中小型河流污染負(fù)荷特征自動提取方法研究

白璐 姬洪亮 賀敬怡

關(guān)鍵詞：中小型河流；污染負(fù)荷特征；自動提取；水箱模型；綜合水質(zhì)指數(shù)

前言

河流受到污染的原因較多，其中氣候與生產(chǎn)活動是造成污染的主要因素。河流治理成為中國水域建設(shè)的迫切需求。但長期以來治理手段缺乏一定科學(xué)性，治理效果并不顯著。這是因?yàn)樵谥卫磉^程中，無法有效提取中小型河流污染負(fù)荷特征，相關(guān)學(xué)者針對該問題進(jìn)行了研究。

一些學(xué)者將污染負(fù)荷作為治理依據(jù)，研究河流污染。例如，文獻(xiàn)提出基于SWAT模型的河流污染負(fù)荷量評估方法。通過現(xiàn)場勘查采集樣品，修正SWAT模型數(shù)據(jù)庫，建立河流污染源負(fù)荷評價(jià)模型，計(jì)算河流徑流量，擬合出最終的評估結(jié)果。文獻(xiàn)利用GIS軟件，通過景觀格局指數(shù)和冗余分析算法分析河流水質(zhì)的空間變化特征。但是上述方法沒有具體分析每種污染源對河流的作用，提取的負(fù)荷特征難以全面反映河流水質(zhì)，并且無法自動提取。

基于此，建立反映水量水質(zhì)綜合情況的水箱模型，準(zhǔn)確模擬河流變化情況，根據(jù)各類污染源具體情況，確定特征指標(biāo)，通過水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)自動提取出污染負(fù)荷特征。

1基于水箱模型的河流污染負(fù)荷特征自動提取

1.1污染源類型分析與負(fù)荷估算

估算各類污染負(fù)荷前，需了解污染源類型，確定點(diǎn)源或非點(diǎn)源污染。首先，工廠污染是典型的點(diǎn)源污染。結(jié)合當(dāng)?shù)毓S排放形式和污染物排放量等信息，利用人河系數(shù)算法計(jì)算排放到河流的污染量：

1.2水箱分析模型建立

經(jīng)過上述分析，確定了污染物類型，建立水箱模型，模擬水源和污染物的流人與排出過程，為污染負(fù)荷特征提供依據(jù)。水箱模型示意圖見圖1。

圖1所示模型為坦克模型，最上層和第二層水箱的出流分別表示地表徑流與土壤中流，最下層為深層地下徑流。水箱模型的結(jié)構(gòu)分為兩組串聯(lián)的水箱，除最下層水箱外，均設(shè)有出流孔和下滲孔。假如在t時(shí)間點(diǎn)上，雨水流人頂層水箱，若此時(shí)水箱總體蓄水深度高于出流孔高度h，水流流出，而箱內(nèi)其他水滲入到第二層水箱，以此類推。

首先分析上層水量平衡，水箱最上層平衡方程如下，其中降水與蒸發(fā)量中涵蓋引水灌溉。

1.3水箱模型輸入?yún)?shù)確定

利用上述模型分析河流的污染情況，還需設(shè)置模型輸入?yún)?shù)，主要包括降水量、蒸發(fā)量和用水量參數(shù)類型。降水量：查找相關(guān)資料，以目標(biāo)地區(qū)近年來日平均降水量為輸入信息。蒸發(fā)量：參考風(fēng)速、日照時(shí)長和溫度，利用下述公式獲得蒸發(fā)量，并將其作為模型輸入。

1.4污染負(fù)荷特征自動提取

將綜合水質(zhì)指數(shù)作為特征提取目標(biāo)實(shí)現(xiàn)污染負(fù)荷特征自動提取，利用上述模型得到綜合水質(zhì)指數(shù)：特征．見表1。

利用水箱模型得到的信息計(jì)算水質(zhì)綜合指數(shù)，根據(jù)指標(biāo)值實(shí)現(xiàn)污染負(fù)荷特征自動提取。

2實(shí)例研究

2.1實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

實(shí)驗(yàn)選擇濟(jì)寧市一條中小型河流為研究對象，干流長度為32.5km，河流總面積為1045km2，整個(gè)流域共設(shè)置四個(gè)水質(zhì)監(jiān)測斷面。該流域附近的具體信息如下：

水文特征：在河流中游附近設(shè)置水文站，汛期為7、8月份，暴雨期間，水位漲幅大，流速急。河道深度通常在30cm左右。河斷面含沙量可達(dá)25.6kg/m3，輸沙率為8.7kg/s。

氣象與氣候：該地區(qū)氣候較為寒冷，但與相同維度地區(qū)相比，氣候偏高。年均氣溫是12.4℃，年均蒸發(fā)量是1422.4mm。5月份風(fēng)速，達(dá)到4.8m/s，8月份風(fēng)速最小，為2.2m/s，日照日寸間長。

水質(zhì)問題：該河流具有較強(qiáng)的季節(jié)性特征，每逢降水量少的年份，大部分河段會出現(xiàn)枯竭斷流現(xiàn)象。隨著區(qū)域經(jīng)濟(jì)的全面發(fā)展，河流保護(hù)面臨的壓力越來越大，經(jīng)常出現(xiàn)水質(zhì)不達(dá)標(biāo)的情況，難以滿足河流規(guī)劃要求。圖2是該河流近三年來不同類別水域面積變化情況。

如圖2所示，2019年時(shí)，此流域的優(yōu)質(zhì)水面積占總面積的78%左右，劣質(zhì)水只有4%；隨著時(shí)間的推移，到2021年時(shí)，優(yōu)質(zhì)水流域面積直線下降，劣質(zhì)水流域面積高達(dá)20%以上，而輕度和中度污染的水源面積也在逐步增加。說明該流域近年來水質(zhì)污染現(xiàn)象嚴(yán)重，河流污染治理迫在眉睫。為此，利用文章方法提取河流污染負(fù)荷特征，為制定科學(xué)的治理方案提供依據(jù)。

2.1.1監(jiān)測點(diǎn)布置與樣本采集

根據(jù)河流特征與污染情況，采樣過程將滿足以下原則：采樣點(diǎn)應(yīng)設(shè)置在交通方便的位置，此外應(yīng)充分保障采樣環(huán)境安全。結(jié)合上述原則，在每個(gè)月的上、中、下旬分別進(jìn)行三次采樣，采樣深度為40cm，取水量為1500ml，采集到的樣本將被立即送往實(shí)驗(yàn)室，并在5℃的環(huán)境下保存。

2.1.2實(shí)驗(yàn)設(shè)備

結(jié)合特征提取方法，本次實(shí)驗(yàn)所需設(shè)備見表2。

2.2結(jié)果分析

分析該地區(qū)存在的各類污染源，估算污染源負(fù)荷值，利用文章建立的水箱模型，模擬該河流蓄水與出流特征，再通過綜合水質(zhì)標(biāo)志指數(shù)提取污染負(fù)荷特征。將溶解氧、高猛酸鹽、氨氮和總磷作為特征指標(biāo)，分別從時(shí)間和空間兩方面分析污染負(fù)荷特征。

2.2.1時(shí)間特征

為更好地提取污染負(fù)荷的時(shí)間特征，結(jié)合此地區(qū)氣候特征，春季在每年3、4、5月份，夏季一般包括6、7、8月份，秋季是9、10、11月份，冬季為12月和次年1、2月份。不同月份的污染特征指標(biāo)濃度見圖3。

分析圖3可以得出：三個(gè)采樣點(diǎn)呈現(xiàn)出的特征曲線走勢基本相同。其中，溶解氧、高猛酸鹽和總磷三種污染物的含量往往在7月份出現(xiàn)最低值，在冬季的二月份最高；氨氮含量隨季節(jié)變換顯著，峰谷交替變化。總體上看，污染物負(fù)荷在冬季最大，這是因?yàn)槎窘邓可伲廴疚餄舛葧仙?/p>

2.2.2空間特征

將河流劃分為上、中、下游，其中上游為第1、2、3段，中游為第4段，下游包括5、6、7段，上、中、下游都設(shè)置三個(gè)采樣點(diǎn)，計(jì)算綜合水質(zhì)指數(shù)，計(jì)算結(jié)果見圖4。

分析圖4可以發(fā)現(xiàn)，該河流的污染負(fù)荷指數(shù)由上游到下游為上升趨勢，前三段為上游部分，指數(shù)值保持在3以下，屬于二級水質(zhì)；中游部分為第四段也是二級水質(zhì)；越往下游綜合指數(shù)越高，屬于重污染。這是因?yàn)橐恍┪廴驹亟?jīng)過長距離傳輸在下游形成沉積物，使該段水域污染比中上游更為嚴(yán)重。

綜上所述，該河流污染負(fù)荷特征在時(shí)間上表現(xiàn)為夏季污染小，污染嚴(yán)重；在空間上為上中游屬于輕度污染，下游是重度污染。相關(guān)治理人員可根據(jù)這一污染特征制定科學(xué)合理的整治措施。

3結(jié)束語

中小型河流的污染越來越嚴(yán)重，人們開始逐漸關(guān)注河流污染治理，在治理河流時(shí)，河流污染負(fù)荷特征是管理部門治理河流水質(zhì)的重要決策依據(jù)。因此，文章提出基于綜合水質(zhì)指數(shù)的污染負(fù)荷特征自動提取方法。首先，分析污染源類型和估算污染負(fù)荷，構(gòu)建水箱分析模型，并且確定分析模型參數(shù)，將相關(guān)信息輸入到箱型模型，模擬河流的流通情況，選擇主要的污染特征，建立綜合水質(zhì)標(biāo)志模型，將相關(guān)信息輸入模型，即可實(shí)現(xiàn)污染負(fù)荷特征的自動提取。通過以濟(jì)寧一條河流為實(shí)例，分析方法的性能，分析結(jié)果可知，該河流污染負(fù)荷特征在時(shí)間上表現(xiàn)為夏季污染小，污染嚴(yán)重；在空間上表現(xiàn)為上中游呈現(xiàn)輕度污染，下游呈現(xiàn)重度污染。根據(jù)提取到的特征，因地制宜地制定治理措施，從根本上解決河流污染問題。