CN109738543A - 一种污染物入河发生河段识别方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于污染物控制技术领域，具体涉及一种污染物入河发生河段识别方法。该识别方法包括如下步骤：(1)采样点布设及样品数据收集；(2)根据如下公式(1)计算相邻采样点之间的差值△P n＝|(an‑an+1)/an|×100％公式(1)，(3)比较各△P大小，△P较大值对应的河段即为污染物入河发生段。本发明提供的污染物入河发生河段识别方法可以，可以在复杂的河流污染发生过程中定性判断出污染物入河发生段，操作简单，精准度高，具有可推广性。
Description
技术领域
本发明属于污染物控制技术领域，具体涉及一种污染物入河发生河段识别方法。
背景技术
在进行污染治理时，应首先识别出别流域地表径流面源污染物输出的关键源区，然后在关键源区有针对性的采取控制措施将会节约污染物控制成本，提高污染控制效果。然而，我国大部分地区的基础资料相对欠缺，数据的可靠性较差，已有的资料分布于不同业务部门，且资料共享性差，难以收集整理面源污染物输出的全面信息。因此，如何利用仅有的少量数据资料，快速识别出流域地表径流面污染物输出关键源区、并为制定面源污染防治规划提供依据成为采取治理措施的首要问题。
目前基于水环境容量的总量控制技术是我国对于水污染防治较为成熟的技术之一。该技术特点是以流域为研究空间尺度下，通过模拟不同来源污染物的输出、迁移转化等过程，估算各来源污染物输出或进入水体的负荷，经比较得出各来源的相对贡献。实际应用中结合断面水质达标等考核方法，进而完成流域尺度下的污染排放方案的制定。由于其采用数字概化建模、污染负荷估算等方式开展，在污染防治精准性、不确定性以及成效性方面存在较大欠缺。
基于目前水污染防治技术，结合流域污染搬迁实际物理过程，陆域污染物通常进入临近水体，在河流传送下向下游搬迁沉积。这一过程中，如何精准地确定陆域污染物具体在河流哪一段进入水体，是污染防治精准化开展的关键点之一，同时也是我国水污染防治技术精准化提升的重要环节。
发明内容
为了解决现有技术中的上述问题，本申请的发明目的在于提供一种操作简单、精准识别的污染物入河发生河段识别方法。
为了实现上述发明目的，本发明提供了如下技术方案：
一种污染物入河发生河段识别方法，其包括如下步骤：
(1)采样点布设及样品数据收集
在目标河段的起始点、终点以及起始点和终点之间布设采样点，从起始点到终点，采样点分别命名为1至n，在各采样点取水样，检测各水样的稳定同位素丰度值；
(2)根据如下公式(1)计算相邻采样点之间的差值的绝对值
△P n＝|(an-an+1)/an|×100％ 公式(1)，
其中△P为采样点n至n+1河段处的污染物输入概率；an采样点n处水样的稳定同位素丰度值。
所述采样点是根据河流流向，如以河流的上游起始点测得同位素丰度值为a1，则其下游相邻采样点水样的稳定同位素丰度值为a2；
(3)比较各△P大小，△P较大值对应的河段即为污染物入河发生段。
优选地，步骤(1)中，若经过考察，发现河段存在断流，则以断流处河流断面作为新的起始点，对断面上下游分别按步骤(1)至(3)找出污染物入河发生河段，然后结合实地考察，确认污染物入河发生河段。
优选地，对步骤(3)所找出的污染物入河发生段中的有效污染源进行判断的方法，其包括
1)若经过考察，发现所述污染物入河发生段内仅有一个污染源P，则进行如下操作：
在污水排放口处取样，测定同位素值，记为P，该污染物入河发生段的上下游端点Pn和Pn+1处同位素值分别记为Pn和Pn+1，若Pn+1的大小位于Pn和P之间，则污染源P为有效污染源，否则，污染源P则不是有效污染源；当判定P不是有效污染源时，则需要对该区域进一步排查，确定导致河流同位素变化的可能原因，比如是否存在陆地进入污染源、河流地下暗涌等原因；
2)若经过考察，发现所述污染物入河发生段内存在多个污染源，则进行如下操作：
假设在污染物入河发生段Pn和Pn+1之间存在污染源A1、A2、A3…An，分别在各污染源之间分别布设采样点，依次记为A1-1、A2-1、A3-1…An-1-1，
首先判断污染源A1-1的同位素值是否位于Pn与A1处的同位素值之间，若污染源A1-1的同位素值位于Pn与A1处的同位素值之间，则A1为有效污染源，否则，A1不是有效污染源；同理，对污染源A2、A3…An采用相同的方法进行判定。
本发明中，采样点布设时相邻采样点的距离可依据整个项目的精度要求等距离布设，也可根据实地考察情况非等距离布设。比如对于经过实地考察判断明显不存在污染源的地段，可增大相邻两采样点间的距离；若经过实地考察判断某地段存在多个污染因素，则减小该地段内相邻两采样点间的距离。
优选地，若目标河段符合以下条件：
a.水流方向恒定；
b.目标河段地势变化平稳、无交叉口、无断流；
则步骤(1)采样点布设时采样点等距离布设，且相邻两采样点之间的距离满足：L＝TV，且1h＜T≤4h；其中，L为相邻两点采样点之间的距离，单位为km；V为河流流速，单位为km/h；T为流动时间，单位为h。
优选地，步骤(1)中在各采样点取河水样品时，需满足以下条件：
所有采样点同步采样；每个采样点采样次数不低于10次，优选为10-50次，每个采样点采样所需总时长不超过一天且保证所有样品采集过程中气象状况无大幅变化。
检测每个采样点的所有水样的稳定同位素丰度值，求出中位数即为该采样点水样的检测数据。
优选地，所述河段起始点和终点之间含有河流交叉口，步骤(1)的操作为：在目标河段的起始点、终点、交叉口以及起始点与交叉口、交叉口与终点之间布设采样点，在各采样点取水样，检测各水样的稳定同位素丰度值。
优选地，所述稳定同位素为碳、氮、硫、氢或氧。
本发明中，采样点的设置可根据项目精度的需要，依据河流的具体情况(如河流的长度、是否有断流、是否存在陆地水进入等)进行设置，如河段较长时，可先在河段的起始点、终点，以及起始点和终点之间的中间布设采样点，根据△P大小，大概判断出污染物入河发生段，然后再在找出的污染物入河发生段进一步布设采样点，比较△P后更精确地确定污染物发生河段。
当河段较短时，且河段内无断流、陆地水进入等情况，可在河段的起始点、终点，以及起始点和终点之间全程等距离布设采样点，比较各采样点的同位素丰度值差值后找出污染物入河发生河段。
本发明的原理在于，稳定同位素(如碳氮同位素)因其不发生或极不易发生放射性衰变，在自然界中一种元素的同位素组成相对恒定。在假设不受外源因素干扰的河流中，同位素将在河流中按照水流方向迁移且不发生变化。当外界影响因子(如污染物)介入后，检测到的同位素丰度值将相应地发生改变。通过比较各采样点之间的变化值大小，即可判断出污染物的引入河段。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
(1)本发明提供了一种污染物入河发生河段识别方法，该方法仅根据稳定同位素质量恒定的性质，结合河流流向及污染物放生的基本物理过程，将污染物引入与同位素丰度值变化量相关联，定性判断出污染物入河发生段。
(2)本发明提供的方法在实际运用时，无需复杂的推导运算，即可判断出污染物大致所在区间，然后根据实际考察结果，可进一步锁定污染源，操作简单，精准度高，具有可推广性。
附图说明
图1为实施例1中沿河段布设采样点示意图；
图2为实施例1中污染物入河发生段中只有一个污染源的分布示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的和技术方案更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。如无特别说明，本发明中，以下实施例所有采样点同时取样，每个采样点采样次数为20次，每个采样点采样所需总时长不超过一天且保证所有样品采集过程中气象状况无大幅变化；检测每个采样点的所有水样的稳定同位素丰度值，求出中位数即为该采样点水样的检测数据。
本发明各实施例中同位素丰度值检测方法包括如下步骤：
1样品测定及计算方法
1.1样品预处理
收集水样2L，过膜47mm GF/C玻璃纤维滤膜，置于冷冻专用托盘中，在–20℃温度下预先冷冻24h，之后再放置于真空冷冻干燥箱中干燥24h，研磨后过120μm(120目)筛，备用。
1.2样品测定
通过百万分之一天平称取预处理好的样品粉末2mg，用锡杯包裹住粉末，预先将元素分析仪氧化管温度升至950℃，还原炉管升温至680℃，经过元素分析仪转化为纯净的CO2气体和N2，将样品粉末放入固体自动进样器中，调节同位素比率质谱仪为C/N测定模式，并进行样品检测；稳定碳、氮同位素比率分别用δ13C和δ15N表示，δ13C的相对标准为V–PDB，δ15N的相对标准为空气。
计算公式：
δ13C(‰)＝[(Rsample-Rstandard)/Rstandard]×1000，R＝13C/12C
δ15N(‰)＝[(Rsample-Rstandard)/Rstandard]×1000，R＝15N/14N
式中Rsample为所得样品的同位素值，碳同位素是13C/12C，氮同位素是15N/14N，Rstardard为标准物质的同位素值，碳氮稳定同位素测定的标准物质分别为VPDB和大气中的氮。
1.3精密度和准确度保障
为保证结果的准确性和仪器的稳定性，用碳、氮同位素的标准物质作为参考样对测定方法进行考查，结果列于表1。测得均值在允许误差范围内，表明方法的准确度较高。用测定结果的相对标准偏差来考察方法的精密度，结果发现本方法测定碳、氮同位素的相对标准偏差分别为0.02％和0.05％，表明本方法均具有良好的重现性。
表1
2仪器参数及工作环境
2.1主要仪器与试剂
稳定同位素比率质谱仪：DELTAV advantage型，美国Thermo Fisher公司；
元素分析仪：Flash EA1112HT型，美国Thermo Fisher公司；
2.2仪器工作条件
元素分析仪条件：氧气和氦气压力均为0.14MPa，氧化管温度为950℃，还原管温度为680℃。
质谱条件：二氧化碳调谐气压为0.2MPa，高电压为2 240V，阱电流为100μA。
实施例1
一种污染物入河发生河段识别方法，其包括如下步骤：
(1)采样点布设及样品数据收集
以北京某10公里长的流向恒定且无断流的河流为考察河段，河流流速为0.8km/h，在河段的起始点、终点以及起始点和终点之间等距离共布设6个采样点，在各采样点取水样，检测各样品中δ15N(‰)比值；
(2)根据如下公式(1)计算相邻采样点之间的差值
△P n＝|(an-an+1)/an|×100％ 公式(1)，
其中△Pn为采样点n至n+1河段处的污染物输入概率；取起始点水样的同位素丰度值为a1，则其下游相邻采样点水样的稳定同位素丰度值为a2、a3、a4、a5、a6；
△P1＝|(a1-a2)/a1|，△P2＝|(a2-a3)/a2|…以此类推；
其中，本实施例中沿河段采样点的布设情况如图1所示，各采样点δ15N(‰)检测结果及相邻采样点的差值(取绝对值)如下表2、3所示。
表2各采样点δ15N(‰)检测结果
| 点位 | 同位素丰度值 |
| 1 | 6.01 |
| 2 | 6.02 |
| 3 | 6.05 |
| 4 | 7.12 |
| 5 | 7.3 |
| 6 | 7.8 |
表3各河段的污染物输入概率
(3)比较各△P大小，△P较大值对应的河段即为污染物入河发生段。
由于△P3＞△P5＞△P4＞△P2＞△P1，所以，可以得出：△P3处即采样点3和4之间的河段为污染物入河发生段。
对上述污染物入河发生段△P3的有效性进行考察后发现，上述污染物入河发生段内仅有一个污染源P，P与P3、P4的位置关系如图2所示。
在污水排放水口处取样，测定同位素值为8.3，由于P3和P4处同位素值分别为6.05、7.12，而7.02位于6.05至和8.3之间，所以，污染源P即为有效污染源。
实施例2
一种污染物入河发生河段识别方法，其包括如下步骤：
以北京某10公里长的流向恒定且无断流的河流为考察河段，河流流速为0.8km/h，在河段的起始点、终点布设点位，以及起始点和终点之间存在汇入河流时，要在河流汇合处上游和下游分别布设点位，采样点位布设如图1，采用与实施例1相同的同位素检测方法检测各水样中δ13C(‰)稳定同位素丰度值；
(2)根据如下公式(1)计算相邻采样点之间的差值
△P n＝|(an-an+1)/an|×100％ 公式(1)，
其中△Pn为采样点n至n+1河段处的污染物输入概率；取起始点水样的同位素丰度值为a1，则其下游相邻采样点水样的稳定同位素丰度值为a2、a3、a4、a5、a6；
△P1＝|(a1-a2)/a1|，△P2＝|(a2-a3)/a2|…以此类推；上述
其中，本实施例中沿河段采样点的布设情况如图1所示，各采样点δ13C(‰)检测结果及相邻采样点的差值(取绝对值)如下表4、5所示。
表4各采样点δ13C(‰)检测结果
表5各河段的污染物输入概率
(3)比较各△P大小，△P较大值对应的河段即为污染物入河发生段。
由于△P3＞△P5＞△P4＞△P2＞△P1，所以，可以得出：△P3处即采样点3和4之间的河段为污染物入河发生段。
以上仅为本发明的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些均属于本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种污染物入河发生河段识别方法，其包括如下步骤：
(1)采样点布设及样品数据收集
在目标河段的起始点、终点以及起始点和终点之间布设采样点，从起始点到终点，采样点分别命名为1至n，在各采样点取水样，检测各水样的稳定同位素丰度值；
(2)根据如下公式(1)计算相邻采样点之间的差值
△P n＝|(an-an+1)/an|×100％ 公式(1)，
其中△P为采样点n至n+1河段处的污染物输入概率；an为采样点n处水样的稳定同位素丰度值。
(3)比较各△P大小，△P较大值对应的河段即为污染物入河发生段。
2.根据权利要求1所述的方法，所述河段起始点和终点之间含有河流交叉口，步骤(1)的操作为：
在目标河段的起始点、终点、交叉口以及起始点与交叉口、交叉口与终点之间布设采样点，在各采样点取河水样品，检测各水样的稳定同位素丰度值。
3.根据权利要求1所述的方法，若目标河段符合以下条件：
a.水流方向恒定；
b.目标河段地势变化平稳、无交叉口、无断流；
则步骤(1)采样点布设时采样点等距离布设，且相邻两采样点之间的距离满足：L＝TV，且1h＜T≤4h；其中，L为相邻两点采样点之间的距离，单位为km；V为河流流速，单位为km/h；T为流动时间，单位为h。
4.根据权利要求1所述的方法，步骤(1)中在各采样点取河水样品时，需满足以下条件：
所有采样点同步采样；每个采样点采样次数10-50次，每个采样点采样所需总时长不超过一天且保证所有样品采集过程中气象状况无大幅变化。
5.根据权利要求1所述的方法，所述稳定同位素为碳、氮、硫、氢或氧。
6.根据权利要求1所述的方法，步骤(1)中，若经过考察，发现河段存在断流，则以断流处河流断面作为新的起始点，对断面上下游分别按步骤(1)至(3)找出污染物入河发生河段，然后结合实地考察，确定污染物入河发生河段。
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