CN104281783A - 基于水体污染物净积累量判断水体污染物富集的方法与实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于水体污染物净积累量判断水体污染物富集的方法，根据输入污染物总量、输出污染物总量和自净能力对污染物的降解总量，利用水体污染物的输入输出关系和物料平衡原理得到污染物净积累量，通过水体污染物净积累量，来得到水体的污染程度，并通过与相关指标的对比，获取水体污染物富集趋势，本发明同时提供了相应的验证试验装置，本发明的方法可对水体污染物富集情况作出判断，得到水体污染物富集趋势，为水环境治理提供依据。

Description

基于水体污染物净积累量判断水体污染物富集的方法与实验装置

技术领域

本发明属于环境监测领域，特别涉及一种基于水体污染物净积累量判断水体污染物富集的方法与实验装置。

背景技术

景观水体是城市水环境的重要组成部分，我国城市景观水体普遍面临污染负荷高、水体自净能力差的问题，水体富营养化和黑臭现象严重。

依据《地面水环境质量标准》(GB3838-88)来进行，有水质指数法评价、单项水质参数评价方法两大类，一类是以水质的物理化学参数的实测值为依据的评价方法；另一类是以水生物种群与水质的关系为依据的生物学评价方法。较多采用的是物理化学参数评价方法，其中又分：①单项参数评价法即用某一参数的实测浓度代表值与水质标准对比，判断水质的优劣或适用程度。②多项参数综合评价法即把选用的若干参数综合成一个概括的指数来评价水质，又称指数评价法。指数评价法用两种指数即参数权重评分叠加型指数和参数相对质量叠加型指数两种。参数权重评分叠加型指数的计算方法是，选定若干评价参数，按各项参数对水质影响的程度定出权系数，然后将各参数分成若干等级，按质量优劣评分，最后将各参数的评分相加，求出综合水质指数。数值大表示水质好，数值小表示水质差。用这种指数表示水质，方法简明，计算方便。参数相对质量叠加型指数的计算方法是，选定若干评价参数，把各参数的实际浓度与其相应的评价标准浓度相比，求出各参数的相对质量指数，然后求总和值。根据生物与环境条件相适应的原理建立起来的生物学评价方法，通过观测水生物的受害症状或种群组成，可以反映出水环境质量的综合状况，因而既可对水环境质量作回顾评价，又可对拟建工程的生态效应作影响评价，是物理化学参数评价方法的补充。缺点是难确定水体污染物的性质和含量。

以上方法基本上能够比较直观地对水体中各项污染物的浓度进行描述，并为水质状况的确定提供方依据，但由于其研究对象主要局限于水体，而并不包含与之有紧密联系的底质等其他源和汇，因此，在污染物浓度变化幅度较大且频率较高时，单纯地使用水体污染物浓度来评价水体的水质就变得比较片面，不能准确地描述实际状况。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于水体污染物净积累量判断水体污染物富集的方法与实验装置，通过水体污染物净积累量(NPA，Net Pollutants Accumulation)，来得到水体的污染程度，并通过与相关指标的对比，获取水体污染物富集趋势。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种基于水体污染物净积累量判断水体污染物富集的方法，包括如下步骤：

步骤1，计算输入污染物总量∑M_i

ΣM_i＝c₁Q₁+c₂W₁+c₃Q₂+c₄W₁+c₅λhW₂+c_im

式中，c₁为再生水中某一种污染物的年平均浓度，Q₁为地表补水的年总流量，c₂为降雨中某种污染物的湿沉降通量，W₁为湖面面积，c₃为污废水中某一种污染物年平均浓度，Q₂为污废水的年总流量，c₄为某种污染物的干沉降通量，c₅为地表径流中污染物年平均浓度，c_i为其他污染输入中污染物年平均浓度，λ为径流系数，h为年总降雨量，W₂为径流汇流面积，m为其他污染源的年总流量；

步骤2，计算输出污染物总量∑N_i

ΣN_i＝d₁Q₃+d₂kW₁+d₃ωW₁+d_in

式中：d₁为水体排水中某一种污染物的年平均浓度，Q₃为某种水体的年排水量，d₂为污染物的挥发通量，k为当地的蒸发系数，d₃为渗透浓度，ω为渗透系数，d_i为其他输出源的年单位输出量，n为其他输出源的数量；

步骤3，计算自净能力对污染物的降解总量∑S_i

ΣS_i＝ρV+θW₃T

式中：ρ为单位体积内某一种污染物被浮游植物去除的效率，V为浮游植物体积，此处等于湖水体积，θ为单位面积内某一种污染物被水生植物去除的效率，W₃为水生植物的覆盖面积，T为水生植物的生长周期；

步骤4，根据水体污染物的输入输出关系和物料平衡原理，得到如下式所示的污染物净积累量(NPA，Net Pollutants Accumulation)：

NPA＝ΣM_i-ΣN_i-ΣS_i

式中，所有指标的计算均以年为单位；对于某个水体，如果计算得到NPA>0，则说明该水体正处于污染物不断富集的过程，NPA越大，污染物的富集程度越高；如果计算得到NPA≤0，说明污染物在该水体内不存在富集现象。

一般而言，自然的景观水体中污染物的污染物主要有有机质、营养盐，包括总氮、总磷等。上述的各个参数，主要通过现场检测和查阅相关资料两种方式得到，其中，步骤1算式中，进水浓度c₁在现场湖水进水口处采样测定获取；进水量Q₁通过现场测定或查阅相关设计资料获得；湿沉降通量c₂和干沉降通量c₄通过查阅当地大气污染的相关数据获取；废水中污染物，主要指通过其他途径直接排放的废水或作为污水处理厂收纳水体的城市景观水体的排入废水，其浓度c₃和排量Q₂需根据现场具体情况获得；湖水面积W₁根据现场资料获得；径流系数λ根据现场地面情况，参考相关径流系数；年降水量h通过当地数据获得；径流汇流面积W₂通过现场测算或查阅已有资料获得；其他污染源年总流量m和污染物浓度c₅以实际现场为准，现场测定。

步骤2算式中，排水污染物浓度d₁通过现场采集排水口处水样测定获得；年排水量Q₃通过现场测定或查阅已有资料获得；污染物的挥发通量d₂参考当地大气污染物数据；蒸发系数k由当地气象数据获得；渗透浓度d₃为湖水的浓度，通过现场采集水样测定获得；渗透系数ω根据现场底质的特点采取现场测定获得；其他输出源年单位输出量d_i和输出源的数量n根据现场具体情况测定获得。

步骤3算式中，单位体积浮游植物对某种污染物的去除效率ρ可通过查阅资料获得；浮游植物的体积V可等价为湖水体积；单位面积水生植物的去除效率θ可通过查阅资料获得；水生植物面积W₃通过收集现场资料获得；水生植物的生长周期T根据植物种类的不同现场获得。

本发明还提供了一种基于水体污染物净积累量判断水体污染物富集的实验装置，包括一个中空的圆柱形有机玻璃柱，有机玻璃柱上方侧面开有进水口1和出水口2，下部有渗透水出口3，出水口2采用溢流式，有机玻璃柱内底部铺设湖泊底泥，其上栽种水生植物4，所述进水口1、出水口2和渗透水出口3均设置有流量计和水质检测仪，所述流量计和水质检测仪连接单片机。

与现有技术相比，本发明利用一种新的方法，对水体污染物富集情况作出判断，得到水体污染物富集趋势，为水环境治理提供依据。

附图说明

图1为实施例中昆明翠湖不同输入、输出途径中各种污染物的贡献情况。图1(a)为各输入源输入COD量占总输入COD量的百分比；图1(b)为各输出源输出COD占总输出COD量的百分比；图1(c)为各输入元输入TN量占总输入TN量的百分比；图1(d)为各输出源输出TN占总输出TN量的百分比；图1(e)为各输入源输入TP量占总输入TP量的百分比；图1(f)为各输出源输出TP占总输出TP量的百分比。

图2为本发明实验装置结构简图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。

1.水体污染物的输入输出关系，在以物料平衡为基本原理的情况下，提出如式1所示的污染物净积累(NPA，Net Pollutants Accumulation)评价指标。

NPA＝ΣM_i-ΣN_i-ΣS_i   式1

式中，∑M_i为输入污染物总量，∑N_i为输出污染物总量，∑S_i为自净能力对污染物的降解总量，所有指标的计算均以年为单位。对于某个水体，如果计算得到NPA>0，说明该水体正处于污染物不断富集的过程，NPA越大，污染物的富集程度越高；如果计算得到NPA≤0，说明污染物在该水体内不存在富集现象，水体自净能力发挥了重要的污染物降解作用。式1提出的模型的研究边界为景观湖泊的物理边界。

如表1所示，根据式1，污染物输入主要由再生水补水、降雨补充、已处理/未处理的污水、大气干沉降、地表径流以及其他污染源(如树叶、鱼饲料和鸟类排泄物)等组成；污染物输出途径中，主要涉及到渗透、排水、蒸发以及其他输出(如灌溉和喷洒)等。

一般而言，水体自净过程主要由水体中的物理、物理化学和生物化学作用共同组成。由于模型边界是整个景观水体，保括水体以及沉积物，因此，以稀释、扩散、沉淀和混合等为主的物理过程，以及以氧化还原、吸收和絮凝为主的物理化学过程，由于其仅限于改变污染物的存在状态，因此不会对污染物的总量减少起到明显作用。因此，重点考虑以浮游动物和浮游植物，以及水生动物和水生植物为主的生物净化作用。

表1  景观湖泊污染物输入和输出途径及水体自净能力组成

2.污染物输入计算

表1污染物输出众多因子中，对城市景观水体而言，再生水补充M₁与再生水的流量和污染物浓度有关，一般情况下，考虑一年内的总流量以及污染物平均浓度；雨水输入M₂与某种污染物的沉降通量和雨水接受面积有关，前者可通过当地数据得到，后者大体上可看做湖面面积。处理/未处理的废水输入M₃与废水流量和污染物浓度有关；大气干沉降输入M₄与某种污染物的干沉降通量和干沉降接收面积有关，前者通过大气干沉降得到，后者约等于湖面面积；地表径流输入与当地降雨量、汇水面积和地表径流系数(反映汇水面内的渗透条件)；其他输入源M₆可以根据具体的湖泊情况得到。综上所述，式1中的∑M_i可通过下式得到：

ΣM_i＝c₁Q₁+c₂W₁+c₃Q₂+c₄W₁+c₅λhW₂+c_im   式2

式中，c₁为再生水中某一种污染物的年平均浓度，Q₁为再生水的年总流量，c₂为降雨中某种污染物的湿沉降通量，W₁为湖面面积，c₃为污废水中某一种污染物年平均浓度，Q₂为污废水的年总流量，c₄为某种污染物的干沉降通量，c₅为地表径流中污染物年平均浓度，c_i为其他污染输入中污染物年平均浓度，λ为径流系数，h为年总降雨量，W₂为径流汇流面积，m为其他污染源的年总流量；

3.污染物输出计算

对城市景观水体而言，在污染物输出中，排水输出N₁是保持水量平衡的重要组成，排水污染物量与排水污染物年平均浓度和年排水量有关；一般认为，蒸发会带走一部分水分以及一定量的挥发性有机物和营养物，蒸发输出量N₂与蒸发系数、蒸发面积以及某种污染物的挥发通量有关；由于不同湖泊底质不透水性不同，因此，底质渗透输出量N₃也会有所区别，主要影响因子为渗透系数、渗透面积以及渗透液中的污染物浓度；其他输出情况，如灌溉用水、冲洗用水等，污染物输出量与特定的条件有关，需专门做统计计算。∑N_i由式3给出：

ΣN_i＝d₁Q₃+d₂kW₁+d₃ωW₁+d_in   式3

式中：d₁为水体排水中某一种污染物的年平均浓度，Q₃为某种水体的年排水量，d₂为污染物的挥发通量，k为当地的蒸发系数，d₃为渗透浓度，ω为渗透系数，d_i为其他输出源的年单位输出量，n为其他输出源的数量；

3.自净计算。水体自净主要有浮游植物和浮游动物S₁，及水生植物和水生动物S₂去除。在实际景观湖泊中，初级生产力是污染物从水体向有机体转移最重要的过程，即浮游植物和水生植物实现了污染物的去除，而浮游动物和水生动物起间接的作用。在这种条件下，假设浮游植物和水生植物能够被及时而有效地打捞，不会因死亡和腐败而使污染物回到湖水中，那么水体自净可由下式表示：

ΣS_i＝ρV+θW₃T   式4

式中：ρ为单位体积内某一种污染物被浮游植物去除的效率，V为浮游植物体积，此处等于湖水体积，θ为单位面积内某一种污染物被水生植物去除的效率，W₃为水生植物的覆盖面积，T为水生植物的生长周期；

下面是一个具体的实例

实施例选择昆明市的翠湖为研究对象。翠湖位于昆明市中心，是昆明市重要的景观水体，该湖历史上曾是滇池的连通水体，后因水位下降成为独立水面。翠湖水面面积为150,000m²，经现场测定，平均水深约1.2m，蓄水量约为170,000m³。目前，翠湖补水来源包括尾水、降雨和公园地表径流3个方面，其中尾水补水量占总补水量的90％以上，该尾水来自于昆明市第四污水厂出水。现阶段，翠湖呈现严重富营养化状态，初步分析，水中污染物来源于尾水补水、地表径流和底泥释放，另外，每年冬天到来年春天，都有大量的西伯利亚海鸥飞抵昆明过冬，主要栖息在翠湖公园内，因此，海鸥的排泄物也是翠湖污染物的一个重要来源。

本研究选择TN、TP、COD作为主要研究的污染物，通过以上方法，以水量平衡和物料衡算为基础，对翠湖的污染物来源作了详细的调研，表2列出了翠湖污染物输入和输出途径以及水体自净组成：

表2  翠湖污染物输入和输出途径及水体自净能力组成

污染物输入Mi	污染物输出Ni	水体自净Si
			尾水补水输入M1	水体排水输出N1	物理自净S1
降雨补水输入M2	水面蒸发输出N2	化学(物化)自净S2
			径流补水输入M3	灌溉用水输出N3	生物化学自净S3
红嘴鸥排泄输入M4	湖底渗漏输出N4

1.水量平衡

翠湖的水量衡算情况如表3所示：

表3  翠湖输入和输出水量计算与平衡分析结果

从表3可以看出，在水量输入中，尾水补水是翠湖水量输入的主要途径，占输入总量的92％，径流补水对水量输入的贡献率最小，仅为1.7％；在水量输出中，水体排水和湖底渗漏是水量输出的主要途径，分别占输出总水量的49％和41％，灌溉用水比例较小，仅占3％。另一方面，从水量平衡的结果看，输入总水量和输出总水量的差值为2857m³·a^-1，仅相当于输入和输出总水量的0.2％，基本满足水量平衡的要求。也就是说，在全年时间范围内，水量的输入总量与输出总量基本接近，这与翠湖水体库容和水位多年保持不变的实际情况相符。同时也表明，水量计算中各变量的取值都是合理的，这为污染物的输入和输出总量的分析和计算奠定了基础。

2.污染物输入与输出及自净和积累结果

表4  污染物输入和输出计算以及自净量与积累分析结果

从结果可以看出，不同输入途径对水体污染物输入的贡献率不同，与此相对应，不同输出途径对水体污染物输出的贡献率也不同。如图1所示，对于COD，在3种输入途径中，尾水补水的贡献率最大，输入COD量占输入总量的95％，径流补水和海鸥排泄的贡献率相比很小；COD输出中，排水输出和渗透输出分别占总输出量的55％和39％，是主要输出途径。对于TN，输入途径中，再生水补充仍然是最主要来源，占总输入量的91％，远大于其他输入途径；TN输出中，排水和渗透分别占51％和44％，其他途径输出很少。对于TP，输入途径中，再生水补水、地表径流和红嘴鸥排泄物三种分别占总输入量的39％、22％、39％，表明再生水不是TP的唯一主要来源，红嘴鸥排泄物也是一种重要的输入源；TP输出中，排水输出、渗透和自净作用分别占总输出量的46％、40％和11％。

综上所述，再生水是翠湖水体中COD、TN的最重要来源，是TP的一个主要来源，除此之外，径流和红嘴鸥排泄是COD和TN的次要来源，但却是TP的主要来源。排水和渗透是COD、TN和TP的重要输出源，而自净作用也成为TP输出的一种主要途径。

各污染源对不同污染物输入和输出的贡献情况如图1所示：

从表4还可以看到，湖水中COD的净积累量很小，只有407kg/a，占总输入量的5％；然而，TN的净积累却很严重，约为9037kg/a，占TN总输入量的45.6％，几乎相当于输出量；对于TP，净积累也很严重，约178kg/a，占总输入量的33.7％。

为对本发明的方法进行验证，本发明还提供了一种简易实验装置，包括一个中空的圆柱形有机玻璃柱，直径约一米、高一米。有机玻璃柱上方侧面开有进水口1和出水口2以及渗透水出口3，出水口2采用溢流式，有机玻璃柱内底部铺设湖泊底泥，其上栽种水生植物4，所述进水口1和出水口2以及渗透水出口3均设置有流量计和水质检测仪，所述流量计和水质检测仪连接单片机。

利用该装置，有机玻璃柱的上部注入湖水至出水口2处，泥水比约为1:3，按照水生植物的生长周期，按时植入一定密度的水生植物(本实验选择荷花，栽种数量为三株)，整个实验过程中实验装置置于室外空旷低洼处，整个装置中泥水比约为1:3，如图，

(1)装置的进水口1与地面齐平，用以模拟降雨时产生的地表径流

(2)每天定时从进水口1补充再生水以及定量的生活污水，以此模拟自然水体的补水状况；

(3)水量输出方面，该装置分别在上、下部分设置了两个出水口，上面为排水口，采用溢流式，模拟自然水体的排水，下面为渗透水出口，每天测定水量和水质，用以模拟自然水体的渗透现象。

(4)关于干湿沉降量以及污染物的挥发通量，由于此装置置于户外，因此参考当地大气的干湿沉降量等数据。

(5)定期采用虹吸管抽取表层水样，并记录水量和水质质标，用以模拟自然水体中其他输出(如灌溉用水等)。

(6)水体自净能力的模拟主要依靠种植水生植物来实现，净化效率参考相关文献。

(7)进水口1、出水口2和渗透水出口3均设置有流量计和水质监测仪，用于检测各进、出水流量以及水质指标，所述流量计和水质监测仪连接单片机。

实验进行过程中，每天向装置中补充再生水(Q₁)以及定量的生活污水(Q₂)，并检测其污染物浓度c₁和c₃，同时检测地表径流中污染物浓度c₅，干、湿沉降量通过查阅当月降雨量和沉降通量等得到；在排水口和渗透水出口检测排水流量Q₅和污染物浓度d₁，以及渗透水流量和污染物浓度d₃,污染物挥发通量通过查阅资料获得。

最后，将所得各参数代入污染物输输出公式中，计算装置中某种污染物的净积累量(NPA)。

Claims (2)

1.一种基于水体污染物净积累量判断水体污染物富集的方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，计算输入污染物总量∑M_i

ΣM_i＝c₁Q₁+c₂W₁+c₃Q₂+c₄W₁+c₅λhW₂+c_im

式中，c₁为地表补水中某一种污染物的年平均浓度，Q₁为地表补水的年总流量，c₂为降雨中某种污染物的湿沉降通量，W₁为湖面面积，c₃为污废水中某一种污染物年平均浓度，Q₂为污废水的年总流量，c₄为某种污染物的干沉降通量，c₅为地表径流中污染物年平均浓度，c_i为其他污染输入中污染物年平均浓度，λ为径流系数，h为年总降雨量，W₂为径流汇流面积，m为其他污染源的年总流量；

步骤2，计算输出污染物总量∑N_i

ΣN_i＝d₁Q₃+d₂kW₁+d₃ωW₁+d_in

式中：d₁为水体排水中某一种污染物的年平均浓度，Q₃为某种水体的年排水量，d₂为污染物的挥发通量，k为当地的蒸发系数，d₃为渗透浓度，ω为渗透系数，d_i为其他输出源的年单位输出量，n为其他输出源的数量；

步骤3，计算自净能力对污染物的降解总量∑S_i

ΣS_i＝ρV+θW₃T

式中：ρ为单位体积内某一种污染物被浮游植物去除的效率，V为浮游植物体积，此处等于湖水体积，θ为单位面积内某一种污染物被水生植物去除的效率，W₃为水生植物的覆盖面积，T为水生植物的生长周期；

步骤4，根据水体污染物的输入输出关系和物料平衡原理，得到如下式所示的污染物净积累量(NPA，Net Pollutants Accumulation)：

NPA＝ΣM_i-ΣN_i-ΣS_i

式中，所有指标的计算均以年为单位；对于某个水体，如果计算得到NPA>0，则说明该水体正处于污染物不断富集的过程，NPA越大，污染物的富集程度越高；如果计算得到NPA≤0，说明污染物在该水体内不存在富集现象。

2.一种基于水体污染物净积累量判断水体污染物富集的实验装置，其特征在于，包括一个中空的圆柱形有机玻璃柱，有机玻璃柱上方侧面开有进水口(1)和出水口(2)，下部有渗透水出口(3)，出水口(2)采用溢流式，有机玻璃柱内底部铺设湖泊底泥，其上栽种水生植物(4)，所述进水口(1)、出水口(2)和渗透水出口(3)均设置有流量计和水质检测仪，所述流量计和水质检测仪连接单片机。