CN101038281A - 一种现状和非现状条件下水体透明度的测量方法 - Google Patents

Abstract

水体透明度是反映水体清澈和混浊程度的重要指标，本发明给出了现状和非现状条件下水体透明度获取的一种方法，具体步骤为首先根据测得水体特征、水流特征及边界水文、水质等，带入有关公式计算得到水体中的悬浮物浓度、叶绿素浓度、高锰酸盐指数浓度；再将计算得到的悬浮物浓度、叶绿素浓度、高锰酸盐指数浓度带入透明度预测公式，计算得到水体中的透明度值。本发明可用于水环境中现状水体特征即透明度的测量；各种污染控制措施下水环境即透明度改善效果的计算；自然因素影响下水环境即透明度特征影响程度的计算。

Description

一种现状和非现状条件下水体透明度的测量方法

技术领域

本发明涉及的技术领域主要为：水环境中现状水体特征(透明度)的获取；各种污染控制措施下水环境(透明度)改善效果的计算；自然因素影响下水环境(透明度)特征影响程度的计算。

背景技术

水体透明度是反映水体清澈和混浊程度的重要指标。水体透明度直接影响到水生植物的生长和繁殖，是目前水生态系统恢复与重建必须考虑的因子之一；另外，水体透明度也是衡量水体景观特性好坏的重要指标，是旅游业发展的重要影响因子。

目前对水体透明度值的获取方法主要是现场仪器测量法，例如可采用水体透明度盘、水体浊度仪等进行水体透明度的测量。现场仪器测量法在两个方面有不足，一、由于存在监测时间、空间点位布局限制，监测结果对于刻划透明度空间场分布有一定困难；二、对于非现状条件下水体透明度值的获取，该方法无能为力，至今也没有可行的方法。非现状条件下水体透明度的获取在水生生态系统修复设计、景观水体可达性设计等方面都具有重要意义。本申请专利给出了现状和非现状条件下水体透明度获取的一种方法。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术中非现状条件下水体透明度无法获取的情况，给出了现状和非现状条件下水体透明度测量的一种方法。

本发明的目的可以通过以下措施来达到：

一种现状条件下水体透明度测量方法，其特征是包括以下步骤：

①采用在水体中采水样，测定出现状条件下水样中的悬浮物浓度值S；

②采用在水体中采水样，测定出现状条件下水样中的叶绿素浓度值C_chla；

③采用在水体中采水样，测定出现状条件下水样中的高锰酸盐指数C_DMn；

④将测得的各数值带入透明度SD的公式：

$\mathrm{SD}=\frac{\mathrm{\α}}{S}+\mathrm{\β}\·C_{\mathrm{chla}}+\mathrm{\γ}\·C_{\mathrm{DMn}}+\mathrm{\δ}$

或： $\mathrm{SD}=\frac{\mathrm{\α}}{S}-\mathrm{\β}\·C_{\mathrm{chla}}+\frac{\mathrm{\γ}}{C_{\mathrm{DMn}}}+\mathrm{\δ}---\left(1.1\right)$

根据公式(1.1)可得到现状条件下的透明度值SD，公式(1.1)中：α、β、γ、δ分别为系数，可根据有关文献或试验得到；

⑤在水体中无法测得或没有测得S、C_chla、C_DMn的地方，可采用如下方法计算得到这些点的S；C_chla；C_DMn的值，然后再带入公式(1.1)计算得到这些点的透明度值SD，计算得到S；C_chla；C_DMn的方法如下：

a：测得水体形状、面积值，水体水深值(h)、流速值(u)，水体边界河道的流量(Q₀)；

b：测得水体中悬浮物浓度值(S₀)、叶绿素浓度值(C_chla0)、高锰酸盐指数(C_DMn0)；

将测得的各数值分别带入悬浮物浓度S预测公式：

$\frac{\∂\left(\mathrm{hS}\right)}{\∂t}+\frac{\∂\left(\mathrm{huS}\right)}{\∂x}+\frac{\∂\left(\mathrm{hvS}\right)}{\∂y}=$

$\frac{\∂}{\∂x}\left[E_{\mathrm{xs}}\frac{\∂\left(\mathrm{hS}\right)}{\∂x}\right]+\frac{\∂}{\∂y}\left[E_{\mathrm{ys}}\frac{\∂\left(\mathrm{hS}\right)}{\∂y}\right]+P(Q_0,u,S,S_0)-D(Q_0,u,S,S_0)$

(1.2)

叶绿素浓度C_chl-a预测公式：

$\frac{{\∂C}_{\mathrm{chla}}}{\∂t}+U\frac{{\∂C}_{\mathrm{chla}}}{\∂x}+V\frac{{\∂C}_{\mathrm{chla}}}{\∂y}=\frac{\∂}{\∂x}\left(E_{\mathrm{xchla}}\frac{{\∂C}_{\mathrm{chla}}}{\∂x}\right)+\frac{\∂}{\∂y}\left(E_{\mathrm{ychla}}\frac{{\∂C}_{\mathrm{chla}}}{\∂y}\right)+S_{\mathrm{chla}}(Q_0,u,C_{\mathrm{chla}},C_{\mathrm{chla}0})---\left(1.3\right)$

高锰酸盐指数C_DMn浓度预测公式：

$\frac{{\∂C}_{\mathrm{DMn}}}{\∂t}+U\frac{{\∂C}_{\mathrm{DMn}}}{\∂x}+V\frac{{\∂C}_{\mathrm{DMn}}}{\∂y}=\frac{\∂}{\∂x}\left(E_{\mathrm{xDMn}}\frac{{\∂C}_{\mathrm{DMn}}}{\∂x}\right)+\frac{\∂}{\∂y}\left(E_{\mathrm{yDMn}}\frac{{\∂C}_{\mathrm{DMn}}}{\∂y}\right)+S_{\mathrm{DMn}}(Q_0,u,C_{\mathrm{DMn}},C_{\mathrm{DMn}0})---\left(1.4\right)$

公式(1.2)、(1.3)、(1.4)中，E_xs、E_ys为x方向与y方向的悬浮物扩散系数，E_xchla、E_ychla为x方向与y方向的叶绿素扩散系数，E_xDMn、E_yDMn为x方向与y方向的高锰酸盐指数扩散系数，这些系数值可根据有关文献或试验得到。具体计算时，要根据水体的形状(h)、水底高程、水深、面积对公式(1.2)、(1.3)、(1.4)进行时间积分得到水体中每个点的悬浮物、叶绿素浓度、高锰酸盐指数浓度值透明度值。

所述步骤④中α、β、γ、δ为系数，取值范围为α在5.0至2000之间、β在0.0001至5.0之间、γ在0.01至5.0之间、δ在0.02至200之间。

一种非现状条件下水体透明度测量方法，其特征是包括以下步骤：

①测得水体形状、面积值，水体水深值h、流速值u；

②预测得到水体边界河道的流量(Q_f0)、悬浮物浓度值(S_f0)、叶绿素浓度值(C_fchla0)、高锰酸盐指数(C_fDMn0)值，将测得或预测得到的各数值分别带入悬浮物浓度S预测公式：

$\frac{\∂\left(\mathrm{hS}\right)}{\∂t}+\frac{\∂\left(\mathrm{huS}\right)}{\∂x}+\frac{\∂\left(\mathrm{hvS}\right)}{\∂y}=$

$\frac{\∂}{\∂x}\left[E_{\mathrm{xs}}\frac{\∂\left(\mathrm{hS}\right)}{\∂x}\right]+\frac{\∂}{\∂y}\left[E_{\mathrm{ys}}\frac{\∂\left(\mathrm{hS}\right)}{\∂y}\right]+P(Q_{f0},u,S,S_{f0})-D(Q_{f0},u,S,S_{f0})$

(2.1)

叶绿素浓度C_chl-a预测公式：

$\frac{{\∂C}_{\mathrm{chla}}}{\∂t}+U\frac{{\∂C}_{\mathrm{chla}}}{\∂x}+V\frac{{\∂C}_{\mathrm{chla}}}{\∂y}=\frac{\∂}{\∂x}\left(E_{\mathrm{xchla}}\frac{{\∂C}_{\mathrm{chla}}}{\∂x}\right)+\frac{\∂}{\∂y}\left(E_{\mathrm{ychla}}\frac{{\∂C}_{\mathrm{chla}}}{\∂y}\right)+S_{\mathrm{chla}}(Q_{f0},u,C_{\mathrm{chla}},C_{\mathrm{fchla}0})---\left(2.2\right)$

高锰酸盐指数C_DMn浓度预测公式：

$\frac{{\∂C}_{\mathrm{DMn}}}{\∂t}+U\frac{{\∂C}_{\mathrm{DMn}}}{\∂x}+V\frac{{\∂C}_{\mathrm{DMn}}}{\∂y}=\frac{\∂}{\∂x}\left(E_{\mathrm{xDMn}}\frac{{\∂C}_{\mathrm{DMn}}}{\∂x}\right)+\frac{\∂}{\∂y}\left(E_{\mathrm{yDMn}}\frac{{\∂C}_{\mathrm{DMn}}}{\∂y}\right)+S_{\mathrm{DMn}}(Q_{f0},u,C_{\mathrm{DMn}},C_{\mathrm{fDMn}0})---\left(2.3\right)$

③将公式(2.1)、(2.2)、(2.3)计算得到的各数值带入透明度SD的公式(1.1)，可预测出透明度值。

本发明的有益效果：

(1)可根据水体中水文，边界流量及水质的测量计算得到水体中透明度空间分布状况。

(2)可根据水体边界流量、水质特征的变化特点预测水体透明度的变化状况。

(3)以上两点可为水体在各种措施下水环境改善效果的分析提供依据。

(4)从图1至图4的对比可见，利用本发明方法可在更细的空间计量得透明度的空间分布规律，另外可预测不同外界条件影响下透明度的分布变化规律。

附图说明

图1为2002年3月利用常规测量法获得的太湖透明度结果。

图2为利用本专利法实施例中的获取方法、测量、获取步骤得到的2002年3月太湖透明度结果。

图3为2002年8月利用常规测量法获得的太湖透明度结果。

图4为利用本专利法实施例中的获取方法、测量、获取步骤得到的2002年8月太湖透明度结果。

具体实施方式

4.1太湖现状及非现状条件下透明度的获取方法

4.1.1太湖现状条件下透明度的获取方法

4.1.1.1太湖水体悬浮物浓度、高锰酸盐指数浓度、叶绿素浓度测量

(1)对太湖各湖区水体的悬浮物浓度进行测量，具体测量方法见水环境监测规范SL219-98。。

(2)对太湖各湖区水体的叶绿素浓度进行测量，具体测量方法见水环境监测规范SL219-98。

(3)对太湖各湖区水体的高锰酸盐指数浓度进行测量，具体测量方法见水环境监测规范，SL219-98。

4.1.1.2太湖现状条件下透明度的获取

太湖现状条件下透明度获取方法如表4.1。根据悬浮物浓度值(S，单位为厘米)、叶绿素浓度值(C_chla，单位为μg/L)、高锰酸盐指数(C_DMn，单位为mg/L)的测量结果，据表4.1计算得到太湖各湖区透明度的值。

表4.1太湖各湖区透明度的获取方法

湖区	季节	(单位：SD/cm，S/mg·L-1，CDMn/mg·L-1，Cchla/μg·L-1)
			梅梁湾湖心及沿岸区东太湖	夏季冬季夏季冬季夏季冬季	SD＝480.387·1/S-0.011·Cchla-0.042·CDMn+23.534SD＝782.508·1/S-0.036·Cchla-0.646·CDMn+26.615SD＝50.466·1/S-0.133·Cchla-1.296·CDMn+39.023SD＝312.921·1/S-0.190·Cchla-1.350·CDMn+27.179SD＝-571.181·1/S-2.360·Cchla-1.886·CDMn+157.994SD＝1621.905·1/S-1.901·Cchla-1.744·CDMn-2.318

4.1.2太湖非现状条件下透明度的获取方法

4.1.2.1太湖水体物理特征测量

(1)太湖水体形状、面积测量

(2)太湖水底高程测量(具体测量方法见水文调查规范SL196-97)

(3)太湖水体水深测量(具体测量方法见水文调查规范SL196-97)

4.1.2.2太湖水体边界悬浮物、高锰酸盐指数入太湖量预测

根据有关规划方案或污染削减计划确定太湖水体边界悬浮物、高锰酸盐指数入太湖量。

4.1.2.3太湖悬浮物、叶绿素浓度、高锰酸盐指数浓度获取步骤

(1)采用公式(2.1)进行太湖各分区悬浮物浓度计算

(2)采用公式(2.2)进行太湖各分区叶绿素浓度计算

(3)采用公式(2.3)进行太湖各分区高锰酸盐指数浓度计算

公式(2.1)、(2.2)、(2.3)中，E_xs、E_ys为x方向与y方向的悬浮物扩散系数，E_xchla、E_ychla为x方向与y方向的叶绿素扩散系数，E_xDMn、E_yDMn为x方向与y方向的高锰酸盐指数扩散系数，这些系数值可根据有关文献或试验得到。要根据水体的形状、水底高程、水深、面积以及根据预测得到的入太湖悬浮物、高锰酸盐指数量。对公式(2.1)、(2.2)、(2.3)进行时间积分得到太湖水体中每个点的悬浮物、叶绿素浓度、高锰酸盐指数浓度值。

4.1.2.4太湖非现状条件下透明度的获取

太湖非现状条件下透明度获取方法如表4.1。根据悬浮物浓度值(S，单位为厘米)、叶绿素浓度值(C_chla，单位为μg/L)、高锰酸盐指数(C_DMn，单位为mg/L)的计算结果，据表4.1计算得到太湖各湖区透明度的值。

4.2镇江内湖现状及非现状条件下透明度的获取方法

4.2.1镇江内湖现状条件下透明度的获取方法

4.2.1.1镇江内湖水体悬浮物浓度、高锰酸盐指数浓度、叶绿素浓度测量

(4)对镇江内湖水体的悬浮物浓度进行测量，具体测量方法见水环境监测规范SL219-98。。

(5)对镇江内湖水体的叶绿素浓度进行测量，具体测量方法见水环境监测规范SL219-98。

(6)对镇江内湖水体的高锰酸盐指数浓度进行测量，具体测量方法见水环境监测规范，SL219-98。

4.2.1.2镇江内湖现状条件下透明度的获取

镇江内湖现状条件下透明度获取方法如表4.2。根据悬浮物浓度值(S，单位为厘米)、叶绿素浓度值(C_chla，单位为μg/L)、高锰酸盐指数(C_DMn，单位为mg/L)的测量结果，据表4.2计算得到镇江内湖各湖区透明度的值。

表4.2镇江内湖透明度的获取方法

(单位：SD/cm，S/mg·L-1，CDMn/mg·L-1，Cchla/μg·L-1)
	SD＝-7.711·1/S-0.004·Cchla+0.239/CDMn+0.025

4.2.2镇江内湖非现状条件下透明度的获取方法

4.1.2.1镇江内湖水体物理特征测量

(1)镇江内湖水体形状、面积测量

(4)镇江内湖水底高程测量(具体测量方法见水文调查规范SL196-97)

(5)镇江内湖水体水深测量(具体测量方法见水文调查规范SL196-97)

4.1.2.2镇江内湖水体边界悬浮物、高锰酸盐指数入镇江内湖量预测

根据有关规划方案或污染削减计划确定镇江内湖水体边界悬浮物、高锰酸盐指数入湖量。

4.1.2.3镇江内湖悬浮物、叶绿素浓度、高锰酸盐指数浓度获取步骤

(1)采用公式(2.1)进行镇江内湖悬浮物浓度预测。

(2)采用公式(2.2)进行镇江内湖叶绿素浓度预测。

(3)采用公式(2.3)进行镇江内湖高锰酸盐指数浓度预测

公式(2.1)、(2.2)、(2.3)中，E_xs、E_ys为x方向与y方向的悬浮物扩散系数，E_xchla、E_ychla为x方向与y方向的叶绿素扩散系数，E_xDMn、E_yDMn为x方向与y方向的高锰酸盐指数扩散系数，这些系数值可根据有关文献或试验得到。要根据水体的形状、水底高程、水深、面积以及根据预测得到的入内湖悬浮物、高锰酸盐指数量。对公式(2.1)、(2.2)、(2.3)进行时间积分得到镇江内湖水体中每个点的悬浮物、叶绿素浓度、高锰酸盐指数浓度值。

4.1.2.4镇江内湖非现状条件下透明度的获取

镇江内湖非现状条件下透明度获取方法如表4.2。根据悬浮物浓度值(S，单位为厘米)、叶绿素浓度值(C_chla，单位为μg/L)、高锰酸盐指数(C_DMn，单位为mg/L)的预测结果，据表4.1计算得到镇江内湖透明度的值。

Claims (3)

1、一种现状条件下水体透明度测量方法，其特征是包括以下步骤：

①采用在水体中采水样，测定出现状条件下水样中的悬浮物浓度值S；

②采用在水体中采水样，测定出现状条件下水样中的叶绿素浓度值C_chla；

③采用在水体中采水样，测定出现状条件下水样中的高锰酸盐指数C_DMn；

④将测得的各数值带入透明度SD的公式：

$\mathrm{SD}=\frac{\mathrm{\α}}{S}-\mathrm{\β}\·C_{\mathrm{chla}}-\mathrm{\γ}\·C_{\mathrm{DMn}}+\mathrm{\δ}$

或： $\mathrm{SD}=\frac{\mathrm{\α}}{S}-\mathrm{\β}\·C_{\mathrm{chla}}+\frac{\mathrm{\γ}}{C_{\mathrm{DMn}}}+\mathrm{\δ}---\left(1.1\right)$

公式(1.1)中：α、β、γ、δ分别为系数；

⑤在水体中无法测得或没有测得S、C_chla、C_DMn的地方，采用如下方法计算得到这些点的S；C_chla；C_DMn的值，然后再带入公式(1.1)计算得到这些点的透明度值SD，计算得到S；C_chla；C_DMn的方法如下：

a：测得水体形状、面积值，水体水深值(h)、流速值(u)，水体边界河道的流量(Q₀)；

b：测得水体悬浮物浓度值(S₀)、叶绿素浓度值(C_chla0)、高锰酸盐指数(C_DMn0)；

将测得的各数值分别带入

悬浮物浓度S预测公式：

$\frac{\∂\left(\mathrm{hS}\right)}{\∂t}+\frac{\∂\left(\mathrm{huS}\right)}{\∂x}+\frac{\∂\left(\mathrm{hvS}\right)}{\∂y}=$

$\frac{\∂}{\∂x}\left[E_{\mathrm{xs}}\frac{\∂\left(\mathrm{hS}\right)}{\∂x}\right]+\frac{\∂}{\∂y}\left[E_{\mathrm{ys}}\frac{\∂\left(\mathrm{hS}\right)}{\∂y}\right]+P(Q_0,u,S,S_0)-D(Q_0,u,S,S_0)$ (1.2)

叶绿素浓度C_chl-a预测公式：

$\frac{{\∂C}_{\mathrm{chla}}}{\∂t}+U\frac{\∂C_{\mathrm{chla}}}{\∂x}+V\frac{\∂C_{\mathrm{chla}}}{\∂y}=\frac{\∂}{\∂x}\left(E_{\mathrm{xchla}}\frac{\∂C_{\mathrm{chla}}}{\∂x}\right)+\frac{\∂}{\∂y}\left(E_{\mathrm{ychla}}\frac{{\∂C}_{\mathrm{chla}}}{\∂y}\right)+S_{\mathrm{chla}}(Q_0,u,C_{\mathrm{chla}},C_{\mathrm{chla}0})$

                                                (1.3)

高锰酸盐指数C_DMn浓度预测公式：

$\frac{\∂C_{\mathrm{DMn}}}{\∂t}+U\frac{\∂C_{\mathrm{DMn}}}{\∂x}+V\frac{\∂C_{\mathrm{DMn}}}{\∂y}=\frac{\∂}{\∂x}\left(E_{\mathrm{xDMn}}\frac{\∂C_{\mathrm{DMn}}}{\∂x}\right)+\frac{\∂}{\∂y}\left(E_{\mathrm{yDMn}}\frac{\∂C_{\mathrm{DMn}}}{\∂y}\right)+S_{\mathrm{DMn}}(Q_0,u,C_{\mathrm{DMn}},C_{\mathrm{DMn}0})$

                                                (1.4)

公式(1.2)、(1.3)、(1.4)中，E_xs、E_ys为x方向与y方向的悬浮物扩散系数，E_xchla、E_ychla为x方向与y方向的叶绿素扩散系数，E_xDMn、E_yDMn为x方向与y方向的高锰酸盐指数扩散系数。

2、根据权利要求1所述的一种现状条件下水体透明度测量方法，其特征是所述步骤④中α、β、γ、δ为系数，取值范围为α在5.0至2000之间、β在0.0001至5.0之间、γ在0.01至5.0之间、δ在0.02至200之间。

3、一种非现状条件下水体透明度测量方法，其特征是包括以下步骤：

①测得水体形状、面积值，水体水深值h、流速值u；

②预测得到水体边界河道的流量(Q_f0)、悬浮物浓度值(S_f0)、叶绿素浓度值(C_f chla0)、高锰酸盐指数(C_f DMn0)值，将测得或预测得到的各数值分别带入

悬浮物浓度S预测公式：

$\frac{\∂\left(\mathrm{hS}\right)}{\∂t}+\frac{\∂\left(\mathrm{huS}\right)}{\∂x}+\frac{\∂\left(\mathrm{hvS}\right)}{\∂y}=$

$\frac{\∂}{\∂x}\left[E_{\mathrm{xs}}\frac{\∂\left(\mathrm{hS}\right)}{\∂x}\right]+\frac{\∂}{\∂y}\left[E_{\mathrm{ys}}\frac{\∂\left(\mathrm{hS}\right)}{\∂y}\right]+P(Q_{f0},u,S,S_{f0})-D(Q_{f0},u,S,S_{f0})$ (2.1)

叶绿素浓度C_chl-a预测公式：

$\frac{\∂C_{\mathrm{chla}}}{\∂t}+U\frac{\∂C_{\mathrm{chla}}}{\∂x}+V\frac{\∂C_{\mathrm{chla}}}{\∂y}=\frac{\∂}{\∂x}\left(E_{\mathrm{xchla}}\frac{\∂C_{\mathrm{chla}}}{\∂x}\right)+\frac{\∂}{\∂y}\left(E_{\mathrm{ychla}}\frac{\∂C_{\mathrm{chla}}}{\∂y}\right)+S_{\mathrm{chla}}(Q_{f0},u,C_{\mathrm{chla}},C_{\mathrm{fchla}0})$

(2.2)

高锰酸盐指数C_DMn浓度预测公式：

$\frac{\∂C_{\mathrm{DMn}}}{\∂t}+U\frac{\∂C_{\mathrm{DMn}}}{\∂x}+V\frac{{\∂C}_{\mathrm{DMn}}}{\∂y}=\frac{\∂}{\∂x}\left(E_{\mathrm{xDMn}}\frac{\∂C_{\mathrm{DMn}}}{\∂x}\right)+\frac{\∂}{\∂y}\left(E_{\mathrm{yDMn}}\frac{\∂C_{\mathrm{DMn}}}{\∂y}\right)+S_{\mathrm{DMn}}(Q_{f0},u,C_{\mathrm{DMn}},C_{\mathrm{fDMn}0})$

                                            (2.3)

③将公式(2.1)、(2.2)、(2.3)计算得到的各数值带入透明度SD的公式(1.1)，可预测出透明度值。

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