小流域農(nóng)業(yè)面源污染監(jiān)測(cè)斷面設(shè)置與污染物通量估算研究進(jìn)展*

李 影,秦麗歡,雷秋良,羅加法,杜新忠,閆鐵柱,劉宏斌

(1：中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所,農(nóng)業(yè)農(nóng)村部面源污染控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100081) (2：中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所,資源與環(huán)境信息系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100101) (3：中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049) (4：北京市生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中心，北京 100048) (5：新西蘭農(nóng)業(yè)科學(xué)院，漢密爾頓 3240)

農(nóng)業(yè)面源污染指在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和農(nóng)村生活區(qū)域,氮、磷等營(yíng)養(yǎng)鹽及其他污染物受水力驅(qū)動(dòng)以隨機(jī)、分散、無(wú)組織方式進(jìn)入受納水體引起的水質(zhì)惡化[1]. 農(nóng)業(yè)面源污染對(duì)水體污染的貢獻(xiàn)率在世界大部分國(guó)家超過(guò)了50%[2]. 我國(guó)作為農(nóng)業(yè)大國(guó),同樣面臨農(nóng)業(yè)面源污染這一重大環(huán)境問(wèn)題[3]. 兩次全國(guó)污染源普查數(shù)據(jù)顯示,2007年我國(guó)農(nóng)業(yè)源總氮、總磷排放量分別占排放總量的57.2%和67.4%,到2017年數(shù)值有所降低,但仍占到46.5%和67.2%[4-5],這說(shuō)明農(nóng)業(yè)面源是我國(guó)當(dāng)前乃至未來(lái)一段時(shí)期的重要污染源.

監(jiān)測(cè)、規(guī)劃、實(shí)施、評(píng)估等一系列系統(tǒng)性方法的綜合使用是農(nóng)業(yè)面源污染有效控制的前提和基礎(chǔ),其中監(jiān)測(cè)是極其重要的一環(huán). 各國(guó)近年來(lái)開展了許多水質(zhì)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目用于流域管理. 這些項(xiàng)目的制定一般遵循以下幾個(gè)目的：1)摸清當(dāng)前的水質(zhì)現(xiàn)狀[6]；2)解析點(diǎn)源和面源污染[6]；3)為流域模型提供數(shù)據(jù)支持[7-8]；4)在確定邊界條件和監(jiān)測(cè)時(shí)間的前提下對(duì)河流的長(zhǎng)期污染趨勢(shì)進(jìn)行評(píng)估[9-10]；5)評(píng)估最佳管理措施(best management practices,BMPs)的有效性,為政策和管理措施的制定提供指導(dǎo)[9-11].

相較于森林/草地主導(dǎo)的流域,農(nóng)業(yè)小流域受灌溉和施肥等農(nóng)業(yè)活動(dòng)的影響,流域內(nèi)河流的水文水質(zhì)有較高的時(shí)空變異性[12]. 此外,在農(nóng)業(yè)主導(dǎo)的流域,施肥期往往和高流量期(晚春季節(jié)或早夏)耦合,導(dǎo)致季節(jié)性的通量估算偏差變大[13-16]. 在管道排水的流域(如城市和現(xiàn)代農(nóng)牧區(qū))[17-19],由于雨污的收集設(shè)施較為完善,可將樣點(diǎn)布設(shè)在管道節(jié)點(diǎn)及出口處. 而傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)主導(dǎo)的流域,由于其污染物的廣域分散性、運(yùn)輸途徑的多樣無(wú)序性和水文水質(zhì)的高時(shí)空變異性,采樣斷面的布設(shè)需要考慮的因素更為復(fù)雜[20]. 《流域農(nóng)業(yè)面源污染監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》(NY/T 3824-2020)中規(guī)定了流域農(nóng)業(yè)面源污染監(jiān)測(cè)技術(shù)的監(jiān)測(cè)斷面設(shè)置與采樣、監(jiān)測(cè)指標(biāo)及方法、流域農(nóng)業(yè)面源污染的結(jié)果表達(dá)與質(zhì)量控制等要求[1]. 盡管目前面源污染的控制取得了極大的進(jìn)步,但如何使面源管控措施兼顧經(jīng)濟(jì)性和有效性,還需要進(jìn)一步的研究.

河流斷面污染物濃度測(cè)量及通量估算可以表征各類污染物對(duì)河流水質(zhì)的影響,是各類模型校驗(yàn)的主要數(shù)據(jù)源,也是進(jìn)行流域主要污染源和污染區(qū)識(shí)別的直接依據(jù). 流域研究方案的制定,是在了解流域基本情況的基礎(chǔ)上,對(duì)流域水質(zhì)采樣斷面的位置、采樣的時(shí)間和頻率進(jìn)行確定[21]. 本文從農(nóng)業(yè)小流域水質(zhì)監(jiān)測(cè)的采樣點(diǎn)的布設(shè)、采樣頻率的確定和通量估算方法的選擇入手,梳理了國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展,旨在為我國(guó)的小流域農(nóng)業(yè)面源污染監(jiān)測(cè)設(shè)定和最佳通量估算方法的選擇提供參考.

1 采樣位置和采樣方式的確定

河流斷面監(jiān)測(cè)是獲取流域水質(zhì)基本特征,制定管理決策的重要基礎(chǔ)手段[22]. 具有代表性的樣本采集,對(duì)水質(zhì)的準(zhǔn)確表征和管理至關(guān)重要,在流域決策中也具有重要意義[23-24]. 采樣位置的選擇可以影響監(jiān)測(cè)的結(jié)果,是能否達(dá)到監(jiān)測(cè)目標(biāo)的決定因素[25]. 水樣的采集和分析需要巨大的經(jīng)濟(jì)投入,這是我國(guó)河流水質(zhì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)數(shù)量的主要限制因素[26]. 如何在資金預(yù)算有限的前提下,合理布設(shè)水質(zhì)監(jiān)測(cè)斷面,優(yōu)化各監(jiān)測(cè)指標(biāo)的采樣頻率,是亟需解決的問(wèn)題.

1.1 流域監(jiān)測(cè)類型

流域監(jiān)測(cè)可根據(jù)監(jiān)測(cè)需求劃分為3種類型：第1類是常規(guī)監(jiān)測(cè)采樣設(shè)計(jì)或概要設(shè)計(jì)(probabilistic design),即采用隨機(jī)的方式在流域進(jìn)行采樣點(diǎn)設(shè)置,該方式主要為了能夠?qū)α饔蛴休^為公正客觀的認(rèn)識(shí)和評(píng)價(jià)；第2類是針對(duì)性監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)(targeted design),此種方式是較為常用的設(shè)計(jì)方式,是根據(jù)對(duì)具體問(wèn)題的認(rèn)知或即將發(fā)生事件的認(rèn)知進(jìn)行采樣點(diǎn)設(shè)計(jì)的監(jiān)測(cè)類型,比如研究最佳管理措施的應(yīng)用效果；第3類是融合前兩種類型的監(jiān)測(cè)采樣設(shè)計(jì)(combination of targeted and probabilistic). 針對(duì)性監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)的主要分類及優(yōu)缺點(diǎn)的比較見表1[27].

表1 監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)的分類及特點(diǎn)[27]

1.2 樣點(diǎn)布設(shè)方法

自1970s以來(lái),地表水質(zhì)監(jiān)測(cè)網(wǎng)的布設(shè)便受到了廣泛關(guān)注,針對(duì)水質(zhì)監(jiān)測(cè)斷面的設(shè)置也開展了很多研究[28]. 采樣斷面一般分為背景斷面和控制斷面兩類：背景斷面應(yīng)布設(shè)在基本未受人類活動(dòng)干擾的河流源頭位置；控制斷面應(yīng)布設(shè)于順直河段、河床穩(wěn)定、水流集中、無(wú)淺灘處,避開死水區(qū)、回水區(qū)、排水口處[1]. 背景斷面的布設(shè)考慮因素較為簡(jiǎn)單,但控制斷面的布設(shè)需要對(duì)流域特征和監(jiān)測(cè)目的進(jìn)行綜合考慮,樣點(diǎn)布設(shè)的合理性是后續(xù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析的前提[28-29],如果采樣點(diǎn)的代表性不足，采樣頻率、數(shù)據(jù)分析和呈現(xiàn)的特征就變得無(wú)關(guān)緊要[23].

最初水質(zhì)樣本的采集只考慮便捷性,如在橋下布設(shè)采樣點(diǎn)[30],隨著地理信息系統(tǒng)技術(shù)和數(shù)學(xué)算法的發(fā)展,水質(zhì)采樣點(diǎn)的布設(shè)方法有了很大的進(jìn)步,如遺傳算法[31]、模糊邏輯法[32]、熵值法[33]和模型法[34]等. 下面介紹幾種常用的水質(zhì)采樣點(diǎn)設(shè)置和優(yōu)化方法.

1.2.1 河網(wǎng)拓?fù)浞?該方法將流域上游最小的不分枝支流指定為一級(jí)支流,將僅由一級(jí)支流組成的河流定義為二級(jí)支流,從而確定河流的等級(jí). 河流等級(jí)確定后,通過(guò)尋找質(zhì)心的方式找到采樣點(diǎn)的位置,并通過(guò)計(jì)算流域出口處河網(wǎng)的連接點(diǎn)數(shù)目獲得流域采樣點(diǎn)個(gè)數(shù)[35-36]. Asadi等考慮了每個(gè)采樣點(diǎn)的潛在污染，并將此方法在伊朗進(jìn)行了應(yīng)用[37]. 該方法可有效地識(shí)別潛在的污染源[38],簡(jiǎn)單且對(duì)歷史水質(zhì)數(shù)據(jù)的需求較低,適用于河流分枝不多的大流域,如果分枝的數(shù)量過(guò)多(如分枝超過(guò)100時(shí))或沒(méi)有分枝時(shí),采用此種方法會(huì)存在困難[23-24].

1.2.2 模糊邏輯法 該方法主要根據(jù)模糊函數(shù)計(jì)算的值對(duì)監(jiān)測(cè)站進(jìn)行排序,選取耕地面積百分比、建成面積百分比、面源污染量、綠化覆蓋率、滑坡面積比、山坡過(guò)度利用率、水質(zhì)監(jiān)測(cè)站密度等指標(biāo),采用加權(quán)法對(duì)子流域進(jìn)行評(píng)分,在得分較高的子流域增加水質(zhì)監(jiān)測(cè)站,該理論結(jié)合多準(zhǔn)則分析提高了數(shù)據(jù)分類和排序的客觀性[32]. 該方法在中國(guó)臺(tái)灣、伊朗等地區(qū)得到了很好的應(yīng)用[39]. 模糊理論在復(fù)雜決策過(guò)程的情況下具有以下優(yōu)勢(shì)：1)理論規(guī)則簡(jiǎn)單,易解釋和理解；2)是一種高級(jí)分類方法,通過(guò)模糊隸屬函數(shù)處理信息的不確定性；3)適用于需要通過(guò)區(qū)分等級(jí)之間的實(shí)際差異來(lái)對(duì)優(yōu)先級(jí)進(jìn)行排名的決策過(guò)程[39]. 模糊方法被認(rèn)為比傳統(tǒng)的分類模型(如自然斷裂法)更客觀、更準(zhǔn)確,為了節(jié)省預(yù)算,在模糊理論法指定為一級(jí)的子流域內(nèi)新建水質(zhì)監(jiān)測(cè)站更為可行[32].

1.2.3 遺傳算法 該方法定義了適應(yīng)度函數(shù),該函數(shù)為河流系統(tǒng)的代表性、水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)、用水監(jiān)督、污染源監(jiān)測(cè)和水質(zhì)變化檢查5個(gè)對(duì)開發(fā)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)至關(guān)重要的標(biāo)準(zhǔn)的線性組合. 利用地理信息數(shù)據(jù)對(duì)適應(yīng)度函數(shù)進(jìn)行一系列計(jì)算,得出適合度等級(jí),并對(duì)世代數(shù)、種群大小、交叉和變異概率等主要參數(shù)進(jìn)行敏感性分析,以確定良好的適應(yīng)度水平和最優(yōu)解的收斂性. Park等[31]利用遺傳算法和地理信息系統(tǒng)相結(jié)合的方法,設(shè)計(jì)了一個(gè)有效的大型河流水質(zhì)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò). 雖然用遺傳算法得到的監(jiān)測(cè)網(wǎng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)優(yōu)于傳統(tǒng)的主觀設(shè)計(jì)[22],但還需要進(jìn)一步的研究來(lái)定義適應(yīng)度函數(shù),使得這些函數(shù)可以代表選擇標(biāo)準(zhǔn)之間的綜合關(guān)系或優(yōu)先級(jí).

1.2.4 熵值理論 該方法利用熵值理論,在考慮系統(tǒng)中最大不確定性和最小冗余信息的前提下,選擇監(jiān)測(cè)網(wǎng)中采樣點(diǎn)和采樣頻率的最佳組合. 先利用河流水質(zhì)模擬模型生成河流沿岸幾個(gè)潛在監(jiān)測(cè)點(diǎn)的水質(zhì)數(shù)據(jù),再利用熵理論對(duì)含有冗余信息的臺(tái)站進(jìn)行剔除. 該方法在伊朗南部的Karoon河進(jìn)行了應(yīng)用[33],可以方便地對(duì)現(xiàn)有的監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行評(píng)價(jià)和修正,但要求現(xiàn)有采樣網(wǎng)絡(luò)有足夠數(shù)據(jù),以獲得具有統(tǒng)計(jì)顯著性的結(jié)果[40].

1.2.5 模型法 TWSST(targeted watershed site selection tool)模型由美國(guó)威斯康辛州自然資源部研發(fā)[34],該模型進(jìn)行監(jiān)測(cè)點(diǎn)位布設(shè)的原理是先利用秩相關(guān)檢驗(yàn)和典型相關(guān)找到水質(zhì)和參數(shù)的關(guān)系,進(jìn)而通過(guò)K值聚類分析對(duì)河網(wǎng)進(jìn)行分組,使得每組的各水質(zhì)參數(shù)絕對(duì)差異化,從而得到流域監(jiān)測(cè)點(diǎn)位的分布. 該模型可以采用先驗(yàn)方法進(jìn)行有效的流域監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì),也可以通過(guò)后驗(yàn)方法確定監(jiān)測(cè)位置所代表的空間范圍.

河流物理、化學(xué)以及生物特性受到自然和人為因素的干擾,流域的監(jiān)測(cè)斷面位置和監(jiān)測(cè)斷面密度需要能夠反映這些自然和人為因素,這就要求設(shè)計(jì)者對(duì)流域內(nèi)影響因素的分布和未來(lái)的變化趨勢(shì)有清晰的了解[23,41]. 因此,流域采樣點(diǎn)的空間布設(shè),需要結(jié)合地理和人為要素,充分利用地統(tǒng)計(jì)分析方法的優(yōu)勢(shì),結(jié)合多變量統(tǒng)計(jì)方法和優(yōu)化算法,對(duì)采樣點(diǎn)位置進(jìn)行確定[38].

1.3 采樣方式

采樣的方式可以分為4種類型：隨機(jī)采樣、復(fù)合采樣、綜合采樣以及連續(xù)采樣. 其中,隨機(jī)采樣指的是在某個(gè)地方一次性采樣,并不適用于需要考慮采樣對(duì)象的空間異質(zhì)性的采樣,如分層的湖泊、水質(zhì)隨時(shí)間的變化(如降雨事件的影響)；復(fù)合采樣方式是一系列隨機(jī)采樣的集合,可以分為時(shí)間加權(quán)和流量加權(quán)兩種采樣類型,時(shí)間加權(quán)指在固定時(shí)間間隔進(jìn)行采樣,流量加權(quán)指流量到一定的峰值進(jìn)行采樣；綜合采樣指考慮水體水質(zhì)空間變化,將不同位置的采樣點(diǎn)混合后作為原始樣品的采樣方式；連續(xù)采樣則需借助自動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備進(jìn)行,一般用于溶解氧、pH、電導(dǎo)率等指標(biāo)的監(jiān)測(cè). 表2列出了不同采樣方式能實(shí)現(xiàn)的研究目標(biāo),從表中可以看出復(fù)合采樣適合大多數(shù)研究[27,42].

不同的研究目標(biāo)對(duì)監(jiān)測(cè)的頻率、時(shí)間和數(shù)據(jù)分析強(qiáng)度的要求不同. 監(jiān)測(cè)頻率受研究對(duì)象的影響較大,如措施的有效性監(jiān)測(cè)需要比趨勢(shì)監(jiān)測(cè)采用更高的采樣頻次,而趨勢(shì)監(jiān)測(cè)則需要更長(zhǎng)的監(jiān)測(cè)時(shí)間[43]. 表2列出了不同監(jiān)測(cè)類型所需要的監(jiān)測(cè)頻率、持續(xù)時(shí)間和數(shù)據(jù)分析強(qiáng)度[42].

表2 采樣方式及其主要特征

※表示各目標(biāo)所需的采樣方式.

1.4 采樣頻率的確定與調(diào)整

在監(jiān)測(cè)項(xiàng)目設(shè)計(jì)過(guò)程中,設(shè)計(jì)者對(duì)監(jiān)測(cè)位置的布設(shè)給予了高度關(guān)注,但對(duì)監(jiān)測(cè)頻率的關(guān)注卻并不充分,Nguyen等評(píng)估了59項(xiàng)研究,只有1項(xiàng)研究考慮了監(jiān)測(cè)頻率和監(jiān)測(cè)成本[44]. 當(dāng)前,流量已可以用現(xiàn)場(chǎng)儀器連續(xù)或近連續(xù)測(cè)量(水位-流量傳感器可以通過(guò)水位和流量的特定關(guān)系將測(cè)量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為流量數(shù)據(jù))[45-46],測(cè)量精度也較高. 例如,美國(guó)地質(zhì)勘探局的7個(gè)測(cè)站的流量的測(cè)量效果較好,測(cè)量誤差僅為5%～10%[47]. 而水質(zhì)指標(biāo)的濃度測(cè)量由于人力和財(cái)力的限制大部分還是離散采樣(如1次/周或1次/月)[48-50],這導(dǎo)致在通量估算過(guò)程中,樣品收集帶來(lái)的不確定性較高,達(dá)到了累計(jì)不確定性的 ±4%～±50%[51]. 雖然有研究表明采樣頻率越高,對(duì)污染物動(dòng)態(tài)變化過(guò)程的描述越精確[52-53],但是高頻率水質(zhì)監(jiān)測(cè)需要耗費(fèi)較多的人力物力,往往不太現(xiàn)實(shí). Kovács等研究發(fā)現(xiàn)將采樣頻率從1次/d降低到1次/3 d,可以節(jié)省大約50%的成本[54]. 因此,合理地設(shè)置采樣頻率可以減少樣品采集和測(cè)試中產(chǎn)生的成本消耗. 國(guó)內(nèi)外對(duì)采樣頻率對(duì)通量估計(jì)影響的研究總結(jié)見表3.

1.4.1 采樣頻率的確定 雖有部分學(xué)者提出采用時(shí)間序列自相關(guān)分析結(jié)合數(shù)據(jù)分布特征來(lái)設(shè)定較為現(xiàn)實(shí)合理的監(jiān)測(cè)頻率[49,55],但多數(shù)仍是采用偏差分析的方法比較不同采樣頻率相對(duì)于最高采樣頻率下平均濃度的誤差值,從而得到滿足一定誤差范圍的合理采樣頻率[52,56]. 通常采樣頻率降低時(shí),檢測(cè)具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義趨勢(shì)的能力會(huì)下降[57],通量估計(jì)的準(zhǔn)確度也會(huì)隨著采樣頻率的降低而降低,并且采樣頻率的降低對(duì)不同的水質(zhì)指標(biāo)造成的誤差結(jié)果不同[58]. 河流水文監(jiān)測(cè)的不確定性易受水文特征和流域特征的影響. 水文特征包括：水文響應(yīng)關(guān)系、濃度-流量相關(guān)關(guān)系、基流指數(shù)(base flow index，BFI)和變率指數(shù)(flashiness index，F(xiàn)I)等[49,59-61]；流域特征包括人口密度、流域尺度等[62-63]. 因此,采樣頻率的設(shè)定取決于流域特征[62],尤其是水文條件[49]和濃度行為[64].

1.4.2 采樣頻率的優(yōu)化 濃度與流量的復(fù)雜關(guān)系將會(huì)對(duì)通量估算產(chǎn)生影響[12,68],在高流量事件中,流量和濃度之間通常存在強(qiáng)相關(guān)關(guān)系[16,64],水位上升期間,物質(zhì)濃度可能達(dá)到最大,在第一次沖刷之后則有可能產(chǎn)生稀釋效應(yīng),濃度逐漸降低[69-70],大量懸浮沉積物的運(yùn)輸可能只發(fā)生在高流量時(shí)期[71],高流量事件貢獻(xiàn)了營(yíng)養(yǎng)物的主要年通量[46,72]. 因此,基于水文變異的采樣方案對(duì)通量估算來(lái)說(shuō)是最準(zhǔn)確的[63],并且河流監(jiān)測(cè)采樣應(yīng)盡可能多地捕捉高流量事件,至少累積涵蓋年流量的80%～85%[46,73-74],這就要求在暴雨徑流等事件發(fā)生時(shí)進(jìn)行加密觀測(cè)[56].

相較于自然植被覆蓋的流域,農(nóng)業(yè)流域由于灌溉和施肥等農(nóng)業(yè)活動(dòng)的影響,河流水文水質(zhì)的時(shí)空變異性較高[12],且存在特定的季節(jié)特征,導(dǎo)致季節(jié)性的通量估算變異變大[13-16]. 此外,在較小的流域或者流域上游水文響應(yīng)關(guān)系較強(qiáng),水文特征的時(shí)空變異較大,通量估算的偏差也較大[49,62,75-77]. 在這類站點(diǎn),低頻率的采樣不能捕獲短時(shí)內(nèi)發(fā)生的水文的快速響應(yīng)[61,75,78].

由于變異因素的存在,如研究區(qū)域獨(dú)特的特征和特殊的河流水文狀況、不同的算法、不同的污染物和研究持續(xù)時(shí)間等,現(xiàn)有研究結(jié)果很難被普適化[48,79]. 對(duì)于時(shí)間自相關(guān)性強(qiáng)的污染物序列,其濃度變化穩(wěn)定,可在保證精度的前提下,減少頻率來(lái)降低成本；而對(duì)于污染物時(shí)間變異性較大的序列,若要反映真實(shí)的水質(zhì)變化過(guò)程,則需要提高采樣頻率[49,55]. 因此,需要及時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析,對(duì)于時(shí)間序列變化相對(duì)不穩(wěn)定的指標(biāo)進(jìn)行加密監(jiān)測(cè)和頻率調(diào)整. 《流域農(nóng)業(yè)面源污染監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》(NY/T 3824-2020)中規(guī)定了加密監(jiān)測(cè)時(shí)段,分別為農(nóng)業(yè)面源污染劇增期(耕作、施肥等農(nóng)事活動(dòng)密集,且發(fā)生徑流排水并引起控制斷面水位明顯變化的時(shí)段)和人口劇增時(shí)段(如重要節(jié)假日或旅游季節(jié)). 此外,規(guī)范中還規(guī)定汛期監(jiān)測(cè)頻率應(yīng)高于非汛期[1].

表3 采樣頻率和算法對(duì)流域通量估算影響研究總結(jié)

2 斷面通量估算方法

估算算法對(duì)通量估計(jì)的影響不如采樣頻率大,Vries和Klavers[102]在荷蘭一個(gè)研究區(qū)的研究表明,河流污染物的通量估算首先應(yīng)考慮采樣策略,其次是算法. 針對(duì)當(dāng)前連續(xù)/高頻的流量數(shù)據(jù)和離散/低頻的水質(zhì)數(shù)據(jù),主要形成了3類計(jì)算通量的方法：平均法、插值法和回歸/曲線法[58,62,82,103-104]. 平均法使用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的平均值作為時(shí)段數(shù)據(jù)的代表值；插值法假定數(shù)據(jù)(濃度和流量)由瞬時(shí)采樣數(shù)據(jù)表示；回歸(外推)方法取決于經(jīng)驗(yàn)關(guān)系和水文水質(zhì)的變化特征[65].

2.1 常用估算方法

河流監(jiān)測(cè)斷面的污染物通量是斷面流量和濃度的函數(shù),污染物通量的變化與降雨-產(chǎn)流過(guò)程有很強(qiáng)的相關(guān)關(guān)系[50,105]. 監(jiān)測(cè)斷面污染物濃度與流量有正相關(guān)、負(fù)相關(guān)和無(wú)關(guān)3種關(guān)系[106]. 當(dāng)前各學(xué)者采用實(shí)測(cè)斷面平均濃度、樣品時(shí)間平均濃度、斷面瞬時(shí)流量、采樣期間平均流量、采樣代表時(shí)段平均流量等概念構(gòu)造了多種監(jiān)測(cè)斷面通量估算方法. 在此,對(duì)應(yīng)用較多的8種通量估算方法進(jìn)行了分析比較,各種方法的公式及物理意義如表4所示.

表4 通量估算方法*

從環(huán)境水力學(xué)角度對(duì)表中的估算公式進(jìn)行分析,可將監(jiān)測(cè)斷面的流量及平均濃度表達(dá)為時(shí)間平均的形式[93-94]：

(1)

(2)

式中,Qa為時(shí)段平均流量；Ca為時(shí)段平均濃度；T為估算時(shí)段；Q″和C″分別為流量和濃度時(shí)均距平值. 時(shí)段通量可以通過(guò)式(3)表達(dá)：

(3)

在8種算法中(表4),算法A和D使用時(shí)間加權(quán)平均濃度值,在高流量時(shí)具有稀釋效果；而算法B和C使用部分流量加權(quán)濃度數(shù)據(jù)；算法E、F和G則是應(yīng)用通量的基本定義[110]. 這些算法通過(guò)不同的方程來(lái)關(guān)聯(lián)濃度和流量數(shù)據(jù),估計(jì)給定時(shí)間段內(nèi)的通量. 將表4中各方法與式(3)進(jìn)行對(duì)比,可以看到方法A、D實(shí)際上只包含了(3)中的第1項(xiàng)(對(duì)流項(xiàng)),而忽略了第2項(xiàng)(時(shí)均離散項(xiàng)),在使用過(guò)程中會(huì)反映出時(shí)間加權(quán)平均濃度對(duì)流量加權(quán)平均濃度的高估或低估；方法A和D的差別在于方法A采用的是離散的實(shí)測(cè)流量平均,方法D采用的是時(shí)段的平均流量；方法B、C、E、F和G則兩項(xiàng)都包括,方法B和C的差別在于采用離散的流量平均還是連續(xù)的流量平均；方法E則采用了流量加權(quán)平均濃度,與時(shí)段平均流量的乘積作為時(shí)段通量；方法F采用插值方法,將離散濃度數(shù)據(jù)插值為高頻濃度數(shù)據(jù),與監(jiān)測(cè)獲得的高頻流量數(shù)據(jù)的乘積作為時(shí)段通量；方法G利用濃度與流量的相關(guān)關(guān)系,用流量預(yù)測(cè)濃度,結(jié)合監(jiān)測(cè)獲得的高頻流量數(shù)據(jù)得到時(shí)段通量；方法H利用連續(xù)的流量監(jiān)測(cè)和離散的濃度監(jiān)測(cè),用流量和時(shí)間預(yù)測(cè)瞬時(shí)通量,瞬時(shí)通量加和得到時(shí)段通量. 顯然,方法A～G均是先得到對(duì)應(yīng)的流量和濃度數(shù)據(jù),再進(jìn)行通量的估算；方法H是直接以通量與流量或事件的回歸關(guān)系得到瞬時(shí)通量,要求流量數(shù)據(jù)具有連續(xù)性；方法A、D僅適用于推斷流域斷面(斷面流速均勻)的平均污染通量的估算；方法B適合點(diǎn)源占優(yōu)的情況；方法C、E適合面源貢獻(xiàn)較大的通量估算；方法F適用污染物排放短時(shí)變異不強(qiáng)的情況；方法G和H要求流量與濃度或通量具有較好的回歸關(guān)系(表5).

表5 時(shí)段通量估算方法的應(yīng)用取向分析[94]

2.2 估算方法的選擇

通常情況下,使用污染物的年通量來(lái)評(píng)估當(dāng)前水質(zhì)的年內(nèi)狀況是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的[6],季節(jié)通量的估算往往不如年度通量的估算準(zhǔn)確[60]. 污染源類型和豐/枯水期的不同也會(huì)影響估算方法的表現(xiàn)效果[92,111],夏季發(fā)生的暴雨事件會(huì)使污染物濃度產(chǎn)生更大的變異性,導(dǎo)致通量估算的不確定性大于其他3個(gè)季節(jié)[66-67]. 此外,在面源占優(yōu)的情況下,豐水期的監(jiān)測(cè)采用較高的監(jiān)測(cè)頻率對(duì)提高長(zhǎng)時(shí)間通量的估算精度是必要的[94,115]. 因此,有研究將豐水期和枯水期分別進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)采用時(shí)段通量平均濃度與時(shí)段平均流量之積(方法E),分別計(jì)算豐、平、枯季的污染通量,然后相加求和來(lái)估算年通量,是最簡(jiǎn)便精確的方法[93]；也有學(xué)者通過(guò)比較不同水文階段污染物通量估算結(jié)果,提出枯水期采用以點(diǎn)源占優(yōu)的方法B,豐水期采用強(qiáng)調(diào)時(shí)段總徑流量以及以面源占優(yōu)的方法E,平水期則結(jié)合相關(guān)的水文特征進(jìn)行方法的選擇[92]；如果采樣頻率低且污染物輸出與流量的相關(guān)性較好,方法H是可以保證估算精準(zhǔn)度的首選方法[100]. 此外,也可以根據(jù)不同時(shí)期流域污染的點(diǎn)源和面源特征進(jìn)行方法的選擇[94,96-97](表5).

流域土地利用特征也會(huì)對(duì)通量估算效果產(chǎn)生影響. 由于農(nóng)業(yè)活動(dòng)具有明顯的時(shí)空變異特征,農(nóng)業(yè)流域污染物輸出的時(shí)空變異性也更高,因此,準(zhǔn)確地進(jìn)行通量估算要比森林流域更具挑戰(zhàn)性[12,16]；此外,通量估算方法的表現(xiàn)效果也受采樣頻率的影響,一般采樣頻率越低,表現(xiàn)效果會(huì)越差[67]. 由此可以看出導(dǎo)致通量測(cè)算結(jié)果不確定性的因素,不僅包括通量估算方法,還包括水文特征[80,105]、污染源特征(點(diǎn)源或面源類型)[94,115]、采樣策略[116-117]、采樣時(shí)間[98]和流域大小[82]等因素.

3 結(jié)語(yǔ)

由于經(jīng)濟(jì)和地理因素,當(dāng)前我國(guó)農(nóng)業(yè)面源污染監(jiān)測(cè)斷面設(shè)置數(shù)量較少,尤其是偏遠(yuǎn)地區(qū),監(jiān)測(cè)斷面數(shù)量和監(jiān)測(cè)頻率有待提高,監(jiān)測(cè)斷面布設(shè)和采樣策略的制定也亟需科學(xué)化和標(biāo)準(zhǔn)化. 經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)地區(qū)往往對(duì)先進(jìn)技術(shù)和設(shè)備的投入不足,這也在一定程度上影響到監(jiān)測(cè)工作的質(zhì)量和水平. 隨著3S技術(shù)、信息技術(shù)和化學(xué)分析技術(shù)的發(fā)展,我國(guó)農(nóng)業(yè)面源污染監(jiān)測(cè)在朝著標(biāo)準(zhǔn)化、自動(dòng)化和智能化的方向發(fā)展. 未來(lái)還需建立科學(xué)的監(jiān)測(cè)體系和標(biāo)準(zhǔn),加強(qiáng)人員培訓(xùn),改造和引進(jìn)監(jiān)測(cè)設(shè)備和技術(shù),促進(jìn)監(jiān)測(cè)站的標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化和自動(dòng)化運(yùn)營(yíng).

本文通過(guò)文獻(xiàn)回顧的方式,就農(nóng)業(yè)小流域采樣點(diǎn)布設(shè)、采樣頻率優(yōu)化和斷面通量估算方法3個(gè)主要環(huán)節(jié)進(jìn)行了詳細(xì)的分析和介紹. 雖然各流域的監(jiān)測(cè)方案應(yīng)在充分考慮監(jiān)測(cè)目的、流域特征、水文特征和人類活動(dòng)的前提下制定,但通過(guò)文獻(xiàn)回顧仍能發(fā)現(xiàn)一些共性的規(guī)律,可為今后的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目提供參考.