一种寒区化冻期土壤内源污染释放汇流过程监测方法

摘要

本发明公开了一种寒区化冻期土壤内源污染释放汇流过程监测方法：（1）利用流域30m精度的数字高程地图，进行均衡区划分，根据土地利用情况，进行下垫面类型识别；（2）分析化冻期区域尺度上的水文特性和污染物析出规律，确定区域尺度的土壤污染物释放源强；（3）根据质量平衡法分析各均衡区化冻期水量及污染物的均衡过程；（4）根据数字高程地图获取、调整均衡区，并回转执行步骤（1），直至所需均衡区的水量和污染物质量均衡分析均执行完毕；（5）寒区化冻期水资源污染物释放源强数据的计算、显示、数据输出及预警。本发明采用30m精度的数字高程地图，提高了计算精度，解决一般数据模型计算结果不直观、治理难的问题，信息明确直观。

说明书

技术领域

本发明属于寒区水资源污染监测与治理技术领域，特别涉及一种寒区化冻期土壤内源污 染释放汇流过程监测方法。

背景技术

水资源由于其形成特点，通常其污染物来源于一个区域范围，而对于区域的污染物的数 量和过程的测定，则远远不像工业污染物排放那样，在排污口监测流量和浓度过程即可。在 区域上，污染物在产生机理、径流条件以及进入水资源承载体过程中都存在着很大的变异性 和不确定性。而在寒区，由于寒区特殊的环境，冻结过程中，污染物会在土壤中聚集，形成 内源，而如何在区域上实现内源释放过程监测，则涉及到三个方面的问题：(1)水体的流动 是内源污染释放的动力学条件，在区域范围内，不同下垫面影响水流运动的关键因素—径流 条件表现出显著的差异，对于内源释放过程需要首先考虑这种差异；(2)由于化冻期土壤中 的内源污染是低浓度的融化水体和高浓度的未冻结水体之间的部分掺混，传统的对流弥散关 系式不适用污染物对于水文过程的驱动响应，当流域存在多种土壤的情况下，则由于不同土 壤融化曲线的差异，内源污染释放过程会表现出显著的差异，而如何实现内源污染过程的有 效监测则面临着重大挑战，此外(3)在多孔介质中，特别是冰水共同存在土壤中，如何直接 进行污染物迁移的实时监测，则更是远未解决的问题。

寒区冻土融化期内源污染释放过程监测与实时监控体系的建立离不开以下几个方面技术 的进步与支撑：

(1)土壤、水文与污染物自动监测技术的集成，单一的水文自动观测和污染物自动站均 无法获取较准确可信的内源示范数据，而且在化冻期，由于区域包括不同的下垫面类型和土 壤类型，需要将土壤、水文和污染指数等数据统一实现数据集成；

(2)海量数据的存储和连续监测数据的实时传输技术也对寒区冻土融化期的水文及面源 污染物通量实时监测起到约束作用；

(3)GPS、DGPS与GIS技术的成熟和发展为建立多维的寒区化冻期水资源污染物的土 壤内源释放监测体系提供了可能；

(4)流域产汇污机理研究和模型开发是实现全域河流污染通量监测的重要依据，也为建 立河流污染通量监测体系大大节约了人力、物力和财力成本。

由于以上四个方面的技术需求，在寒区冻土融化期内源污染释放过程监测中需要将污染 物数据通过算法模型、地理模型的集成，实现监测数据的精确计算和数据解析。目前数据方 法侧重于“汇”的监测，也就是污染物进行水体后对水体产生影响的监测，并没有针对寒区 内源污染释放，即“源”过程的系统监测方法，以及系统的监测数据解析方法。

如上所述，一套完整的寒区冻土化冻期水资源污染物土壤内源释放监测体系还没有建立 起来，无法为解决日趋严重的寒区冻土融化期水资源污染问题提供科学支持。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种寒区化冻期土壤内源污染释放汇流过程监 测方法，以获得冻土化冻期土壤内源释放规律，分析化冻过程中土壤的中的内源释放过程和 均衡过程及其变化规律，为实现寒区水资源污染物“源释放”的远程数字化监测提供支持。

本发明所提供的技术方案具体如下：

一种寒区化冻期土壤内源污染释放汇流过程监测方法，包括以下步骤：

(1)利用流域30m精度的数字高程地图，进行均衡区划分，根据土地利用情况，进行 下垫面类型识别；

(2)分析化冻期区域尺度上的水文特性和污染物析出规律，确定区域尺度的土壤污染物 释放源强；

(3)根据质量平衡法分析各均衡区化冻期水量及污染物的均衡过程；

(4)根据数字高程地图获取、调整均衡区，并回转执行步骤(1)，直至所需均衡区的水 量和污染物质量均衡分析均执行完毕；

(5)寒区化冻期水资源污染物释放源强数据的计算、显示、数据输出及预警；所述的污 染物至少包括NH₄⁺、NO₃^-。

所述的确定区域尺度的土壤污染物释放源强的方法为：

方法(一)：

①通过式(1)和式(2)计算冻土中水流运动的通量q_tot：

$q_{tot}=K\left(h\right)(\frac{\Delta T}{\Delta z}\sigma h+\frac{\Delta h}{\Delta z}+1)---\left(1\right)$

其中，q_tot为冻土中水流运动的通量，K(h)为水力传导度，h为土壤基质势，T为温度， z为土壤深度，σ为水动力粘滞系数；

冻土中土壤基质势与温度的关系表述为克劳修斯-克拉佩龙方程：

$h=\frac{L_f}{g}ln\frac{T_m-T}{T_m}---\left(2\right)$

式(2)中，L_f为潜热，T为温度，T_m为土壤水的结冰温度，g为重力加速度；

②现场测定污染物释放动力学系数k，通过式(3)计算化冻期土壤污染物释放浓度c：

c＝c₀e^-kt(3)

式(3)中，c为化冻期土壤污染物释源强浓度，c₀为化冻期土壤污染物本底浓度，t为 污染释放时间，k为污染物释放动力学系数；

③计算污染物的释放量

污染物的释放量＝q_totc(4)

④计算源强

源强＝污染的释放量/释放时间(5)；

或方法(二)：

根据质量平衡法，在均衡区内，不考虑子流域河道水体中储量变化导致的通量变化，均 衡区出口位置的污染物通量为：

M_oi＝M_pi+M_npi-ΔM_i(6)

其中，M_oi为均衡区出口位置控制断面污染物通量，M_npi为点源污染入河通量，M_pi为 冻土源强污染入河通量，ΔM_i为河道中污染物的衰减通量。

所述的方法(一)采用多参数水质分析仪现场测定污染物浓度。

所述的方法(二)采用多普勒流速仪测定均衡区控制断面流速。直接得到了寒区化冻期 水资源污染指数。

所述的寒区化冻期水资源污染物释放源强数据的显示采用折线图方式，选取观测均衡区 的时间作为横坐标，污染物通量为纵坐标，绘制出指定河流指定区域冻结过程中的污染指数 的变化趋势，选取一年的12月份至下一年4月份作为横坐标，区域的污染物浓度为纵坐标， 直观反映区域的污染情况。

所述的寒区化冻期水资源污染物释放源强数据的显示，其用户视图与标准地理经纬度坐 标相对应。河流坐标定位精确可靠。

与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：

(1)采用30m精度的DEM(DigitalElevationModel)数字高程地图数据，以对小流域 尺度中子流域进行精确划分；

(2)采用多普勒流速仪型流速仪进行均衡区控制断面流速，采用多参数水质分析仪现场 测定污染物浓度，采用解析反演法根据同期进行的惰性离子水团迁移过程监测数据确定污染 物纵向弥散系数，实现了现场全部参数的实时测定，根据数学模型计算上、下游断面污染物 浓度，河道污染物降解系数；

(3)绘制指定河流指定区域冻结过程中的污染指数的变化趋势，采用的是折线图方式， 选取一年的12月份至下一年4月份作为横坐标，区域的污染物浓度为纵坐标，直观反映区域 的污染情况；

(4)寒区化冻期各均衡区的土壤污染物释放源强的数据显示采用的是折线图方式，选取 观测汇流区的时间作为横坐标，污染物释放源强为纵坐标，直观反映土壤污染物释放的源强 的情况；

(5)用户视图与标准地理经纬度坐标对应，河流坐标定位精确可靠。

具体实施方式

为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合实施例对本发明作进一步的 详细描述，应当理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发 明。

一种寒区化冻期土壤内源污染释放汇流过程监测方法，包括以下步骤：

(1)利用流域30m精度的数字高程地图，进行均衡区划分，根据土地利用情况，进行 下垫面类型识别；

(2)分析化冻期区域尺度上的水文特性和污染物析出规律，确定区域尺度的土壤污染物 释放源强；

(3)根据质量平衡法分析各均衡区化冻期水量及污染物的均衡过程；

(4)根据数字高程地图获取、调整均衡区，并回转执行步骤(1)，直至所需均衡区的水 量和污染物质量均衡分析均执行完毕；

(5)寒区化冻期水资源污染物释放源强数据的计算、显示、数据输出及预警；所述的污 染物至少包括NH₄⁺、NO₃^-。

本发明的核心数字高程地图和流域地理信息，本发明包括河流含水量显示、河流污染指 数显示、污染物析出入河通量显示和水均衡、污染物均衡计算四大功能。

本发明通过对饮马河二级支流双阳河的河源流域(研究区域)10个均衡区的寒区冻土融 化期水资源污染物析出入河检测来详细阐述本发明的技术方案，具体实施步骤如下：

1.载入了研究区域的流域地图；

2.选择均衡区查看日期界面，输入需要查看的日期，即可查看到指定日期的均衡区颜色 预警信息；

3.通过选择均衡区污染点源，可以进入查看任意污染点源的污染指数的变化，包括NH₄⁺、 NO₃^-浓度；

4.通过选择需要查看的均衡区以及输入需要查看日期，可以查看到指定子流域污染指数 的变化，包括NH₄⁺、NO₃^-含量以及土壤含水率；

5.更改污染点源信息，从而重新进行子流域污染物含量计算以及重新进行预警；

6.计算研究区域的流域化冻期土壤污染物释放源强，重新计算一次流域污染物情况；

7.通过刷新视图，可以重新通过步骤1-5重新查看黑顶子河流域监测预警信息。

确定区域尺度的土壤污染物释放源强的方法为：

方法(一)：

①通过式(1)和式(2)计算冻土中水流运动的通量q_tot：

$q_{tot}=K\left(h\right)(\frac{\Delta T}{\Delta z}\sigma h+\frac{\Delta h}{\Delta z}+1)---\left(1\right)$

其中，q_tot为冻土中水流运动的通量，K(h)为水力传导度，h为土壤基质势，T为温度， z为土壤深度，σ为水动力粘滞系数；

冻土中土壤基质势与温度的关系表述为克劳修斯-克拉佩龙方程：

$h=\frac{L_f}{g}ln\frac{T_m-T}{T_m}---\left(2\right)$

式(2)中，L_f为潜热，T为温度，T_m为土壤水的结冰温度，g为重力加速度；

②现场测定污染物释放动力学系数k，通过式(3)计算化冻期土壤污染物释放浓度c：

c＝c₀e^-kt(3)

式(3)中，c为化冻期土壤污染物源强释放浓度，c₀为化冻期土壤污染物本底浓度，t 为污染释放时间，k为污染物释放动力学系数；

③计算污染物的释放量

污染物的释放量＝q_totc(4)

释放污染物进入河道的质量等于进入河道的水量(采用(1)式和(2)式计算)与浓度 (采用(3)式计算)的乘积；

④计算源强

源强＝污染的释放量/释放时间(5)；

或方法(二)：

根据质量平衡法，在均衡区内，不考虑子流域河道水体中储量变化导致的通量变化，污 染物出口位置的通量为：

M_oi＝M_pi+M_npi-ΔM_i(6)

其中，M_oi为均衡区出口位置控制断面污染物通量，M_npi为点源污染入河通量，M_pi为 冻土源强污染入河通量，ΔM_i为河道中污染物的衰减通量；在各级均衡区，测定均衡区出口 位置的污染物的质量，在没有河道衰减的情况下，这个污染物的质量与区域尺度的出口控制 断面测定的质量是相等的。区域尺度控制断面的污染物质量与所有均衡区的质量之和的差， 即可污染物在河道中的衰减量，这样，通过区域尺度和均衡区两级尺度的质量测定，即能够 确定化冻期区域尺度的土壤污染物释放源强。

本实施例采用30m精度的数字高程地图，通过获取研究区域流域10个均衡区的河流信 息，通过质量平衡法监测土壤污染物源强，结合信息的地理特征，将汇流区的信息通过图像 变化反映到程序界面的“流域显示区”，直接在区域地图上显示。上述研究区河流域污染物监 测方法结合了DEM数字高程地图，提高了计算精度，解决一般数据模型计算结果不直观、 治理难的问题，信息明确直观，且在该领域具有独创性。

应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。

应当理解的是，上述针对较佳实施例的描述较为详细，并不能因此而认为是对本发明专 利保护范围的限制，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明权利要求所 保护的范围情况下，还可以做出替换或变形，均落入本发明的保护范围之内，本发明的请求 保护范围应以所附权利要求为准。