自动监测在太湖流域河流污染物通量计算中的应用

自动监测在太湖流域河流污染物通量计算
中的应用
王军敏钟声郭蓉
摘要：本文通过引用国内计算污染物通量的5种主要方法，探索建立了基于水质自动监测系统核定太湖流域典型河流氮、磷等主要污染物通量的估算方法。

相比传统手工监测方法，自动监测由于增加了数据频次，大量增加了水文条件和水质情况在空间和时间上的样本数量，使估算结果更具代表性。

研究结果表明，基于自动监测的太湖流域各项主要污染物年通量分别为：高锰酸盐指数为2923.37t/年、氨氮为640.08t/年、总氮2777.69t/年、总磷109.91t/年。

关键词：太湖流域河流；污染物通量；自动监测
准确掌握河流污染物通量是落实总量控制制度、减少环境污染跨界纠纷的重要前提，可为跨界污染举证和污染治理决策提供依据。

在断面通量监控技术方面，Webb[1]等人构建了多种时段通量计算方法，富国[2]对5种河流污染物通量估算方法进行了对比分析。

国内学者们将通量计算方法应用在对淮河干流水质断面污染物年通量估算、九龙江污染物入海通量估算、洞庭湖水质及出入湖主要污染物通量估算等领域[3-5]。

目前国内外主要借助人工监测进行河流污染物通量计算。

太湖流域河网密布、闸坝众多，水文复杂，范围广阔等特征，污染物汇入量的核定工作量巨大，需要较长的时间周期。

由于人工监测频次较低，在对工业污染物的汇入量、河流主要污染物总量的监测之后，仅以一次值来推算污染物的月排放总量、年度排放总量，或以一个地区的监测数据来推算整个流域的排放量，大大地忽视了水文条件变化、经济社会发展的时间阶段性和空间差异性和随机性影响，使估算值与实际污染物总量相差悬殊，数据来源的代表性不足，通量计算结果科学性
无法满足当前环境管理需求。

因此，探索通过水质自动监测系统来核定区域氮、磷等主要污染物入湖总量是今后水质监测发展的必然趋势。

1.研究方法
污染物通量计算常用方法有以下6种，如表1所示。

表1 污染物通量计算的6种方法比较[2]
（1）方法A：计算公式：
K表示将通量换算成单位为年的换算量；n表示Ci/Qi测量次数；Ci可为COD、氨氮、总磷、总氮等各种瞬时浓度；Qi为测定以上各种浓度时水流瞬时流量。

方法A计算方法：通过计算测得瞬时浓度平均值与瞬时流量平均值之积，得到某一时间点的平均瞬时通量，取时间单位为t，则K取值为将t化为年。

K 与平均瞬时通量的乘积及为年通量。

（2）方法B：计算公式：
K表示将通量换算成单位为年的换算量；n表示Ci/Qi测量次数；Ci可为COD、氨氮、总磷、总氮等各种瞬时浓度；为测定以上各种浓度某一时段内的平均流量。

方法B计算方法：通过将某一时段内测得的浓度取平均值并求和，得到该时段的平均浓度之和。

求时段平均浓度之和与这个时段内的平均流量之积，得到该时段内的平均通量，取时间单位为t，则K取值为将t化为年。

K与时段平均通量的乘积及为年通量。

（3）方法C：计算公式：
K表示将通量换算成单位为年的换算量；n表示Ci/Qi测量次数；Ci可为COD、氨氮、总磷、总氮等各种瞬时浓度；Qi为测定以上各种浓度时水流瞬时流量。

方法C计算方法：先将瞬时通量CiQi取平均值，再将个时段内各瞬时平均通量求和，得到一个平均的时段通量，取时间单位为t，则K取值为将t化为年。

K与这个时段平均通量的乘积及为年通量。

（4）方法D：计算公式：
K表示将通量换算成单位为年的换算量；n表示Ci/Qi测量次数；Ci可为COD、氨氮、总磷、总氮等各种瞬时浓度；为测定以上各种浓度某一时段内的平均流量。

方法D计算方法：将各个瞬时浓度与时间段内的平均流量相乘并求和，得到该时间段的一个平均时段通量，取时间单位为t，则K取值为将t化为年。

K 与这个时段平均通量的乘积及为年通量。

（5）方法E：计算公式：
K表示将通量换算成单位为年的换算量；n表示Ci/Qi测量次数；Ci可为COD、氨氮、总磷、总氮等各种瞬时浓度；Qi为测定以上各种浓度时水流瞬时流量；为测定以上各种浓度某一时段内的平均流量。

方法E计算方法：取时段内各个瞬时浓度与瞬时流量的乘积并求和，得到该时段内的总通量，将此总通量除以时段总流量，得到时段通量平均浓度，将此浓度与时段平均流量相乘，即得到了一个平均时段通量，取时间单位为t，则K取值为将t化为年。

K与这个时段平均通量的乘积及为年通量。

（6）方法F（自动监测）：
Ci为污染物瞬时浓度，Fi为瞬时流量（或累计流量相减），T为采样时间间隔。

对于缺失数据的时间段，根据自动监测数据的月均值补全后参与计算。

对于暂无流量数据的，可以利用每日的调水量数据进行入湖总量核算。

2.数据来源与通量计算
选择太湖流域某典型河流2009年的自动监测数据结合手工监测数据，采用上述6种方法进行污染物通量计算，其中手工数据的监测频次为每月一次，自动数据的监测频次为4h一次，并使用手工数据校准。

方法A-E采用手工数据不同时段的均值进行计算，方法F采用自动数据的瞬时值核算。

计算结果表明，基于自动监测（方法F）的太湖流域各项主要污染物年通量处于中位，年通量分别为：高锰酸盐指数为2923.37t/年、氨氮为640.08t/年、总氮2777.69t/年、总磷109.91t/年。

方法F提高了监测频次，大大增加了样本
数量，使得其估算结果更为接近真实情况，相比其他方法也更具代表性，如表2所示。

表2 太湖流域某典型河流6种不同方法通量计算结果
在6种不同的方法中，高锰酸盐指数的平均值为2760.14 t/年，最小值为2238.66t/年(方法C)，最大值为3436.57t/年(方法B)，标准偏差为456.15，变异系数为16.53%。

氨氮的平均值为713.85t/年，最小值为628.41t/年(方法A)，最大值为825.93t/年(方法E)，标准偏差为90.66，变异系数为12.70%；总氮的平均值为2434.24t/年，最小值为1844.05t/年(方法A)，最大值为3355.19t/年(方法B)，标准偏差为575.54，变异系数为23.64%；总磷的平均值为108.82t/年，最小值为91.08t/年(方法A)，最大值为128.07t/年(方法B)，标准偏差为14.60，变异系数为13.42%，如表3所示。

表3 太湖流域典型河流6种不同方法通量计算结果分析
3.结果与讨论
（1）在6种不同的方法中，基于自动监测的太湖流域各项主要污染物年通量处于中位。

由于提高了监测频次，增加了样本数量，使得其估算结果更为接近真实情况，相比其他方法更具代表性。

太湖流域某典型河流年通量分别为：高锰酸盐指数为2923.37t/年、氨氮为640.08t/年、总氮2777.69t/年、总磷109.91t/年。

（2）与断面瞬间通量计算相比，时段通量的估算难度相对较大。

由于时段的跨度越大，期间通量波动变化的方式也就越复杂，而采用有限次的实测数据加以推测，估算结果代表性不足。

污染物年通量估算的误差主要来源于流量、水情、采样点的代表性、水质分析方法、监测频率等。

本文建立了基于高频次高数据量的自动监测污染物通量计算方法，通过增加水文条件和水质情况在空间和时间上的样本数量，使估算结果更具代表性。