李 影,秦麗歡,雷秋良,羅加法,杜新忠,閆鐵柱,劉宏斌

(1：中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所,農(nóng)業(yè)農(nóng)村部面源污染控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100081) (2：中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所,資源與環(huán)境信息系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100101) (3：中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049) (4：北京市生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心，北京 100048) (5：新西蘭農(nóng)業(yè)科學(xué)院，漢密爾頓 3240)

農(nóng)業(yè)面源污染指在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和農(nóng)村生活區(qū)域,氮、磷等營養(yǎng)鹽及其他污染物受水力驅(qū)動以隨機(jī)、分散、無組織方式進(jìn)入受納水體引起的水質(zhì)惡化[1]. 農(nóng)業(yè)面源污染對水體污染的貢獻(xiàn)率在世界大部分國家超過了50%[2]. 我國作為農(nóng)業(yè)大國,同樣面臨農(nóng)業(yè)面源污染這一重大環(huán)境問題[3]. 兩次全國污染源普查數(shù)據(jù)顯示,2007年我國農(nóng)業(yè)源總氮、總磷排放量分別占排放總量的57.2%和67.4%,到2017年數(shù)值有所降低,但仍占到46.5%和67.2%[4-5],這說明農(nóng)業(yè)面源是我國當(dāng)前乃至未來一段時期的重要污染源.

監(jiān)測、規(guī)劃、實(shí)施、評估等一系列系統(tǒng)性方法的綜合使用是農(nóng)業(yè)面源污染有效控制的前提和基礎(chǔ),其中監(jiān)測是極其重要的一環(huán). 各國近年來開展了許多水質(zhì)監(jiān)測項(xiàng)目用于流域管理. 這些項(xiàng)目的制定一般遵循以下幾個目的：1)摸清當(dāng)前的水質(zhì)現(xiàn)狀[6]；2)解析點(diǎn)源和面源污染[6]；3)為流域模型提供數(shù)據(jù)支持[7-8]；4)在確定邊界條件和監(jiān)測時間的前提下對河流的長期污染趨勢進(jìn)行評估[9-10]；5)評估最佳管理措施(best management practices,BMPs)的有效性,為政策和管理措施的制定提供指導(dǎo)[9-11].

相較于森林/草地主導(dǎo)的流域,農(nóng)業(yè)小流域受灌溉和施肥等農(nóng)業(yè)活動的影響,流域內(nèi)河流的水文水質(zhì)有較高的時空變異性[12]. 此外,在農(nóng)業(yè)主導(dǎo)的流域,施肥期往往和高流量期(晚春季節(jié)或早夏)耦合,導(dǎo)致季節(jié)性的通量估算偏差變大[13-16]. 在管道排水的流域(如城市和現(xiàn)代農(nóng)牧區(qū))[17-19],由于雨污的收集設(shè)施較為完善,可將樣點(diǎn)布設(shè)在管道節(jié)點(diǎn)及出口處. 而傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)主導(dǎo)的流域,由于其污染物的廣域分散性、運(yùn)輸途徑的多樣無序性和水文水質(zhì)的高時空變異性,采樣斷面的布設(shè)需要考慮的因素更為復(fù)雜[20]. 《流域農(nóng)業(yè)面源污染監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》(NY/T 3824-2020)中規(guī)定了流域農(nóng)業(yè)面源污染監(jiān)測技術(shù)的監(jiān)測斷面設(shè)置與采樣、監(jiān)測指標(biāo)及方法、流域農(nóng)業(yè)面源污染的結(jié)果表達(dá)與質(zhì)量控制等要求[1]. 盡管目前面源污染的控制取得了極大的進(jìn)步,但如何使面源管控措施兼顧經(jīng)濟(jì)性和有效性,還需要進(jìn)一步的研究.

河流斷面污染物濃度測量及通量估算可以表征各類污染物對河流水質(zhì)的影響,是各類模型校驗(yàn)的主要數(shù)據(jù)源,也是進(jìn)行流域主要污染源和污染區(qū)識別的直接依據(jù). 流域研究方案的制定,是在了解流域基本情況的基礎(chǔ)上,對流域水質(zhì)采樣斷面的位置、采樣的時間和頻率進(jìn)行確定[21]. 本文從農(nóng)業(yè)小流域水質(zhì)監(jiān)測的采樣點(diǎn)的布設(shè)、采樣頻率的確定和通量估算方法的選擇入手,梳理了國內(nèi)外研究進(jìn)展,旨在為我國的小流域農(nóng)業(yè)面源污染監(jiān)測設(shè)定和最佳通量估算方法的選擇提供參考.

1 采樣位置和采樣方式的確定

河流斷面監(jiān)測是獲取流域水質(zhì)基本特征,制定管理決策的重要基礎(chǔ)手段[22]. 具有代表性的樣本采集,對水質(zhì)的準(zhǔn)確表征和管理至關(guān)重要,在流域決策中也具有重要意義[23-24]. 采樣位置的選擇可以影響監(jiān)測的結(jié)果,是能否達(dá)到監(jiān)測目標(biāo)的決定因素[25]. 水樣的采集和分析需要巨大的經(jīng)濟(jì)投入,這是我國河流水質(zhì)監(jiān)測點(diǎn)布設(shè)數(shù)量的主要限制因素[26]. 如何在資金預(yù)算有限的前提下,合理布設(shè)水質(zhì)監(jiān)測斷面,優(yōu)化各監(jiān)測指標(biāo)的采樣頻率,是亟需解決的問題.

1.1 流域監(jiān)測類型

流域監(jiān)測可根據(jù)監(jiān)測需求劃分為3種類型：第1類是常規(guī)監(jiān)測采樣設(shè)計或概要設(shè)計(probabilistic design),即采用隨機(jī)的方式在流域進(jìn)行采樣點(diǎn)設(shè)置,該方式主要為了能夠?qū)α饔蛴休^為公正客觀的認(rèn)識和評價；第2類是針對性監(jiān)測設(shè)計(targeted design),此種方式是較為常用的設(shè)計方式,是根據(jù)對具體問題的認(rèn)知或即將發(fā)生事件的認(rèn)知進(jìn)行采樣點(diǎn)設(shè)計的監(jiān)測類型,比如研究最佳管理措施的應(yīng)用效果；第3類是融合前兩種類型的監(jiān)測采樣設(shè)計(combination of targeted and probabilistic). 針對性監(jiān)測設(shè)計的主要分類及優(yōu)缺點(diǎn)的比較見表1[27].

表1 監(jiān)測設(shè)計的分類及特點(diǎn)[27]

1.2 樣點(diǎn)布設(shè)方法

自1970s以來,地表水質(zhì)監(jiān)測網(wǎng)的布設(shè)便受到了廣泛關(guān)注,針對水質(zhì)監(jiān)測斷面的設(shè)置也開展了很多研究[28]. 采樣斷面一般分為背景斷面和控制斷面兩類：背景斷面應(yīng)布設(shè)在基本未受人類活動干擾的河流源頭位置；控制斷面應(yīng)布設(shè)于順直河段、河床穩(wěn)定、水流集中、無淺灘處,避開死水區(qū)、回水區(qū)、排水口處[1]. 背景斷面的布設(shè)考慮因素較為簡單,但控制斷面的布設(shè)需要對流域特征和監(jiān)測目的進(jìn)行綜合考慮,樣點(diǎn)布設(shè)的合理性是后續(xù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析的前提[28-29],如果采樣點(diǎn)的代表性不足，采樣頻率、數(shù)據(jù)分析和呈現(xiàn)的特征就變得無關(guān)緊要[23].

最初水質(zhì)樣本的采集只考慮便捷性,如在橋下布設(shè)采樣點(diǎn)[30],隨著地理信息系統(tǒng)技術(shù)和數(shù)學(xué)算法的發(fā)展,水質(zhì)采樣點(diǎn)的布設(shè)方法有了很大的進(jìn)步,如遺傳算法[31]、模糊邏輯法[32]、熵值法[33]和模型法[34]等. 下面介紹幾種常用的水質(zhì)采樣點(diǎn)設(shè)置和優(yōu)化方法.

1.2.1 河網(wǎng)拓?fù)浞?該方法將流域上游最小的不分枝支流指定為一級支流,將僅由一級支流組成的河流定義為二級支流,從而確定河流的等級. 河流等級確定后,通過尋找質(zhì)心的方式找到采樣點(diǎn)的位置,并通過計算流域出口處河網(wǎng)的連接點(diǎn)數(shù)目獲得流域采樣點(diǎn)個數(shù)[35-36]. Asadi等考慮了每個采樣點(diǎn)的潛在污染，并將此方法在伊朗進(jìn)行了應(yīng)用[37]. 該方法可有效地識別潛在的污染源[38],簡單且對歷史水質(zhì)數(shù)據(jù)的需求較低,適用于河流分枝不多的大流域,如果分枝的數(shù)量過多(如分枝超過100時)或沒有分枝時,采用此種方法會存在困難[23-24].

1.2.2 模糊邏輯法 該方法主要根據(jù)模糊函數(shù)計算的值對監(jiān)測站進(jìn)行排序,選取耕地面積百分比、建成面積百分比、面源污染量、綠化覆蓋率、滑坡面積比、山坡過度利用率、水質(zhì)監(jiān)測站密度等指標(biāo),采用加權(quán)法對子流域進(jìn)行評分,在得分較高的子流域增加水質(zhì)監(jiān)測站,該理論結(jié)合多準(zhǔn)則分析提高了數(shù)據(jù)分類和排序的客觀性[32]. 該方法在中國臺灣、伊朗等地區(qū)得到了很好的應(yīng)用[39]. 模糊理論在復(fù)雜決策過程的情況下具有以下優(yōu)勢：1)理論規(guī)則簡單,易解釋和理解；2)是一種高級分類方法,通過模糊隸屬函數(shù)處理信息的不確定性；3)適用于需要通過區(qū)分等級之間的實(shí)際差異來對優(yōu)先級進(jìn)行排名的決策過程[39]. 模糊方法被認(rèn)為比傳統(tǒng)的分類模型(如自然斷裂法)更客觀、更準(zhǔn)確,為了節(jié)省預(yù)算,在模糊理論法指定為一級的子流域內(nèi)新建水質(zhì)監(jiān)測站更為可行[32].

1.2.3 遺傳算法 該方法定義了適應(yīng)度函數(shù),該函數(shù)為河流系統(tǒng)的代表性、水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)、用水監(jiān)督、污染源監(jiān)測和水質(zhì)變化檢查5個對開發(fā)監(jiān)測系統(tǒng)至關(guān)重要的標(biāo)準(zhǔn)的線性組合. 利用地理信息數(shù)據(jù)對適應(yīng)度函數(shù)進(jìn)行一系列計算,得出適合度等級,并對世代數(shù)、種群大小、交叉和變異概率等主要參數(shù)進(jìn)行敏感性分析,以確定良好的適應(yīng)度水平和最優(yōu)解的收斂性. Park等[31]利用遺傳算法和地理信息系統(tǒng)相結(jié)合的方法,設(shè)計了一個有效的大型河流水質(zhì)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò). 雖然用遺傳算法得到的監(jiān)測網(wǎng)的優(yōu)化設(shè)計優(yōu)于傳統(tǒng)的主觀設(shè)計[22],但還需要進(jìn)一步的研究來定義適應(yīng)度函數(shù),使得這些函數(shù)可以代表選擇標(biāo)準(zhǔn)之間的綜合關(guān)系或優(yōu)先級.

1.2.4 熵值理論 該方法利用熵值理論,在考慮系統(tǒng)中最大不確定性和最小冗余信息的前提下,選擇監(jiān)測網(wǎng)中采樣點(diǎn)和采樣頻率的最佳組合. 先利用河流水質(zhì)模擬模型生成河流沿岸幾個潛在監(jiān)測點(diǎn)的水質(zhì)數(shù)據(jù),再利用熵理論對含有冗余信息的臺站進(jìn)行剔除. 該方法在伊朗南部的Karoon河進(jìn)行了應(yīng)用[33],可以方便地對現(xiàn)有的監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行評價和修正,但要求現(xiàn)有采樣網(wǎng)絡(luò)有足夠數(shù)據(jù),以獲得具有統(tǒng)計顯著性的結(jié)果[40].

1.2.5 模型法 TWSST(targeted watershed site selection tool)模型由美國威斯康辛州自然資源部研發(fā)[34],該模型進(jìn)行監(jiān)測點(diǎn)位布設(shè)的原理是先利用秩相關(guān)檢驗(yàn)和典型相關(guān)找到水質(zhì)和參數(shù)的關(guān)系,進(jìn)而通過K值聚類分析對河網(wǎng)進(jìn)行分組,使得每組的各水質(zhì)參數(shù)絕對差異化,從而得到流域監(jiān)測點(diǎn)位的分布. 該模型可以采用先驗(yàn)方法進(jìn)行有效的流域監(jiān)測設(shè)計,也可以通過后驗(yàn)方法確定監(jiān)測位置所代表的空間范圍.

河流物理、化學(xué)以及生物特性受到自然和人為因素的干擾,流域的監(jiān)測斷面位置和監(jiān)測斷面密度需要能夠反映這些自然和人為因素,這就要求設(shè)計者對流域內(nèi)影響因素的分布和未來的變化趨勢有清晰的了解[23,41]. 因此,流域采樣點(diǎn)的空間布設(shè),需要結(jié)合地理和人為要素,充分利用地統(tǒng)計分析方法的優(yōu)勢,結(jié)合多變量統(tǒng)計方法和優(yōu)化算法,對采樣點(diǎn)位置進(jìn)行確定[38].

1.3 采樣方式

采樣的方式可以分為4種類型：隨機(jī)采樣、復(fù)合采樣、綜合采樣以及連續(xù)采樣. 其中,隨機(jī)采樣指的是在某個地方一次性采樣,并不適用于需要考慮采樣對象的空間異質(zhì)性的采樣,如分層的湖泊、水質(zhì)隨時間的變化(如降雨事件的影響)；復(fù)合采樣方式是一系列隨機(jī)采樣的集合,可以分為時間加權(quán)和流量加權(quán)兩種采樣類型,時間加權(quán)指在固定時間間隔進(jìn)行采樣,流量加權(quán)指流量到一定的峰值進(jìn)行采樣；綜合采樣指考慮水體水質(zhì)空間變化,將不同位置的采樣點(diǎn)混合后作為原始樣品的采樣方式；連續(xù)采樣則需借助自動監(jiān)測設(shè)備進(jìn)行,一般用于溶解氧、pH、電導(dǎo)率等指標(biāo)的監(jiān)測. 表2列出了不同采樣方式能實(shí)現(xiàn)的研究目標(biāo),從表中可以看出復(fù)合采樣適合大多數(shù)研究[27,42].

不同的研究目標(biāo)對監(jiān)測的頻率、時間和數(shù)據(jù)分析強(qiáng)度的要求不同. 監(jiān)測頻率受研究對象的影響較大,如措施的有效性監(jiān)測需要比趨勢監(jiān)測采用更高的采樣頻次,而趨勢監(jiān)測則需要更長的監(jiān)測時間[43]. 表2列出了不同監(jiān)測類型所需要的監(jiān)測頻率、持續(xù)時間和數(shù)據(jù)分析強(qiáng)度[42].

表2 采樣方式及其主要特征

※表示各目標(biāo)所需的采樣方式.

1.4 采樣頻率的確定與調(diào)整

在監(jiān)測項(xiàng)目設(shè)計過程中,設(shè)計者對監(jiān)測位置的布設(shè)給予了高度關(guān)注,但對監(jiān)測頻率的關(guān)注卻并不充分,Nguyen等評估了59項(xiàng)研究,只有1項(xiàng)研究考慮了監(jiān)測頻率和監(jiān)測成本[44]. 當(dāng)前,流量已可以用現(xiàn)場儀器連續(xù)或近連續(xù)測量(水位-流量傳感器可以通過水位和流量的特定關(guān)系將測量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為流量數(shù)據(jù))[45-46],測量精度也較高. 例如,美國地質(zhì)勘探局的7個測站的流量的測量效果較好,測量誤差僅為5%～10%[47]. 而水質(zhì)指標(biāo)的濃度測量由于人力和財力的限制大部分還是離散采樣(如1次/周或1次/月)[48-50],這導(dǎo)致在通量估算過程中,樣品收集帶來的不確定性較高,達(dá)到了累計不確定性的 ±4%～±50%[51]. 雖然有研究表明采樣頻率越高,對污染物動態(tài)變化過程的描述越精確[52-53],但是高頻率水質(zhì)監(jiān)測需要耗費(fèi)較多的人力物力,往往不太現(xiàn)實(shí). Kovács等研究發(fā)現(xiàn)將采樣頻率從1次/d降低到1次/3 d,可以節(jié)省大約50%的成本[54]. 因此,合理地設(shè)置采樣頻率可以減少樣品采集和測試中產(chǎn)生的成本消耗. 國內(nèi)外對采樣頻率對通量估計影響的研究總結(jié)見表3.

1.4.1 采樣頻率的確定 雖有部分學(xué)者提出采用時間序列自相關(guān)分析結(jié)合數(shù)據(jù)分布特征來設(shè)定較為現(xiàn)實(shí)合理的監(jiān)測頻率[49,55],但多數(shù)仍是采用偏差分析的方法比較不同采樣頻率相對于最高采樣頻率下平均濃度的誤差值,從而得到滿足一定誤差范圍的合理采樣頻率[52,56]. 通常采樣頻率降低時,檢測具有統(tǒng)計學(xué)意義趨勢的能力會下降[57],通量估計的準(zhǔn)確度也會隨著采樣頻率的降低而降低,并且采樣頻率的降低對不同的水質(zhì)指標(biāo)造成的誤差結(jié)果不同[58]. 河流水文監(jiān)測的不確定性易受水文特征和流域特征的影響. 水文特征包括：水文響應(yīng)關(guān)系、濃度-流量相關(guān)關(guān)系、基流指數(shù)(base flow index，BFI)和變率指數(shù)(flashiness index，F(xiàn)I)等[49,59-61]；流域特征包括人口密度、流域尺度等[62-63]. 因此,采樣頻率的設(shè)定取決于流域特征[62],尤其是水文條件[49]和濃度行為[64].

1.4.2 采樣頻率的優(yōu)化 濃度與流量的復(fù)雜關(guān)系將會對通量估算產(chǎn)生影響[12,68],在高流量事件中,流量和濃度之間通常存在強(qiáng)相關(guān)關(guān)系[16,64],水位上升期間,物質(zhì)濃度可能達(dá)到最大,在第一次沖刷之后則有可能產(chǎn)生稀釋效應(yīng),濃度逐漸降低[69-70],大量懸浮沉積物的運(yùn)輸可能只發(fā)生在高流量時期[71],高流量事件貢獻(xiàn)了營養(yǎng)物的主要年通量[46,72]. 因此,基于水文變異的采樣方案對通量估算來說是最準(zhǔn)確的[63],并且河流監(jiān)測采樣應(yīng)盡可能多地捕捉高流量事件,至少累積涵蓋年流量的80%～85%[46,73-74],這就要求在暴雨徑流等事件發(fā)生時進(jìn)行加密觀測[56].

相較于自然植被覆蓋的流域,農(nóng)業(yè)流域由于灌溉和施肥等農(nóng)業(yè)活動的影響,河流水文水質(zhì)的時空變異性較高[12],且存在特定的季節(jié)特征,導(dǎo)致季節(jié)性的通量估算變異變大[13-16]. 此外,在較小的流域或者流域上游水文響應(yīng)關(guān)系較強(qiáng),水文特征的時空變異較大,通量估算的偏差也較大[49,62,75-77]. 在這類站點(diǎn),低頻率的采樣不能捕獲短時內(nèi)發(fā)生的水文的快速響應(yīng)[61,75,78].

由于變異因素的存在,如研究區(qū)域獨(dú)特的特征和特殊的河流水文狀況、不同的算法、不同的污染物和研究持續(xù)時間等,現(xiàn)有研究結(jié)果很難被普適化[48,79]. 對于時間自相關(guān)性強(qiáng)的污染物序列,其濃度變化穩(wěn)定,可在保證精度的前提下,減少頻率來降低成本；而對于污染物時間變異性較大的序列,若要反映真實(shí)的水質(zhì)變化過程,則需要提高采樣頻率[49,55]. 因此,需要及時進(jìn)行數(shù)據(jù)分析,對于時間序列變化相對不穩(wěn)定的指標(biāo)進(jìn)行加密監(jiān)測和頻率調(diào)整. 《流域農(nóng)業(yè)面源污染監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》(NY/T 3824-2020)中規(guī)定了加密監(jiān)測時段,分別為農(nóng)業(yè)面源污染劇增期(耕作、施肥等農(nóng)事活動密集,且發(fā)生徑流排水并引起控制斷面水位明顯變化的時段)和人口劇增時段(如重要節(jié)假日或旅游季節(jié)). 此外,規(guī)范中還規(guī)定汛期監(jiān)測頻率應(yīng)高于非汛期[1].

表3 采樣頻率和算法對流域通量估算影響研究總結(jié)

2 斷面通量估算方法

估算算法對通量估計的影響不如采樣頻率大,Vries和Klavers[102]在荷蘭一個研究區(qū)的研究表明,河流污染物的通量估算首先應(yīng)考慮采樣策略,其次是算法. 針對當(dāng)前連續(xù)/高頻的流量數(shù)據(jù)和離散/低頻的水質(zhì)數(shù)據(jù),主要形成了3類計算通量的方法：平均法、插值法和回歸/曲線法[58,62,82,103-104]. 平均法使用實(shí)測數(shù)據(jù)的平均值作為時段數(shù)據(jù)的代表值；插值法假定數(shù)據(jù)(濃度和流量)由瞬時采樣數(shù)據(jù)表示；回歸(外推)方法取決于經(jīng)驗(yàn)關(guān)系和水文水質(zhì)的變化特征[65].

2.1 常用估算方法

河流監(jiān)測斷面的污染物通量是斷面流量和濃度的函數(shù),污染物通量的變化與降雨-產(chǎn)流過程有很強(qiáng)的相關(guān)關(guān)系[50,105]. 監(jiān)測斷面污染物濃度與流量有正相關(guān)、負(fù)相關(guān)和無關(guān)3種關(guān)系[106]. 當(dāng)前各學(xué)者采用實(shí)測斷面平均濃度、樣品時間平均濃度、斷面瞬時流量、采樣期間平均流量、采樣代表時段平均流量等概念構(gòu)造了多種監(jiān)測斷面通量估算方法. 在此,對應(yīng)用較多的8種通量估算方法進(jìn)行了分析比較,各種方法的公式及物理意義如表4所示.

表4 通量估算方法*

從環(huán)境水力學(xué)角度對表中的估算公式進(jìn)行分析,可將監(jiān)測斷面的流量及平均濃度表達(dá)為時間平均的形式[93-94]：

(1)

(2)

式中,Qa為時段平均流量；Ca為時段平均濃度；T為估算時段；Q″和C″分別為流量和濃度時均距平值. 時段通量可以通過式(3)表達(dá)：

(3)

在8種算法中(表4),算法A和D使用時間加權(quán)平均濃度值,在高流量時具有稀釋效果；而算法B和C使用部分流量加權(quán)濃度數(shù)據(jù)；算法E、F和G則是應(yīng)用通量的基本定義[110]. 這些算法通過不同的方程來關(guān)聯(lián)濃度和流量數(shù)據(jù),估計給定時間段內(nèi)的通量. 將表4中各方法與式(3)進(jìn)行對比,可以看到方法A、D實(shí)際上只包含了(3)中的第1項(xiàng)(對流項(xiàng)),而忽略了第2項(xiàng)(時均離散項(xiàng)),在使用過程中會反映出時間加權(quán)平均濃度對流量加權(quán)平均濃度的高估或低估；方法A和D的差別在于方法A采用的是離散的實(shí)測流量平均,方法D采用的是時段的平均流量；方法B、C、E、F和G則兩項(xiàng)都包括,方法B和C的差別在于采用離散的流量平均還是連續(xù)的流量平均；方法E則采用了流量加權(quán)平均濃度,與時段平均流量的乘積作為時段通量；方法F采用插值方法,將離散濃度數(shù)據(jù)插值為高頻濃度數(shù)據(jù),與監(jiān)測獲得的高頻流量數(shù)據(jù)的乘積作為時段通量；方法G利用濃度與流量的相關(guān)關(guān)系,用流量預(yù)測濃度,結(jié)合監(jiān)測獲得的高頻流量數(shù)據(jù)得到時段通量；方法H利用連續(xù)的流量監(jiān)測和離散的濃度監(jiān)測,用流量和時間預(yù)測瞬時通量,瞬時通量加和得到時段通量. 顯然,方法A～G均是先得到對應(yīng)的流量和濃度數(shù)據(jù),再進(jìn)行通量的估算；方法H是直接以通量與流量或事件的回歸關(guān)系得到瞬時通量,要求流量數(shù)據(jù)具有連續(xù)性；方法A、D僅適用于推斷流域斷面(斷面流速均勻)的平均污染通量的估算；方法B適合點(diǎn)源占優(yōu)的情況；方法C、E適合面源貢獻(xiàn)較大的通量估算；方法F適用污染物排放短時變異不強(qiáng)的情況；方法G和H要求流量與濃度或通量具有較好的回歸關(guān)系(表5).

表5 時段通量估算方法的應(yīng)用取向分析[94]

2.2 估算方法的選擇

通常情況下,使用污染物的年通量來評估當(dāng)前水質(zhì)的年內(nèi)狀況是無法實(shí)現(xiàn)的[6],季節(jié)通量的估算往往不如年度通量的估算準(zhǔn)確[60]. 污染源類型和豐/枯水期的不同也會影響估算方法的表現(xiàn)效果[92,111],夏季發(fā)生的暴雨事件會使污染物濃度產(chǎn)生更大的變異性,導(dǎo)致通量估算的不確定性大于其他3個季節(jié)[66-67]. 此外,在面源占優(yōu)的情況下,豐水期的監(jiān)測采用較高的監(jiān)測頻率對提高長時間通量的估算精度是必要的[94,115]. 因此,有研究將豐水期和枯水期分別進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)采用時段通量平均濃度與時段平均流量之積(方法E),分別計算豐、平、枯季的污染通量,然后相加求和來估算年通量,是最簡便精確的方法[93]；也有學(xué)者通過比較不同水文階段污染物通量估算結(jié)果,提出枯水期采用以點(diǎn)源占優(yōu)的方法B,豐水期采用強(qiáng)調(diào)時段總徑流量以及以面源占優(yōu)的方法E,平水期則結(jié)合相關(guān)的水文特征進(jìn)行方法的選擇[92]；如果采樣頻率低且污染物輸出與流量的相關(guān)性較好,方法H是可以保證估算精準(zhǔn)度的首選方法[100]. 此外,也可以根據(jù)不同時期流域污染的點(diǎn)源和面源特征進(jìn)行方法的選擇[94,96-97](表5).

流域土地利用特征也會對通量估算效果產(chǎn)生影響. 由于農(nóng)業(yè)活動具有明顯的時空變異特征,農(nóng)業(yè)流域污染物輸出的時空變異性也更高,因此,準(zhǔn)確地進(jìn)行通量估算要比森林流域更具挑戰(zhàn)性[12,16]；此外,通量估算方法的表現(xiàn)效果也受采樣頻率的影響,一般采樣頻率越低,表現(xiàn)效果會越差[67]. 由此可以看出導(dǎo)致通量測算結(jié)果不確定性的因素,不僅包括通量估算方法,還包括水文特征[80,105]、污染源特征(點(diǎn)源或面源類型)[94,115]、采樣策略[116-117]、采樣時間[98]和流域大小[82]等因素.

3 結(jié)語

由于經(jīng)濟(jì)和地理因素,當(dāng)前我國農(nóng)業(yè)面源污染監(jiān)測斷面設(shè)置數(shù)量較少,尤其是偏遠(yuǎn)地區(qū),監(jiān)測斷面數(shù)量和監(jiān)測頻率有待提高,監(jiān)測斷面布設(shè)和采樣策略的制定也亟需科學(xué)化和標(biāo)準(zhǔn)化. 經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)地區(qū)往往對先進(jìn)技術(shù)和設(shè)備的投入不足,這也在一定程度上影響到監(jiān)測工作的質(zhì)量和水平. 隨著3S技術(shù)、信息技術(shù)和化學(xué)分析技術(shù)的發(fā)展,我國農(nóng)業(yè)面源污染監(jiān)測在朝著標(biāo)準(zhǔn)化、自動化和智能化的方向發(fā)展. 未來還需建立科學(xué)的監(jiān)測體系和標(biāo)準(zhǔn),加強(qiáng)人員培訓(xùn),改造和引進(jìn)監(jiān)測設(shè)備和技術(shù),促進(jìn)監(jiān)測站的標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化和自動化運(yùn)營.

本文通過文獻(xiàn)回顧的方式,就農(nóng)業(yè)小流域采樣點(diǎn)布設(shè)、采樣頻率優(yōu)化和斷面通量估算方法3個主要環(huán)節(jié)進(jìn)行了詳細(xì)的分析和介紹. 雖然各流域的監(jiān)測方案應(yīng)在充分考慮監(jiān)測目的、流域特征、水文特征和人類活動的前提下制定,但通過文獻(xiàn)回顧仍能發(fā)現(xiàn)一些共性的規(guī)律,可為今后的監(jiān)測項(xiàng)目提供參考.