太湖入湖污染物通量監(jiān)測與計(jì)算方法研究

聶 青，陸小明，高鳴遠(yuǎn)，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(qū)域，河流水系縱橫，是全國著名的水網(wǎng)地區(qū)，也是我國河道最密集的地區(qū)[1]。在人類活動(dòng)影響下，太湖污染問題日益嚴(yán)重[2]。由于太湖流域獨(dú)特的水文特性和社會(huì)特征，對其污染相關(guān)問題的研究一直是學(xué)界的熱點(diǎn)問題[3]。

河流是湖泊與流域生態(tài)環(huán)境聯(lián)結(jié)的主要通道和紐帶，入湖河道帶入的污染是湖泊水質(zhì)污染的主要原因之一[4]。針對太湖入湖污染物通量監(jiān)測及計(jì)算能更好地掌握入湖污染物的時(shí)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(fā)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(gòu)成太湖的出水河網(wǎng)。根據(jù)2009～2017年環(huán)太湖監(jiān)測結(jié)果，浙江省入太湖水量占總?cè)牒康?6.4%～30.7%，年均約23.0%；江蘇省入太湖水量占總?cè)牒康?9.3%～83.6%，年均約77.0%。另外，浙江苕溪入湖水質(zhì)相對較好，江蘇入太湖地區(qū)尤其是湖西地區(qū)(南溪水系、洮滆水系)水質(zhì)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(jiān)測與計(jì)算方法，代表性更強(qiáng)且更具實(shí)際指導(dǎo)意義。

1 監(jiān)測控制斷面及站點(diǎn)布設(shè)研究

1.1 水量站點(diǎn)布設(shè)

江蘇省環(huán)太湖河道多數(shù)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(jìn)港閘、貢湖灣沿湖小閘等。這些建筑物上基本都設(shè)有國家基本水文站，掌握水位及水量進(jìn)出情況。

根據(jù)太湖水系特點(diǎn)，水量監(jiān)測站點(diǎn)的布設(shè)原則是沿湖劃分若干巡測段，通過將各巡測段實(shí)測總流量與該段設(shè)立的基點(diǎn)站流量建立相關(guān)關(guān)系，進(jìn)而推求各巡測段逐日入湖水量。對不能放在巡測段內(nèi)建立相關(guān)關(guān)系或受水利工程影響的河道，則單獨(dú)委托測驗(yàn)，推算進(jìn)出湖水量。目前江蘇境內(nèi)共布設(shè)8個(gè)巡測段11個(gè)基點(diǎn)站/單站111個(gè)口門進(jìn)行水量巡測，其中蘇州5個(gè)巡測段2個(gè)基點(diǎn)站/單站共63個(gè)出入湖口門，無錫3個(gè)巡測段7個(gè)基點(diǎn)站/單站共46個(gè)出入湖口門，常州2個(gè)單站共2個(gè)出入湖口門。環(huán)太湖巡測段、站統(tǒng)計(jì)見表1。

1.2 水質(zhì)站點(diǎn)布設(shè)

考慮環(huán)湖河流水質(zhì)、水量須同步實(shí)施監(jiān)測的因素，水質(zhì)監(jiān)測站點(diǎn)布設(shè)盡量與水量巡測(監(jiān)測)斷面一致。同時(shí)考慮目前環(huán)湖小閘段一直處于關(guān)閉狀態(tài)，基本不存在與太湖進(jìn)行水量交換的情況，設(shè)置水質(zhì)站點(diǎn)意義不大，因此，本次環(huán)太湖江蘇段出入湖河流設(shè)置水質(zhì)站點(diǎn)84處(個(gè))，其中蘇州53處，無錫27處，常州4處。

表1 環(huán)太湖巡測段、站統(tǒng)計(jì)表

2 監(jiān)測頻次設(shè)置

(1)單站和基點(diǎn)站每日定時(shí)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(shí)加密測次，以測得完整洪水過程；閘壩站開閘時(shí)每天測流兩次，閘門開啟情況變化時(shí)隨時(shí)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(shí)隨時(shí)加密巡測測次。

(3)水質(zhì)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(zhì)常規(guī)監(jiān)測和汛期每隔3～4d就開展一次的水質(zhì)常規(guī)檢測。

3 河道入湖污染物通量計(jì)算方法及精度分析

3.1 計(jì)算方法

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

(1)

式中，W—估算時(shí)間段的污染物通量；K—不同估算時(shí)間段的轉(zhuǎn)換系數(shù)；n—估算時(shí)間段內(nèi)的采樣次數(shù)；ci—樣品i的濃度值。

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

(2)

(3)

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

(4)

(5)

污染物年通量計(jì)算的誤差主要由采樣點(diǎn)的代表性、水質(zhì)分析方法、流量、監(jiān)測頻率等決定[7]。時(shí)段通量波動(dòng)變化的過程復(fù)雜，估算斷面的時(shí)段通量與瞬時(shí)通量相比，相對更為困難。尤其時(shí)段的跨度長度越長，試圖用有限次的實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析難度越大。由于采用不同計(jì)算方法得到的入湖污染物通量差異較大，因此更應(yīng)當(dāng)從眾多估算方法當(dāng)中，謹(jǐn)慎地做出選擇。

3.2 計(jì)算精度分析

針對現(xiàn)階段的監(jiān)測條件，選擇現(xiàn)階段具有代表性入湖河道，根據(jù)多次水量、水質(zhì)監(jiān)測成果，分析不同的監(jiān)測頻次，不同的計(jì)算方法之間的精度差異，進(jìn)行入湖污染物量計(jì)算精度分析。

3.2.1計(jì)算時(shí)段與入湖河道選取

計(jì)算時(shí)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(jì)算方案設(shè)置

方案1：逐旬總水量與逐旬多次水質(zhì)監(jiān)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(zhì)監(jiān)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(zhì)監(jiān)測成果積之和。

方案4：月總水量與每月10日水質(zhì)監(jiān)測成果之積。

3.2.3計(jì)算方案比較

方案1是目前監(jiān)測能力下的最精確方案，因此以計(jì)算方案1成果作為當(dāng)前計(jì)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(tǒng)計(jì)月誤差小于5%、10%、20%的占的比值，以對比分析不同計(jì)算方案的精度情況。

(1)城東港河

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

表2 計(jì)算方案2城東港河各指標(biāo)誤差占比表 單位：%

方案3：采用計(jì)算方案3，2013—2017年各指標(biāo)逐月計(jì)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(jì)算方案3城東港河各指標(biāo)誤差占比表 單位：%

方案4：2013—2015年各指標(biāo)逐月計(jì)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(jì)算方案4城東港河各指標(biāo)誤差占比表 單位：%

(2)漕橋河

方案2：2013—2017年各指標(biāo)逐月計(jì)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(jì)算方案2漕橋河各指標(biāo)誤差占比表 單位：%

方案3：2013—2017年各指標(biāo)逐月計(jì)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(qū)別，但誤差率小于10%的，方案2優(yōu)于方案3。

表6 計(jì)算方案3漕橋河各指標(biāo)誤差占比表 單位：%

方案4：2013—2017年各指標(biāo)逐月計(jì)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(jì)算方案4漕橋河各指標(biāo)誤差占比表 單位：%

4 結(jié)論

通過對太湖入湖污染物通量監(jiān)測計(jì)算方法進(jìn)行研究，得到以下結(jié)論。

(1)入湖污染物量計(jì)算精度由水量、水質(zhì)監(jiān)測的頻次決定，監(jiān)測頻次越高，計(jì)算精度也就越高。

(2)對氨氮指標(biāo)而言，由于每月各測次的水質(zhì)監(jiān)測值差距稍大，因此對監(jiān)測頻次要求比其它四個(gè)指標(biāo)稍高。

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

本文提出的計(jì)算分析方法也適用于其他對象。應(yīng)用于其他對象時(shí)，應(yīng)結(jié)合現(xiàn)有國家基本水文站、巡測段(站)監(jiān)測成果及針對實(shí)際自然狀況應(yīng)用水文分析計(jì)算方法等，通過本文的計(jì)算分析方法篩選合理方案。