寒冷地區(qū)流域水污染特征及預(yù)警預(yù)測(cè)研究進(jìn)展

王鳳鷺　于曉英　李晶

摘要 寒冷地區(qū)流域受氣候特征影響，在冰封期水體自凈能力下降，污水處理廠處理效率降低，以點(diǎn)源污染為主，突發(fā)性水環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)大。本文針對(duì)寒冷地區(qū)流域日益突出的水污染問題，總結(jié)了其水污染特征，并綜述了國內(nèi)外在寒冷地區(qū)流域預(yù)警預(yù)測(cè)方面的研究進(jìn)展，以期為水污染的防控提供參考。

關(guān)鍵詞 水環(huán)境；污染特征；冰封期；預(yù)警預(yù)測(cè)；研究進(jìn)展；寒冷地區(qū)

中圖分類號(hào) X503.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1007-5739（2017）16-0155-02

Abstract The cold region has a long and cold winter. Due to the special climate characteristics and environmental conditions in cold region，the self-purification function of river-basin water is poor. The capacity of municipal domestic sewage treatment in cold region is lower than the national average，and the water pollution load of industrial point sources is still high. This paper identified the water pollution features of the cold region basin，and reviewed the advances of the prediction and precaution at home and abroad，in order to provide references for water pollution prevention and control.

Key words water environment；pollution features；freezing period；prediction and precaution；research progress；cold region

寒冷地區(qū)是指最冷月平均氣溫在-60～-10 ℃之間的地區(qū)。地處寒冷地區(qū)的流域在冬季會(huì)出現(xiàn)封凍現(xiàn)象。我國松花江流域、黃河流域、遼河流域、海河流域、西北諸流域和青藏高原北部諸流域每年冬季都會(huì)出現(xiàn)程度不同的封凍現(xiàn)象，且緯度較高地區(qū)，冬季十分寒冷且冰封期較長(zhǎng)，最長(zhǎng)可達(dá)180 d，冰層最厚可達(dá)1.2 m[1]。冰封型水域是一種典型而復(fù)雜的封閉式生態(tài)系統(tǒng)，由于冰蓋的阻隔作用和阻礙作用使河流水體的流速結(jié)構(gòu)、水質(zhì)特征、污染來源狀況以及對(duì)水中物質(zhì)的混合特性均發(fā)生了較大的變化，具有特殊的水環(huán)境特征。如果在冰封期發(fā)水污染，部分污染物會(huì)被冰結(jié)在冰體中，并在春季融化時(shí)釋放到水中，這樣可能會(huì)對(duì)水體造成二次污染[2]。針對(duì)冰封期水體特征，加強(qiáng)水質(zhì)預(yù)警預(yù)測(cè)的研究可為寒冷地區(qū)水污染防治工作提供重要支撐作用。

1 冰封期水環(huán)境污染特征

1.1 點(diǎn)源污染為主，有機(jī)物污染加重

寒冷地區(qū)河流枯水期恰逢冰封期，地面封凍，地表徑流大幅度減少，基本沒有地表徑流帶入污染物，面源污染貢獻(xiàn)相對(duì)較小，以點(diǎn)源污染為主。冰封期有機(jī)污染物遷移轉(zhuǎn)化過程主要是水力遷移和吸附，有機(jī)污染物的降解處于很低或基本沒有的水平，從而加長(zhǎng)了有機(jī)污染物滯留在江水中的空間和向下游遷移的時(shí)間，使有機(jī)污染物有大的污染范圍和較強(qiáng)的污染通量[3]。同時(shí)，由于溫度偏低對(duì)生物法處理污水有一定影響，導(dǎo)致冬季污水處理廠對(duì)有機(jī)污染物的去除效率低，使進(jìn)入冰封期河流的有機(jī)污染物相對(duì)增多[4]。

1.2 水體自凈能力降低

水體自凈能力受微生物的種類與數(shù)量、水體的地理、水文條件、水溫、復(fù)氧能力以及水體和污染物的組成、污染物濃度等條件影響。冰封期水面受冰層和積雪覆蓋，阻礙了污染物的揮發(fā)擴(kuò)散；復(fù)氧過程受阻，水體中溶解氧濃度降低，生物降解相應(yīng)減少。

1.3 突發(fā)性水環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)大

突發(fā)性水污染事件是指突然發(fā)生的，由人為或自然因素引起的，污染物介入河流、湖泊等地表及地下水體中，導(dǎo)致水質(zhì)惡化，影響水資源有效利用，水生態(tài)環(huán)境受到嚴(yán)重危害的事故[5]。因工業(yè)布局和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)不合理，如松花江中上游沿江分布著許多重工業(yè)。由于河水具有流動(dòng)性，上游若發(fā)生突發(fā)性水污染事件勢(shì)必會(huì)對(duì)下游流域的生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生影響。2005年11月13日，吉林石化公司雙苯廠發(fā)生爆炸，造成約100 t雙苯和硝基苯流入松花江造成松花江嚴(yán)重污染，危及跨界水環(huán)境安全。寒冷地區(qū)一年中有將近1/2的時(shí)間處于水環(huán)境污染高風(fēng)險(xiǎn)期。

2 寒冷地區(qū)河流預(yù)警預(yù)測(cè)研究進(jìn)展

隨著水環(huán)境問題的日益突出，在分析和解決各種水環(huán)境問題時(shí)，全面、系統(tǒng)、定量化地進(jìn)行水資源和水質(zhì)模擬、預(yù)測(cè)、管理研究已成為關(guān)注焦點(diǎn)[6]。這不但可以對(duì)流域水環(huán)境質(zhì)量的現(xiàn)狀進(jìn)行評(píng)價(jià)、預(yù)測(cè)其發(fā)展趨勢(shì)，且能為環(huán)境管理部門對(duì)流域水環(huán)境的規(guī)劃管理提供決策依據(jù)。由于冰封期河流的特殊水環(huán)境特征，冰封期是水污染事件的高發(fā)時(shí)段。因此，寒冷地區(qū)河流的預(yù)警預(yù)測(cè)研究尤為重要。

2.1 國外研究概況

國外學(xué)者通過冰封期和非冰封期溶解氧變化來預(yù)測(cè)水質(zhì)的變化情況。Neto等[7]通過人工曝氣技術(shù)增加污水中的氧氣含量對(duì)河流水質(zhì)產(chǎn)生的影響，研究冰封和非冰封情況下紙漿廠污水排放時(shí)，河流中溶解氧的變化情況中利用了水動(dòng)力模型和水質(zhì)模型分析了人工曝氣對(duì)河流水質(zhì)在河流橫向二維上空間變化情況，該研究對(duì)于分析冰封期和非冰封期條件下污水處理廠排污水體中的溶解氧變化具有重要參考價(jià)值。Martin等利用CE-QUAL-W2模型研究了加拿大北河流域亞大巴斯卡河冬季的溶解氧的變化情況，分析中結(jié)合了水動(dòng)力模型和水質(zhì)模型，采用了二維模型進(jìn)行分析，并且率定了水動(dòng)力、氣溫、NH3-N、硝酸鹽和亞硝酸鹽、磷酸鹽和浮游藻類植物等相關(guān)。endprint

2.2 國內(nèi)研究概況

2005年松花江水污染事件發(fā)生后，國內(nèi)才開始重視適用于我國的水污染評(píng)估模型的建立和預(yù)警系統(tǒng)的研究。因冰封期河流特殊的水質(zhì)特征，在進(jìn)行水質(zhì)預(yù)測(cè)分析時(shí)，應(yīng)將冰封期和非冰封期河流分開考慮。魏 恒等[8]利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)東北地區(qū)某水庫的水質(zhì)進(jìn)行了預(yù)測(cè)。結(jié)果表明，對(duì)非冰封期和冰封期分類進(jìn)行預(yù)測(cè)，模型的精度和穩(wěn)定性增加，水質(zhì)預(yù)測(cè)效果顯著提高。孫少晨等[9]根據(jù)研究流域特點(diǎn)建立了冰封期水動(dòng)力水質(zhì)耦合模型，對(duì)水位模擬結(jié)果進(jìn)行了修正、率定和驗(yàn)證，結(jié)果表明，建立的冰封期水動(dòng)力模型能夠很好地適用于該地區(qū)。利用建立的水動(dòng)力水質(zhì)耦合模型對(duì)2005年松花江硝基苯污染事件進(jìn)行模擬，模擬結(jié)果很好地展現(xiàn)了污染水團(tuán)在時(shí)間及空間上的變化，預(yù)測(cè)上游邊界流量變化導(dǎo)致污染水團(tuán)在時(shí)間及空間上的變化，可為決策者采取有效的應(yīng)急措施提供技術(shù)支持。王志剛[10]根據(jù)冰封河流的阻力特征和水流特性建立了適用于冰封河流的一維水流-水質(zhì)模型，用于揭示牡丹江城市江段冰封期的水質(zhì)特征和混合特性。李二平等[11-12]開發(fā)了基于WebGIS跨界突發(fā)性水環(huán)境污染事故預(yù)警平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了環(huán)境污染事故預(yù)測(cè)結(jié)果的實(shí)時(shí)空間化表達(dá)。利用該預(yù)警平臺(tái)，對(duì)2005年松花江硝基苯水污染事件進(jìn)行了事故反演，結(jié)果表明，事故預(yù)警判定結(jié)果與歷史情境相符。

筆者課題組對(duì)地處寒冷地區(qū)的牡丹江流域進(jìn)行了水環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測(cè)預(yù)警體系研究。開展了基于生物與理化指標(biāo)的水質(zhì)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)體系優(yōu)化研究，創(chuàng)建流域水環(huán)境數(shù)據(jù)庫；根據(jù)牡丹江水環(huán)境特點(diǎn)和污染特征，開展牡丹江流域水環(huán)境質(zhì)量評(píng)估指標(biāo)體系及評(píng)估模型研究，搭建了牡丹江水環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)功能包括水質(zhì)預(yù)測(cè)預(yù)警、水質(zhì)評(píng)價(jià)分析、水質(zhì)數(shù)據(jù)采集、污染溯源分析、應(yīng)急水污染模擬、數(shù)據(jù)展示與查詢等。牡丹江水環(huán)境質(zhì)量保障預(yù)警決策支持平臺(tái)具有較顯著的地域特性，國內(nèi)外相關(guān)研究和應(yīng)用較少，在黑龍江省首次應(yīng)用，取得良好效果，具有一定的創(chuàng)新性和推廣價(jià)值。預(yù)警平臺(tái)部署在牡丹江市環(huán)境信息中心，運(yùn)行效果良好，可直接為牡丹江市政府在牡丹江水污染防治與水質(zhì)管理提供決策支持服務(wù)。

3 結(jié)語

我國在對(duì)寒冷地區(qū)流域冰封期和非冰封期水動(dòng)力與水質(zhì)過程的對(duì)比研究，以及構(gòu)建適用的預(yù)警預(yù)測(cè)模型方面的研究仍然需加強(qiáng)。冰封期與非冰封期河道在污染物遷移轉(zhuǎn)化過程、水動(dòng)力過程以及水質(zhì)特征方面存在差異，造成這些差異的原因、主要的影響因素或指標(biāo)等方面都值得研究。因此，對(duì)中國北方寒冷地區(qū)河流（湖、庫）水質(zhì)特別是冰封期水質(zhì)進(jìn)行模擬就顯得特別有意義。結(jié)合寒冷地區(qū)河流的水環(huán)境特征，利用水質(zhì)預(yù)警預(yù)測(cè)手段，預(yù)測(cè)污染源在時(shí)間及空間上的變化趨勢(shì)，構(gòu)建符合我國北方寒冷地區(qū)季節(jié)性冰封水體的水動(dòng)力水質(zhì)模型，可以更好地為這些地區(qū)的水環(huán)境管理與治理服務(wù)，為決策者采取有效的應(yīng)急措施提供技術(shù)支持。

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