果发现若要将 和 两种污染物的年累计通量相对计算误差控制在 以内流量采集频次不宜低于为 一次若相对误差控制在 以内流量采集频次至少为 一次在丰水期(月)和枯水期(月)若要将月累计通量相对误差控制在 以内流量采集频次需提升至 一次总体而言年累计通量对水质采集频次变化的敏感性相对较低当水质采集频次从 一次减少到一次时年累计通量的相对误差在 以内在丰水期(月)和枯水期(月)若要将月累计通量相对误差控制在 以内水质采集频次需分别提高至 一次和 一次参考文献:吕文杨惠杨金艳等.环太湖江苏段入湖河道污染物通量与湖区水质的响应关系.湖泊科学():.(.():.()何锡君孙英军王贝等.浙江省出入太湖河道水量水质及污染物通量变化(年).湖泊科学():.(.():.()富国.河流污染物通量估算方法分析():时段通量估算方法比较分析.环境科学研究():.(.():.():.().():.杨金艳王雪松沈顺中等.环太湖出入湖河道污染物通量.南京:河海大学出版社.罗缙逄勇林颖等.太湖流域主要入湖河道污染物通量研究.河海大学学报(自然科学版)():.(.()():.()邹新罗勇李莹等.不同水期鄱阳湖主要污染物河流入湖通量研究.环境科学与管理():.(.():.()周琴贾海燕卢路等.洞庭湖水质及出入湖主要污染物通量变化趋势分析.三峡生态环境监测():.(.():.()李卫平陈阿辉于玲红等.呼伦湖主要入湖河流克鲁伦河丰水期污染物通量().湖泊科学():.(.().():.()韦雨婷逄勇罗缙等.苏南运河对太湖主要入湖河流污染物通量的贡献率.水资源保护():.(.():.()郝晨林邓义祥汪永辉等.河流污染物通量估算方法筛选及误差分析.环境科学学报():.(.():.()杨惠陈江谈剑宏.阳澄湖入湖河道水质变化及污染物通量分析.水资源保护():.(.():.()庄巍王晓逄勇等.太湖流域跨界区域水污染物通量数值模型构建与应用.水资源保护():.(.():.()娄保锋卓海华周正等.近 年长江干流水质和污染物通量变化趋势分析.环境科学研究():.(.():.()潘杰李书建胡尊乐等.流速分布规律在横向声学多普勒流量测验系统中的应用.水利信息化():.(.():.()程嫄嫄金晨曦.测流在巢湖流域水资源监测中的应用.水利信息化():.(.():.()刘墨阳蒋四维林云发等.复杂水情下 流量在线监测推流方法.水利水电科技进展():.(.():.()唐洪武黄淑君袁赛瑜等.长江 鄱阳湖交汇处三维水流结构研究.河海大学学报(自然科学版)():.(.()():.()吴志勇徐梁唐运忆等.水文站流量在线监测方法研究进 展 .水 资 源 保 护():.(.():.()张泉荣谢运山王萍等.定点式横向声学多普勒流速剖面 仪 应 用 研 究 .水 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