寒冷地區流域水污染特征及預警預測研究進展

王鳳鷺　于曉英　李晶

摘要 寒冷地區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，以點源污染為主，突發性水環境污染風險大。本文針對寒冷地區流域日益突出的水污染問題，總結了其水污染特征，并綜述了國內外在寒冷地區流域預警預測方面的研究進展，以期為水污染的防控提供參考。

關鍵詞 水環境；污染特征；冰封期；預警預測；研究進展；寒冷地區

中圖分類號 X503.1 文獻標識碼 A 文章編號 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

寒冷地區是指最冷月平均氣溫在-60～-10 ℃之間的地區。地處寒冷地區的流域在冬季會出現封凍現象。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出現程度不同的封凍現象，且緯度較高地區，冬季十分寒冷且冰封期較長，最長可達180 d，冰層最厚可達1.2 m[1]。冰封型水域是一種典型而復雜的封閉式生態系統，由于冰蓋的阻隔作用和阻礙作用使河流水體的流速結構、水質特征、污染來源狀況以及對水中物質的混合特性均發生了較大的變化，具有特殊的水環境特征。如果在冰封期發水污染，部分污染物會被冰結在冰體中，并在春季融化時釋放到水中，這樣可能會對水體造成二次污染[2]。針對冰封期水體特征，加強水質預警預測的研究可為寒冷地區水污染防治工作提供重要支撐作用。

1 冰封期水環境污染特征

1.1 點源污染為主，有機物污染加重

寒冷地區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，面源污染貢獻相對較小，以點源污染為主。冰封期有機污染物遷移轉化過程主要是水力遷移和吸附，有機污染物的降解處于很低或基本沒有的水平，從而加長了有機污染物滯留在江水中的空間和向下游遷移的時間，使有機污染物有大的污染范圍和較強的污染通量[3]。同時，由于溫度偏低對生物法處理污水有一定影響，導致冬季污水處理廠對有機污染物的去除效率低，使進入冰封期河流的有機污染物相對增多[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量、水體的地理、水文條件、水溫、復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擴散；復氧過程受阻，水體中溶解氧濃度降低，生物降解相應減少。

1.3 突發性水環境污染風險大

突發性水污染事件是指突然發生的，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，導致水質惡化，影響水資源有效利用，水生態環境受到嚴重危害的事故[5]。因工業布局和產業結構不合理，如松花江中上游沿江分布著許多重工業。由于河水具有流動性，上游若發生突發性水污染事件勢必會對下游流域的生態環境產生影響。2005年11月13日，吉林石化公司雙苯廠發生爆炸，造成約100 t雙苯和硝基苯流入松花江造成松花江嚴重污染，危及跨界水環境安全。寒冷地區一年中有將近1/2的時間處于水環境污染高風險期。

2 寒冷地區河流預警預測研究進展

隨著水環境問題的日益突出，在分析和解決各種水環境問題時，全面、系統、定量化地進行水資源和水質模擬、預測、管理研究已成為關注焦點[6]。這不但可以對流域水環境質量的現狀進行評價、預測其發展趨勢，且能為環境管理部門對流域水環境的規劃管理提供決策依據。由于冰封期河流的特殊水環境特征，冰封期是水污染事件的高發時段。因此，寒冷地區河流的預警預測研究尤為重要。

2.1 國外研究概況

國外學者通過冰封期和非冰封期溶解氧變化來預測水質的變化情況。Neto等[7]通過人工曝氣技術增加污水中的氧氣含量對河流水質產生的影響，研究冰封和非冰封情況下紙漿廠污水排放時，河流中溶解氧的變化情況中利用了水動力模型和水質模型分析了人工曝氣對河流水質在河流橫向二維上空間變化情況，該研究對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，分析中結合了水動力模型和水質模型，采用了二維模型進行分析，并且率定了水動力、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。endprint

2.2 國內研究概況

2005年松花江水污染事件發生后，國內才開始重視適用于我國的水污染評估模型的建立和預警系統的研究。因冰封期河流特殊的水質特征，在進行水質預測分析時，應將冰封期和非冰封期河流分開考慮。魏 恒等[8]利用BP神經網絡對東北地區某水庫的水質進行了預測。結果表明，對非冰封期和冰封期分類進行預測，模型的精度和穩定性增加，水質預測效果顯著提高。孫少晨等[9]根據研究流域特點建立了冰封期水動力水質耦合模型，對水位模擬結果進行了修正、率定和驗證，結果表明，建立的冰封期水動力模型能夠很好地適用于該地區。利用建立的水動力水質耦合模型對2005年松花江硝基苯污染事件進行模擬，模擬結果很好地展現了污染水團在時間及空間上的變化，預測上游邊界流量變化導致污染水團在時間及空間上的變化，可為決策者采取有效的應急措施提供技術支持。王志剛[10]根據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-水質模型，用于揭示牡丹江城市江段冰封期的水質特征和混合特性。李二平等[11-12]開發了基于WebGIS跨界突發性水環境污染事故預警平臺，實現了環境污染事故預測結果的實時空間化表達。利用該預警平臺，對2005年松花江硝基苯水污染事件進行了事故反演，結果表明，事故預警判定結果與歷史情境相符。

筆者課題組對地處寒冷地區的牡丹江流域進行了水環境質量監測預警體系研究。開展了基于生物與理化指標的水質監控網絡體系優化研究，創建流域水環境數據庫；根據牡丹江水環境特點和污染特征，開展牡丹江流域水環境質量評估指標體系及評估模型研究，搭建了牡丹江水環境質量監測預警系統平臺，實現功能包括水質預測預警、水質評價分析、水質數據采集、污染溯源分析、應急水污染模擬、數據展示與查詢等。牡丹江水環境質量保障預警決策支持平臺具有較顯著的地域特性，國內外相關研究和應用較少，在黑龍江省首次應用，取得良好效果，具有一定的創新性和推廣價值。預警平臺部署在牡丹江市環境信息中心，運行效果良好，可直接為牡丹江市政府在牡丹江水污染防治與水質管理提供決策支持服務。

3 結語

我國在對寒冷地區流域冰封期和非冰封期水動力與水質過程的對比研究，以及構建適用的預警預測模型方面的研究仍然需加強。冰封期與非冰封期河道在污染物遷移轉化過程、水動力過程以及水質特征方面存在差異，造成這些差異的原因、主要的影響因素或指標等方面都值得研究。因此，對中國北方寒冷地區河流（湖、庫）水質特別是冰封期水質進行模擬就顯得特別有意義。結合寒冷地區河流的水環境特征，利用水質預警預測手段，預測污染源在時間及空間上的變化趨勢，構建符合我國北方寒冷地區季節性冰封水體的水動力水質模型，可以更好地為這些地區的水環境管理與治理服務，為決策者采取有效的應急措施提供技術支持。

4 參考文獻

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