CN111896709A - 一种检测水库水体污染的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种检测水库水体污染的方法，包括步骤：S100、对所述水库水体中的总污染物垂降速度Vr进行检测；S200、通过化验分析得出所述总污染物所含的污染元素；S300、根据所述总污染物的垂降速度Vr和其所含的污染元素，对水体的污染程度进行分级。本发明具有能无需对水库水质进行大量的数据收集，就可实现对水库水质的检测，同时还能够广泛应用于各种自然地理特征的区域，具有较强的工作适应性等优点。
Description
技术领域
本发明涉及水污染检测技术领域，特别涉及一种检测水库水体污染的方法。
背景技术
目前我国共有水库98002座。其中已建水库97246座，总库容8104.10亿m3；在建水库756座，总库容1219.02亿m3。水库已成为地表水资源的重要载体，全国水库型地表水水源地共4386处，占地表水水源地总数量的37.6％。可见水库的水质状况不仅直接影响水环境和水生态质量的优劣，更直接影响人民群众饮水用水安全。
水库在接纳其上游流域径流和泥沙的同时，也成为径流和泥沙污染物的受纳体。在流域水污染模拟中，污染物自河流进入水库过程中的运移扩散是其环境行为的重要构成部分，明确水库水体污染物变化与其上游河流污染物之间响应关系，对于模拟水体污染物运移扩散至关重要。对于这一模块，就建模方法而言，目前国内外采用机理模型较多，其涉及变量繁多，物理化学过程复杂，常用到多个模块耦合，需要大量的观测数据，以输入水质变量和率定模型参数。我国水库数量众多，其自然地理和工程建设特征差异显著，机理模型的广泛应用受到较大限制。
发明内容
本发明的目的是提供简便易行的一种检测水库水体污染的方法，无需对水库水质进行大量的数据收集，就可实现对水库水质的检测，同时还能够广泛应用于各种自然地理特征的区域，具有较强的工作适应性。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：
一种检测水库水体污染的方法，包括步骤：
S100、对所述水库水体中的总污染物垂降速度Vr进行检测；
S200、通过化验分析得出所述总污染物所含的污染元素；
S300、根据所述总污染物的垂降速度Vr和其所含的污染元素，对水体的污染程度进行分级。
较优地，Vr＝100×Mepd/(CO×A×t)；
其中：A为所述水库的水面面积；CO为监测初始时刻所述水体中所述总污染物平均浓度；t为监测的时长；Mdep为t时段内所述总污染物减少量。
较优地，Mdep＝Min+QO×CO－Qt×Ct－Qout×Cout；
其中:Min为监测时段从外部进入所述水库的污染物的总量；QO和CO分别为测试开始时所述水库的蓄水量和污染物的平均浓度；Qt和Ct分别为测试结束时所述水库的蓄水量和污染物的平均浓度；Qout和Cout分别为测试过程中所述水库的蓄水量和污染物的平均浓度。
较优地，Min中包括通过降雨进入所述水库中的污染物的总量M1，M1＝监测时段内的降雨量Pr×所述水库的水面面积A×监测时段内降雨中的污染物的浓度。
较优地，Min中包括通过固定地点流入所述水库水体中的水所含污染物的总量M2，M2＝监测时段内所述固定地点流入所述水库中水的总量×监测时段内所述固定地点流入所述水库的水中污染物的浓度。
较优地，Min中包括通过周边集水区流入所述水库水体中的污染物的总量M3，M3＝(L0+Lr)×Kp；
其中：L0为监测初始时刻所述周边集水区的土壤表层1厘米深度的污染物含量，Lr为监测时段内通过降雨带到周边集水区污染物的量，Kp为污染物的扩散系数；
Lr＝监测时段内的降雨量Pr×所述周边集水的面积×监测时段内降雨中的污染物的浓度。
较优地，Kp＝a×(Q×P30)+b；
其中，Q为监测时段内的降雨在所述周边集水区形成地表径流深度，P30为监测时段内最大30分钟降雨量，a和b为线性方程参数。
较优地，Q＝(Pr-λ×S)2/(Pr+(1-λ)×S)；
其中，Pr为监测时段内的降雨量，S为所述周边集水区的潜在蓄水能力，λ为出损率，并且λ＝0.2；
S＝25400/CNt-254；
其中CNt为监测时段内的降雨产流径流曲线数。
较优地，CNt＝CN0×a×(PX/Pr)b；
其中CN0为多年的平均降雨产流径流曲线数，PX为监测时段内最大X分钟降雨量。
较优地，还包括步骤S400对所述水库中外源污染物的垂直运动速度Ve进行检测，以判断所述水库水体的自清洁能力。
较优地，Ve＝Vr－Vi；
Vi为所述水库中的内源污染物的垂直运动速度。
较优地，采集水库底泥和上覆水样本放入圆柱形容器内，并对所述上覆水进行扰动，分析所述底泥中污染物向所述上覆水释放的状况获得Vi数值；
其中Vi＝2.4×Mi/(Ci0×As×t1)；
其中Mi为所述底泥向上覆水中释放污染物的量，Ci0为所述上覆水在扰动初始时污染物的浓度，As所述圆柱形容器的底面积，t1为扰动时间。
较优地，Mi＝(Qt1×Ct1－Q01×C01)/1000；
其中Qt1和Ct1分别为扰动结束时，所述圆柱形容器内的水量和所述上覆水中污染物的浓度，Q01和C01分别为扰动开始时，所述圆柱形容器内的水量和所述上覆水中污染物的浓度。
本发明的检测水库水体污染的方法通过采用对所述水库水体中的总污染物垂降速度Vr进行检测，同时根据所述总污染物的垂降速度Vr和其所含的污染元素，对水体的污染程度进行分级的技术方案，无需对水库水质进行大量的数据收集，就可实现对水库水质的检测，同时还能够广泛应用于各种自然地理特征的区域，具有较强的工作适应性。
附图说明
图1为实施例一的检测水库水体污染的方法流程图；
图2为实施例二中的小型水库水体污染物垂向运移速度与污染物初始浓度的关系图；
图3为实施例二中的小型水库TP垂向运移速度与水体叶绿素a浓度关系。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例对本发明的检测水库水体污染的方法进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例一
如图1所示，一种检测水库水体污染的方法，包括步骤：
S100、对水库水体中的总污染物垂降速度Vr进行检测；
S200、通过化验分析得出总污染物所含的污染元素；
S300、根据总污染物的垂降速度Vr和其所含的污染元素，对水体的污染程度进行分级。
通过采用对总污染物的垂降速度Vr的检测来达到对水库水体污染程度进行监测的方法，不需要对水库水质进行大量的数据收集，同时还能够广泛应用于各种自然地理特征的区域，具有较强的工作适应性。
在步骤S100中，Vr的的检测可以通过公式Vr＝100×Mepd/(CO×A×t)计算得出，其中：A为水库的水面面积；CO为监测初始时刻水体中总污染物平均浓度；t为监测的时长；Mdep为t时段内总污染物减少量。由于水库的水面面积A的具体值可通过对水库进行测量获得，监测初始时刻水体中总污染物平均浓度CO的数值可通过对水体取样化验获得，因此只需要对Mdep的值进行计算。
进一步地，Mdep数值可通过公式Mdep＝Min+QO×CO－Qt×Ct－Qout×Cout获得，其中:Min为监测时段从外部进入水库的污染物的总量；QO和CO为测试开始时水库的蓄水量和污染物的平均浓度；Qt和Ct为测试结束时水库的蓄水量和污染物的平均浓度；Qout和Cout为测试过程中水库的蓄水量和污染物的平均浓度。在这个计算公式中由于QO、CO、Qt、Ct、Qout和Cout的具体数值均可以在检测过程中，通过测量和化验获得，因此需要计算出Mdep只需要获得Min的具体数值即可。
实际上外部污染物进入水库的水体中主要是三个渠道，第一是通过降雨直接进入库，第二是通过固定地点(例如河流、工业废水的排放等)流入水库，第三是降雨在周边集水区形成坡面径流进入水库。因此Min中应包括通过降雨进入水库中的污染物的总量M1、通过固定地点流入水库水体中的水所含污染物的总量M2和通过周边集水区流入水库水体中的污染物的总量M3。当分别测算出M1、M2和M3的具体数值，并将三者相加就能够获得Min的具体数值。
以下分别对M1、M2和M3的具体计算方式进行说明：
(1)、对M1的数值进行计算，M1＝监测时段内的降雨量Pr×水库的水面面积A×监测时段内降雨中的污染物的浓度。其中，Pr数值的获得并非是本发明的发明点，而是一种现有技术，本发明只是利用这一现有技术，并不意图对该数值的获得方法进行改进，因此此处对Pr数值的获得的方法不再详述，而监测时段内降雨中的污染物的浓度可以通过对雨水进行取样化验获得。
(2)、对M2的数值进行计算，M2＝监测时段内固定地点流入水库中水的总量×监测时段内固定地点流入水库的水中污染物的浓度。其中固定地点流入水库中水的总量，可以将水的流速(可以通过测量获得)、水的有效流通截(可通过测量获得)面面积和流通时间(可通过计时记录)第三者相乘获得，固定地点流入水库的水中污染物的浓度可以通过采样化验获得。
(3)、对M3的数值进行计算，M3＝(L0+Lr)×Kp。其中：L0为监测初始时刻周边集水区的土壤表层1厘米深度的污染物含量，Lr为监测时段内通过降雨带到周边集水区污染物的量，Kp为污染物的扩散系数。L0的具体数值可以通过对周边集水区的土壤进行采样化验获得，Lr的数值获得的原理与M1的数值获得的原理相同，即Lr＝监测时段内的降雨量Pr×周边集水区的面积×监测时段内降雨中的污染物的浓度，其中周边集水区的面积可通过测量直接获得。
具体地，对污染物的扩散系数Kp的计算可以通过公式Kp＝a×(Q×P30)+b开完成。其中，Q为监测时段内的降雨在周边集水区形成地表径流深度，P30为监测时段内最大30分钟降雨量，a和b为线性方程参数。其中P30数值的获得方法在前面已经说过为现有技术，线性方程参数a和b的取值在后面结合其他参数共同描述。
Q具体数值可通过公式Q＝(Pr-λ×S)2/(Pr+(1-λ)×S)计算得出，其中，Pr为监测时段内的降雨量，S为周边集水区的潜在蓄水能力，λ为出损率，并且λ＝0.2。需要说明的是对于渗透性较好的土壤，λ的取值范围为0.01≤λ≤0.05。
S的具体数值可通过公式S＝25400/CNt-254计算得出，其中CNt为监测时段内的降雨产流径流曲线数，并且，CNt＝CN0×a×(PX/Pr)b，其中CN0为多年的平均降雨产流径流曲线数，PX为监测时段内最大X分钟降雨量。
由于我国在各地区已经建立了相应的参数体系，本实施例中列举东北地区的参数列表(表1)和北京地区的参数列表(表2)，其中CN0、a和b可直接在相应地区的参数表中直接查询获得。
表1东北黑土区的改进径流曲线数模型参数取值表(λ＝0.20，X＝10)
表2北京地区的改进径流曲线数模型参数取值表(λ＝0.01，X＝5)
在得到总污染物的垂降速度Vr的具体数值后，执行步骤S200、通过化验分析得出总污染物所含的污染元素，例如TP、Fe、Mn、Zn、Ba、As等。
在知道了污染物中所包含的具体的污染元素后执行步骤S300、根据总污染物的垂降速度Vr和其所含的污染元素，对水体的污染程度进行分级。具体可以根据表3对照得出。
表3水库水体污染物垂向运移速度分级 单位：cm/d
作为一种可实施方式如图1所示，还包括步骤S400对水库中外源污染物的垂直运动速度Ve进行检测，以判断水库水体的自清洁能力。
在步骤S400中Ve数值可通过公式Ve＝Vr－Vi计算获得，其中Vi为水库中的内源污染物的垂直运动速度。
本实施例中Vi的数值的具体获得办法为，采集水库底泥和上覆水样本放入圆柱形容器内，并对上覆水进行扰动，分析底泥中污染物向上覆水释放的状况获得Vi数值。
具体地，Vi＝2.4×Mi/(Ci0×As×t1)，其中Mi为底泥向上覆水中释放污染物的量，Ci0为上覆水在扰动初始时污染物的浓度，As圆柱形容器的底面积，t1为扰动时间。进一步地，Mi＝(Qt1×Ct1－Q01×C01)/1000。其中Qt1和Ct1分别为扰动结束时，圆柱形容器内的水量和上覆水中污染物的浓度，Q01和C01分别为扰动开始时，圆柱形容器内的水量和上覆水中污染物的浓度。
在具体操作时，可以将采集的底泥和上覆水先后置于内径为60cm圆柱体容器内，采用恒速搅拌器对底泥进行持续搅拌，转速为60r/min，使底泥发生悬浮。从搅拌结束的瞬间开始，于第0、1、2、3、6、12、24、72、120、168和240h分别采集上覆水样(图2)，分析水体中污染物含量。对应不同的时间点能够得出不同的Mi的数值，可以通过对各个时间点所对应的Mi的数值进行平均最后获得比较精确的Mi的数值。
实施例二
为了检验本发明的检测水库水体污染的方法的可靠性发明人在北京山区利用密云石匣小流域6个坡面径流小区(表4)的非点源污染监测资料，建立了坡面污染物负荷计算模型，以计算由水库周边集水区进入水库水体的污染物总量；选择了4个不同规模的典型水库(表5)，通过非点源污染监测获得由入库河流和大气降水进入水库水体的污染物总量；利用质量守恒原理，计算某一时段内，通过水库底部水土界面损失的污染物总量，进而获得水库水体污染物垂向运移速度Vr。同时，采集水库的水体和底泥样品，通过室内模拟实验，计算内源污染物释放对应的垂向运移速度Vi。进而由Vr和Vi之差，计算外源污染物运移沉降对应的垂向运移速度Ve。各典型水库水体污染物Vr、Vi和Ve见表6。
表4密云石匣非点源污染监测坡面径流小区基本情况
表5监测期内典型水库水文特征
表6北京山区典型水库水体污染物垂向运移速度分级 单位：cm/d
在上述工作基础上，揭示了影响水库水体污染物垂向运移速度的主要因素，提出了利用主要影响因素计算水体污染物垂向运移速度的模型。北京山区中型水库Vr除受水库水体污染物初始浓度C0和总蓄水量变化的共同影响。采用模拟时段结束时和初始时水库总蓄水量的比值(Qt/Q0)表征这一变化，对于Fe提出了利用C0和(Qt/Q0)计算Vr的双变量方程：Vr(Fe)＝0.248C0(Fe)+7.34(Qt/Q0)–769，r2＝0.58，经实验证明相关系数的显著水平P<0.05
对于Zn提出了利用C0计算Vr的单变量方程：
Vr(Zn)＝2.18C0(Zn)–50.5，r2＝0.63，经实验证明相关系数的显著水平P<0.01；
式中，Vr(Fe)和Vr(Zn)分别为水体中Fe和Zn的垂向运移速度，C0单位均为μg/L；(Qt/Q0)的比值按％计。
对于小型水库，参见图2，其水体TP、Fe和Zn的Vr可利用C0计算：
Vr(TP)＝134.6C0(TP)–5.55，r2＝0.22，经实验证明相关系数的显著水平P<0.05；
Vr(Fe)＝79.8C0(Fe)–7.48，r2＝0.40，经实验证明相关系数的显著水平P<0.01；
Vr(Zn)＝8.56In[C0(Zn)]+37.15，r2＝0.48，经实验证明相关系数的显著水平P<0.01；
其中，Vr(TP)、Vr(Fe)和Vr(Zn)分别为水体中TP、Fe和Zn的垂向运移速度，C0单位均为mg/L。
另外，Vr(TP)还受到叶绿素a浓度的影响，参照图3，对于小型水库，两者呈极显著对数函数递增关系,其中Vr(TP)＝5.62In(chl-α)–16.68，r2＝0.64，P<0.01；
其中，chl-α为水体表层叶绿素a浓度(mg/m3)。水库水体表层浮游藻类可以吸收水体中总磷，增加水体自净能力；但如果水体中浮游植物数量过多，则会污染水体，使其自净能力显著降低，对总磷的吸收也明显减弱。
将北京山区各水库內源污染物释放模拟实验计算获得的Vins值放在一起，拟合利用沉降时间t计算Vins的幂函数方程，其中Vins为內源污染物释放速率，并且Vins＝Mi/(Ci0×As×t1)，结合实施例一中的步骤S400中的计算公式，能够获得内源污染物释放对应的垂向运移速度Vi。
同时，Vins＝m·tn，其中，不同类型污染物对应的m，n值，以及拟合方程决定系数r2如表7所示。经实验证明各方程相关系数的显著水平P均小于0.01。
表7利用沉降时间计算水库水体内源污染物释放速度的方程参数取值
由于相关系数的显著水平P值越小是说明检验结果越精确，因此本实施例能够证明本发明的检测水库水体污染的方法的精确性和可靠性。
以上实施例使本发明不仅可计算在某一时段内，分别进入水库水体和底部沉积物中的污染物总量，明确污染物自河道至水库的迁移过程及其在水库中运移特征，可为水质模拟提供重要的技术支持。而且能够可定量分析外源污染物和内源污染物运移变化，可计算外源污染物进入水库后，经过沉降和生物吸收，仍存留在水体中的量，以及通过底泥扰动，释放进入水体污染物的内源污染物的量，同时还具有计算过程简单，工作适应性强优点。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，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，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种检测水库水体污染的方法，其特征在于：
包括步骤：
S100、对所述水库水体中的总污染物垂降速度Vr进行检测；
S200、通过化验分析得出所述总污染物所含的污染元素；
S300、根据所述总污染物的垂降速度Vr和其所含的污染元素，对水体的污染程度进行分级。
2.根据权利要求1所述的检测水库水体污染的方法，其特征在于：
Vr＝100×Mepd/(CO×A×t)；
其中：A为所述水库的水面面积；CO为监测初始时刻所述水体中所述总污染物平均浓度；t为监测的时长；Mdep为t时段内所述总污染物减少量。
3.根据权利要求2所述的检测水库水体污染的方法，其特征在于：
Mdep＝Min+QO×CO－Qt×Ct－Qout×Cout；
其中:Min为监测时段从外部进入所述水库的污染物的总量；QO和CO分别为测试开始时所述水库的蓄水量和污染物的平均浓度；Qt和Ct分别为测试结束时所述水库的蓄水量和污染物的平均浓度；Qout和Cout分别为测试过程中所述水库的蓄水量和污染物的平均浓度。
4.根据权利要求3所述的检测水库水体污染的方法，其特征在于：
Min中包括：通过降雨进入所述水库中的污染物的总量M1、通过固定地点流入所述水库水体中的水所含污染物的总量M2和通过周边集水区流入所述水库水体中的污染物的总量M3；
其中，M1＝监测时段内的降雨量Pr×所述水库的水面面积A×监测时段内降雨中的污染物的浓度；
M2＝监测时段内所述固定地点流入所述水库中水的总量×监测时段内所述固定地点流入所述水库的水中污染物的浓度；
M3＝(L0+Lr)×Kp；
其中：L0为监测初始时刻所述周边集水区的土壤表层1厘米深度的污染物含量，Lr为监测时段内通过降雨带到周边集水区污染物的量，Kp为污染物的扩散系数；
Lr＝监测时段内的降雨量Pr×所述周边集水的面积×监测时段内降雨中的污染物的浓度。
5.根据权利要求4所述的检测水库水体污染的方法，其特征在于：
Kp＝a×(Q×P30)+b；
其中，Q为监测时段内的降雨在所述周边集水区形成地表径流深度，P30为监测时段内最大30分钟降雨量，a和b为线性方程参数；
Q＝(Pr-λ×S)2/(Pr+(1-λ)×S)；
其中，Pr为监测时段内的降雨量，S为所述周边集水区的潜在蓄水能力，λ为出损率，并且λ＝0.2；
S＝25400/CNt-254；
其中CNt为监测时段内的降雨产流径流曲线数。
6.根据权利要求5所述的检测水库水体污染的方法，其特征在于：
CNt＝CN0×a×(PX/Pr)b；
其中CN0为多年的平均降雨产流径流曲线数，PX为监测时段内最大X分钟降雨量。
7.根据权利要求1至6任意一项所述的检测水库水体污染的方法，其特征在于：
还包括步骤S400对所述水库中外源污染物的垂直运动速度Ve进行检测，以判断所述水库水体的自清洁能力。
8.根据权利要求7所述的检测水库水体污染的方法，其特征在于：
Ve＝Vr－Vi；
Vi为所述水库中的内源污染物的垂直运动速度。
9.根据权利要求8所述的检测水库水体污染的方法，其特征在于：
采集水库底泥和上覆水样本放入圆柱形容器内，并对所述上覆水进行扰动，分析所述底泥中污染物向所述上覆水释放的状况获得Vi数值；
其中Vi＝2.4×Mi/(Ci0×As×t1)；
其中Mi为所述底泥向上覆水中释放污染物的量，Ci0为所述上覆水在扰动初始时污染物的浓度，As所述圆柱形容器的底面积，t1为扰动时间。
10.根据权利要求9所述的检测水库水体污染的方法，其特征在于：
Mi＝(Qt1×Ct1－Q01×C01)/1000；
其中Qt1和Ct1分别为扰动结束时，所述圆柱形容器内的水量和所述上覆水中污染物的浓度，Q01和C01分别为扰动开始时，所述圆柱形容器内的水量和所述上覆水中污染物的浓度。
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