漢江干流中游斷面污染物通量估算方法研究

朱艷容，龍雪峰，方文宏

(長江水利委員會水文局漢江水文水資源勘測局，湖北 襄陽 441000)

水體污染物濃度反映的是水質(zhì)情況，不能反映水量對濃度的影響和監(jiān)測斷面污染物的總量[1]，隨著最嚴(yán)格水資源管理制度的提出[2]，水體污染物濃度的控制已不能滿足水污染治理的要求。污染物通量是指斷面在一定時(shí)間內(nèi)某種污染物的通過量，其測算結(jié)果不僅能夠用于表征各類污染源的入河負(fù)荷，也可反映流域污染特征和水化學(xué)演化規(guī)律[3]。污染物總量控制是水污染治理的一項(xiàng)重要措施，兼顧了現(xiàn)有的污染治理水平和水體納污能力[4]，掌握河流污染物通量估算方法以及通量變化規(guī)律對污染控制與管理具有重要意義。

河流中的污染物通量不僅與徑流量大小及污染物濃度有關(guān)，同時(shí)也受到點(diǎn)源和面源污染以及河流本底的影響[5- 6]。因此，需根據(jù)不同水質(zhì)斷面、不同污染物及其污染來源與特點(diǎn)，選擇合適的方法估算河流污染物通量。

1 研究區(qū)域

選擇余家湖水文站斷面，該斷面位于漢江干流中游位置。在丹江口大壩下游120km處，河段順直平緩，主河槽寬在600～800m之間。河床由砂及卵石組成，水生植物較少，多年沖淤變化不明顯。受采砂活動影響河床地形較為復(fù)雜，床面多有起伏，呈不規(guī)則鋸齒狀。河段水流順暢，無阻水、壅水現(xiàn)象。

2 研究方法

2.1 水質(zhì)監(jiān)測方法

采集水樣與水文測量同步，對研究斷面的主要污染指標(biāo)CODMn、氨氮、總磷等進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室分析。分析法采用國家標(biāo)準(zhǔn)或者水利、環(huán)境行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 流量測定方法

基于ADCP測定流量并處理數(shù)據(jù)。

2.3 污染物年通量的估算方法

河流污染物年通量的估算方法，理論上污染物時(shí)段通量可用下面的數(shù)學(xué)公式估算。

(1)

式中，Q(t)—瞬時(shí)流量，m3/s；C(t)—瞬時(shí)濃度，mg/L。

該公式需同步記錄河流每個(gè)瞬間的流量值與濃度值，操作難度較大，實(shí)際工作中很難實(shí)現(xiàn)。監(jiān)測中，長期的連續(xù)流量資料相對容易獲得，而水質(zhì)監(jiān)測周期相對較長與水質(zhì)濃度的連續(xù)數(shù)據(jù)較難獲得，只能獲得分布離散的、時(shí)間跨度較大的監(jiān)測數(shù)據(jù)，所以上述時(shí)段通量的積分公式通常轉(zhuǎn)化為算術(shù)表達(dá)式:

(2)

式中，Qi—瞬時(shí)流量，m3/s；Ci—瞬時(shí)濃度，mg/L;Qa—時(shí)段平均流量，m3/s；Ca—時(shí)段平均濃度，mg/L;T—估算時(shí)段，s；Q＂i—時(shí)均流量偏差，m3/s；C＂i—時(shí)均濃度偏差，mg/L;n—估算時(shí)段的樣品數(shù)量。

式(2)中，第一項(xiàng)為時(shí)均流量和時(shí)均濃度的乘積，為對流項(xiàng)，第2項(xiàng)為時(shí)均離散項(xiàng)[7]，因此式(2)可簡化為表1中5種計(jì)算方法[8]。

表1 時(shí)段通量的估算方法

注：K為估算時(shí)段的轉(zhuǎn)換系數(shù)，n為估算時(shí)間段內(nèi)的樣品數(shù)量。

3 監(jiān)測數(shù)據(jù)

水文數(shù)據(jù)為余家湖水文站斷面2016年每日獲取的流量數(shù)據(jù)，見表2。

研究采用的水質(zhì)數(shù)據(jù)來源于漢江水環(huán)境監(jiān)測中心2016年余家湖水文站斷面每月監(jiān)測數(shù)據(jù)，見表3。

表2 余家湖水文站斷面2016年流量單位：m3/s

注：瞬時(shí)流量指的是與水質(zhì)采樣時(shí)間同步記錄的流量數(shù)據(jù)。

4 結(jié)果分析

4.1 相關(guān)性分析

進(jìn)行余家湖水文站斷面污染物指標(biāo)與同步流量的線性相關(guān)性分析，相關(guān)系數(shù)r值見表4。

表3 水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù) 單位：mg/L

表4 污染物與流量的相關(guān)系數(shù)

從表4可知，相關(guān)系數(shù)-0.5

4.2 年通量計(jì)算

按照表1中的5種方法，計(jì)算余家湖水文站斷面2016年各污染物通量，結(jié)果見表5。

表5 污染物通量估算 單位：t

從表5可知，使用A、B、C、D、E方法計(jì)算出的年通量差別不大，從精確的角度考慮，方法A計(jì)算出的各污染物通量結(jié)果均最大，說明方法A忽略的時(shí)均離散項(xiàng)為負(fù)；方法D的月平均流量與方法B、E年平均流量相比提高了精度；方法C為同步實(shí)測水質(zhì)水文數(shù)據(jù)所得的日通量，且由于余家湖水文站斷面為混合污染類型，點(diǎn)源特征更強(qiáng)[10]，估值較為可靠，因此采用方法C作為余家湖水文站斷面的通量估算方法最為合適。

5 研究成果

(1)余家湖水文站斷面的污染源類型為點(diǎn)源非點(diǎn)源混合類型，點(diǎn)源特征更強(qiáng)。

(2)水質(zhì)水文監(jiān)測結(jié)果表明，余家湖水文站斷面2016年水文流量與水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)全年變化幅度不大，忽略了時(shí)均離散項(xiàng)的方法A、B計(jì)算所得污染物通量與方法C、D、E計(jì)算所得污染物通量差別較小。

(3)分析不同污染物與同步監(jiān)測流量的相關(guān)性，發(fā)現(xiàn)污染類型趨于一致，比較分析5種通量計(jì)算方法，結(jié)果表明方法C為余家湖水文站斷面通量估算最合適的方法。

6 結(jié)語

漢江襄陽段河流水質(zhì)受丹江口水庫蓄水，南水北調(diào)調(diào)水、入河區(qū)域污染物排放等多重影響，污染成因復(fù)雜。隨著襄陽市區(qū)域經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，污染負(fù)荷逐年增加，嚴(yán)重危及漢江流域內(nèi)用水安全，并制約了流域內(nèi)的可持續(xù)發(fā)展。漢江襄陽段河流既面臨著經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展導(dǎo)致的水污染負(fù)荷增加[11]，又面臨著污染排放總量必須消減、水質(zhì)必須改善的需求，因此明確污染物通量估算方法，開展襄陽段污染物通量監(jiān)測研究，可為漢江襄陽段水污染控制提供重要信息及決策依據(jù)。