中小型河流污染负荷特征自动提取方法研究

白璐 姬洪亮 贺敬怡

关键词：中小型河流；污染负荷特征；自动提取；水箱模型；综合水质指数

前言

河流受到污染的原因较多，其中气候与生产活动是造成污染的主要因素。河流治理成为中国水域建设的迫切需求。但长期以来治理手段缺乏一定科学性，治理效果并不显著。这是因为在治理过程中，无法有效提取中小型河流污染负荷特征，相关学者针对该问题进行了研究。

一些学者将污染负荷作为治理依据，研究河流污染。例如，文献提出基于SWAT模型的河流污染负荷量评估方法。通过现场勘查采集样品，修正SWAT模型数据库，建立河流污染源负荷评价模型，计算河流径流量，拟合出最终的评估结果。文献利用GIS软件，通过景观格局指数和冗余分析算法分析河流水质的空间变化特征。但是上述方法没有具体分析每种污染源对河流的作用，提取的负荷特征难以全面反映河流水质，并且无法自动提取。

基于此，建立反映水量水质综合情况的水箱模型，准确模拟河流变化情况，根据各类污染源具体情况，确定特征指标，通过水质标识指数自动提取出污染负荷特征。

1基于水箱模型的河流污染负荷特征自动提取

1.1污染源类型分析与负荷估算

估算各类污染负荷前，需了解污染源类型，确定点源或非点源污染。首先，工厂污染是典型的点源污染。结合当地工厂排放形式和污染物排放量等信息，利用人河系数算法计算排放到河流的污染量：

1.2水箱分析模型建立

经过上述分析，确定了污染物类型，建立水箱模型，模拟水源和污染物的流人与排出过程，为污染负荷特征提供依据。水箱模型示意图见图1。

图1所示模型为坦克模型，最上层和第二层水箱的出流分别表示地表径流与土壤中流，最下层为深层地下径流。水箱模型的结构分为两组串联的水箱，除最下层水箱外，均设有出流孔和下渗孔。假如在t时间点上，雨水流人顶层水箱，若此时水箱总体蓄水深度高于出流孔高度h，水流流出，而箱内其他水渗入到第二层水箱，以此类推。

首先分析上层水量平衡，水箱最上层平衡方程如下，其中降水与蒸发量中涵盖引水灌溉。

1.3水箱模型输入参数确定

利用上述模型分析河流的污染情况，还需设置模型输入参数，主要包括降水量、蒸发量和用水量参数类型。降水量：查找相关资料，以目标地区近年来日平均降水量为输入信息。蒸发量：参考风速、日照时长和温度，利用下述公式获得蒸发量，并将其作为模型输入。

1.4污染负荷特征自动提取

将综合水质指数作为特征提取目标实现污染负荷特征自动提取，利用上述模型得到综合水质指数：特征．见表1。

利用水箱模型得到的信息计算水质综合指数，根据指标值实现污染负荷特征自动提取。

2实例研究

2.1实验准备

实验选择济宁市一条中小型河流为研究对象，干流长度为32.5km，河流总面积为1045km2，整个流域共设置四个水质监测断面。该流域附近的具体信息如下：

水文特征：在河流中游附近设置水文站，汛期为7、8月份，暴雨期间，水位涨幅大，流速急。河道深度通常在30cm左右。河断面含沙量可达25.6kg/m3，输沙率为8.7kg/s。

气象与气候：该地区气候较为寒冷，但与相同维度地区相比，气候偏高。年均气温是12.4℃，年均蒸发量是1422.4mm。5月份风速，达到4.8m/s，8月份风速最小，为2.2m/s，日照日寸间长。

水质问题：该河流具有较强的季节性特征，每逢降水量少的年份，大部分河段会出现枯竭断流现象。随着区域经济的全面发展，河流保护面临的压力越来越大，经常出现水质不达标的情况，难以满足河流规划要求。图2是该河流近三年来不同类别水域面积变化情况。

如图2所示，2019年时，此流域的优质水面积占总面积的78%左右，劣质水只有4%；随着时间的推移，到2021年时，优质水流域面积直线下降，劣质水流域面积高达20%以上，而轻度和中度污染的水源面积也在逐步增加。说明该流域近年来水质污染现象严重，河流污染治理迫在眉睫。为此，利用文章方法提取河流污染负荷特征，为制定科学的治理方案提供依据。

2.1.1监测点布置与样本采集

根据河流特征与污染情况，采样过程将满足以下原则：采样点应设置在交通方便的位置，此外应充分保障采样环境安全。结合上述原则，在每个月的上、中、下旬分别进行三次采样，采样深度为40cm，取水量为1500ml，采集到的样本将被立即送往实验室，并在5℃的环境下保存。

2.1.2实验设备

结合特征提取方法，本次实验所需设备见表2。

2.2结果分析

分析该地区存在的各类污染源，估算污染源负荷值，利用文章建立的水箱模型，模拟该河流蓄水与出流特征，再通过综合水质标志指数提取污染负荷特征。将溶解氧、高猛酸盐、氨氮和总磷作为特征指标，分别从时间和空间两方面分析污染负荷特征。

2.2.1时间特征

为更好地提取污染负荷的时间特征，结合此地区气候特征，春季在每年3、4、5月份，夏季一般包括6、7、8月份，秋季是9、10、11月份，冬季为12月和次年1、2月份。不同月份的污染特征指标浓度见图3。

分析图3可以得出：三个采样点呈现出的特征曲线走势基本相同。其中，溶解氧、高猛酸盐和总磷三种污染物的含量往往在7月份出现最低值，在冬季的二月份最高；氨氮含量随季节变换显著，峰谷交替变化。总体上看，污染物负荷在冬季最大，这是因为冬季降水量少，污染物浓度会上升。

2.2.2空间特征

将河流划分为上、中、下游，其中上游为第1、2、3段，中游为第4段，下游包括5、6、7段，上、中、下游都设置三个采样点，计算综合水质指数，计算结果见图4。

分析图4可以发现，该河流的污染负荷指数由上游到下游为上升趋势，前三段为上游部分，指数值保持在3以下，属于二级水质；中游部分为第四段也是二级水质；越往下游综合指数越高，属于重污染。这是因为一些污染元素经过长距离传输在下游形成沉积物，使该段水域污染比中上游更为严重。

综上所述，该河流污染负荷特征在时间上表现为夏季污染小，污染严重；在空间上为上中游属于轻度污染，下游是重度污染。相关治理人员可根据这一污染特征制定科学合理的整治措施。

3结束语

中小型河流的污染越来越严重，人们开始逐渐关注河流污染治理，在治理河流时，河流污染负荷特征是管理部门治理河流水质的重要决策依据。因此，文章提出基于综合水质指数的污染负荷特征自动提取方法。首先，分析污染源类型和估算污染负荷，构建水箱分析模型，并且确定分析模型参数，将相关信息输入到箱型模型，模拟河流的流通情况，选择主要的污染特征，建立综合水质标志模型，将相关信息输入模型，即可实现污染负荷特征的自动提取。通过以济宁一条河流为实例，分析方法的性能，分析结果可知，该河流污染负荷特征在时间上表现为夏季污染小，污染严重；在空间上表现为上中游呈现轻度污染，下游呈现重度污染。根据提取到的特征，因地制宜地制定治理措施，从根本上解决河流污染问题。