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摘要 寒冷地区流域受气候特征影响，在冰封期水体自净能力下降，污水处理厂处理效率降低，以点源污染为主，突发性水环境污染风险大。本文针对寒冷地区流域日益突出的水污染问题，总结了其水污染特征，并综述了国内外在寒冷地区流域预警预测方面的研究进展，以期为水污染的防控提供参考。
关键词 水环境；污染特征；冰封期；预警预测；研究进展；寒冷地区
中图分类号 X503.1 文献标识码 A 文章编号 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
寒冷地区是指最冷月平均气温在-60～-10 ℃之间的地区。地处寒冷地区的流域在冬季会出现封冻现象。我国松花江流域、黄河流域、辽河流域、海河流域、西北诸流域和青藏高原北部诸流域每年冬季都会出现程度不同的封冻现象，且纬度较高地区，冬季十分寒冷且冰封期较长，最长可达180 d，冰层最厚可达1.2 m[1]。冰封型水域是一种典型而复杂的封闭式生态系统，由于冰盖的阻隔作用和阻碍作用使河流水体的流速结构、水质特征、污染来源状况以及对水中物质的混合特性均发生了较大的变化，具有特殊的水环境特征。如果在冰封期发水污染，部分污染物会被冰结在冰体中，并在春季融化时释放到水中，这样可能会对水体造成二次污染[2]。针对冰封期水体特征，加强水质预警预测的研究可为寒冷地区水污染防治工作提供重要支撑作用。
1 冰封期水环境污染特征
1.1 点源污染为主，有机物污染加重
寒冷地区河流枯水期恰逢冰封期，地面封冻，地表径流大幅度减少，基本没有地表径流带入污染物，面源污染贡献相对较小，以点源污染为主。冰封期有机污染物迁移转化过程主要是水力迁移和吸附，有机污染物的降解处于很低或基本没有的水平，从而加长了有机污染物滞留在江水中的空间和向下游迁移的时间，使有机污染物有大的污染范围和较强的污染通量[3]。同时，由于温度偏低对生物法处理污水有一定影响，导致冬季污水处理厂对有机污染物的去除效率低，使进入冰封期河流的有机污染物相对增多[4]。
1.2 水体自净能力降低
水体自净能力受微生物的种类与数量、水体的地理、水文条件、水温、复氧能力以及水体和污染物的组成、污染物浓度等条件影响。冰封期水面受冰层和积雪覆盖，阻碍了污染物的挥发扩散；复氧过程受阻，水体中溶解氧浓度降低，生物降解相应减少。
1.3 突发性水环境污染风险大
突发性水污染事件是指突然发生的，由人为或自然因素引起的，污染物介入河流、湖泊等地表及地下水体中，导致水质恶化，影响水资源有效利用，水生态环境受到严重危害的事故[5]。因工业布局和产业结构不合理，如松花江中上游沿江分布着许多重工业。由于河水具有流动性，上游若发生突发性水污染事件势必会对下游流域的生态环境产生影响。2005年11月13日，吉林石化公司双苯厂发生爆炸，造成约100 t双苯和硝基苯流入松花江造成松花江严重污染，危及跨界水环境安全。寒冷地区一年中有将近1/2的时间处于水环境污染高风險期。
2 寒冷地区河流预警预测研究进展
随着水环境问题的日益突出，在分析和解决各种水环境问题时，全面、系统、定量化地进行水资源和水质模拟、预测、管理研究已成为关注焦点[6]。这不但可以对流域水环境质量的现状进行评价、预测其发展趋势，且能为环境管理部门对流域水环境的规划管理提供决策依据。由于冰封期河流的特殊水环境特征，冰封期是水污染事件的高发时段。因此，寒冷地区河流的预警预测研究尤为重要。
2.1 国外研究概况
国外学者通过冰封期和非冰封期溶解氧变化来预测水质的变化情况。Neto等[7]通过人工曝气技术增加污水中的氧气含量对河流水质产生的影响，研究冰封和非冰封情况下纸浆厂污水排放时，河流中溶解氧的变化情况中利用了水动力模型和水质模型分析了人工曝气对河流水质在河流横向二维上空间变化情况，该研究对于分析冰封期和非冰封期条件下污水处理厂排污水体中的溶解氧变化具有重要参考价值。Martin等利用CE-QUAL-W2模型研究了加拿大北河流域亚大巴斯卡河冬季的溶解氧的变化情况，分析中结合了水动力模型和水质模型，采用了二维模型进行分析，并且率定了水动力、气温、NH3-N、硝酸盐和亚硝酸盐、磷酸盐和浮游藻类植物等相关。 2.2 国内研究概况
2005年松花江水污染事件发生后，国内才开始重视适用于我国的水污染评估模型的建立和预警系统的研究。因冰封期河流特殊的水质特征，在进行水质预测分析时，应将冰封期和非冰封期河流分开考虑。魏 恒等[8]利用BP神经网络对东北地区某水库的水质进行了预测。结果表明，对非冰封期和冰封期分类进行预测，模型的精度和稳定性增加，水质预测效果显著提高。孙少晨等[9]根据研究流域特点建立了冰封期水动力水质耦合模型，对水位模拟结果进行了修正、率定和验证，结果表明，建立的冰封期水动力模型能够很好地适用于该地区。利用建立的水动力水质耦合模型对2005年松花江硝基苯污染事件进行模拟，模拟结果很好地展现了污染水团在时间及空间上的变化，预测上游边界流量变化导致污染水团在时间及空间上的变化，可为决策者采取有效的应急措施提供技术支持。王志刚[10]根据冰封河流的阻力特征和水流特性建立了适用于冰封河流的一维水流-水质模型，用于揭示牡丹江城市江段冰封期的水质特征和混合特性。李二平等[11-12]开发了基于WebGIS跨界突发性水环境污染事故预警平台，实现了环境污染事故预测结果的实时空间化表达。利用该预警平台，对2005年松花江硝基苯水污染事件进行了事故反演，结果表明，事故预警判定结果与历史情境相符。
笔者课题组对地处寒冷地区的牡丹江流域进行了水环境质量监测预警体系研究。开展了基于生物与理化指标的水质监控网络体系优化研究，创建流域水环境数据库；根据牡丹江水环境特点和污染特征，开展牡丹江流域水环境质量评估指标体系及评估模型研究，搭建了牡丹江水环境质量监测预警系统平台，实现功能包括水质预测预警、水质评价分析、水质数据采集、污染溯源分析、应急水污染模拟、数据展示与查询等。牡丹江水环境质量保障预警决策支持平台具有较显著的地域特性，国内外相关研究和应用较少，在黑龙江省首次应用，取得良好效果，具有一定的创新性和推广价值。预警平台部署在牡丹江市环境信息中心，运行效果良好，可直接为牡丹江市政府在牡丹江水污染防治与水质管理提供决策支持服务。
3 结语
我国在对寒冷地区流域冰封期和非冰封期水动力与水质过程的对比研究，以及构建适用的预警预测模型方面的研究仍然需加强。冰封期与非冰封期河道在污染物迁移转化过程、水动力过程以及水质特征方面存在差异，造成这些差异的原因、主要的影响因素或指标等方面都值得研究。因此，对中国北方寒冷地区河流（湖、库）水质特别是冰封期水质进行模拟就显得特别有意义。结合寒冷地区河流的水环境特征，利用水质预警预测手段，预测污染源在时间及空间上的变化趋势，构建符合我国北方寒冷地区季节性冰封水体的水动力水质模型，可以更好地为这些地区的水环境管理与治理服务，为决策者采取有效的应急措施提供技术支持。
4 参考文献
[1] 金陶陶，马放，林泉.寒冷地区流域水污染防治问题[J]. 城市环境与城市生态，2011，24（3）：43-46.
[2] 殷启军，宋福平.突发性污染物在冰体中浓度影响因素的研究[J].工程与建筑，2013，27（1）：7-9.
[3] 张磊，周璐.松花江冬季污染特征及防治措施的研究[J].吉林水利，2013（9）：5-7.
[4] 钱程，任丽波，姚瑶. 松花江冬季污染特征及防治措施的研究[J]. 环境科学与管理，2008，33（5）：84-86.
[5] 徐小钰，朱记伟，李占斌，等.国内外突发性水污染事件研究综述[J].中国农村水利水电，2015 （6）：1-5.
[6] 彭泽洲，杨天行，梁秀娟，等.水环境数学模型及其应用[M].北京：化学工业出版社，2007：1.
[7] LIMA NETO I E，ZHU D Z，RAJARATNAM N，et al. Dissolved oxygen downstream of an effluent utfall in an ice-covered river： natural and artificial aeration[J].Journal of Environmental ngineering，2007，133（11）：1051-1060.
[8] 魏恒，李伟光，张树冬，等.采用BP神经网络模型对东北地区水库水水质的预测研究[J].供水技术，2009，3（1）：16-19.
[9] 孙少晨，魏怀斌，肖伟华，等.冰封期水动力水质模型在松花江水污染事件中的应用[J].吉林大学学报，2011，41 （5）：1548 -1552.
[10] 王志刚.北方流域冰封期水质特征及模拟方法研究[D].北京：清华大学，2013.
[11] LI Er ping，YOU Hong，HOU Song，et al. Research on Forecasting Me-chanism and Index System for Transboundary Sudden Water Pollution Accidents[C]//The 4th International Conference on Bioinformatics and Biomedical Engineering，2010.
[12] 李二平，侯嵩，孫胜杰，等.水质风险评价在跨界水污染预警体系中的应用[J]. 哈尔滨工业大学学报，2010，42（6）：963-966.
关键词 水环境；污染特征；冰封期；预警预测；研究进展；寒冷地区
中图分类号 X503.1 文献标识码 A 文章编号 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
寒冷地区是指最冷月平均气温在-60～-10 ℃之间的地区。地处寒冷地区的流域在冬季会出现封冻现象。我国松花江流域、黄河流域、辽河流域、海河流域、西北诸流域和青藏高原北部诸流域每年冬季都会出现程度不同的封冻现象，且纬度较高地区，冬季十分寒冷且冰封期较长，最长可达180 d，冰层最厚可达1.2 m[1]。冰封型水域是一种典型而复杂的封闭式生态系统，由于冰盖的阻隔作用和阻碍作用使河流水体的流速结构、水质特征、污染来源状况以及对水中物质的混合特性均发生了较大的变化，具有特殊的水环境特征。如果在冰封期发水污染，部分污染物会被冰结在冰体中，并在春季融化时释放到水中，这样可能会对水体造成二次污染[2]。针对冰封期水体特征，加强水质预警预测的研究可为寒冷地区水污染防治工作提供重要支撑作用。
1 冰封期水环境污染特征
1.1 点源污染为主，有机物污染加重
寒冷地区河流枯水期恰逢冰封期，地面封冻，地表径流大幅度减少，基本没有地表径流带入污染物，面源污染贡献相对较小，以点源污染为主。冰封期有机污染物迁移转化过程主要是水力迁移和吸附，有机污染物的降解处于很低或基本没有的水平，从而加长了有机污染物滞留在江水中的空间和向下游迁移的时间，使有机污染物有大的污染范围和较强的污染通量[3]。同时，由于温度偏低对生物法处理污水有一定影响，导致冬季污水处理厂对有机污染物的去除效率低，使进入冰封期河流的有机污染物相对增多[4]。
1.2 水体自净能力降低
水体自净能力受微生物的种类与数量、水体的地理、水文条件、水温、复氧能力以及水体和污染物的组成、污染物浓度等条件影响。冰封期水面受冰层和积雪覆盖，阻碍了污染物的挥发扩散；复氧过程受阻，水体中溶解氧浓度降低，生物降解相应减少。
1.3 突发性水环境污染风险大
突发性水污染事件是指突然发生的，由人为或自然因素引起的，污染物介入河流、湖泊等地表及地下水体中，导致水质恶化，影响水资源有效利用，水生态环境受到严重危害的事故[5]。因工业布局和产业结构不合理，如松花江中上游沿江分布着许多重工业。由于河水具有流动性，上游若发生突发性水污染事件势必会对下游流域的生态环境产生影响。2005年11月13日，吉林石化公司双苯厂发生爆炸，造成约100 t双苯和硝基苯流入松花江造成松花江严重污染，危及跨界水环境安全。寒冷地区一年中有将近1/2的时间处于水环境污染高风險期。
2 寒冷地区河流预警预测研究进展
随着水环境问题的日益突出，在分析和解决各种水环境问题时，全面、系统、定量化地进行水资源和水质模拟、预测、管理研究已成为关注焦点[6]。这不但可以对流域水环境质量的现状进行评价、预测其发展趋势，且能为环境管理部门对流域水环境的规划管理提供决策依据。由于冰封期河流的特殊水环境特征，冰封期是水污染事件的高发时段。因此，寒冷地区河流的预警预测研究尤为重要。
2.1 国外研究概况
国外学者通过冰封期和非冰封期溶解氧变化来预测水质的变化情况。Neto等[7]通过人工曝气技术增加污水中的氧气含量对河流水质产生的影响，研究冰封和非冰封情况下纸浆厂污水排放时，河流中溶解氧的变化情况中利用了水动力模型和水质模型分析了人工曝气对河流水质在河流横向二维上空间变化情况，该研究对于分析冰封期和非冰封期条件下污水处理厂排污水体中的溶解氧变化具有重要参考价值。Martin等利用CE-QUAL-W2模型研究了加拿大北河流域亚大巴斯卡河冬季的溶解氧的变化情况，分析中结合了水动力模型和水质模型，采用了二维模型进行分析，并且率定了水动力、气温、NH3-N、硝酸盐和亚硝酸盐、磷酸盐和浮游藻类植物等相关。 2.2 国内研究概况
2005年松花江水污染事件发生后，国内才开始重视适用于我国的水污染评估模型的建立和预警系统的研究。因冰封期河流特殊的水质特征，在进行水质预测分析时，应将冰封期和非冰封期河流分开考虑。魏 恒等[8]利用BP神经网络对东北地区某水库的水质进行了预测。结果表明，对非冰封期和冰封期分类进行预测，模型的精度和稳定性增加，水质预测效果显著提高。孙少晨等[9]根据研究流域特点建立了冰封期水动力水质耦合模型，对水位模拟结果进行了修正、率定和验证，结果表明，建立的冰封期水动力模型能够很好地适用于该地区。利用建立的水动力水质耦合模型对2005年松花江硝基苯污染事件进行模拟，模拟结果很好地展现了污染水团在时间及空间上的变化，预测上游边界流量变化导致污染水团在时间及空间上的变化，可为决策者采取有效的应急措施提供技术支持。王志刚[10]根据冰封河流的阻力特征和水流特性建立了适用于冰封河流的一维水流-水质模型，用于揭示牡丹江城市江段冰封期的水质特征和混合特性。李二平等[11-12]开发了基于WebGIS跨界突发性水环境污染事故预警平台，实现了环境污染事故预测结果的实时空间化表达。利用该预警平台，对2005年松花江硝基苯水污染事件进行了事故反演，结果表明，事故预警判定结果与历史情境相符。
笔者课题组对地处寒冷地区的牡丹江流域进行了水环境质量监测预警体系研究。开展了基于生物与理化指标的水质监控网络体系优化研究，创建流域水环境数据库；根据牡丹江水环境特点和污染特征，开展牡丹江流域水环境质量评估指标体系及评估模型研究，搭建了牡丹江水环境质量监测预警系统平台，实现功能包括水质预测预警、水质评价分析、水质数据采集、污染溯源分析、应急水污染模拟、数据展示与查询等。牡丹江水环境质量保障预警决策支持平台具有较显著的地域特性，国内外相关研究和应用较少，在黑龙江省首次应用，取得良好效果，具有一定的创新性和推广价值。预警平台部署在牡丹江市环境信息中心，运行效果良好，可直接为牡丹江市政府在牡丹江水污染防治与水质管理提供决策支持服务。
3 结语
我国在对寒冷地区流域冰封期和非冰封期水动力与水质过程的对比研究，以及构建适用的预警预测模型方面的研究仍然需加强。冰封期与非冰封期河道在污染物迁移转化过程、水动力过程以及水质特征方面存在差异，造成这些差异的原因、主要的影响因素或指标等方面都值得研究。因此，对中国北方寒冷地区河流（湖、库）水质特别是冰封期水质进行模拟就显得特别有意义。结合寒冷地区河流的水环境特征，利用水质预警预测手段，预测污染源在时间及空间上的变化趋势，构建符合我国北方寒冷地区季节性冰封水体的水动力水质模型，可以更好地为这些地区的水环境管理与治理服务，为决策者采取有效的应急措施提供技术支持。
4 参考文献
[1] 金陶陶，马放，林泉.寒冷地区流域水污染防治问题[J]. 城市环境与城市生态，2011，24（3）：43-46.
[2] 殷启军，宋福平.突发性污染物在冰体中浓度影响因素的研究[J].工程与建筑，2013，27（1）：7-9.
[3] 张磊，周璐.松花江冬季污染特征及防治措施的研究[J].吉林水利，2013（9）：5-7.
[4] 钱程，任丽波，姚瑶. 松花江冬季污染特征及防治措施的研究[J]. 环境科学与管理，2008，33（5）：84-86.
[5] 徐小钰，朱记伟，李占斌，等.国内外突发性水污染事件研究综述[J].中国农村水利水电，2015 （6）：1-5.
[6] 彭泽洲，杨天行，梁秀娟，等.水环境数学模型及其应用[M].北京：化学工业出版社，2007：1.
[7] LIMA NETO I E，ZHU D Z，RAJARATNAM N，et al. Dissolved oxygen downstream of an effluent utfall in an ice-covered river： natural and artificial aeration[J].Journal of Environmental ngineering，2007，133（11）：1051-1060.
[8] 魏恒，李伟光，张树冬，等.采用BP神经网络模型对东北地区水库水水质的预测研究[J].供水技术，2009，3（1）：16-19.
[9] 孙少晨，魏怀斌，肖伟华，等.冰封期水动力水质模型在松花江水污染事件中的应用[J].吉林大学学报，2011，41 （5）：1548 -1552.
[10] 王志刚.北方流域冰封期水质特征及模拟方法研究[D].北京：清华大学，2013.
[11] LI Er ping，YOU Hong，HOU Song，et al. Research on Forecasting Me-chanism and Index System for Transboundary Sudden Water Pollution Accidents[C]//The 4th International Conference on Bioinformatics and Biomedical Engineering，2010.
[12] 李二平，侯嵩，孫胜杰，等.水质风险评价在跨界水污染预警体系中的应用[J]. 哈尔滨工业大学学报，2010，42（6）：963-966.