河流監(jiān)測(cè)斷面幾種污染物的點(diǎn)源、非點(diǎn)源污染負(fù)荷分割*

代俊峰　楊藝　王璐瑜　王媛

(1.桂林理工大學(xué)廣西環(huán)境污染控制理論與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室　廣西桂林 541004；2.桂林理工大學(xué)廣西巖溶地區(qū)水污染控制與用水安全保障協(xié)同創(chuàng)新中心　廣西桂林 541004)

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河流監(jiān)測(cè)斷面幾種污染物的點(diǎn)源、非點(diǎn)源污染負(fù)荷分割*

代俊峰1,2楊藝1王璐瑜1王媛1

(1.桂林理工大學(xué)廣西環(huán)境污染控制理論與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室廣西桂林 541004；2.桂林理工大學(xué)廣西巖溶地區(qū)水污染控制與用水安全保障協(xié)同創(chuàng)新中心廣西桂林 541004)

以廣西入海河流南流江2003—2011年水質(zhì)數(shù)據(jù)為例，通過(guò)水文估算法和數(shù)字濾波法對(duì)點(diǎn)源和非點(diǎn)源污染負(fù)荷分別進(jìn)行分割估算。結(jié)果表明，2003—2011南流江流域監(jiān)測(cè)斷面的非點(diǎn)源污染較為嚴(yán)重，采用水文估算法計(jì)算的多年平均硫酸鹽、氯化物、硝酸鹽氮、亞硝酸鹽氮的非點(diǎn)源污染負(fù)荷占總負(fù)荷的比例分別為0.82，0.81，0.82，0.72；基于數(shù)字濾波法計(jì)算的多年平均硫酸鹽、氯化物、硝酸鹽氮、亞硝酸鹽氮的非點(diǎn)源污染負(fù)荷占總負(fù)荷的比例分別為0.72，0.54，0.68，0.63。結(jié)果顯示，這兩種方法的污染負(fù)荷分割結(jié)果變化趨勢(shì)大致相同。

非點(diǎn)源污染點(diǎn)源污染數(shù)字濾波水文估算法

0　引言

近年來(lái)對(duì)非點(diǎn)源污染的控制成為污染治理的關(guān)鍵和難點(diǎn)之一，河口、湖泊、水庫(kù)富營(yíng)養(yǎng)化的原因主要是由于非點(diǎn)源污染[1]。非點(diǎn)源污染的發(fā)生在時(shí)空上具有隨機(jī)性、發(fā)生方式具有間斷性、遷移過(guò)程具有繁雜性、排放途徑及排放量具有不確定性、監(jiān)測(cè)模擬與控制具有困難性等特點(diǎn)。針對(duì)非點(diǎn)源污染的上述特征，許多專家對(duì)于非點(diǎn)源量化問(wèn)題也進(jìn)行了相關(guān)的探討與研究，且根據(jù)實(shí)際資料與現(xiàn)有條件提出了相對(duì)適合的非點(diǎn)源污染負(fù)荷估算方法，例如：水量水質(zhì)類方法、平均濃度法、降雨量差值法、徑流分割法、模型法等[2]。

廣西北部灣經(jīng)濟(jì)區(qū)水資源豐富，但水資源時(shí)空分布十分不均，非點(diǎn)源污染嚴(yán)重，河流都受到了不同程度污染。本文以南流江為例，分別運(yùn)用水文估算法和數(shù)字濾波法對(duì)流域內(nèi)2003—2011年以硫酸鹽、氯化物、硝酸鹽氮、亞硝酸鹽氮為例的污染負(fù)荷進(jìn)行分割，定量描述點(diǎn)源污染和非點(diǎn)源污染對(duì)水生態(tài)環(huán)境的影響。

1　研究區(qū)域概況

南流江干流長(zhǎng)285 km，平均坡降為0.035%，多年平均入海徑流量74.96億m3，流域內(nèi)地形起伏平緩，但其河道蜿蜒，河水流動(dòng)速度較慢，自我凈化水平低，生態(tài)水環(huán)境極其脆弱。

筆者收集了南流江常樂(lè)水文站2003—2011年的系列水量資料和部分水質(zhì)監(jiān)測(cè)資料，水量資料和水質(zhì)資料來(lái)自水文站和水環(huán)境監(jiān)測(cè)站。南流江和常樂(lè)水文站位置見(jiàn)圖1。

圖1南流江和常樂(lè)水文站位置示意圖

2　點(diǎn)源、非點(diǎn)源污染物負(fù)荷的估算方法

2.1水文估算法

水文估算法是依據(jù)水文學(xué)原理，根據(jù)點(diǎn)源和非點(diǎn)源污染的產(chǎn)生、運(yùn)動(dòng)與轉(zhuǎn)移搬運(yùn)規(guī)律，在已有的監(jiān)測(cè)資料及數(shù)據(jù)前提下來(lái)劃定、區(qū)分點(diǎn)源與非點(diǎn)源污染負(fù)荷量，并對(duì)非點(diǎn)源污染負(fù)荷量實(shí)行量化[3-5]，為進(jìn)一步了解、剖析水環(huán)境中生命活動(dòng)及其污染現(xiàn)象與源頭提供參考和依據(jù)。

點(diǎn)源污染排入水環(huán)境的污染物數(shù)量相對(duì)比較平穩(wěn)固定，河川基流量Qu可通過(guò)解析徑流的形成以及運(yùn)用直線斜割法直接從年徑流過(guò)程中獲得，且依據(jù)已測(cè)得的降水?dāng)?shù)據(jù)，采用枯水期的污染物濃度，對(duì)其進(jìn)行加權(quán)平均，以此作為點(diǎn)源污染物的平均濃度Cu，根據(jù)公式推求。非點(diǎn)源污染負(fù)荷可分為2個(gè)部分，一部分是因降雨徑流溶解在水中隨地表徑流匯入水體的可溶性污染物，另一部分是侵蝕土壤及其吸附的固態(tài)污染物，因侵蝕被運(yùn)送入水體。

點(diǎn)源污染負(fù)荷推算采用式(1)。

Wu=Qu×Cu×Δtu

(1)

式中，Wu為點(diǎn)源污染負(fù)荷量；Qu為河川徑流量中地下水滲透補(bǔ)給河水的水量，m3/s；Cu為污染物的流量加權(quán)平均濃度，mg/L；Δtu為第u時(shí)段的時(shí)間，s。

由于南流江的懸移質(zhì)輸沙量相對(duì)較小，且缺乏連續(xù)性的河流懸移質(zhì)泥沙資料。所以，本文非點(diǎn)源污染負(fù)荷量的估算不考慮暴雨徑流中侵蝕土壤所吸附的污染物濃度負(fù)荷量，僅考慮地表徑流過(guò)程中溶解態(tài)污染物的非點(diǎn)源負(fù)荷。

實(shí)際估算中，非點(diǎn)源污染物負(fù)荷計(jì)算采用式(2)。

Wg=Cg×Qg×Δtg

(2)式中，Wg為非點(diǎn)源污染負(fù)荷量；Qg為第g時(shí)段的平均流量，m3/s；Δtg為相對(duì)應(yīng)時(shí)間段的時(shí)間，s；Cg為污染物在地表徑流過(guò)程中的平均濃度，推算采用式(3)。

(3)

式中，Ci為第i次監(jiān)控測(cè)得的污染物質(zhì)量濃度，mg/L；Qi為第i次監(jiān)控檢測(cè)獲得的流量，m3/s；n為每年監(jiān)測(cè)污染物濃度的次數(shù)。

2.2數(shù)字濾波法

2.2.1濾波原理

數(shù)字濾波法以傅立葉分析為基本理論依據(jù)，而傅立葉分析的關(guān)鍵又在于傅立葉變換。換而言之，傅立葉變換創(chuàng)設(shè)了以頻率為自變量的頻譜函數(shù)和以時(shí)間為自變量的時(shí)間函數(shù)之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系。一般點(diǎn)源污染負(fù)荷在某流域出口斷面的出流時(shí)間序列是相對(duì)平穩(wěn)的，對(duì)其出流時(shí)間序列進(jìn)行傅立葉變換后，點(diǎn)源污染負(fù)荷的出流時(shí)間序列頻域下的信號(hào)較弱，主要是低頻信號(hào)。而非點(diǎn)源污染負(fù)荷的出流時(shí)間序列易受降水、強(qiáng)降雨等外界條件影響，因此變化幅度較大，對(duì)其出流時(shí)間序列進(jìn)行傅立葉變換后，非點(diǎn)源污染負(fù)荷的出流時(shí)間序列頻域下的信號(hào)較強(qiáng)，主要是高頻信號(hào)，顯然強(qiáng)于點(diǎn)源污染負(fù)荷出流的信號(hào)。以上表明，對(duì)于點(diǎn)源、非點(diǎn)源污染負(fù)荷的分割，能夠通過(guò)分離高低頻信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)[6]。

實(shí)際在傅里葉變換的眾多形式中，常采用離散傅立葉變換(DFT)，是由水文時(shí)間序列出現(xiàn)形式?jīng)Q定的(常以離散形式給出)。它針對(duì)的主要是周期序列或有限長(zhǎng)序列存在的，離散傅立葉變換的一般形式見(jiàn)式(4)。

(4)

式中，N為周期序列一個(gè)周期的抽樣點(diǎn)數(shù)，或有限長(zhǎng)序列(時(shí)域及頻域)的抽樣點(diǎn)數(shù)，X(k)為{x(n)}的離散傅立葉變換。

2.2.2水文學(xué)的實(shí)際應(yīng)用

NATHAN R J和MCMAHON T A首次采用Lyne-Hollick算法對(duì)流量過(guò)程進(jìn)行解析和運(yùn)算[7]，從流量過(guò)程中分割出基流。濾波法較為客觀、易掌握、實(shí)施簡(jiǎn)便、速率快，且參數(shù)較少。濾波方程為式(5)。

(5)

式中，qt表示t時(shí)刻過(guò)濾出的直接徑流信號(hào)(以d為時(shí)間步長(zhǎng)) ；Qt，Qt-1表示相應(yīng)時(shí)段的實(shí)測(cè)河川的總徑流量；β為濾波參數(shù)。從總徑流中過(guò)濾出快速響應(yīng)，即可得出基流bt。

bt=Qt-qt

(6)

由式(5)和式(6)可計(jì)算出點(diǎn)源、非點(diǎn)源污染負(fù)荷的出流過(guò)程，進(jìn)而根據(jù)污染負(fù)荷的出流過(guò)程線對(duì)出流污染負(fù)荷進(jìn)行分割。

2.2.3數(shù)字濾波應(yīng)用分析

理論上說(shuō)，假設(shè)β1、β2為兩個(gè)不同的濾波參數(shù)，進(jìn)行濾波多次，它們得出的結(jié)果近似。而在實(shí)際應(yīng)用中卻發(fā)現(xiàn)，如果選取相對(duì)較大濾波參數(shù)時(shí)，濾波進(jìn)行2～3次就可得出合理的點(diǎn)源、非點(diǎn)源污染負(fù)荷分割量。但如果選取的是相對(duì)較小濾波參數(shù)時(shí)，則需要進(jìn)行濾波 5～6次才能夠得到合理的污染負(fù)荷分割量。黎坤等以東江流域?yàn)槔齕8]，運(yùn)用數(shù)字濾波法對(duì)點(diǎn)源、非點(diǎn)源污染負(fù)荷進(jìn)行分割，最后和平均濃度法計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比并得出結(jié)論，結(jié)論為采用比較大的濾波參數(shù)(β=0.925～0.950)，進(jìn)行3次濾波，得到的分割結(jié)果與平均濃度法計(jì)算的平均結(jié)果近似。由以上分析，本文取濾波參數(shù)β為0.925。

3　實(shí)例應(yīng)用的結(jié)果與分析

3.1水文估算法的實(shí)例應(yīng)用

本文以南流江常樂(lè)水文站2003—2011年的月、年平均流量統(tǒng)計(jì)表為基礎(chǔ)，采用枯水季最小月平均流量法，選擇年內(nèi)最小月的平均流量乘上全年總時(shí)間得到全年總基流量，而后用全年總徑流量減去基流量得出地表徑流量。南流江年徑流的分割見(jiàn)表1。

表1　南流江年徑流的分割　億m3

得到基流分割結(jié)果之后，根據(jù)已經(jīng)獲得的數(shù)據(jù)，用河川基流量乘上監(jiān)測(cè)的流量最小月污染物濃度求得點(diǎn)源污染負(fù)荷；計(jì)算求得非點(diǎn)源污染在地表徑流的流量加權(quán)平均濃度，得出的平均濃度再乘上地表徑流量得到非點(diǎn)源污染負(fù)荷。

3.2數(shù)字濾波法的實(shí)例應(yīng)用

分別將硫酸鹽、氯化物、硝酸鹽氮和亞硝酸鹽氮的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)為txt文件，根據(jù)Baseflow Filter Program 的要求處理數(shù)據(jù)，然后運(yùn)行bflow.exe[9-10]，得到的數(shù)據(jù)即為點(diǎn)源污染負(fù)荷量和指數(shù)Fr(點(diǎn)源污染負(fù)荷占總污染負(fù)荷比值的平均值)，并依據(jù)實(shí)際情況選取與水文估算法中最相近的Fr值。

3.3兩種方法分割結(jié)果對(duì)比

水文估算法計(jì)算出的南流江多年平均硫酸鹽、氯化物、硝酸鹽氮、亞硝酸鹽氮的非點(diǎn)源污染負(fù)荷占總負(fù)荷的比例分別為0.82，0.81，0.82，0.72；數(shù)字濾波法的計(jì)算結(jié)果分別為0.72，0.54，0.68，0.63。

水文估算法是一種簡(jiǎn)單、易用、易理解的方法，利用常規(guī)的河道斷面監(jiān)測(cè)資料對(duì)污染物濃度、流量等進(jìn)行估算，從而求出點(diǎn)源、非點(diǎn)源污染物負(fù)荷。相比較而言，數(shù)字濾波法是根據(jù)計(jì)算機(jī)編程直接得出點(diǎn)源污染負(fù)荷量以及指數(shù)Fr，最后再根據(jù)已知量求得非點(diǎn)源污染負(fù)荷量，其操作更加便捷快速且易修改，在一定程度上簡(jiǎn)化了計(jì)算的復(fù)雜性。兩種方法的具體對(duì)比結(jié)果見(jiàn)圖2、圖3、圖4和圖5。

圖2　兩種方法硫酸鹽污染負(fù)荷估算比較

圖3　兩種方法氯化物污染負(fù)荷估算比較

圖4　兩種方法硝酸鹽氮污染負(fù)荷估算比較

圖5　兩種方法亞硝酸鹽氮污染負(fù)荷估算比較

對(duì)比分析結(jié)果如下。

(1)數(shù)字濾波法和水文估算法的污染負(fù)荷分割結(jié)果變化趨勢(shì)大致相同，且近年總體污染得到一定控制。

(2)點(diǎn)源污染負(fù)荷的出流時(shí)間序列相對(duì)穩(wěn)定，波動(dòng)較?。环屈c(diǎn)源污染負(fù)荷由于易受降水、強(qiáng)降雨等外界因素影響，從而變化幅度比較明顯，波動(dòng)較大。

(3)南流江流域監(jiān)測(cè)斷面的非點(diǎn)源污染較為嚴(yán)重。

4　結(jié)語(yǔ)

(1)水文估算法不僅經(jīng)濟(jì)適用，而且可以估算不同年、某些特殊年份(如枯水年) 、不同頻率代表年、次洪水的非點(diǎn)源污染負(fù)荷量。與此同時(shí)，數(shù)字濾波法因具有簡(jiǎn)便和可適用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，能夠再現(xiàn)分割結(jié)果，讓使用者能在分割污染負(fù)荷時(shí)自己根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)靈活地選取濾波參數(shù)。

在可行性上，水文估算法已經(jīng)應(yīng)用于多地區(qū)研究污染負(fù)荷的實(shí)際問(wèn)題中，使用較為廣泛。數(shù)字濾波法由于是近年結(jié)合計(jì)算機(jī)編程的新型研究方法，仍處于嘗試狀態(tài)，需要與其他方法得出的結(jié)論進(jìn)行對(duì)比，判斷其合理性，最后確定濾波參數(shù)。

(2)本文數(shù)字濾波法研究分析的只是污染物濃度大小的變化，且在頻譜分析中，點(diǎn)源污染負(fù)荷信號(hào)以低頻信號(hào)為主，非點(diǎn)源污染負(fù)荷的信號(hào)以高頻信號(hào)為主。而在對(duì)濾波實(shí)際操作中，雖不可防止相位失真，但對(duì)其進(jìn)行多次濾波后可在一定程度上進(jìn)行修正。而運(yùn)用水文估算法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時(shí)涉及污染物濃度、徑流流量等多重因素影響，所以相對(duì)數(shù)字濾波法來(lái)說(shuō)可能誤差較大。通過(guò)對(duì)污染負(fù)荷分割結(jié)果對(duì)比圖的分析可以看出，兩種方法的污染物負(fù)荷估算結(jié)果整體變化趨勢(shì)相近。其中，有個(gè)別年份出現(xiàn)例外，有相對(duì)較大的差異，如2006年硫酸鹽和氯化物的分割結(jié)果，兩種計(jì)算方法估算其非點(diǎn)源污染負(fù)荷量所占比例分別相差了0.44、0.36，這種情況的產(chǎn)生，多是由于當(dāng)年強(qiáng)降雨次數(shù)或者降雨強(qiáng)度等外界條件造成的。

(3)上述污染物負(fù)荷估算結(jié)果對(duì)比分析說(shuō)明，廣西入海河流南流江流域監(jiān)測(cè)斷面的非點(diǎn)源污染較為嚴(yán)重，造成了不可忽視的環(huán)境污染與環(huán)境安全問(wèn)題。在今后的污染防治和管理方面，應(yīng)立法明確控制措施，制定有效的管理規(guī)劃，加強(qiáng)對(duì)非點(diǎn)源污染的認(rèn)識(shí)，重視流域的整體管理。

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Segmentation of the Point Source and Non-point Source Pollution Load of Several Pollutants in the River

DAI Junfeng1,2YANG Yi1WANG Luyu1WANG Yuan1

(1.GuangxiKeyLaboratoryofEnvironmentalPollutionControlTheoryandTechnology,GuilinUniversityofTechnologyGuilin,Guangxi541004)

Hydrological estimation method and the digital filtering method are used to segment the point source pollution and non-point source pollution of sulfate, chloride, nitrate nitrogen and nitrite nitrogen in Nanliu River from 2003-2011.The results show that the non-point source pollution has become a relatively serious problem in Nanliu River. The calculations of hydrological estimation method show that the ratio of non-point source pollution to total pollution load of these four indexes is 0.82, 0.81, 0.82 and 0.72 respectively. And calculations of the digital filtering method indicate that ratio of four indexes is 0.72, 0.54, 0.68 and 0.63 respectively. The results show that the segmentation change trends of the pollution with two methods are close.

non-point source pollutionpoint source pollutiondigital filtering methodhydrological estimation method

國(guó)家自然科學(xué)基金(51569007)，廣西自然科學(xué)基金(2015GXNSFCA139004)，廣西高等學(xué)校高水平創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)及卓越學(xué)者計(jì)劃(002401013001)，廣西礦冶與環(huán)境科學(xué)實(shí)驗(yàn)中心項(xiàng)目(KH2012ZD004)。

代俊峰，男，1980年生，博士，教授，主要從事水資源高效利用與水環(huán)境研究。

2015-09-16)