太子河冰封期污染特征分析

王赫偉，潘 星，焦 點，王 儉

（遼寧大學(xué)，沈陽 110036）

在中國北方寒冷區(qū)域，每年的11月份河流開始進入冰封期，4月份解凍，期間河流徑流量少，溶解氧含量相較于非冰封期有所下降，河流中的微生物降解作用相比之下也有一定的減少，水體的自凈能力相對較差，這使得冰封期河流的污染問題顯得尤為突出，這一特殊的氣候特征以及環(huán)境條件成為流域可持續(xù)發(fā)展的阻礙之一[1]。有研究發(fā)現(xiàn)，冰封期與暢水期的有機污染物分布特征也明顯不同。有機污染物的分布受pH值、有機物濃度和有機物性質(zhì)的影響。在我國，北緯30°以北的地區(qū)、青藏高原區(qū)在每年冬季都有可能出現(xiàn)封凍現(xiàn)象。對于寒區(qū)流域，在冰封期由于水體自凈能力的衰減，其納污能力會有大幅度的降低，在開展寒區(qū)流域水環(huán)境治理和管理時必須考慮季節(jié)因素的影響[1]。

1 材料與方法

1.1 樣品的采集

本次研究對象為本溪市太子河城市段河流的污染物特征，選擇了四個具有代表性的采樣點位，在2020年11月29日、2020年12月11日、2020年12月26日以及2021年3月7日，對采樣點進行樣品采集，因11月29日河流尚未結(jié)冰，故第一次末采集冰體校本數(shù)據(jù)。在河流冰凍條件下使用破冰工具將冰蓋打開，在現(xiàn)場對河流溶解氧、水溫等指標進行檢測，采集河流水樣品，收集到采樣瓶中，河流冰樣品盡量保持冰塊的完整性，將采集到的樣品帶回實驗室中，對樣品的總氮、總磷、COD以及氨氮等指標進行測量。各采樣點緯度以及名稱見表1-1。

1.2 樣品的分析方法

采集到的樣品裝入事先處理好的聚乙烯塑料瓶中，事先使用洗滌劑將瓶子清洗干凈，然后使用超純水對瓶子進行反復(fù)沖洗，采樣現(xiàn)場攜帶使用便攜儀器對水中pH值及溶解氧含量進行測量。分別測定樣品中總氮、總磷和化學(xué)需氧量。各項目的測定均按照標準進行，見表1-2。

2 實驗結(jié)果分析

2.1 太子河冰封期理化指標特征分析

水體中的理化指標對河流的生態(tài)系統(tǒng)有著極其重要的影響[2]。如圖1所示，通過對太子河本溪城市段水體理化指標和冰體理化指標的測定，對檢測到的數(shù)據(jù)進行分析后發(fā)現(xiàn)，太子河本溪城市段中的溶解氧含量表現(xiàn)為水體中大于冰體中檢測到的含量。

圖1 太子河冰封期水體和冰體的溶解氧

對樣品的pH值進行測量，發(fā)現(xiàn)各采樣點的冰體中pH值高于水體。通過圖2分析發(fā)現(xiàn)，冰體中的ph值高于水體中的pH值，這是由于在結(jié)冰的工程中，冰體中的H+向水體中發(fā)生了遷移。

圖2 太子河冰封期水體與冰體中的pH值對比圖

2.2 太子河冰封期營養(yǎng)鹽的含量及特征

營養(yǎng)鹽在水體中是最重要的生源要素，它構(gòu)成了水體的初級生產(chǎn)力以及食物鏈，在水體環(huán)境中占據(jù)著重要的地位[2]。同時，水體富營養(yǎng)化主要是由于氮、磷等營養(yǎng)元素導(dǎo)致的，水體中營養(yǎng)鹽含量過高就會導(dǎo)致水體出現(xiàn)富營養(yǎng)化的問題，本次實驗主要測定并分析水體及冰體中營養(yǎng)鹽含量的含量及特征。

2.2.1 太子河冰封期總氮的分布特征

如圖3、圖4所示。水體中的總氮含量較高，11月29日樣品中，團山子采集到的樣品總氮濃度最高；12月11日采集的水體樣本中興安斷面采樣點的總氮濃度最高；12月26日采集的水體中彩屯橋采樣點測量出的總氮濃度最高；3月7日樣品水體中彩屯橋采樣點的總氮濃度最高。四次采樣總氮濃度的均值分別為3.670 mg/L、4.010 mg/L、4.153 mg/L以及4.295 mg/L，彩屯橋采樣點與團山子采樣點采集到的樣品中總氮的含量較高，太子河冰封期水體中總氮的濃度含量超過了《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》（GB3838-2002）中Ⅴ類水質(zhì)標準限值，總氮的含量超過了2.00 mg/L。太子河冰封期水體受氮元素的污染程度較高，這是由于冰封期低溫環(huán)境造成水體中吸收清除氮元素的浮游植物和細菌群落活性較低，且由于水體表面覆蓋了一層冰蓋，光照與非冰封期相比有所下降，使其生長受限，冰封期過程中，浮游藻類的多樣性指數(shù)出現(xiàn)下降[3]。丁珵[4]對松花江冰封期的細菌群落進行研究，發(fā)現(xiàn)冰封期由于河水溫度相對較低，造成常溫降解菌活性不高，一些嗜冷和耐冷的降解菌在其中所占比例較大，對有機污染物起主要的降解作用。

圖3 太子河干流本溪城區(qū)段水體中總氮的含量

圖4 太子河干流本溪城區(qū)段冰體中總氮的含量

2.2.2 太子河冰封期總磷的分布特征

如圖5、圖6所示。太子河冰封期水體中總磷含量相對較低，11月29日采集樣品中水體中的總磷含量均值為0.045 mg/ L；12月11日樣品中水體總磷含量均值為0.049 mg/L；12月26日采集到的樣品中水體總磷含量均值為0.049 mg/L；3月7日樣品中水體總磷的含量為0.052 mg/L。水體中的總磷含量符合《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》（GB3838-2002）中Ⅰ類水質(zhì)標準，水體中總磷的含量小于0.2 mg/L。說明水體受磷元素的污染程度較小。

圖5 太子河干流本溪城區(qū)段水體中總磷的含量

圖6 太子河干流本溪城區(qū)段冰體中總磷的含量

2.3 太子河冰封期化學(xué)需氧量的含量及特征

如圖7、圖8所示。12月11日采集到的水體中化學(xué)需氧量的含量在8.697 mg/L～8.169 mg/L，而冰體中化學(xué)需氧量含量為4.268 mg/L～3.135 mg/L；12月26日樣品中水體的化學(xué)需氧量含量為8.778 mg/L～8.349 mg/L，冰體中化學(xué)需氧量含量為4.176 mg/L～2.997 mg/L；2021年3月7日采集到的水體中化學(xué)需氧量含量為9.014 mg/L～8.557 mg/L，冰體中化學(xué)需氧量含量為3.563 mg/L～2.686 mg/L。

圖7 太子河干流本溪城區(qū)段水體中化學(xué)需氧量的含量

圖8 太子河干流本溪城區(qū)段冰體中化學(xué)需氧量的含量

2.4 冰封期污染物的遷移規(guī)律

實驗結(jié)果表明，太子河中總氮、總磷、化學(xué)需氧量3項污染物指標均呈現(xiàn)出隨著冰封期深入而上升的趨勢。通過對比不同時間采集到的樣品中總氮、總磷的含量，結(jié)果顯示，在11月河水還未完全凍結(jié)時水體中的污染物濃度小于冰封期太子河水體中的污染物濃度，隨著冰封期的深入，水體中的總氮含量在不斷地增多，而冰體中的總氮含量呈現(xiàn)出了下降的趨勢，這說明冰體中的氮元素以及磷元素等污染物質(zhì)由冰體向水體進行了遷移，張巖[5]以烏梁素海湖泊為研究對象，對不同冰蓋厚度的水樣采樣并測量其中的總氮濃度，實驗結(jié)果表明湖泊在結(jié)冰過程中，氮元素和磷元素不斷地從冰體中向水體發(fā)生遷移，通過對湖冰行成和生長階段進行研究，結(jié)果表明湖泊結(jié)冰過程中存在排氮效應(yīng)和排磷效應(yīng)。通過對比太子河冰封期化學(xué)需氧量含量的變化發(fā)現(xiàn)，冰封期水體中化學(xué)需氧量逐漸增大，冰體中化學(xué)需氧量的含量逐漸降低，冰封期化學(xué)需氧量的濃度相較于非冰封期濃度會有上升。

2.5 各指標相關(guān)性分析

通過使用spss軟件對采集到的水體中污染物質(zhì)進行相關(guān)性分析，結(jié)果表明水體中總氮和總磷呈現(xiàn)出顯著正相關(guān)（P<0.05），化學(xué)需氧量和總氮、化學(xué)需氧量和總磷，呈現(xiàn)出極顯著相關(guān)（P<0.01）。

對冰體中各種污染物進行相關(guān)性分析，并沒有發(fā)現(xiàn)顯著相關(guān)性，這可能是因為冰體中各類型污染物受溫度、濃度等條件影響，在冰體向水體中的遷移速度不同，造成了相關(guān)性分析上的差異。

3 結(jié)論

通過分析相同時間段水體與冰體中營養(yǎng)鹽含量發(fā)現(xiàn)，水體中的營養(yǎng)鹽含量高于冰體中的營養(yǎng)鹽含量，城區(qū)段河水受總氮的影響較高，超過了Ⅴ類水質(zhì)標準限值，其余污染物含量均小于國家規(guī)定的《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》（GB3838-2002）Ⅲ類水質(zhì)指標。

通過對比不同時間采集到的樣品中污染物含量發(fā)現(xiàn)，在11月河水還未完全凍結(jié)時水體中的污染物濃度小于冰封期太子河水體中的污染物濃度，隨著冰封期的深入，水體中的污染物含量在不斷地增多，而冰體中的污染物含量呈現(xiàn)出了下降的趨勢，這說明冰體中的氮元素以及磷元素等污染物質(zhì)由冰體向水體進行了遷移，使用spss軟件進行相關(guān)性分析，發(fā)現(xiàn)水體中污染物相關(guān)性較強，而冰體中污染物之間相關(guān)性不太明顯。