CN109885932B - 一种基于水质模型的河流中重金属铅的入海通量表征方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于水质模型对河流中重金属铅入海通量进行的表征方法，具体包括五个步骤：S1收集调查基础数据，包括河流的水文条件、金属铅在入海河流中的存在形态以及各种形态的铅的含量，河流悬浮物属性；S2根据调查的数据，构建四种悬浮态铅与总悬浮物之间的相关性模型；S3基于对流扩散模型，构建河流水溶态铅入海浓度模拟模型；S4基于定量回归模型和水质模型，构建河流四种悬浮态铅入海浓度模拟模型；S5将五种形态的铅入海通量进行求和，表征金属铅在某时段的入海通量；为区域金属铅管理及有限的环境资源的合理配置提供科学合理的参考数据和建议，为拟定具有针对性的区域金属水污染防控方案提供了参考。

Description

一种基于水质模型的河流中重金属铅的入海通量表征方法

技术领域

本发明涉及水污染控制与管理技术领域，具体涉及一种基于水质模型的河流中重金属铅的入海通量表征方法。

背景技术

沿海地区是陆地和海洋的过渡带，陆源污染物入海问题是沿海地区发展关注的热点，重金属铅的入海通量是铅经过河网、河口区间的各种地球化学过程后的综合表现。河流污染物入海通量通常以年为时段进行估算，与断面瞬时通量相比，估算时段通量相对较为困难，时段的跨度越大，时段通量的波动变化规律就越复杂。

现有文献中已有对珠江、海河、鸭绿江等河流的重金属入海通量的探索，均为在人工实测流量和金属浓度后，采用插值法进行估算。用有限的瞬时实测数据(通常为每月一次或每月两次)对通量进行分析，估算出来的污染物年通量与实际值往往相差悬殊，误差主要来源于测流、水质采样、水质分析等过程以及采样频率不够、断面离散采样的代表性不强等。

由于目前还没有非常成熟的针对重金属的野外自动监测或现场快速检测的技术与设备，金属构成以及形态分布相关数据只能通过室内实验的方法获取，实验过程复杂、耗时长，很难实现每天多次的人工监测，而采用有限的人工采样测流数据估算金属的入海通量，难以全面反映其通过河流入海的时空变化特征。水质模型以数学语言描述水环境中污染物的混合、扩散、迁移、降解、转化过程，是解释和预测污染物在水中作用过程的有效工具，通过水质模型的模拟，可获取长时间尺度的、时间精度高的、大量同步的流量、污染物浓度数据，进而计算出长时间尺度的污染物入海通量，弥补通量计算中单纯人工观测估算的不足。然而，由于金属的迁移转化过程的复杂性，目前并没有得到验证并广泛应用的专门的金属迁移转化模型，如何应用数学语言描述潮汐河网区重金属入海的迁移转化过程一直是金属模拟的一大瓶颈。

发明内容

针对上述存在的技术问题，本发明提供了一种基于水质模型的表征入海河流金属铅的入海时段通量的方法，用于表征入海河流中铅的入海时段通量，从而揭示河流中铅的入海通量的特征(铅的时段通量总量、入海浓度、形态构成)。

本发明的技术方案为：一种基于水质模型的河流中重金属铅的入海通量表征方法，包括以下步骤：

S1、基础数据的收集与测定；

所述基础数据包括河流的水文条件数据、金属铅在入海河流中的存在形态以及各种形态的铅的含量、河流悬浮物属性；所述水文条件数据包括河流主要断面的流向、流速、流量；所述金属铅在入海河流中的存在形态包括水溶解态铅和悬浮态铅，所述悬浮态铅包括酸溶态铅、可还原态铅、可氧化态铅和残渣态铅；所述河流悬浮物属性包括总悬浮物的浓度和悬浮物的粒径分布；

S2、构建悬浮态铅与总悬浮物之间的相关性模型；

分析统计酸溶态铅、可还原态铅、可氧化态铅和残渣态铅浓度与总悬浮物之间的关系，建立酸溶态铅、可还原态铅、可氧化态铅和残渣态铅浓度与总悬浮物之间的定量线性回归模型，给出酸溶态铅、可还原态铅、可氧化态铅和残渣态铅浓度与总悬浮浓度之间的定量关系式。

S3、构建河流水溶态铅入海浓度模拟模型：

S4、构建河流悬浮态铅入海浓度模拟模型；

S5、河流金属铅的时段入海通量的表征。

进一步地，步骤S1中，监测金属铅在入海河流中的存在形态以及各种形态的铅的含量时，监测点主要设置于上游来水边界、饮用水取水口、河流跨地级市边界等较为敏感的区域，一个断面一般只取一个水样，若河宽大于50米，可适当增加每个断面的水样数。

进一步地，步骤S1中总悬浮物浓度采用国标过滤法测定，悬浮物的粒径分布采用激光粒度分析仪测定。

进一步地，步骤S3的具体方法为：应用一维对流扩散模型描述水溶解态金属的入海过程；根据质量守恒定律，一维对流扩散模型的基本公式为：

式中：

C-模拟预测的铅浓度；

D-金属铅在水中的分散系数；

u-河流流速；

k-铅的综合衰减速率常数：

求解该方程得出：

式中：

C_i,t-第i个河段第t时刻的铅浓度；

D_t-为铅在t的分散系数；

u_i,t-为第i个河段第t时刻的流速；

k_t-为铅在t的综合衰减速率常数；

L_i-为第i河段的长度；

Δ_t-水流进过第i个河段的时间；

运用野外实测的水文水质数据进行模型参数的率定与验证，保证该水质模型基本能反映河流中金属铅的源强-浓度的响应关系，使溶解态铅浓度的实测值与模拟值之间的误差控制在15％以内。

进一步地，步骤S4的具体方法为：首先构建河流总悬浮物模拟模型，应用一维水质模型描述水中总悬浮物的对流扩散和一级降解过程，模型方程为：

式中：

C-模拟预测的总悬浮物浓度；

E_x-总悬浮物在水中的弥散系数；

u-河流流速；

k-总悬浮物的综合衰减速率常数；

求解该方程得出：

式中：

C_i,t-第i个河段第t时刻的总悬浮物浓度；

E_t-为总悬浮物在t的分散系数；

u_i,t-为第i个河段第t时刻的流速；

k_t-为总悬浮物在t的综合衰减速率常数；

L_i-为第i河段的长度；

Δt-水流进过第i个河段的时间；

运用野外实测的水文水质数据进行模型参数的率定与验证，保证该水质模型基本能反映河流中总悬浮物的源强-浓度的响应关系，使总悬浮物浓度的实测值与模拟值之间的误差控制在15％以内；

根据悬浮态铅的四种形态与总悬浮物之间回归关系模型，结合总悬浮物浓度的模拟结果，计算分别入海河口四种形态的悬浮态铅的入海浓度。

进一步地，步骤S5的具体方法为：以时段为一年为例，根据下述公式计算金属铅的时段入海通量；

w_i＝∑(C_ijQ_ij+S1_ijQ_ij+S2_ijQ_ij+S3_ijQ_ij+S4_ijQ_ij)

式中：

W_T–铅的年入海通量；

w_i-第i天的铅入海通量；

Q_ij-第i天第j时刻的入海流量；

C_ij-第i天第j时刻水溶解态铅的浓度；

S1_ij-第i天第j时刻酸溶态铅的浓度；

S2_ij-第i天第j时刻可还原态铅的浓度；

S3_ij-第i天第j时刻可氧化态铅的浓度；

S4_ij-第i天第j时刻残渣态铅的浓度；

根据计算结果，解析河流金属入海通量特征，包括河口入海金属总量，浓度，形态构成，时间分布。

本发明的工作原理为：排入水体的金属铅大部分迅速由水相转移到悬浮物中，悬浮物在被水搬运过程中，当负荷量超过搬运能力时，部分悬浮物便逐步转变为沉积物，因此水体中的金属主要以水溶解态、悬浮态和沉积物三种形式存在；由于沉积物的迁移能力较差，沿海河网的重金属主要以溶解态和悬浮态进入河口入海，水溶解态的金属很难与其他物质发生反应，可以看做是保守污染物，应用一维对流扩散模型描述水溶解态金属的入海过程；与悬浮物结合的那部分金属的迁移过程无法用水质模型直接模拟，但是悬浮物结合铅的能力大小与悬浮物自身的特性相关，根据河流悬浮物与其吸附的悬浮态铅之间的关系，建立对应的悬浮态铅含量与悬浮物浓度之间的回归估算模型，从而通过模拟悬浮物反推出悬浮态金属的入海过程；最后对水溶解态铅入海通量和悬浮态铅入海通量进行求和，得出河流入海铅的时段通量，进而对其表征。

与现有技术相比，本发明的有益效果：通过该方法对河流金属铅的入海时段通量进行估算表征，评估，可以揭示河流中铅的入海通量的特征(铅的时段通量总量、入海浓度、形态构成)，从而为区域金属铅管理及有限的环境资源的合理配置提供科学合理的参考数据和建议，为拟定具有针对性的区域金属水污染防控方案提供参考。

附图说明

图1是本发明的程序流程框图；

图2是通吕运河河段划分以及调查端面的设置示意图；

图3是本发明的总悬浮物与四种悬浮态铅之间的回归模型；

图4是通吕运河2014-2015年金属铅入海通量。

具体实施方式

本发明提供一种基于水质模型表征河流中重金属铅入海通量的方法，是一种根据水质模型模拟结果表征入海河流中金属铅的入海通量的方法。适用于流域或某个区域的河流入海的金属铅通量的表征。该方法具体包括五个步骤：首先收集调查基础数据，包括河流的水文条件、金属铅在入海河流中的存在形态以及各种形态的铅的含量，河流悬浮物属性；根据调查的数据，构建四种悬浮态铅与总悬浮物之间的相关性模型；然后基于对流扩散模型，构建河流水溶态铅入海浓度模拟模型；接着基于定量回归模型和对流扩散模型，构建河流四种悬浮态铅入海浓度模拟模型；最后对金属铅在某时段的入海通量进行表征。

实施例：

以江苏省南通市通吕运河为例，表征河流中的金属铅的入海通量，包括以下步骤：

S1、基础数据的收集与测定；

收集与测定的基础数据包括：河流的水文条件数据、金属铅在入海河流中的存在形态以及各种形态的铅的含量，河流悬浮物属性；水文条件数据包括河流主要断面的流向、流速、流量，水文参数在野外现场测定；金属各形态包括水溶解态和悬浮态，应用石墨炉原子吸收分光光度法进行分析；水样过滤后酸化直接测定水溶解态金属；采用BCR逐级提取四种悬浮态金属：酸溶态、可还原态、可氧化态和残渣态；总悬浮物浓度采用国标过滤法测定；激光粒度分析仪测定水体中悬浮物的粒径分布；

对通吕运河八个断面(TL1-TL8)进行水文水质指标测定，具体如图2所示；监测点主要设置于上游来水边界、饮用水取水口、河流跨地级市边界等较为敏感的区域，一个断面只取一个水样；

S2、构建悬浮态铅与总悬浮物之间的相关性模型；

分析统计四种悬浮态铅浓度与总悬浮物之间的关系，建立它们之间的定量线性回归模型，如图3所示，给出了四种悬浮态铅浓度与总悬浮浓度之间的定量关系式；

S3、构建河流水溶态铅入海浓度模拟模型；

水溶解态的金属很难与其他物质发生反应，可以看做是保守污染物，应用一维对流扩散模型描述水溶解态金属的入海过程；

根据质量守恒定律，一维对流扩散模型的基本公式为：

式中：

C-模拟预测的铅浓度；

D-金属铅在水中的分散系数；

u-河流流速；

k-铅的综合衰减速率常数。

求解该方程得出：

式中：

C_i,t-第i个河段第t时刻的铅浓度；

D_t-为铅在t的分散系数；

u_i,t-为第i个河段第t时刻的流速；

k_t-为铅在t的综合衰减速率常数；

L_i-为第i河段的长度；

Δ_t-水流进过第i个河段的时间；

运用野外实测的水文水质数据进行模型参数的率定与验证，使溶解态铅浓度的实测值与模拟值之间的误差控制在15％以内，保证该水质模型基本能反映通吕运河中金属铅的源强-浓度的响应关系；

S4、构建河流悬浮态铅入海浓度模拟模型；

首先构建河流总悬浮物模拟模型，应用一维水质模型描述水中总悬浮物的对流扩散和一级降解过程，模型方程为：

式中：

C-模拟预测的总悬浮物浓度；

E_x-总悬浮物在水中的弥散系数；

u-河流流速；

k-总悬浮物的综合衰减速率常数。

求解该方程得出：

式中：

C_i,t-第i个河段第t时刻的总悬浮物浓度；

E_t-为总悬浮物在t的分散系数；

u_i,t-为第i个河段第t时刻的流速；

k_t-为总悬浮物在t的综合衰减速率常数；

L_i-为第i河段的长度；

Δ_t-水流进过第i个河段的时间；

运用野外实测的水文水质数据进行模型参数的率定与验证，使总悬浮物浓度的实测值与模拟值之间的误差控制在15％以内，保证该水质模型基本能反映河流中总悬浮物的源强-浓度的响应关系；

根据悬浮态铅的四种形态与总悬浮物之间回归关系模型，结合总悬浮物浓度的模拟结果，计算分别入海河口四种形态的悬浮态铅的入海浓度；

S5、河流金属铅的时段入海通量的表征；

根据下述公式，计算2014-2015一年时间段的通吕运河金属铅的入海通量：

w_i＝∑(C_ijQ_ij+S1_ijQ_ij+S2_ijQ_ij+S3_ijQ_ij+S4_ijQ_ij)

式中：

W_T–铅的年入海通量；

w_i-第i天的铅入海通量；；

Q_ij-第i天第j时刻的入海流量；

C_ij-第i天第j时刻水溶解态铅的浓度；

S1_ij-第i天第j时刻酸溶态铅的浓度；

S2_ij-第i天第j时刻可还原态铅的浓度；

S3_ij-第i天第j时刻可氧化态铅的浓度；

S4_ij-第i天第j时刻残渣态铅的浓度；

计算出的金属铅入海通量随时间变化的曲线如图4所示，根据计算结果，可以分析通吕运河金属铅入海通量特征，包括河口入海金属总量，浓度，形态构成，时间分布。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围。

Claims (3)

1.一种基于水质模型的河流中重金属铅的入海通量表征方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、基础数据的收集与测定；

所述基础数据包括河流的水文条件数据、金属铅在入海河流中的存在形态以及各种形态的铅的含量、河流悬浮物属性；所述水文条件数据包括河流主要断面的流向、流速、流量；所述金属铅在入海河流中的存在形态包括水溶解态铅和悬浮态铅，所述悬浮态铅包括酸溶态铅、可还原态铅、可氧化态铅和残渣态铅；所述河流悬浮物属性包括总悬浮物的浓度和悬浮物的粒径分布；

S2、构建悬浮态铅与总悬浮物之间的相关性模型；

分析统计酸溶态铅、可还原态铅、可氧化态铅和残渣态铅浓度与总悬浮物之间的关系，建立酸溶态铅、可还原态铅、可氧化态铅和残渣态铅浓度与总悬浮物之间的定量线性回归模型，给出酸溶态铅、可还原态铅、可氧化态铅和残渣态铅浓度与总悬浮浓度之间的定量关系式；

S3、构建河流水溶态铅入海浓度模拟模型；

应用一维对流扩散模型描述水溶解态金属的入海过程；根据质量守恒定律，一维对流扩散模型的基本公式为：

式中：

C-模拟预测的铅浓度；

D-金属铅在水中的分散系数；

u-河流流速；

k-铅的综合衰减速率常数：

求解该方程得出：

式中：

C_i,t-第i个河段第t时刻的铅浓度；

D_t-为铅在t的分散系数；

u_i,t-为第i个河段第t时刻的流速；

k_t-为铅在t的综合衰减速率常数；

L_i-为第i河段的长度；

Δ_t-水流进过第i个河段的时间；

S4、构建河流悬浮态铅入海浓度模拟模型；首先构建河流总悬浮物模拟模型，应用一维水质模型描述水中总悬浮物的对流扩散和一级降解过程，模型方程为：

式中：

C-模拟预测的总悬浮物浓度；

E_x-总悬浮物在水中的弥散系数；

u-河流流速；

k-总悬浮物的综合衰减速率常数；

求解该方程得出：

式中：

C_i,t-第i个河段第t时刻的总悬浮物浓度；

E_t-为总悬浮物在t的分散系数；

u_i,t-为第i个河段第t时刻的流速；

k_t-为总悬浮物在t的综合衰减速率常数；

L_i-为第i河段的长度；

Δt-水流进过第i个河段的时间；

根据悬浮态铅的四种形态与总悬浮物之间回归关系模型，结合总悬浮物浓度的模拟结果，计算分别入海河口四种形态的悬浮态铅的入海浓度；

S5、河流金属铅的时段入海通量的表征；以时段为一年为例，根据下述公式计算金属铅的时段入海通量；

w_i＝∑(C_ijQ_ij+S1_ijQ_ij+S2_ijQ_ij+S3_ijQ_ij+S4_ijQ_ij)

式中：

W_T–铅的年入海通量；

w_i-第i天的铅入海通量；

Q_ij-第i天第j时刻的入海流量；

C_ij-第i天第j时刻水溶解态铅的浓度；

S1_ij-第i天第j时刻酸溶态铅的浓度；

S2_ij-第i天第j时刻可还原态铅的浓度；

S3_ij-第i天第j时刻可氧化态铅的浓度；

S4_ij-第i天第j时刻残渣态铅的浓度；

根据计算结果，解析河流金属入海通量特征，包括河口入海金属总量，浓度，形态构成，时间分布。

2.根据权利要求1所述的一种基于水质模型的河流中重金属铅的入海通量表征方法，其特征在于，所述步骤S1中，监测金属铅在入海河流中的存在形态以及各种形态的铅的含量时，监测点主要设置于上游来水边界、饮用水取水口或河流跨地级市边界。

3.根据权利要求1所述的一种基于水质模型的河流中重金属铅的入海通量表征方法，其特征在于，所述步骤S1中总悬浮物浓度采用国标过滤法测定，悬浮物的粒径分布采用激光粒度分析仪测定。

Images