CN111965112B - 地表水高锰酸盐指数/化学需氧量背景值判定的方法及应用 - Google Patents

地表水高锰酸盐指数/化学需氧量背景值判定的方法及应用 Download PDF

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Abstract

本发明属于水质保护技术领域，本发明公开了一种地表水高锰酸盐指数/化学需氧量背景值判定的方法及应用。判定方法包括如下步骤：(1)采用卫星遥感识别流域内背景区；(2)现场踏勘背景区并确定采样监测断面；(3)对所述采样监测断面的水进行现场监测，并对水和土壤进行采样和现场监测；(4)对所述的采样得到的水样和土壤样品进行迁移化模拟；(5)对所述的水样和土壤样品进行监测分析和统计分析，得到流域背景值。本发明方法具有高效快捷和系统全面的优点。

Description

地表水高锰酸盐指数/化学需氧量背景值判定的方法及应用
技术领域
本发明涉及水质保护技术领域，具体涉及一种地表水高锰酸盐指数/化学需氧量背景值判定的方法及应用。
背景技术
本发明对于背景技术的描述属于与本发明相关的相关技术，仅仅是用于说明和便于理解本发明的发明内容，不应理解为申请人明确认为或推定申请人认为是本发明在首次提出申请的申请日的现有技术。
高锰酸盐指数/化学需氧量是我国《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)中规定的必测项目，用于反映水体中有机和无机可氧化物质污染。其定义为：在一定条件下，用高锰酸钾/重铬酸钾氧化水样中的某些有机物及无机还原性物质，由消耗的高锰酸钾/重铬酸钾量计算相当的氧量。
土壤由各种颗粒状岩石风化而成的矿物质、动植物，微生物残体腐解产生的有机质、土壤生物(固相物质)以及水分(液相物质)、空气(气相物质)，氧化的腐殖质等组成。受到降水淋洗冲刷后，土壤中部分天然物质随地表径流、地下渗流进入河流、湖泊等水体，这一自然过程可对水体高锰酸盐指数/化学需氧量2项水质指标产生影响，形成本底值(也称背景值)，但又区别于人类活动排放的污染负荷(如生活污水、工业污水、农业污水等)，在污染防治实践中无法也没有必要对其进行控制、削减，因此需要一定的技术方法予以识别判断。
随着环境环境管理工作科学性不断提高，受环境本底影响的考核断面受到生态环境部及各级环境管理部门的关注。2019年12月，生态环境部办公厅印发《地表水和地下水环境本底判定技术规定(暂行)》(以下简称“技术规定”)，并给出环境本底判定要求及方法。具体可概括为：(1)不受人类社会活动或受人类活动影响较小区域的河流(段)、湖泊和地下水；(2)地表水环境本底主要针对受到自然地理和地质条件影响较大的水体；(3)水体周边无影响环境本底的人为污染源汇入；(4)在环境本底判定时，如果拟确定为环境本底的水体、监测项目和时段，需要证明超过判定标准限值的监测项目仅受自然地理条件和地质条件影响而非受人类社会活动影响(或影响较小)。
“技术规定”中虽然给出了基本的规则，但在具体操作时仍然缺乏一套高效、实用的方法。
发明内容
本发明实施例的目的是提供一种地表水高锰酸盐指数/化学需氧量背景值判定的方法及应用，本发明方法具有高效快捷和系统全面的优点。
本发明的目的是通过如下技术方案实现的：
本发明提供了一种地表水高锰酸盐指数/化学需氧量背景值判定的方法，所述的判定方法采用卫星遥感与迁移转化模拟装置完成，包括如下步骤：
(1)采用卫星遥感识别流域内背景区；
(2)现场踏勘背景区并确定采样监测断面；
(3)对所述采样监测断面的水进行现场监测，并对水和土壤进行采样和现场监测；
(4)对所述的采样得到的水样和土壤样品进行迁移化模拟；
(5)对所述的水样和土壤样品进行监测分析和统计分析，得到流域背景值。
进一步的，所述的步骤(1)具体包括如下步骤：
运用卫星遥感影像解译，识别流域生态系统类型、土地利用状况，利用土地利用类型判定确定流域内背景区，为后期选择河段设置监测断面开展背景调查提供依据；
所述的利用土地利用类型判定的标准包括：
汇水区旱地<20％、水田<3％，并且与滨岸带不连通；
汇水区城镇用地<1％，并且与滨岸带不连通；
汇水区天然土地利用覆盖>80％。
进一步的，所述的步骤(2)具体包括如下步骤：
基于卫星遥感识别的背景区河段开展现场踏勘，现场确认并排除人类活动影响，所述的排除人类活动影响为无污水排放口、无放牧活动、滨岸带无人为改造，确定采样监测断面。
进一步的，所述的现场监测包括溶解氧、pH、温度、电导率的监测。
进一步的，所述的步骤(4)具体包括如下步骤：
a.通过流动模拟测定背景区水体自然来源的有机质经输移后对下游监测断面的影响；
b.采用土壤淋洗-循环模拟装置对土壤进行淋洗-循环模拟实验，获得土壤经降雨淋洗、冲刷后，其中的有机质可被携带至河流水体中，并可长距离输移至下游，对监测断面造成影响；
监测指标包括：高锰酸盐指数、化学需氧量、五日生化需氧量、氨氮、总氮。
进一步的，高锰酸盐指数中位值即为所述的流域背景值。
进一步的，步骤a包括如下步骤：
测定水样的监测指标；
将水样添加至环形河道模拟装置中，开启河道模拟装置中的循环潜水泵，进行地表水流动模拟，流速控制参照河流实际流速循环模拟时长按照式1算：
Figure GDA0002728937710000031
式中，T为模拟实验时长，单位h；Li为水样采样点i至下游国控断面(国家生态环境管理部门实施水质考核的监测断面)的距离,单位km,i＝1,2…,11；
v为流速,单位km/h；
流动模拟达到设定时间后，对水样中高锰酸盐指数进行监测；
获得流动模拟前后的变化情况，即可获得背景区水体中自然来源有机质经长距离输移后，对下游国控断面(国家生态环境管理部门实施水质考核的监测断面)的高锰酸盐指数的影响。
进一步的，所述的土壤天然成分淋洗-迁移转化模拟装置，包括土壤填装模块、喷淋模块和淋洗液循环模拟模块，所述土壤填装模块包括土壤填装槽，所述土壤填装槽的槽壁上开设有透水孔，所述透水孔处遮盖有水土分离滤膜，所述喷淋模块用于向土壤填装槽内喷水，所述淋洗液循环模拟模块包括设于土壤填装槽外围的循环水槽，所述循环水槽内设有循环潜水泵、温度控制单元和测量仪器扩展坞。
进一步的，步骤b具体包括如下步骤：
将水土分离滤膜安装至装置中，将现场采集的土壤样品填装至装置土壤填装槽；
使用喷淋模块对土壤填装槽中土壤进行降雨模拟淋洗，降雨强度及降雨时长可根据需求设定，并通过流量计及阀门进行调节控制；
模拟降雨结束后，通过循环水槽排水阀门进行淋洗液采样，监测淋洗液中各项拟监测的水质指标；
开启循环潜水泵，进行地表水流动模拟，流动模拟达到实验设定时间后，通过循环水槽排水阀门进行淋洗液采样，监测淋洗液高锰酸盐指数；
将模拟降雨结束后的淋洗液和流动模拟后的淋洗液进行高锰酸盐指数进行对比，获得土壤中各项天然物质受降水冲刷作用下对水质的影响，以及淋洗液在河流水体向下游输移时对下游水质监测断面的影响。
另一方面，本发明提供了一种地表水高锰酸盐指数/化学需氧量背景值判定的方法的应用，将上述的判定方法应用到待测流域的背景值判定中。
本发明实施例具有如下有益效果：
高效快捷：在流域范围内筛选有代表性的监测断面需要大量的人力物力。本方法利用卫星遥感调查具有视点高、视域广、数据采集快和重复、连续观察的特点，对流域土地利用进行解译，以土地利用情况作为筛选指标，对背景区进行快速筛选，在此基础上再开展现场踏勘，大大提高了背景值断面筛选的效率和准确性。
系统全面：利用自制的模拟装置开展水样流动模拟实验、土壤淋洗-流动模拟实验，用以模拟背景区输入的高锰酸盐指数负荷在水体中的迁移转化，验证其能够长时间、长距离向下游输移，并对下游监测断面造成影响。
附图说明
图1为本发明地表水高锰酸盐指数/化学需氧量背景值判定的方法和应用中土壤天然成分淋洗-迁移转化模拟装置的主视图；
图2为本发明地表水高锰酸盐指数/化学需氧量背景值判定的方法和应用中土壤天然成分淋洗-迁移转化模拟装置的俯视图；
图3为沿图2中A-A线的剖视图。
图4本发明地表水高锰酸盐指数/化学需氧量背景值判定的方法和应用中黑龙江流域(黑河市境内)土地利用及污染源、监测断面分布图；
图5本发明地表水高锰酸盐指数/化学需氧量背景值判定的方法和应用中黑龙江流域(黑河市境内)背景区卫星遥感识别结果；
图6本发明地表水高锰酸盐指数/化学需氧量背景值判定的方法和应用中现场踏勘查验满足标准的示例图；
图7本发明地表水高锰酸盐指数/化学需氧量背景值判定的方法和应用中现场踏勘查验满足标准的示例图；
图8本发明地表水高锰酸盐指数/化学需氧量背景值判定的方法和应用中现场踏勘查验满足标准的示例图；
图9本发明地表水高锰酸盐指数/化学需氧量背景值判定的方法和应用中现场踏勘查验满足标准的示例图；
图10本发明地表水高锰酸盐指数/化学需氧量背景值判定的方法和应用中现场踏勘查验不满足标准的示例图；
图11本发明地表水高锰酸盐指数/化学需氧量背景值判定的方法和应用中流动模拟装置示意图；
图12本发明地表水高锰酸盐指数/化学需氧量背景值判定的方法和应用中图11的正面视图；
图13本发明地表水高锰酸盐指数/化学需氧量背景值判定的方法和应用中背景值断面高锰酸盐指数图；
图14本发明地表水高锰酸盐指数/化学需氧量背景值判定的方法和应用中水样流动模拟前后高锰酸盐指数对比图；
图15本发明地表水高锰酸盐指数/化学需氧量背景值判定的方法和应用中土壤淋洗液流动模拟前后高锰酸盐指数对比图；
图16本发明地表水高锰酸盐指数/化学需氧量背景值判定的方法和应用中背景值断面高锰酸盐指数统计图。
具体实施方式
下面结合实施例对本申请进行进一步的介绍。
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，在下述说明中，不同的“一实施例”或“实施例”指的不一定是同一实施例。不同实施例之间可以替换或者合并组合，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些实施例获得其他的实施方式。
一种地表水高锰酸盐指数/化学需氧量背景值判定的方法，所述的判定方法采用卫星遥感与迁移转化模拟装置完成，包括如下步骤：
(1)采用卫星遥感识别流域内背景区；
(2)现场踏勘背景区并确定采样监测断面；
(3)对所述采样监测断面的水进行现场监测，并对水和土壤进行采样和现场监测；
(4)对所述的采样得到的水样和土壤样品进行迁移化模拟；
(5)对所述的水样和土壤样品进行监测分析和统计分析，得到流域背景值。
在本发明的一些实施例中，所述的步骤(1)具体包括如下步骤：
运用卫星遥感影像解译，识别流域生态系统类型、土地利用状况，利用土地利用类型判定确定流域内背景区，为后期选择河段设置监测断面开展背景调查提供依据；
所述的利用土地利用类型判定的标准包括：
汇水区旱地<20％、水田<3％，并且与滨岸带不连通；
汇水区城镇用地<1％，并且与滨岸带不连通；
汇水区天然土地利用覆盖>80％。
在本发明的一些实施例中，所述的步骤(2)具体包括如下步骤：
基于卫星遥感识别的背景区河段开展现场踏勘，现场确认并排除人类活动影响，所述的排除人类活动影响为无污水排放口、无放牧活动、滨岸带无人为改造，确定采样监测断面。
在本发明的一些实施例中，所述的现场监测包括溶解氧、pH、温度、电导率的监测。
在本发明的一些实施例中，所述的步骤(4)具体包括如下步骤：
a.通过流动模拟测定背景区水体自然来源的有机质经输移后对下游监测断面的影响；
b.采用土壤淋洗-循环模拟装置对土壤进行淋洗-循环模拟实验，获得土壤经降雨淋洗、冲刷后，其中的有机质可被携带至河流水体中，并可长距离输移至下游，对监测断面造成影响；
监测指标包括：高锰酸盐指数、化学需氧量、五日生化需氧量、氨氮、总氮。
在本发明的一些实施例中，高锰酸盐指数中位值即为所述的流域背景值。
在本发明的一些实施例中，步骤a包括如下步骤：
测定水样的监测指标；
将水样添加至环形河道模拟装置中，开启河道模拟装置中的循环潜水泵，进行地表水流动模拟，流速控制参照河流实际流速循环模拟时长按照式1算：
Figure GDA0002728937710000081
式中，T为模拟实验时长，单位h；Li为水样采样点i至下游国控断面(国家生态环境管理部门实施水质考核的监测断面)的距离,单位km,i＝1,2…,11；
v为流速,单位km/h；
流动模拟达到设定时间后，对水样中高锰酸盐指数进行监测；
获得流动模拟前后的变化情况，即可获得背景区水体中自然来源有机质经长距离输移后，对下游国控断面(国家生态环境管理部门实施水质考核的监测断面)的高锰酸盐指数的影响。
在本发明的一些实施例中，所述的土壤天然成分淋洗-迁移转化模拟装置，包括土壤填装模块、喷淋模块和淋洗液循环模拟模块，所述土壤填装模块包括土壤填装槽，所述土壤填装槽的槽壁上开设有透水孔，所述透水孔处遮盖有水土分离滤膜，所述喷淋模块用于向土壤填装槽内喷水，所述淋洗液循环模拟模块包括设于土壤填装槽外围的循环水槽，所述循环水槽内设有循环潜水泵、温度控制单元和测量仪器扩展坞。
在本发明的一些实施例中，步骤b具体包括如下步骤：
将水土分离滤膜安装至装置中，将现场采集的土壤样品填装至装置土壤填装槽；
使用喷淋模块对土壤填装槽中土壤进行降雨模拟淋洗，降雨强度及降雨时长可根据需求设定，并通过流量计及阀门进行调节控制；
模拟降雨结束后，通过循环水槽排水阀门进行淋洗液采样，监测淋洗液中各项拟监测的水质指标；
开启循环潜水泵，进行地表水流动模拟，流动模拟达到实验设定时间后，通过循环水槽排水阀门进行淋洗液采样，监测淋洗液高锰酸盐指数；
将模拟降雨结束后的淋洗液和流动模拟后的淋洗液进行高锰酸盐指数进行对比，获得土壤中各项天然物质受降水冲刷作用下对水质的影响，以及淋洗液在河流水体向下游输移时对下游水质监测断面的影响。
在本发明的一些实施例中，如图1所示，并结合图2、3所示，本发明土壤天然成分淋洗-迁移转化模拟装置，包括土壤填装模块、喷淋模块和淋洗液循环模拟模块，所述土壤填装模块包括土壤填装槽9，所述土壤填装槽9的槽壁上开设有透水孔13，所述透水孔13处遮盖有水土分离滤膜，所述喷淋模块用于向土壤填装槽9内喷水，所述淋洗液循环模拟模块包括设于土壤填装槽9外围的循环水槽8，所述循环水槽8内设有循环潜水泵11、温度控制单元10和测量仪器扩展坞12。测量仪器扩展坞12用于安装测量仪器，如可根据模拟需求，加装温度计、流量计、pH计、溶解氧测量电极、氧化还原电位测量电极等。
本发明土壤天然成分淋洗-迁移转化模拟装置，其中所述喷淋模块包括储水槽6，所述储水槽6内设有水泵5，所述水泵5通过管路2与喷头1连接，所述管路2上设有调节阀门4和流量计3，所述喷头1位于土壤填装槽9的正上方。喷淋模块采用淋洗喷头1进行降雨模拟，并有流量调节功能，控制淋洗水量，模拟不同降雨强度。
如图2所示，本发明土壤天然成分淋洗-迁移转化模拟装置，其中所述土壤填装槽9的横截面呈圆形。在实际使用的时候，为了实现透水孔13处遮盖有水土分离滤膜，将整块水土分离滤膜铺设于土壤填装槽9的内腔，再将现场采集的土壤样品，原状填装至土壤填装槽9内，模拟现场情况。
如图3所示，本发明土壤天然成分淋洗-迁移转化模拟装置，其中所述透水孔13设有多个，多个所述透水孔13在土壤填装槽9的槽壁上呈矩阵排列。
如图2所示，本发明土壤天然成分淋洗-迁移转化模拟装置，其中所述循环水槽8的横截面呈圆形，循环水槽8的外槽壁上设有排水阀门7。根据模拟降雨强度情况，喷淋水可经土壤渗滤或表层溢流进入循环水槽8，之后在循环潜水泵11的推动下，水样循环流动。进而模拟雨水冲刷土壤后进入河道后在水体中的迁移转化过程。在排水阀门7的出水口处可取样进行测试，研究溶解性有机质迁移转化，同时也可以测定水样中其他水质指标。当无需进行循环模拟时，可在水样采集结束后打开排水阀门7，排尽淋洗液。
本发明土壤天然成分淋洗-迁移转化模拟装置，其中所述测量仪器扩展坞12包括支撑架，所述支撑架上设有安装测量仪器的通孔。
本发明土壤天然成分淋洗-迁移转化模拟装置在使用的时候，将测量仪器(如温度计、流量计、pH计、溶解氧测量电极、氧化还原电位测量电极等)安装在测量仪器扩展坞12上，再将水土分离滤膜铺设于土壤填装槽9内，接着将现场取回的土壤样品置于土壤填装槽9内，之后通过喷淋模块对土壤进行降雨模拟淋洗，降雨强度及降雨时长可根据实验需求自行设定，并通过流量计3及调节阀门4进行调节控制，喷淋水可经土壤渗滤(通过透水孔13)或表层溢流进入循环水槽8，此时可以对淋洗液进行第一次采样监测，之后再开启循环潜水泵11，进行地表水流动模拟，此过程中温度控制单元10用于控制水温，即实验人员能够通过温度控制单元对水温进行控制，并根据实验需要，实时监测温度、pH、溶解氧等指标，模拟完成后再对淋洗液进行第二次采样监测。
将上述两次采样监测中各项指标值进行对比，可获得模拟降雨时淋洗液中各项指标，以及经过地表水流动模拟后各指标的变化情况，即可获得土壤中各项天然物质受降水冲刷作用下对水质的影响，以及其在河流水体向下游输移时对下游水质监测断面的影响。
当携带的化学物质浓度较高、并可长距离输移时，可对下游考核断面造成影响；当该化学物质浓度较高，但在输移过程中迅速发生降解或转化，则对下游考核断面不造成直接影响。
由此可以看出，通过本发明，即可在实验室中进行实验模拟，不受降雨时间、强度不可控影响，大大提高便利性及安全性。本发明可以根据研究目的，调节并量化降雨强度、时间等参数，并在循环模拟实验时控制流速、温度条件，实时在线测量pH、溶解氧和氧化还原电位。最终模拟获得不同土壤类型和降水强度下淋洗冲刷携带物质的含量及迁移转化过程参数，便于将实验结果向其他区域推广应用，因此，本发明功能全面，可有效模拟自然降雨对土壤有机质(腐殖质)的冲刷淋洗作用，以及淋洗后水溶性天然有机质在水体中的迁移转化。
受到降水淋洗冲刷后，土壤中部分物质随地表径流进入河流、湖泊等水体，这一自然过程虽然可对水体多项水质指标产生影响，但又区别于人类活动排放的污染负荷。本发明可供研究人员用于研究并揭示土壤天然成分的流失过程及其在水环境中迁移转化，识别区域地表水天然本底。
在本发明的一些实施例中，步骤b具体包括如下步骤：
将水土分离滤膜安装至装置中，将现场采集的土壤样品填装至装置土壤填装槽；
使用喷淋模块对土壤填装槽中土壤进行降雨模拟淋洗，降雨强度及降雨时长可根据需求设定，并通过流量计及阀门进行调节控制；
模拟降雨结束后，通过循环水槽排水阀门进行淋洗液采样，监测淋洗液中各项拟监测的水质指标；
开启循环潜水泵，进行地表水流动模拟。流动模拟达到实验设定时间后，通过循环水槽排水阀门进行淋洗液采样，监测淋洗液高锰酸盐指数。
将模拟降雨结束后的淋洗液和流动模拟后的淋洗液进行高锰酸盐指数进行对比，获得土壤中各项天然物质受降水冲刷作用下对水质的影响，以及淋洗液在河流水体向下游输移时对下游水质监测断面的影响。
一种地表水高锰酸盐指数/化学需氧量背景值判定的方法的应用，将上述的判定方法应用到待测流域的背景值判定中。
高锰酸盐指数/化学需氧量为间接的综合水质指标，用以反映水体中能够消耗溶解氧，引起水体发生黑臭、缺氧，水生生物无法生存的水质指标。而土壤天然有机质由各种成分复杂的大分子有机物质构成，尚没有有效的方法进行准确定性，即没有办法确认地表水考核断面水体中是否存在由上游自然过程中的土壤天然有机质。因此本方法采用模拟实验，模拟其在自然水体中的迁移转化过程，佐证其能够由上游-下游长距离输移，对考核断面产生影响。
利用土壤淋洗-循环模拟装置的淋洗模拟模块对采集的土壤样品进行淋洗模拟实验，测定土壤受降水冲刷作用天然有机质析出后对水中高锰酸盐指数/化学需氧量的影响情况；
利用土壤淋洗-循环模拟装置的淋洗液循环模拟模块对采集的水样或淋洗液进行天然有机质自然降解情况进行测定；
运用以上模拟确定天然有机质从土壤进入水体后的迁移转化过程，以确定天然有机质进入水体后对下游考核断面是否具有影响。
下面给出上述方案在黑龙江流域(黑河市境内)高锰酸盐指数背景值识别与判定中的应用实例：
黑龙江位于我国东北地区，历年水质监测结果表明，高锰酸盐指数在汛期浓度呈现明显升高特点，很难达到考核要求，给当地水环境质量考核造成较大压力。普遍认为黑龙江水质汛期高锰酸盐指数超标主要由地表径流冲刷山区林地、平原区黑土地造成的土壤天然有机质进入水体(即本底值)所造成。本案例以黑龙江流域(黑河市境内)为对象，采用本发明中所述方法开展调查研究，估算研究区高锰酸盐指数背景值。
背景区的卫星遥感识别
运用卫星遥感图像进行加工，按照《土地利用现状分类》(GB/T 21010-2017)对研究区域的土地利用状况进行解译、分类，结果如图4所示。
通过土地利用现状图，按照表1中标准，快速筛选流域未受人类活动影响，或受人类活动影响较小的区域；
同时运用Arcgis软件绘制流域内的污水排放口(点源)分布图；
表1背景区的选取标准
Figure GDA0002728937710000131
根据以上标准，初步选定4个区域(图5中圈出区域)土地利用类型主要为林地、草地，受人类活动影响小，能够反映自然状态下土壤天然有机质对水体高锰酸盐指数的影响。
背景区现场踏勘查验判断标准
1.滨岸带处于自然状态，无明显人类活动干扰；
2.没有明显的畜牧活动；
3.汇水区无耕地，如有耕地(旱地)，其与滨岸带不连通；
4.滨岸带附近无城镇或村庄、污水排放口。
当满足以上标准时，该区域可判定为背景区。
经现场踏勘查验，选定背景值监测断面如表2所示。
表2背景值监测断面筛选结果
Figure GDA0002728937710000132
Figure GDA0002728937710000141
图6-9为满足标准的踏勘查验示例(滨岸带处于自然状态，周边无明显人为污染源)，图10为不符合踏勘查验示例(河流滨岸农田与水体直接相连)。
按照《地表水和污水监测技术规范》(HJ/T 91-2002)对选定的背景值断面开展水样采集、监测与保存运输；参照《土壤环境监测技术规范》(中国环境科学出版社，2005)对滨岸带表层土壤样品采集、保存运输。按照《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)中方法对水体高锰酸盐指数进行分析。
利用循环模拟装置进行水样的模拟实验(图3)，对水样进行循环模拟，模拟结束后测定高锰酸盐指数，记录其变化情况。
现场采集水样，低温保存并运送至实验室，测定高锰酸盐指数；
2.将水样添加至流动模拟装置中(图11和图12)，开启循环潜水泵，进行地表水流动模拟，流速控制参照河流实际流速。本实验中流速为1m/s，循环模拟时长按照式1算。
Figure GDA0002728937710000142
式中，T为模拟实验时长，单位h；Li为水样采样点i至下游国控断面(国家生态环境管理部门实施水质考核的监测断面)的距离,单位km,i＝1,2…,11；
v为流速,单位km/h；
本次设置T为5d；
3.流动模拟达到实验设定时间后，对水样中高锰酸盐指数进行检测；
将步骤1中与步骤3中高锰酸盐指数进行对比，可获得流动模拟前后的变化情况，即可获得背景区水体中自然来源有机质经长距离输移后，对下游国控断面(国家生态环境管理部门实施水质考核的监测断面)的高锰酸盐指数的影响。
利用土壤淋洗-循环模拟装置(图1-3)对土壤进行淋洗-循环模拟实验，以验证土壤经降雨淋洗、冲刷后，其中的有机质可被携带至河流水体中，并可长距离输移至下游，对监测断面高锰酸盐指数造成影响。
操作步骤：
1.现场采集土壤样品，低温保存并运送至实验室；
2.将水土分离滤膜安装至装置中，将现场采集的土壤样品填装至装置土壤填装槽；
3.使用喷淋模块对土壤填装槽中土壤进行降雨模拟淋洗，降雨强度及降雨时长可根据实验需求自行设定，并通过流量计及阀门进行调节控制；
4.模拟降雨结束后，通过循环水槽排水阀门进行淋洗液采样，监测淋洗液中各项拟监测的水质指标；
5.开启循环潜水泵，进行地表水流动模拟。流动模拟达到实验设定时间后，通过循环水槽排水阀门进行淋洗液采样，监测淋洗液高锰酸盐指数。
将步骤5中与步骤4中高锰酸盐指数进行对比，即可获得土壤中各项天然物质受降水冲刷作用下对水质的影响，以及其在河流水体向下游输移时对下游水质监测断面的影响。
统计分析结果
水样高锰酸盐指数测定结果如图13所示。
模拟实验测定结果：选取春汛期部分背景值断面江水水样、土壤，开展模拟实验，结果见图14、图15。
经模拟装置模拟后，可以验证背景值断面土壤受降雨淋洗、冲刷后，天然有机质进入水体，并形成背景值，水体中天然有机质可长时间、长距离向向下游输移，并对下游监测断面高锰酸盐指数造成影响。
本底值估算
计算春汛期、夏汛期以及整个汛期背景值断面水体高锰酸盐指数中位值，该中位值即为该时期水环境高锰酸盐指数背景值。
如图16所示，经估算本实例中，春汛期水环境高锰酸盐指数背景值为10mg/L，夏汛期水环境高锰酸盐指数背景值为13.3mg/L，整个汛期高锰酸盐指数背景值为11.45mg/L。
本实例中采用本发明方案进行判定具有如下优点：
高效快捷：在流域范围内筛选有代表性的监测断面需要大量的人力物力。本方法利用卫星遥感调查具有视点高、视域广、数据采集快和重复、连续观察的特点，对流域土地利用进行解译，以土地利用情况作为筛选指标，对背景区进行快速筛选，在此基础上再开展现场踏勘，大大提高了背景值断面筛选的效率和准确性。运用本方法筛选的4个背景区内均筛选得到背景值断面，准确率达100％；经背景区筛选后，可以对现场踏勘路线进行合理规划，即使在对该区域缺乏前期了解的情况下，仅在3天内，便完成面积约50000平方公里范围内的现场踏勘与采样，大大提高效率。
系统全面：利用自制的模拟装置开展水样流动模拟实验、土壤淋洗-流动模拟实验，用以模拟背景区输入的高锰酸盐指数负荷在水体中的迁移转化，验证其能够长时间、长距离向下游输移，并对下游监测断面造成影响。
应当说明的是，上述实施例均可根据需要自由组合。以上介绍仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种地表水高锰酸盐指数/化学需氧量背景值判定的方法，其特征在于，所述的判定方法采用卫星遥感与迁移转化模拟装置完成，包括如下步骤：
（1）采用卫星遥感识别流域内背景区；运用卫星遥感影像解译，识别流域生态系统类型、土地利用状况，利用土地利用类型判定确定流域内背景区，为后期选择河段设置监测断面开展背景调查提供依据；
所述的利用土地利用类型判定的标准包括：
汇水区旱地<20%、水田<3%，并且与滨岸带不连通；
汇水区城镇用地<1%，并且与滨岸带不连通；
汇水区天然土地利用覆盖>80%；
（2）现场踏勘背景区并确定采样监测断面；
（3）对所述采样监测断面的水进行现场监测，并对水和土壤进行采样和现场监测；
（4）对所述的采样得到的水样和土壤样品进行迁移化模拟：a.通过流动模拟测定背景区水体自然来源的有机质经输移后对下游监测断面的影响；
b.采用土壤淋洗-循环模拟装置对土壤进行淋洗-循环模拟实验，获得土壤经降雨淋洗、冲刷后，其中的有机质可被携带至河流水体中，并可长距离输移至下游，对监测断面造成影响；
监测指标包括：高锰酸盐指数、化学需氧量、五日生化需氧量、氨氮、总氮；
（5）对所述的水样和土壤样品进行监测分析和统计分析，得到流域背景值。
2.根据权利要求1所述的地表水高锰酸盐指数/化学需氧量背景值判定的方法，其特征在于，所述的步骤（2）具体包括如下步骤：
基于卫星遥感识别的背景区河段开展现场踏勘，现场确认并排除人类活动影响，所述的排除人类活动影响为无污水排放口、无放牧活动、滨岸带无人为改造，确定采样监测断面。
3.根据权利要求1所述的地表水高锰酸盐指数/化学需氧量背景值判定的方法，其特征在于，所述的现场监测包括溶解氧、pH、温度、电导率的监测。
4.根据权利要求1所述的地表水高锰酸盐指数/化学需氧量背景值判定的方法，其特征在于，高锰酸盐指数中位值即为所述的流域背景值。
5.根据权利要求1所述的地表水高锰酸盐指数/化学需氧量背景值判定的方法，其特征在于，
步骤a包括如下步骤：
测定水样的监测指标；
将水样添加至环形河道模拟装置中，开启河道模拟装置中的循环潜水泵，进行地表水流动模拟，流速控制参照河流实际流速循环模拟时长按照式1算：
Figure 750633DEST_PATH_IMAGE001
式1
式中，T为模拟实验时长，单位h；L i 为水样采样点i至下游国控断面的距离,单位km,i=1,2…,11；
v为流速,单位km/h；
流动模拟达到设定时间后，对水样中高锰酸盐指数进行监测；
获得流动模拟前后的变化情况，即可获得背景区水体中自然来源有机质经长距离输移后，对下游国控断面的高锰酸盐指数的影响。
6.根据权利要求1所述的地表水高锰酸盐指数/化学需氧量背景值判定的方法，其特征在于，
所述的土壤天然成分淋洗-迁移转化模拟装置，包括土壤填装模块、喷淋模块和淋洗液循环模拟模块，所述土壤填装模块包括土壤填装槽，所述土壤填装槽的槽壁上开设有透水孔，所述透水孔处遮盖有水土分离滤膜，所述喷淋模块用于向土壤填装槽内喷水，所述淋洗液循环模拟模块包括设于土壤填装槽外围的循环水槽，所述循环水槽内设有循环潜水泵、温度控制单元和测量仪器扩展坞。
7.根据权利要求6所述的地表水高锰酸盐指数/化学需氧量背景值判定的方法，其特征在于，
步骤b具体包括如下步骤：
将水土分离滤膜安装至装置中，将现场采集的土壤样品填装至装置土壤填装槽；
使用喷淋模块对土壤填装槽中土壤进行降雨模拟淋洗，降雨强度及降雨时长可根据需求设定，并通过流量计及阀门进行调节控制；
模拟降雨结束后，通过循环水槽排水阀门进行淋洗液采样，监测淋洗液中各项拟监测的水质指标；
开启循环潜水泵，进行地表水流动模拟，流动模拟达到实验设定时间后，通过循环水槽排水阀门进行淋洗液采样，监测淋洗液高锰酸盐指数；
将模拟降雨结束后的淋洗液和流动模拟后的淋洗液进行高锰酸盐指数进行对比，获得土壤中各项天然物质受降水冲刷作用下对水质的影响，以及淋洗液在河流水体向下游输移时对下游水质监测断面的影响。
8.一种地表水高锰酸盐指数/化学需氧量背景值判定的方法的应用，其特征在于，将权利要求1-7任一项所述的判定方法应用到待测流域的背景值判定中。
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