河流污染物通量在线监测关键技术问题研究

金细波，黄树杰

（碧兴物联科技（深圳）股份有限公司，广东 深圳 518004）

污染物进入河流后随水流运动，在运动过程中受到物理、化学、生物、生态、气候等因素的影响，引发水体富营养化、水生生态系统破坏等一系列问题。掌握流域的污染负荷具有重要意义［1］，河流污染物通量能直观反映单位时间内研究断面以上流域的污染负荷总量，表征流域污染物的产输特征，是厘清各行政区污染排放与治理责任、研判断面达标形势、评估治污工程效果、制定治理决策的基础。

目前，我国的河流污染物通量监测主要存在以下两个问题：一是我国环保部门对大部分河流进行了污染物浓度监测，但没有同步进行流量的监测。由于人力和财力的限制，大部分水量和水质监测数据仍是低频、离散化采样，如1次/周或1次/月，并且水质、水量监测在时间上不同步，导致通量估算误差较大；二是高频连续的流量和水质数据是计算通量的基础，但缺乏明确、合适的算法来计算瞬时通量和时段通量。

随着我国对生态环境质量提出了更高的要求，通量监测的作用和必要性日益突显。我国正在探索建设通量在线监测的方法，目前还没有形成符合生态环境要求的通量在线监测技术规范，一些关键技术问题尚未解决。本文根据实际工程经验，探讨了通量在线监测中流量测流方法的选择和流量与浓度的通量融合算法。

1 流量在线监测方法

目前主流的测流方法有声学多普勒测流方法（即ADCP，包括水平式ADCP、垂线式ADCP）、雷达表面流速法、水工建筑法等。

水平式ADCP、垂线式ADCP都属于利用ADCP获得某一水平层、垂线的指标流速，然后通过构建指标流速与断面平均流速的相关关系来实现流量的测量，垂线式有坐底固定在河道底部进行测量，浮标式是指利用浮标作为水面测流平台，加挂ADCP实现流量测量［2］；雷达法是基于微波多普勒效应测量水面流速的一种方法，主要通过雷达波传感器自动发射和接收电磁波，利用多普勒原理测定水面流速，通过回归分析得到断面平均流速；水工建筑法是采用堰、水电站、泵站等水工建筑物测流，用水力学公式计算流量。其中雷达法对测量条件比较敏感，易受大风大雨及测量角度影响，低流速测量误差大；水工建筑法精度较高，但水建筑物造价昂贵，目前相对准确和成熟的在线测流方法还是ADCP。

本文主要以ADCP测流方式展开详细分析。水平式ADCP法、垂线式ADCP法都有实际工程应用，在使用过程中都有各自的适用场景和缺点。根据实际应用经验，水平式ADCP虽然安装维护方便，但在低流速、浅水深的情况下误差比较大，本文对此进行了分析，并提出了合理的ADCP安装方式。

1.1 水平测流方案的技术难点

1.1.1 低流速河道流场分布不规律

图1是某水文站垂线法测得的高流速（上）和低流速（下）状态下的垂线点流速分布图，横坐标为流速值，纵坐标为对应水深。从图1可以看出，河流低流速时，河道流场分布不规律，垂线流速分布成 乱S型。低流速时，水平方法指标流速与平均流速无法建立稳定的关系，后期的率定工作相当繁琐，而且随着时间变化，流场分布会发生无规则变化。所以低流速河道采用水平安装方式，在理论上已经无法确保断面平均流速测量的准确性，这种方法无法保证低流速河道流量精度的可靠性、稳定性。

图1 高流速垂线流场分布（上）和低流速垂线流场分布（不符合传统水力学模型）（下）

1.1.2 浅水型河道不满足设备安装要求

按《河流流量测验规范》（GB 50179-2015）［3］规定，水平测量出的1层多点流速要求是河道断面平均水深水面下0.6米位置的1层。目前声学多普勒流速传感器声波传输不是类似“激光”，而是一条细线上的多点流速，声波传输是慢慢扩散的，传感器声波开角是1.4°，这样声波打到10米远，要求水深增加0.25米。依据水文规范安装，需要确保声波不打到河底1米水深，河道宽度最好不超过20米。目前很多河道在枯水期，水深1米都无法保证，同时还存在大量岸边是浅滩型的河道，河宽远不止20米。所以水平安装在这类河道很难保证流量测量精度及稳定性。如图2所示。

图2 声学多普勒流速传感器声波传输示意图

1.2 垂线测流方案的技术难点

虽然水深河道（安装位置水深超过8米）将传感器固定在河底有难度，但不论该垂线流场分布如何变化，传感器都能探测到，可以与垂线平均流速建立稳定的模型关系。所以理论上在浅河流、低流速河道，垂线安装的测流精度高于水平安装的精度。

垂线法的技术难点是安装和维护，比如高水位下坐底式安装难度大、维护不方便；高流速下浮标法固定困难，但根据不同的场景选择不同的安装方式可以解决垂线安装的问题。

1.3 在线测流方案建议

河流类型可以根据水位、流速分为4种，即高水位高流速、高水位低流速、低水位高流速、低水位低流速，根据实际工程经验，本文建议4种场景的ADCP法测流安装方式见表1。

表1 4种场景的ADCP法测流安装方式

2 水质在线监测方法

近年来，随着水质自动监测技术的发展，我国地表水水质自动监测站的建设也取得了较大进展。相对于人工采样、实验室分析的监测方式，水质自动监测可以实现水质的实时连续监测和远程监控。我国于1988年设立了全国第一个水质自动监测站试点［4］，经过“十二五”、“十三五”到“十四五”的发展，我国已经建立了完善的地表水水质自动监测网络，形成了一系列在站型选择、站点选址、监测指标、设备要求、站点验收、运行维护方面的技术要求、规范和标准。

3 通量计算方法

对于污染物通量的计算多采用英国学者Webb提出的5种河流污染物时段通量的估算方法［5］，李影等［6］在此基础上调研了国内外通量的估算方法，总结出8种通量估算方法。目前，针对当前连续/高频的流量数据和离散/低频的水质数据，主要形成了3类计算通量的方法：平均法（A-E）、插值法（FG）和回归/曲线法（H）。平均法使用实测数据的平均值作为时段数据的代表值；插值法假定数据（浓度和流量）由瞬时采样数据表示；回归（外推）方法取决于经验关系和水文水质的变化特征。详见表2。

表2 通量估算方法[6]

平均法只考虑了对流项，而忽略了实时均离散项，在使用过程中会反映出时间加权平均浓度对流量加权平均浓度的高估或低估；插值法假定数据由瞬时采样数据表示，离散浓度数据插值为高频浓度数据，其与监测获得的高频流量数据的乘积为时段通量，这种算法如果是基于足够高频的浓度和流量瞬时数据的话最贴近通量定义，是最精准的计算方法；回归法（外推法）以流量与浓度或通量的关系将离散的浓度数据填补成连续的浓度数据，要求流量与浓度或通量具有较好的回归关系，在预测通量和观测趋势方面表现良好。

以上8种估算方法都是针对瞬时数据频率比较低的情况，选择不同的估算方法计算时段通量，计算结果精度较低。

通量的定义，是指特定污染物通过某一河流断面的量，可以分为瞬时通量和时段通量。瞬时通量即瞬时流量和瞬时浓度的乘积，时段通量是一定时间内通过断面污染物的量，时段通量的计算公式可表示为：

其中T为估算时段；Q（t）和C（t）分别为流量和浓度函数，Qi和Ci分别为瞬时流量和水质浓度，Δti为两次流量监测相隔时间。估算算法对通量计算的影响不如采样频率大，河流污染物的通量估算首先应考虑采样策略，其次才是算法［6］。利用统计学预测的数据与实测数据的可靠性不能相提并论，再怎么强调实测数据的重要性也不为过。平均法和回归法一般是用于低频离散（月/次，周/次）水质数据的无奈之举。即只要水质和水量的监测频率足够高，△ti足够小，就可以准确计算任意时段的通量。相关要求规定水站的监测频率4小时一次，考虑实际因素可以调整监测频率（比如汛期或发生污染事件可以将水质监测频率提高到2小时一次），也就是说，这样的水质监测频率已经接近连续了，足以准确计算污染物通量。

因此，基于流量和水质在线监测，通量可以实现实时通量和时段通量的在线监测。实时通量即实时流量和实时浓度的乘积，可以根据流量在线监测系统实时采集的流量数据计算实时通量，公式为：W实时=Q实时×C实时；时段通量公式为：W时段=ΣQ累积×Ci。

其中Q累积为一定时间内的累计流量，时间可选择5 min、15 min、30 min等，但不要超过水质在线的监测频率。Ci为污染物前个时间节点的浓度，代表累计流量时间内的水质浓度，两者相乘（Q累积×Ci）得一定时间内最小累计时段通量，具体公式如下：如选择15 min为累计流量单元，即15分钟通量：W15min=Q15min×Ci；小时通量：W1小时=ΣW15min；日通量：W日=ΣW1小时；月通量：W月=ΣW日；年通量：W年=ΣW月。

其中W15min为15 min内的时段通量；Q15min为15 min内的累计流量；Ci为15分钟前的水质浓度。

4 结论

河流污染物通量能直观反映单位时间内研究断面以上流域的污染负荷总量，表征了流域污染物的产输特征，是厘清各行政区污染排放与治理责任、研判断面达标形势、评估治污工程效果、制定治理决策的基础。目前我国流量和水质在线监测有各自的规范，但缺乏在线通量监测站的建设技术规范。本文在实际工程经验的基础上，提出了针对各种场景，因地制宜选取相应的测流方法进行流量监测，以及探讨了实时通量和时段通量的计算方法，为制定污染物通量在线监测的建设方案提供参考。