一种为潮汐河流水质预断服务的水文水质实测分析方法

摘要

一种为潮汐河流水质预断服务的水文水质实测分析方法,是以“浓度叠加”原理为依据,即关系式:F=KNG为基础而制定的“N－G”水文水质综合实测分析方法,其中重点策划了排污质量G中的污染质点在河流中随着往复潮流来回运动时,其停留潮次N的实测分析方法,N是反映G对河流发生多次重复污染问题的数值。最后借助于计算机推算出涉及潮汐水情N变化时和排污质量G变化时的潮汐河流主要是浓度变化的水质预断项目的全部数据。

说明书

本发明涉及为河流水质预期评价的一种“水文-水质”综合测算方法。

本发明有关的现有技术状态：

一般的沿海河口地区，历史上就已自然形成了相当规模的都市或港口城市，例：珠江口的广州，闽江口的福州，钱塘江口的杭州，黄浦江口的上海，海河口的天津，等等，上述的各条潮汐河流都或多或少地存在着水体被污染的问题，其中的最甚者：上海的黄浦江在一九六八年的夏季曾有将近二个月的时间变为“黑浦江”。一条河流最大的实用价值除了航运外，它还是民用水、生产用水和观光旅游玩水的水源，因此，所有上述的潮汐河流都已被列入治污规划制定的对像，并且期望：将会有一天，开始对所有上述一类的潮汐河流也定时发布它们的水质预报。这就如现在定时发布的气像预报，海浪预报，城市大气质量预报，以及森林火灾预警告示和地震灾害预警告示那样，已在人们的社会活动中占据了一席之地。

单就对河口地区的潮汐河流制定的治污规划而言，最需要得到的数据依据是：

1．消灭沿河某个位置对潮汐河流在单位时间内排放的表征污染物的质量(排放的污水体积与其表征污染物浓度之积)G吨，例：以每天的五日生化毫氧量BOD的污染质量来表征，或用化学耗氧量COD的污染质量来来表征。

2．消灭该沿河位置的污染源点中的污染质量G吨，需要的投资代价R元。

3．则：该潮汐河流水体被污染程度(浓度)，仍以上述的BOD或COD来表证，将下降到现在的P％；而现在的潮汐河流水体被污染浓度是可以通过实测获得的。

不难看出：

其中的G可以通过对排放污水流量和BOD或COD浓度的监测，即：“水量(水文)-水质”综合实测分析就能求得。

其中的R，即：付出的代价(资金)，依据制理该特定地点的G所需要的配套工程一类措施的造价推算，就能获取。

而最后的这个P，即：欲达到的最终目的，目前尚没有被认可的方法来解决这个定量数据问题；在各种潮汐河流有关的治污规划或报道中，大多是用“大”、“小”、“好”“坏”一类的定性模糊概念来对付这个P的定量问题。

在潮汐河流中，一个明显的客观事实是：

对潮汐河流排放的G，在它被带出河口之前，是随涨、落潮流在河流中作往复运动的。这个往复过程，就是造成G对河流水体重复污染的根源。G在被带出河口之前随涨、落潮流在河流中往复运动的次数越多，它对河流水体重复污染的机会也越多。

离河口位置不同距离的地点对潮汐河流排放等量的污染质量G时，由于不同地点排放的各个G在它们被带出河口之前，在河流中停流的时间，即：停留的潮次N是不同的，因此，不同地点排放的各个G，最后造成的对潮汐河流的实际污染能力指数F也是不相同的。

例如：河口附近某一污染源连续排放的G，在它们还没来的及充分扩散，对河流水体实施有效污染之前，很可能在不到平均一个潮次的停留时间内就被落潮时的退潮水带出河口；而河口远一些的上游的某个污染源连续排放的G，很可能在河流中要在平均N个往复潮次后才被退潮水带出河口。这样，在这二处在单位时间内排放的G相同的情况下，后者对潮汐河流的平均实际污染能力指数F就是前者平均F的N倍。

上海的黄浦江在一九六八年的夏季曾有将近二个月的时间变为“黑浦江”时的潮汐水情，是整条江的各个污染源连续排放的G的平均N均比原来增加了好多倍。从当时的水文情况看：海的“黑浦江”在那个期间对长江的净排水量很小，常接近于零，甚至是负值。也就是说：所有排放在江中的G，长时期被封闭在江内而无法从河口出去，很有限的空气复氧作用又绝对消化不掉不断累积的G。

发生在潮汐河流中的G对河流水体重复污染的问题，也就是理论上由于N的客观存在而引起G的“浓度叠加”的问题。

不难推断：当某地点排放的某个G在往复潮流中停留的潮次为N，那么，它就有机会与还是同一地点持续排放的另外的G在潮汐河流中均相遇N次，有N次的浓度叠加机会，这个G对该潮汐河流的实际污染能力指数F就等于G的N倍。可建立如下的基本关系式：

F=KNG--K为修正系数。

目前，国内外研究并采用的河流水质预断方法主要是依据“扩散原理”而制定的，见国家环保局最早颁布的《制定地方水污染排放标准的技术原则与方法》(BG 3839-83)文件以及后续的有关文件。根据“扩散原理”，即：从水中的污染质量G向周围扩散时浓度梯度变化的规律而制定的水质测算预断方法，它对于稳定流的非潮汐河流，尚有实用价值；然而，对潮汐河流来说，由于它没有把作为主导方面的由潮汐造成的重大影响，也就是：潮流往复运动时造成N的变化，以及进而引起的F的变化，直接在“扩散原理”方法中充分地体现出来，因此，仅仅用“扩散原理”法，要较理想地解决好潮汐河流如下最主要的水质基本项目的预断，尚有问题：

这就是：潮汐河流沿岸离河口位置不同距离地点的排污质量G的增与减，对河流被污染浓度变化的影响程度有多少(以定量的百分数来表示)；若再进而加上潮汐水情N的变化，即：整条潮汐河流的N发生同步的变化，此时对河流被污染浓度变化的影响程度又会有多少(以定量的百分数来表示)。

上述的这类定量数据在制定潮汐河流的制污规划工作中是不可缺少的，最为关键的是上述的前者问题。这一最基本的定量数据测算不出来，日常的水质预报工作更是无从谈起。

然而，目前的现状情况就可以充分地说明：尚没有可操作的潮汐河流水质预断方法被认可并投入使用。尽管“扩散原理”法可能已经解决了潮汐河流水质预断的诸如数学模式一类理论方面的系列问题，但从目前的情况看，它仍难以进入可以指导实践操作的应用阶段，究其原因。很可能在它的实测分析中难以让上述“朦胧”的N介入进去，这就更谈不上以N为主导来考虑问题和制定有关的指导实践的操作方法。

本发明的目的是：

从解决潮汐河流水污染体系中上述最关键的一个水质基本预断项目着手，另某途径：依据“浓度叠加”原理，即：潮汐污染基本关系式F=KNG，制定出能直接将N测算出来的，以本发明的“潮汐水文-水质”综合实测，即：“N-G”综合实测为主体的实测分析方法，为潮汐河流治污规化的制定，以及它的水质预报，提供经过实际测算的和有评价意义的水质预断定量数据。

本发明的技术手段：

主要就是在潮汐河流的水污染体系中，将由潮汐影响所造成的污染质量G的重复污染问题，即：以停留潮次的形式体现的N问题，直接介入到以“N-G”综合实测为主体的实测分析方法之中。

本发明是这样实现的：

它由以下四个方面的工作方法组成：

1．对潮汐河流沿岸现有的各个污染源分布点到河口位置之间的距离的测量并将其标绘在分析图中(可借助于当地地图上的位置与距离资料来完成)，以及分别实测出各个污染源分布点对河流排放的表征污染物的质量G(污水体积与浓度之积的G也可借助于当地环保部门对该河流常规实测的分析资料)。该距离与G也可以在“N-G”综合实测中安排进行。

2．至少在上述污染源群所对应的受它们污染的潮汐河流水段的首尾二端各设置一个所需的“N-G”实测点，对河流水流量Q和各个时间段内所对应的河水流量Q中的表征污染物的质量G进行连续实测。

3．实测排入河流中的各个G在随潮流往复运动时的平均停留时间，即：G在潮汐河流中的平均停留潮次N。--本发明的关键。

表征N值的各条界线J之间的距离L采用如下的方法a或b测取：

a：

通过施放浮标群，让它们随往复潮流漂游，跟踪它们运动轨迹一类的方法，获取表示平均N的各条有关的潮次界线J之间的实际平均距离L，最后将各条界线J依次序根据不同的距离L标绘在分析图中。

b：

通过在河口位置实测点的实测：在某一时间段(年或月或周)内，测取进潮流量的平均值Q1和退潮流量的平均值Q2，以及涨憩时该处河流平均过水断面S1和落憩时该处河流过水断面S2的平均值S；

求取河口实测点与界线J1之间的平均距离L1:L1=(Q2-Q1)/s；并将界线J1标绘在分析图中。

(Q2-Q1)表明：某一时间段(年或月或周)内潮汐河流在河口位置实测点处过水断面的平均净排水量(上游下泄水量)。也就是它所能占据的从河口至上游方向的河段体积，水量取立方米为单位，平均过水断面S取平方米为单位，前后二者之比得到的L1，就意味着：凡是在不同时间里连续排放到L1河段内，即：河口至界线J1内的所有污染物的质点，都能在一个潮汐周期时间内(N为1)，最终被退潮水带出该潮汐河流的河口，并永不返回。

在L1处实测：在某一时间段(年或月或周)内，测取进潮流量的平均值Q1和退潮流量的平均值Q2，以及涨憩时该处河流平均过水断面S1和落憩时该处河流过水断面S2的平均值S。

求取界线J1与界线J2之间的平均距离L2:L2=(Q2-Q1)/S；并将界线J2标绘在分析图中。

这里的L2表明：在界线J1与界线J2之间的平均距离L2的范围内，不同时间排放的所有污染物的污染质点，将在二个潮汐周期时间内(N值为2)，最终被退潮水带出该潮汐河流的河口，并永不返回。

……

在L6处实测：在某一时间段(年或月或周)内，测取进潮流量的平均值Q1和退潮流量的平均值Q2，以及涨憩时该处河流平均过水断面S1和落憩时该处河流过水断面S2的平均值S。

求取界线J6与界线J7之间的平均距离L7:L7=(Q2-Q1)/S；并将界线J1标绘在分析图中。

4．依据“浓度叠加原理”关系式：F=KNG，借助于计算机，从图解中推算出具有评价意义的水质方面所有主要的预断数据。

此外：

为执行上述的各个指定的实测目标时需要具备的条件涉及：实测站，船(用于定时定点去河流宽度上的某一位置提取水样)，操作人员，标尺和流速仪一类的水文监测仪器，水质取样器皿和试管以及化学试剂一类的化学器材与材料，等等。

上述的计算机，它工作时采用的是：包括水文和水质二方面的为求取各个水质预断项目数据推算程序在内的专用软盘。

本发明的特点是：

1．依据“浓度叠加”原理而制定的“N-G”综合实测分析方法，将潮汐对河流的影响，即：N，直接测取，充分地在方法中体现出来，为提高实测分析的精度创造了条件。

2．将各种对潮汐河流水污染体系的次要影响因素，如：复氧作用，不同位置排放进河流的污染物相遇后的酸碱中合反应作用，河底污泥对水体污染作用，风速和环境温度的作用，等等影响，在对现有水体污染状况的水质(表征污染物的浓度)实测分析中都将包含进去。--水质预断的各个主要项目，均是以现有的河流水体表征污染物的浓度为基础，来预断其变化的程度(以百分比数据来表示)的。--这就为提高“N-G”综合实测分析方法的实测分析的综合函盖范围力度创造了条件。

3．由于本发明具有很强的可操作性，这就为最终建立常规的潮汐河流水质预断系统创造了条件。

图1示意了污染质量G中的污染质点在潮汐河流中的随潮流往复运动的轨迹。

图2是作为本发明实施例中“N-G”综合实测分析的测点布局与潮情N概况示意图。

A,B,C,D：污染物排放点；J1,……J7:1至7个潮次周期的界线；L1,……L7：各个潮汐周期界线之间的距离；测-1：污染水体首都的实测点(河口位置)；测-2：污染水体中部的实测点；测-3：污染水体尾部的实测点。

由图1所示：在涨潮时，从污染物排放点〖A〗和〖B〗同时分别排放的二个污染物质点，在潮汐河流中随着涨、落往复运动的潮流，向着下游河口方向推移时的运动轨迹。

污染物排放点〖A〗距离河口不远，排放的污染物质点在一个潮次(N为1)周期内，被退潮水最终带出何口。但在此之前，这个污染物质点有一次：与还是从排放点〖A〗在另一时间里排出的污染物质点相遇并进行了一次“浓度叠加”；而这个污染物质点有二次：与从污染物排放点〖B〗在另二个不同的时间里排出的污染物质点相遇并进行了二次“浓度叠加”。

污染物排放点〖B〗距离河口较远，排放的污染物质点在三个潮次(N为3)周期内，被退潮水最终带出何口。但在此之前，这个污染物质点有三次：与还是从排放点〖B〗在另一时间里排出的污染物质点相遇并进行了三次“浓度叠加”；而这个污染物质点有一次：与从污染物排放点〖B〗在另一个不同的时间里排出的污染物质点相遇并进行了一次“浓度叠加”。

由图1所示的情况仅是个特例，在同一时间里二个不同地点排放的各一个污染物质点的情况，如果说，在这二个污染物排放点〖A〗和〖B〗每天24小时连续均量排放污染物质点，那么，它们在潮汐河流中进行“浓度叠加”的情况就更为复杂了，但起码可以从宏观上认可一点：在潮汐河流中，由于有“浓度叠加”情况的存在，即：重复污染的情况存在，决大多数排放在河流中的污染质量G，它们对该河流的实际污染能力指数要大于或远大于自身的固有数值。

如果这个以N所表征的由污染质量G在潮汐河流中发生重复污染问题的平均值，不能在实测中将它充分地体现出来，对潮汐河流的水质预断方案就很难较准确地实现。

图2的实施例中，为解决实测中的非线性的问题，因此考虑在被实测分析的潮汐河流被污染的水体段中设置三个综合实测点；“N-G”综合实测的时间定在夏季七月的31天中进行，此期间平均气温较高，又经历了梅雨季节和连续高温的干旱季节二个有代表性的期间，其实测办法是：连续31天昼夜进行水文实测和取水样化验工作，以测取第一手资料。这项工作应该算当地的水利部门和环保部门的常规工作，只不过现在由二个部门携手共事而已。

本发明的基础部分：对潮汐河流沿岸现有的各个污染源分布点到河口位置之间的距离的测量，以及分别实测出各个污染源分布点对河流排放的表征污染物的质量G的工作。--可以在上述对河流整体的水文水质综合实测工作以外的时间段内进行。

本发明的关键部分：N的测取工作。--也可以在上述的综合实测以外的时间段内进行。

获取N的一个主要的方法实施方案：河流中几个根据不同的〖L〗确定的过水断面S的实测和这些断面S所对应的涨、落潮流量Q1和Q2的实测，属水利专业性的工作。也只是以前没有必要，才从未做过这类专为环保服务的水利实测工作，若环保部门需要，又要由二个部门携手共事。--实测的步骤详见上述的“本发明是这样实现-3”段。

经过本发明在夏季7月份上述的“N-G”综合实测，以五日生化耗养量：BOD作为表征污染物，其污染质量G的单位在这里可取：吨/潮次，借助于计算机并结合图解，现将有关数据列表如下： 项目    \             污染源           〖A〗    〖B〗    〖C〗    〖D〗    总计 排污体积与浓度之积： G吨/潮次          1         0.5      0.6      0.5     总G=2.6 G的往复潮次：        N   潮次          0.5       3        4.5      6 G的实际污染能力：    Fi=KNG            0.5K      1.5K     2.7K     3.0K    F=7.7K F的污染程度：        Ei=Fi/F           7％       19％     35％     39％    E=100％

从宏观上不难看出：

污染物排放点〖B〗和〖D〗的排污质量G都是0.5吨，完全相同。但由于其地理位置不同，即：离河口的距离不同，结果对河流被污染水体造成的污染程度也不同，二者相差一倍多。如果说，首先消灭污染物排放点〖B〗，则：可使河流的平均污染程度下降到现在的：100％-19％=81％；又如果说，投入相同的代价去灭污染物排放点〖D〗，则：可使河流的平均污染程度下降到现在的：100％-39％=61％。作为河流治污规划者来说，当资金不足时，肯定会首选花费同样代价而收效最大的拔除污染物排放点〖D〗的方案，使河流的被污染水体的平均BOD浓度下降到现在的61％。

现在已知从污染水体中部的实测点〖测-2〗测取的平均BOD浓度为16毫克/升；最高平均为20毫克/升。拔除污染物排放点〖D〗的方案实施后，该污染水体中部的实测点〖测-2〗位置的BOD浓度将会从上述的16毫克/升降低到9.8毫克/升；从上述的20毫克/升降低到12.2毫克/升。那时，在原河流被污染水体中将会测到溶解氧的含量。

另外，其它的一些有关的次要数据也能通过本发明的“N-G”综合实测来获取。

例如：污染水体尾部实测点〖测-3〗实测到从上游下来的清水带入该潮汐河流被污染水体中的BOD污染质量G为0.3吨/潮次；溶解氧量为0.4吨/潮次。污染水体首部的实测点〖测-1〗实测到的带出河口的BOD污染质量G为2.3吨/潮次；而河流沿岸污染物排放点〖A〗、〖B〗、〖C〗和〖D〗对河流的总排污量G为2.6吨/潮次，这时可推算出：污染水体首部的实测点〖测-1〗至污染水体尾部实测点〖测-3〗之间的河流水段的以空气复养为主导作用的自净能力为：(2.6-2.3+0.3-0.4)吨/潮次=0.2吨/潮次。

在上述的列表中，N是〖A〗、〖B〗、〖C〗和〖D〗四个排污点位置所对应的排污质量G在河流中停留的平均潮次。若整条潮汐河流的N受潮汐水情变化的影响而发生同步变化时，即：上述四个N成某一个平均倍数的变化时，也能将上述列表中四个排污点位置的各个G的实际污染能力“Fi”以及它的污染程度“Ei”重新推算出来。这个“某一个平均倍数”的具体数据，是通过真对某一类潮情，例：大潮情或小潮情的特定条件下实测出来的。

据此，潮汐河流上游来水对下游被污染水体的作用问题，也应该更全面地予以认识：

1．下泄的清水量对河流污染水体的有着挤压推移置换作用，即：缩短G在潮汐河流中的停留潮次N，最终使G对潮汐河流的实际污染能力指数F大幅度地降低的作用。

2．下泄的清水量对河流污染水体的稀释作用。

3．下泄的清水量含氧量较高，对河流污染水体有复氧降污作用。

上述三者中的第1作用，对降低河流污染水体的浓度起到主导的作用。对于被污染浓度越高的潮汐河流，它起到的主导作用就越明显，很可能大于稀释作用和复氧作用之和。这里，有个形相的比喻，可加深对上述情况的理解：

1．若：半杯被茶叶“污染”的茶水，加进半杯清水，经充分搅拌，再倒去一半，半杯水中的茶“污染”浓度减半。若再加进茶叶，茶水的“污染”浓度则在原来浓度减半的基础上再次攀升。--半杯清水只起到一个稀释和再稀释的作用。

2．若：半杯被茶叶“污染”的茶水，先全部倒去，再加进半杯清水(即：茶水被清水完全置换掉)，这半杯清水中被茶叶“污染”的浓度为零。只有重新对这半杯水加进茶叶，这半杯水才会被重新“污染”。--半杯清水起到置换作用和之后的稀释作用。

很显然，潮汐河流上游下泄清水量对河流被污染水体的作用类似于上述比喻中的第二种情况，是以置换为主导的作用，即：对水体的挤压推移置换过程中的N的变化为主导的作用。

在潮汐河流中，不采取任何的水利措施，它的上游下泄水量，即：对河口的排水量(退潮量与进潮量之差)，也就是净泄量，也会时多时少的，通常情况下：

1．大潮汛时期：

河流潮水大进大出，净泄量少，有时甚至没有净泄量，或净泄量为负值。此时，造成整条河流的N大幅度同步增加，而不断排入河流水体中的污染质量G，只是在随朝流往复运动，就是不易被带出河口，河流水体的被污染浓度自然就升高了；--一九六八年夏季上海的黄浦江变为“黑浦江”时正好处于大潮汛季节，而它上游太湖瓜颈口水位偏低，稳定在1.68米，低于正常水位1.72米。这是由于当时的持续高温天气，又常期不下雨，农田用水剧增，而当时上游的太浦河又处于尚未被疏通的状态，等等缘故造成的。

2．小潮汛时期：

河流潮水小进小出，净泄量大，有时甚至没有涨潮，在一个涨、落潮周期中几乎是全落潮，这时的净泄量最大。此时，造成整条河流的N同步大幅度减小，河流水体被上游下泄清水的置换速率加快，结果造成不断排入河流水体中的污染质量G，很快就被落潮水带出河口，河流水体的被污染浓度自然就大幅度下降了。

由此可见，再通过本发明的“N-G”综合实测分析的第一手数据资料也会从中发现：

在潮汐河流沿岸排污质量总G不变的情况下，由于上述的潮汐水情N的变化，也将会给河流水体被污染浓度造成很大的主导性变化。

综上所述：

在潮汐河流沿岸排污质量G有变化的情况下，或潮汐水情N有变化的情况下，或二者都有变化的情况下，通过本发明的“N-G”综合实测分析，是可以对潮汐河流作出事先的水质预断(预报)的。