太湖入湖污染物通量監測與計算方法研究

聶 青，陸小明，高鳴遠，王聰聰

(江蘇省水文水資源勘測局，江蘇 南京 210029)

太湖流域地處長江三角洲核心區域，河流水系縱橫，是全國著名的水網地區，也是我國河道最密集的地區[1]。在人類活動影響下，太湖污染問題日益嚴重[2]。由于太湖流域獨特的水文特性和社會特征，對其污染相關問題的研究一直是學界的熱點問題[3]。

河流是湖泊與流域生態環境聯結的主要通道和紐帶，入湖河道帶入的污染是湖泊水質污染的主要原因之一[4]。針對太湖入湖污染物通量監測及計算能更好地掌握入湖污染物的時空分布，為太湖污染治理提供支撐，具有重要的意義。

太湖大體承接三路上游來水：一是苕溪水系，發源于浙江天目山；二是西路南溪水系；三是北路水系[5]。太湖的出湖河道主要集中于湖泊東部和北部，包括望虞河、太浦河等，其余眾多中小出湖河道構成太湖的出水河網。根據2009～2017年環太湖監測結果，浙江省入太湖水量占總入湖水量的16.4%～30.7%，年均約23.0%；江蘇省入太湖水量占總入湖水量的69.3%～83.6%，年均約77.0%。另外，浙江苕溪入湖水質相對較好，江蘇入太湖地區尤其是湖西地區(南溪水系、洮滆水系)水質相對較差，是入湖污染物的重要來源。因此，本文選取江蘇主要入湖河道作為研究對象，分析入湖污染物通量監測與計算方法，代表性更強且更具實際指導意義。

1 監測控制斷面及站點布設研究

1.1 水量站點布設

江蘇省環太湖河道多數有控制建筑物，主要建筑物有太浦閘、望亭立交、直湖港閘、犢山閘、大浦口閘、瓜涇口閘、胥口閘、武進港閘、貢湖灣沿湖小閘等。這些建筑物上基本都設有國家基本水文站，掌握水位及水量進出情況。

根據太湖水系特點，水量監測站點的布設原則是沿湖劃分若干巡測段，通過將各巡測段實測總流量與該段設立的基點站流量建立相關關系，進而推求各巡測段逐日入湖水量。對不能放在巡測段內建立相關關系或受水利工程影響的河道，則單獨委托測驗，推算進出湖水量。目前江蘇境內共布設8個巡測段11個基點站/單站111個口門進行水量巡測，其中蘇州5個巡測段2個基點站/單站共63個出入湖口門，無錫3個巡測段7個基點站/單站共46個出入湖口門，常州2個單站共2個出入湖口門。環太湖巡測段、站統計見表1。

1.2 水質站點布設

考慮環湖河流水質、水量須同步實施監測的因素，水質監測站點布設盡量與水量巡測(監測)斷面一致。同時考慮目前環湖小閘段一直處于關閉狀態，基本不存在與太湖進行水量交換的情況，設置水質站點意義不大，因此，本次環太湖江蘇段出入湖河流設置水質站點84處(個)，其中蘇州53處，無錫27處，常州4處。

表1 環太湖巡測段、站統計表

2 監測頻次設置

(1)單站和基點站每日定時測流。其中：河流站日流量一般每天測流二次，洪水期視水情變化隨時加密測次，以測得完整洪水過程；閘壩站開閘時每天測流兩次，閘門開啟情況變化時隨時加測。

(2)各巡測段流量每月上半月、下半月各巡測一次，汛期大水時隨時加密巡測測次。

(3)水質除每月8、23日左右與水量同步巡測外，還有每月“逢5”“逢10”號左右水質常規監測和汛期每隔3～4d就開展一次的水質常規檢測。

3 河道入湖污染物通量計算方法及精度分析

3.1 計算方法

目前計算污染物通量大多采用Webb等人根據時段平均濃度與時段水量之積和分時段通量兩類估算方法，構造5種時段通量的計算方法，各估算方法見式(1)—(5)[6]。

(1)

式中，W—估算時間段的污染物通量；K—不同估算時間段的轉換系數；n—估算時間段內的采樣次數；ci—樣品i的濃度值。

采用的方法是瞬時污染物濃度ci的均值與瞬時徑流量Qi的均值的乘積，其缺點是沒有考慮徑流量的時均變化。

(2)

(3)

式(3)采用的方法是瞬時污染物濃度ci與瞬時徑流量Qi的乘積的均值，其優點是突出了點源污染，缺點是忽略徑流量的時均變化。

(4)

(5)

污染物年通量計算的誤差主要由采樣點的代表性、水質分析方法、流量、監測頻率等決定[7]。時段通量波動變化的過程復雜，估算斷面的時段通量與瞬時通量相比，相對更為困難。尤其時段的跨度長度越長，試圖用有限次的實測數據進行分析難度越大。由于采用不同計算方法得到的入湖污染物通量差異較大，因此更應當從眾多估算方法當中，謹慎地做出選擇。

3.2 計算精度分析

針對現階段的監測條件，選擇現階段具有代表性入湖河道，根據多次水量、水質監測成果，分析不同的監測頻次，不同的計算方法之間的精度差異，進行入湖污染物量計算精度分析。

3.2.1計算時段與入湖河道選取

計算時段選取2013—2017年，入湖河道選取太湖西岸入湖河道城東港、漕橋河。其中城東港是太湖最主要的入湖河道之一，2013—2017年年均入湖流量30200m3/s，代表大水量入湖河道；漕橋河2013—2017年年均入湖流量3390m3/s，代表一般入湖河道。

3.2.2計算方案設置

方案1：逐旬總水量與逐旬多次水質監測成果均值積之和。

方案2：逐旬總水量與每月5、15、25日水質監測成果積之和。

方案3：每月上半月、下半月總水量與8、23日水質監測成果積之和。

方案4：月總水量與每月10日水質監測成果之積。

3.2.3計算方案比較

方案1是目前監測能力下的最精確方案，因此以計算方案1成果作為當前計算入湖污染物量參考值。通過逐月分析方案2、3、4與方案1的逐月成果值的相對誤差，并統計月誤差小于5%、10%、20%的占的比值，以對比分析不同計算方案的精度情況。

(1)城東港河

方案2：2013—2017年各指標逐月計算誤差占比見表2。可見除氨氮外，各指標誤差基本均在20%之內。誤差小于10%的占33%～100%，誤差小于20%的占83%～100%。

表2 計算方案2城東港河各指標誤差占比表 單位：%

方案3：采用計算方案3，2013—2017年各指標逐月計算誤差占比表見表3。由表3可見，誤差小于10%的占42%～92%，小于20%的占67%～100%，誤差率略大于方案2。

表3 計算方案3城東港河各指標誤差占比表 單位：%

方案4：2013—2015年各指標逐月計算誤差占比表見表4。由表4可見，誤差小于10%的占8%～75%，小于20%的占33%～92%，誤差率大于方案2和方案3。

表4 計算方案4城東港河各指標誤差占比表 單位：%

(2)漕橋河

方案2：2013—2017年各指標逐月計算誤差占比見表5。由表5可見，誤差小于10%的占67%～100%，小于20%的占83%～100%。

表5 計算方案2漕橋河各指標誤差占比表 單位：%

方案3：2013—2017年各指標逐月計算誤差占比見表6。由表6可見，誤差小于10%的占50%～100%，小于20%的占83%～100%，與方案2比較，誤差率小于20%的沒有明顯區別，但誤差率小于10%的，方案2優于方案3。

表6 計算方案3漕橋河各指標誤差占比表 單位：%

方案4：2013—2017年各指標逐月計算誤差占比表見表7。由表7可見，誤差小于10%的占17%～92%，小于20%的占42%～100%，誤差率明顯大于方案2和方案3。

表7 計算方案4漕橋河各指標誤差占比表 單位：%

4 結論

通過對太湖入湖污染物通量監測計算方法進行研究，得到以下結論。

(1)入湖污染物量計算精度由水量、水質監測的頻次決定，監測頻次越高，計算精度也就越高。

(2)對氨氮指標而言，由于每月各測次的水質監測值差距稍大，因此對監測頻次要求比其它四個指標稍高。

(3)綜合考慮結果代表性、精度以及測驗成本，每月兩次的水量、水質同步監測(巡測)入湖污染物量監測精度達80%，能夠滿足太湖流域入湖污染物監測的需要。

本文提出的計算分析方法也適用于其他對象。應用于其他對象時，應結合現有國家基本水文站、巡測段(站)監測成果及針對實際自然狀況應用水文分析計算方法等，通過本文的計算分析方法篩選合理方案。