太湖入湖污染物通量监测与计算方法研究

聂 青，陆小明，高鸣远，王聪聪

(江苏省水文水资源勘测局，江苏 南京 210029)

太湖流域地处长江三角洲核心区域，河流水系纵横，是全国著名的水网地区，也是我国河道最密集的地区[1]。在人类活动影响下，太湖污染问题日益严重[2]。由于太湖流域独特的水文特性和社会特征，对其污染相关问题的研究一直是学界的热点问题[3]。

河流是湖泊与流域生态环境联结的主要通道和纽带，入湖河道带入的污染是湖泊水质污染的主要原因之一[4]。针对太湖入湖污染物通量监测及计算能更好地掌握入湖污染物的时空分布，为太湖污染治理提供支撑，具有重要的意义。

太湖大体承接三路上游来水：一是苕溪水系，发源于浙江天目山；二是西路南溪水系；三是北路水系[5]。太湖的出湖河道主要集中于湖泊东部和北部，包括望虞河、太浦河等，其余众多中小出湖河道构成太湖的出水河网。根据2009～2017年环太湖监测结果，浙江省入太湖水量占总入湖水量的16.4%～30.7%，年均约23.0%；江苏省入太湖水量占总入湖水量的69.3%～83.6%，年均约77.0%。另外，浙江苕溪入湖水质相对较好，江苏入太湖地区尤其是湖西地区(南溪水系、洮滆水系)水质相对较差，是入湖污染物的重要来源。因此，本文选取江苏主要入湖河道作为研究对象，分析入湖污染物通量监测与计算方法，代表性更强且更具实际指导意义。

1 监测控制断面及站点布设研究

1.1 水量站点布设

江苏省环太湖河道多数有控制建筑物，主要建筑物有太浦闸、望亭立交、直湖港闸、犊山闸、大浦口闸、瓜泾口闸、胥口闸、武进港闸、贡湖湾沿湖小闸等。这些建筑物上基本都设有国家基本水文站，掌握水位及水量进出情况。

根据太湖水系特点，水量监测站点的布设原则是沿湖划分若干巡测段，通过将各巡测段实测总流量与该段设立的基点站流量建立相关关系，进而推求各巡测段逐日入湖水量。对不能放在巡测段内建立相关关系或受水利工程影响的河道，则单独委托测验，推算进出湖水量。目前江苏境内共布设8个巡测段11个基点站/单站111个口门进行水量巡测，其中苏州5个巡测段2个基点站/单站共63个出入湖口门，无锡3个巡测段7个基点站/单站共46个出入湖口门，常州2个单站共2个出入湖口门。环太湖巡测段、站统计见表1。

1.2 水质站点布设

考虑环湖河流水质、水量须同步实施监测的因素，水质监测站点布设尽量与水量巡测(监测)断面一致。同时考虑目前环湖小闸段一直处于关闭状态，基本不存在与太湖进行水量交换的情况，设置水质站点意义不大，因此，本次环太湖江苏段出入湖河流设置水质站点84处(个)，其中苏州53处，无锡27处，常州4处。

表1 环太湖巡测段、站统计表

2 监测频次设置

(1)单站和基点站每日定时测流。其中：河流站日流量一般每天测流二次，洪水期视水情变化随时加密测次，以测得完整洪水过程；闸坝站开闸时每天测流两次，闸门开启情况变化时随时加测。

(2)各巡测段流量每月上半月、下半月各巡测一次，汛期大水时随时加密巡测测次。

(3)水质除每月8、23日左右与水量同步巡测外，还有每月“逢5”“逢10”号左右水质常规监测和汛期每隔3～4d就开展一次的水质常规检测。

3 河道入湖污染物通量计算方法及精度分析

3.1 计算方法

目前计算污染物通量大多采用Webb等人根据时段平均浓度与时段水量之积和分时段通量两类估算方法，构造5种时段通量的计算方法，各估算方法见式(1)—(5)[6]。

(1)

式中，W—估算时间段的污染物通量；K—不同估算时间段的转换系数；n—估算时间段内的采样次数；ci—样品i的浓度值。

采用的方法是瞬时污染物浓度ci的均值与瞬时径流量Qi的均值的乘积，其缺点是没有考虑径流量的时均变化。

(2)

(3)

式(3)采用的方法是瞬时污染物浓度ci与瞬时径流量Qi的乘积的均值，其优点是突出了点源污染，缺点是忽略径流量的时均变化。

(4)

(5)

污染物年通量计算的误差主要由采样点的代表性、水质分析方法、流量、监测频率等决定[7]。时段通量波动变化的过程复杂，估算断面的时段通量与瞬时通量相比，相对更为困难。尤其时段的跨度长度越长，试图用有限次的实测数据进行分析难度越大。由于采用不同计算方法得到的入湖污染物通量差异较大，因此更应当从众多估算方法当中，谨慎地做出选择。

3.2 计算精度分析

针对现阶段的监测条件，选择现阶段具有代表性入湖河道，根据多次水量、水质监测成果，分析不同的监测频次，不同的计算方法之间的精度差异，进行入湖污染物量计算精度分析。

3.2.1计算时段与入湖河道选取

计算时段选取2013—2017年，入湖河道选取太湖西岸入湖河道城东港、漕桥河。其中城东港是太湖最主要的入湖河道之一，2013—2017年年均入湖流量30200m3/s，代表大水量入湖河道；漕桥河2013—2017年年均入湖流量3390m3/s，代表一般入湖河道。

3.2.2计算方案设置

方案1：逐旬总水量与逐旬多次水质监测成果均值积之和。

方案2：逐旬总水量与每月5、15、25日水质监测成果积之和。

方案3：每月上半月、下半月总水量与8、23日水质监测成果积之和。

方案4：月总水量与每月10日水质监测成果之积。

3.2.3计算方案比较

方案1是目前监测能力下的最精确方案，因此以计算方案1成果作为当前计算入湖污染物量参考值。通过逐月分析方案2、3、4与方案1的逐月成果值的相对误差，并统计月误差小于5%、10%、20%的占的比值，以对比分析不同计算方案的精度情况。

(1)城东港河

方案2：2013—2017年各指标逐月计算误差占比见表2。可见除氨氮外，各指标误差基本均在20%之内。误差小于10%的占33%～100%，误差小于20%的占83%～100%。

表2 计算方案2城东港河各指标误差占比表 单位：%

方案3：采用计算方案3，2013—2017年各指标逐月计算误差占比表见表3。由表3可见，误差小于10%的占42%～92%，小于20%的占67%～100%，误差率略大于方案2。

表3 计算方案3城东港河各指标误差占比表 单位：%

方案4：2013—2015年各指标逐月计算误差占比表见表4。由表4可见，误差小于10%的占8%～75%，小于20%的占33%～92%，误差率大于方案2和方案3。

表4 计算方案4城东港河各指标误差占比表 单位：%

(2)漕桥河

方案2：2013—2017年各指标逐月计算误差占比见表5。由表5可见，误差小于10%的占67%～100%，小于20%的占83%～100%。

表5 计算方案2漕桥河各指标误差占比表 单位：%

方案3：2013—2017年各指标逐月计算误差占比见表6。由表6可见，误差小于10%的占50%～100%，小于20%的占83%～100%，与方案2比较，误差率小于20%的没有明显区别，但误差率小于10%的，方案2优于方案3。

表6 计算方案3漕桥河各指标误差占比表 单位：%

方案4：2013—2017年各指标逐月计算误差占比表见表7。由表7可见，误差小于10%的占17%～92%，小于20%的占42%～100%，误差率明显大于方案2和方案3。

表7 计算方案4漕桥河各指标误差占比表 单位：%

4 结论

通过对太湖入湖污染物通量监测计算方法进行研究，得到以下结论。

(1)入湖污染物量计算精度由水量、水质监测的频次决定，监测频次越高，计算精度也就越高。

(2)对氨氮指标而言，由于每月各测次的水质监测值差距稍大，因此对监测频次要求比其它四个指标稍高。

(3)综合考虑结果代表性、精度以及测验成本，每月两次的水量、水质同步监测(巡测)入湖污染物量监测精度达80%，能够满足太湖流域入湖污染物监测的需要。

本文提出的计算分析方法也适用于其他对象。应用于其他对象时，应结合现有国家基本水文站、巡测段(站)监测成果及针对实际自然状况应用水文分析计算方法等，通过本文的计算分析方法筛选合理方案。