金細(xì)波，黃樹杰

（碧興物聯(lián)科技（深圳）股份有限公司，廣東 深圳 518004）

污染物進(jìn)入河流后隨水流運(yùn)動(dòng)，在運(yùn)動(dòng)過程中受到物理、化學(xué)、生物、生態(tài)、氣候等因素的影響，引發(fā)水體富營(yíng)養(yǎng)化、水生生態(tài)系統(tǒng)破壞等一系列問題。掌握流域的污染負(fù)荷具有重要意義［1］，河流污染物通量能直觀反映單位時(shí)間內(nèi)研究斷面以上流域的污染負(fù)荷總量，表征流域污染物的產(chǎn)輸特征，是厘清各行政區(qū)污染排放與治理責(zé)任、研判斷面達(dá)標(biāo)形勢(shì)、評(píng)估治污工程效果、制定治理決策的基礎(chǔ)。

目前，我國(guó)的河流污染物通量監(jiān)測(cè)主要存在以下兩個(gè)問題：一是我國(guó)環(huán)保部門對(duì)大部分河流進(jìn)行了污染物濃度監(jiān)測(cè)，但沒有同步進(jìn)行流量的監(jiān)測(cè)。由于人力和財(cái)力的限制，大部分水量和水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)仍是低頻、離散化采樣，如1次/周或1次/月，并且水質(zhì)、水量監(jiān)測(cè)在時(shí)間上不同步，導(dǎo)致通量估算誤差較大；二是高頻連續(xù)的流量和水質(zhì)數(shù)據(jù)是計(jì)算通量的基礎(chǔ)，但缺乏明確、合適的算法來計(jì)算瞬時(shí)通量和時(shí)段通量。

隨著我國(guó)對(duì)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量提出了更高的要求，通量監(jiān)測(cè)的作用和必要性日益突顯。我國(guó)正在探索建設(shè)通量在線監(jiān)測(cè)的方法，目前還沒有形成符合生態(tài)環(huán)境要求的通量在線監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范，一些關(guān)鍵技術(shù)問題尚未解決。本文根據(jù)實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)，探討了通量在線監(jiān)測(cè)中流量測(cè)流方法的選擇和流量與濃度的通量融合算法。

1 流量在線監(jiān)測(cè)方法

目前主流的測(cè)流方法有聲學(xué)多普勒測(cè)流方法（即ADCP，包括水平式ADCP、垂線式ADCP）、雷達(dá)表面流速法、水工建筑法等。

水平式ADCP、垂線式ADCP都屬于利用ADCP獲得某一水平層、垂線的指標(biāo)流速，然后通過構(gòu)建指標(biāo)流速與斷面平均流速的相關(guān)關(guān)系來實(shí)現(xiàn)流量的測(cè)量，垂線式有坐底固定在河道底部進(jìn)行測(cè)量，浮標(biāo)式是指利用浮標(biāo)作為水面測(cè)流平臺(tái)，加掛ADCP實(shí)現(xiàn)流量測(cè)量［2］；雷達(dá)法是基于微波多普勒效應(yīng)測(cè)量水面流速的一種方法，主要通過雷達(dá)波傳感器自動(dòng)發(fā)射和接收電磁波，利用多普勒原理測(cè)定水面流速，通過回歸分析得到斷面平均流速；水工建筑法是采用堰、水電站、泵站等水工建筑物測(cè)流，用水力學(xué)公式計(jì)算流量。其中雷達(dá)法對(duì)測(cè)量條件比較敏感，易受大風(fēng)大雨及測(cè)量角度影響，低流速測(cè)量誤差大；水工建筑法精度較高，但水建筑物造價(jià)昂貴，目前相對(duì)準(zhǔn)確和成熟的在線測(cè)流方法還是ADCP。

本文主要以ADCP測(cè)流方式展開詳細(xì)分析。水平式ADCP法、垂線式ADCP法都有實(shí)際工程應(yīng)用，在使用過程中都有各自的適用場(chǎng)景和缺點(diǎn)。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，水平式ADCP雖然安裝維護(hù)方便，但在低流速、淺水深的情況下誤差比較大，本文對(duì)此進(jìn)行了分析，并提出了合理的ADCP安裝方式。

1.1 水平測(cè)流方案的技術(shù)難點(diǎn)

1.1.1 低流速河道流場(chǎng)分布不規(guī)律

圖1是某水文站垂線法測(cè)得的高流速（上）和低流速（下）狀態(tài)下的垂線點(diǎn)流速分布圖，橫坐標(biāo)為流速值，縱坐標(biāo)為對(duì)應(yīng)水深。從圖1可以看出，河流低流速時(shí)，河道流場(chǎng)分布不規(guī)律，垂線流速分布成 亂S型。低流速時(shí)，水平方法指標(biāo)流速與平均流速無法建立穩(wěn)定的關(guān)系，后期的率定工作相當(dāng)繁瑣，而且隨著時(shí)間變化，流場(chǎng)分布會(huì)發(fā)生無規(guī)則變化。所以低流速河道采用水平安裝方式，在理論上已經(jīng)無法確保斷面平均流速測(cè)量的準(zhǔn)確性，這種方法無法保證低流速河道流量精度的可靠性、穩(wěn)定性。

圖1 高流速垂線流場(chǎng)分布（上）和低流速垂線流場(chǎng)分布（不符合傳統(tǒng)水力學(xué)模型）（下）

1.1.2 淺水型河道不滿足設(shè)備安裝要求

按《河流流量測(cè)驗(yàn)規(guī)范》（GB 50179-2015）［3］規(guī)定，水平測(cè)量出的1層多點(diǎn)流速要求是河道斷面平均水深水面下0.6米位置的1層。目前聲學(xué)多普勒流速傳感器聲波傳輸不是類似“激光”，而是一條細(xì)線上的多點(diǎn)流速，聲波傳輸是慢慢擴(kuò)散的，傳感器聲波開角是1.4°，這樣聲波打到10米遠(yuǎn)，要求水深增加0.25米。依據(jù)水文規(guī)范安裝，需要確保聲波不打到河底1米水深，河道寬度最好不超過20米。目前很多河道在枯水期，水深1米都無法保證，同時(shí)還存在大量岸邊是淺灘型的河道，河寬遠(yuǎn)不止20米。所以水平安裝在這類河道很難保證流量測(cè)量精度及穩(wěn)定性。如圖2所示。

圖2 聲學(xué)多普勒流速傳感器聲波傳輸示意圖

1.2 垂線測(cè)流方案的技術(shù)難點(diǎn)

雖然水深河道（安裝位置水深超過8米）將傳感器固定在河底有難度，但不論該垂線流場(chǎng)分布如何變化，傳感器都能探測(cè)到，可以與垂線平均流速建立穩(wěn)定的模型關(guān)系。所以理論上在淺河流、低流速河道，垂線安裝的測(cè)流精度高于水平安裝的精度。

垂線法的技術(shù)難點(diǎn)是安裝和維護(hù)，比如高水位下坐底式安裝難度大、維護(hù)不方便；高流速下浮標(biāo)法固定困難，但根據(jù)不同的場(chǎng)景選擇不同的安裝方式可以解決垂線安裝的問題。

1.3 在線測(cè)流方案建議

河流類型可以根據(jù)水位、流速分為4種，即高水位高流速、高水位低流速、低水位高流速、低水位低流速，根據(jù)實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)，本文建議4種場(chǎng)景的ADCP法測(cè)流安裝方式見表1。

表1 4種場(chǎng)景的ADCP法測(cè)流安裝方式

2 水質(zhì)在線監(jiān)測(cè)方法

近年來，隨著水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展，我國(guó)地表水水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)站的建設(shè)也取得了較大進(jìn)展。相對(duì)于人工采樣、實(shí)驗(yàn)室分析的監(jiān)測(cè)方式，水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)可以實(shí)現(xiàn)水質(zhì)的實(shí)時(shí)連續(xù)監(jiān)測(cè)和遠(yuǎn)程監(jiān)控。我國(guó)于1988年設(shè)立了全國(guó)第一個(gè)水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)站試點(diǎn)［4］，經(jīng)過“十二五”、“十三五”到“十四五”的發(fā)展，我國(guó)已經(jīng)建立了完善的地表水水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，形成了一系列在站型選擇、站點(diǎn)選址、監(jiān)測(cè)指標(biāo)、設(shè)備要求、站點(diǎn)驗(yàn)收、運(yùn)行維護(hù)方面的技術(shù)要求、規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)。

3 通量計(jì)算方法

對(duì)于污染物通量的計(jì)算多采用英國(guó)學(xué)者Webb提出的5種河流污染物時(shí)段通量的估算方法［5］，李影等［6］在此基礎(chǔ)上調(diào)研了國(guó)內(nèi)外通量的估算方法，總結(jié)出8種通量估算方法。目前，針對(duì)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(jì)算通量的方法：平均法（A-E）、插值法（FG）和回歸/曲線法（H）。平均法使用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的平均值作為時(shí)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(shí)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。詳見表2。

表2 通量估算方法[6]

平均法只考慮了對(duì)流項(xiàng)，而忽略了實(shí)時(shí)均離散項(xiàng)，在使用過程中會(huì)反映出時(shí)間加權(quán)平均濃度對(duì)流量加權(quán)平均濃度的高估或低估；插值法假定數(shù)據(jù)由瞬時(shí)采樣數(shù)據(jù)表示，離散濃度數(shù)據(jù)插值為高頻濃度數(shù)據(jù)，其與監(jiān)測(cè)獲得的高頻流量數(shù)據(jù)的乘積為時(shí)段通量，這種算法如果是基于足夠高頻的濃度和流量瞬時(shí)數(shù)據(jù)的話最貼近通量定義，是最精準(zhǔn)的計(jì)算方法；回歸法（外推法）以流量與濃度或通量的關(guān)系將離散的濃度數(shù)據(jù)填補(bǔ)成連續(xù)的濃度數(shù)據(jù)，要求流量與濃度或通量具有較好的回歸關(guān)系，在預(yù)測(cè)通量和觀測(cè)趨勢(shì)方面表現(xiàn)良好。

以上8種估算方法都是針對(duì)瞬時(shí)數(shù)據(jù)頻率比較低的情況，選擇不同的估算方法計(jì)算時(shí)段通量，計(jì)算結(jié)果精度較低。

通量的定義，是指特定污染物通過某一河流斷面的量，可以分為瞬時(shí)通量和時(shí)段通量。瞬時(shí)通量即瞬時(shí)流量和瞬時(shí)濃度的乘積，時(shí)段通量是一定時(shí)間內(nèi)通過斷面污染物的量，時(shí)段通量的計(jì)算公式可表示為：

其中T為估算時(shí)段；Q（t）和C（t）分別為流量和濃度函數(shù)，Qi和Ci分別為瞬時(shí)流量和水質(zhì)濃度，Δti為兩次流量監(jiān)測(cè)相隔時(shí)間。估算算法對(duì)通量計(jì)算的影響不如采樣頻率大，河流污染物的通量估算首先應(yīng)考慮采樣策略，其次才是算法［6］。利用統(tǒng)計(jì)學(xué)預(yù)測(cè)的數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的可靠性不能相提并論，再怎么強(qiáng)調(diào)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的重要性也不為過。平均法和回歸法一般是用于低頻離散（月/次，周/次）水質(zhì)數(shù)據(jù)的無奈之舉。即只要水質(zhì)和水量的監(jiān)測(cè)頻率足夠高，△ti足夠小，就可以準(zhǔn)確計(jì)算任意時(shí)段的通量。相關(guān)要求規(guī)定水站的監(jiān)測(cè)頻率4小時(shí)一次，考慮實(shí)際因素可以調(diào)整監(jiān)測(cè)頻率（比如汛期或發(fā)生污染事件可以將水質(zhì)監(jiān)測(cè)頻率提高到2小時(shí)一次），也就是說，這樣的水質(zhì)監(jiān)測(cè)頻率已經(jīng)接近連續(xù)了，足以準(zhǔn)確計(jì)算污染物通量。

因此，基于流量和水質(zhì)在線監(jiān)測(cè)，通量可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)通量和時(shí)段通量的在線監(jiān)測(cè)。實(shí)時(shí)通量即實(shí)時(shí)流量和實(shí)時(shí)濃度的乘積，可以根據(jù)流量在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集的流量數(shù)據(jù)計(jì)算實(shí)時(shí)通量，公式為：W實(shí)時(shí)=Q實(shí)時(shí)×C實(shí)時(shí)；時(shí)段通量公式為：W時(shí)段=ΣQ累積×Ci。

其中Q累積為一定時(shí)間內(nèi)的累計(jì)流量，時(shí)間可選擇5 min、15 min、30 min等，但不要超過水質(zhì)在線的監(jiān)測(cè)頻率。Ci為污染物前個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)的濃度，代表累計(jì)流量時(shí)間內(nèi)的水質(zhì)濃度，兩者相乘（Q累積×Ci）得一定時(shí)間內(nèi)最小累計(jì)時(shí)段通量，具體公式如下：如選擇15 min為累計(jì)流量單元，即15分鐘通量：W15min=Q15min×Ci；小時(shí)通量：W1小時(shí)=ΣW15min；日通量：W日=ΣW1小時(shí)；月通量：W月=ΣW日；年通量：W年=ΣW月。

其中W15min為15 min內(nèi)的時(shí)段通量；Q15min為15 min內(nèi)的累計(jì)流量；Ci為15分鐘前的水質(zhì)濃度。

4 結(jié)論

河流污染物通量能直觀反映單位時(shí)間內(nèi)研究斷面以上流域的污染負(fù)荷總量，表征了流域污染物的產(chǎn)輸特征，是厘清各行政區(qū)污染排放與治理責(zé)任、研判斷面達(dá)標(biāo)形勢(shì)、評(píng)估治污工程效果、制定治理決策的基礎(chǔ)。目前我國(guó)流量和水質(zhì)在線監(jiān)測(cè)有各自的規(guī)范，但缺乏在線通量監(jiān)測(cè)站的建設(shè)技術(shù)規(guī)范。本文在實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，提出了針對(duì)各種場(chǎng)景，因地制宜選取相應(yīng)的測(cè)流方法進(jìn)行流量監(jiān)測(cè)，以及探討了實(shí)時(shí)通量和時(shí)段通量的計(jì)算方法，為制定污染物通量在線監(jiān)測(cè)的建設(shè)方案提供參考。