冰封期河流污染特征研究進展與展望

王赫偉 潘星 焦點 王儉

（遼寧大學，遼寧沈陽 110136）

1 引言

在我國北方寒冷區域，每年的11月河流開始進入冰封期，次年4月解凍，其間徑流量少，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境條件成為流域可持續發展的阻礙之一。不容忽視的是，我國嚴寒地區面積較大，既包括人口密集的東北老工業基地和國家商品糧基地，又涵蓋生態環境極為敏感和脆弱的青藏高原地區。因此，開展冰封期河流污染特征研究，對于更好地解決寒冷地區水環境污染問題，實現區域可持續發展具有重要的指導作用和現實意義。近年來，國內外學者關于冰封期河流污染特征研究主要集中在污染物特征、浮游植物變化特征和細菌群落變化特征等方面。本文主要從以上3個方面分析了冰封期河流污染特征，綜述了冰封期河流污染特征的研究現狀及主要成果，對冰封期河流污染特征的研究趨勢進行了展望。

2 冰封期河流污染特征

2.1 冰封期河流污染物特征

2.1.1 冰封期河流污染物分布特征

污染物被排放出來，進入河流之后，在經過擴散、沉淀和生物降解等一系列變化過程之后，其在河流中的濃度和數量都會有不同程度的減少，河流的水質因此得到凈化，這就是天然水體的凈化作用。冰封期的河流與暢水期相比有許多不一樣的特征，冰封期河流的水文條件以及污染物的分布、污染物遷移機理和其他影響污染物消解的條件有許多不同。

國外曾有諸多學者對冰封和非冰封情況下河流水質［1-2］、冰封進程［3-4］、冰封期水動力學［5-6］進行了研究。主要研究方法有水動力模型和水質模型。例如，通過水動力模型分析，認為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存在一定差異［7-8］；利用水質模型（CE－QUAL－W2）分析，認為加拿大北河流域亞大巴斯卡河冬季溶解氧的變化與水動力、氣溫、NH3－N、硝酸鹽和亞硝酸鹽、磷酸鹽及浮游藻類植物等相關。

另外，有研究發現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、有機物濃度和有機物性質的影響［9-10］。極地地區接收了許多陸地污染物，已經成為接收陸地污染物的一個重要載體，有機污染物能夠通過生物地化循環遷移到這里。通過實驗模擬冰層中有機物，研究有機物在冰層中的遷移規律發現，在春季融雪時，經過冰封期在冰層中長時間累積的有機物在短時間內會全部釋放出來。通過研究還發現，在冰層逐漸融化的這一階段，有機物的性質影響著有機物的存在狀態。在溶液中存在的易溶于水的有機物僅出現在水這一界面中；難溶于水的有機物則只在冰層中被檢測到；而親水性的有機物在兩相中均被檢測到。

在我國，北緯30°以北的地區以及青藏高原區在每年冬季都有可能出現封凍現象。寒區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，在開展寒區流域水環境治理和管理時必須考慮季節因素的影響［11-12］。

針對冰封期水體特征，加強河流有機污染物時空分配規律的研究，可為寒冷地區水污染防治工作提供重要支撐［13］。有學者基于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［14］。還可以通過一維水流－水質模型建立符合冰封期河流特征的模型來研究冰封期河流的特點［15］。而現有的水質模型大多是針對一般的枯水期，很難用于模擬冰封期河流污染物變化規律，特別是很難模擬“結冰-冰封-冰融”這一連續過程。

2.1.2 冰封期河流污染物降解規律

河流有機污染物的生化降解與溫度也有著很大關系。冰封期水溫一般較低，這時的水生生物和以往不用，新陳代謝速度較非冰封期有所降低，河流中的微生物在種類和數量上會發生變化，對生物降解造成影響。在冰封期，河流上有一層厚厚的冰蓋，這層冰蓋影響了大氣復氧的發生，而且也會影響光照，生物的光合作用減弱，只有地下水能提供一些有限的溶解氧，但含量非常低，處于最低谷。因此，冰封期有機污染物的生物降解作用遠不如暢水期［16］。冰封期的水環境容量要遠遠小于非冰封期［17］，冰封期結冰過程中，污染物由冰體向水體遷移，造成了冰封期水體污染加重。冰封期水體和冰體中各形態氮百分比差異較大，水體中各形態氮分布差異較大，而磷元素的賦存均以不溶性磷為主，水體中的營養鹽變異性明顯小于冰體中的。呂超等［18］對烏梁素海的采樣研究以及張巖等［19］對冰封期內蒙古呼倫湖的研究，證實了水體中的污染物在低溫冷凍過程中會發生一定的濃縮效應。結冰后，水體的富營養化等級由富營養變為重富營養，結冰會使水體的營養化程度加劇，并會給冰下水環境質量帶來不良影響［20-22］。春季溫度升高，覆蓋在水面上的冰開始融化，水中的污染物含量會上升［23-24］。

另外，有機污染物的沉淀速率與河水的流速也有著明顯的關系。由于冰封期河流流量小和流速低，有利于懸浮顆粒物的沉淀，有機污染物與水中的懸浮顆粒物有很強的親和能力，因此在這一時期河流中的多數污染物主要是通過沉淀作用去除的。冰層的凍結作用雖然不能降解河流中COD，但由于水溫低，可直接降低污染物在水中的溶解度，同時因結冰現象，可大大減少匯入河流干流的污染物總量。冰封期河流影響有機污染物的削減因素除了生物降解和沉淀作用外，還包括冰層的凍結作用。有研究顯示，其削減影響程度為：沉淀作用＞凍結作用＞生物降解過程［16］。唐元慶［25］對水體結冰過程中鐵、錳、鈣、鎂的遷移規律進行研究發現，冰下水體中的鐵、錳、鈣、鎂濃度大于結冰前水體中的濃度大于冰體中的濃度，說明在結冰的過程中鐵、錳、鈣、鎂不斷地向冰下的水體遷移；下層冰體的鐵、錳、鈣、鎂濃度大于上層大于中層；在冰體融化過程中，融冰初期會大量釋放目標物質，而在融冰中后期目標物質會均勻少量地釋放，剛開始融化時水中的目標物質濃度會比冰體中的平均含量高。劉禹［26］研究烏梁素海冰生長期與非冰封期重金屬的遷移規律，發現在非冰封期各類重金屬的濃度在水體中整體呈上升趨勢但變化不大；重金屬在冰剛生長時會出現遷移濃縮現象，這時濃度會上升；Cu，Cd這2種存在于沉積物中的重金屬在冰生長期的濃度比非冰封期高，而Zn，Cr，Pb的濃度則相反；懸浮物中可遷移的重金屬含量與沉積物相比，在冰封期會更高。

2.2 冰封期浮游植物變化特征

浮游藻類是水生態系統中非常重要的一環，浮游植物在自然中有很多種類和數量，可以通過光合作用生產氧氣，也能夠吸收水中的污染物質，不同水系中的浮游植物有不同的種類，可以通過研究浮游植物種類來評價水質和水體營養狀態。

Salmi P等［27］研究發現，在破冰前幾周，浮游植物生物量會出現上升，最高值甚至會超過夏季湖泊中的浮游植物數量，這一現象與冰蓋融化后光照增加以及冰融化后湖泊中污染物含量上升有關。王東波等［28］通過對冰封期呼倫湖的研究發現，在冰封期浮游藻類會發生明顯的群落演替規律，主要以綠藻門為主，綠藻門占到了52.5%，物種豐富度也出現了下降，剛進入冰封期時觀察發現40個屬，到冰蓋消融時數量下降到34個屬，研究發現藍藻門在溫度較低環境下會沉入水底進行休眠；物種豐度隨著時間變化會呈現出上升的趨勢，優勢種群出現了從多樣變成單一優勢種的情況；冰封期中，浮游藻類的多樣性指數出現下降，由此證明冰封期對浮游藻類影響較為明顯。

黃繼國等［29］采集長春南湖冰封水樣后研究發現，室溫條件下剛開始融化的冰水中營養鹽以及浮游植物的濃度比冰體全部融化后的高，湖中冰體逐漸融化，營養鹽和浮游植物會最先被釋放；1月是冰層最厚的月份，冰體下層的營養鹽以及浮游植物濃度比中上層冰的低，造成這一現象的原因是在結冰初期存在于上層水體中的一部分營養鹽和浮游植物被凍結在冰體中；隨著氣溫的降低，冰體和水體中的浮游植物最少量的情況出現在1月，溫度較低的2月雖然營養鹽的含量在水體會慢慢增多，但浮游植物沒有快速生長，冰體在4月會全部融化，隨著外界溫度升高，水體溫度升高，營養鹽含量較高，浮游植物數量增長速度會迅速上升，證明了冰封期溫度較低以及營養鹽含量較少這2個因素限制了浮游植物的生長繁殖。

研究中發現，由于氣溫較低，硅藻競爭優勢較大。王司陽等［30］研究了烏梁素海和奈倫湖，經過采樣測量后發現2個湖泊分別屬于中度富營養和輕度富營養，在浮游植物鑒定中2個湖泊植物組成較為一致，一共鑒定出6門21屬29種，硅藻和綠藻在其中占多數，比例達到了全部物種數的79.3%，浮游植物種類為硅藻－綠藻型。李佳等［31］對冰封期烏梁素海浮游藻種類進行鑒定，也發現藻類7門77種，種類組成為綠藻－硅藻型。藻類大多生活在中部地區，出水口區域的藻類最少；湖區進水口生物性指數最低，其次為湖區中部，多樣性指數在湖區進水口最大；冰體中總氮和總有機碳含量較少，小于水體中的含量，水體中的總磷含量更低；總氮更多存在于冰－水界面，這里的含量比表層冰要高，表層冰有更高的總磷含量和總有機碳含量；總磷的含量與浮游藻類生物量和葉綠素a的含量更為相關，通過研究發現主要限制浮游藻類生長的因素是磷。

孫鑫等［32］研究了烏梁素海凍融前后的浮游植物，在采集到的樣品中觀察到烏梁素海中的浮游植物一共有6門69屬120種，其中硅藻占主要部分。通過觀察結冰前的樣品藍藻，發現藍藻在結冰前數量較多，是這里的優勢種，但是隨著溫度降低，進入冰封氣候其占比開始變小，而這時硅藻的數量開始增多；溫度升高冰開始融化后，硅藻占比降低而藍藻開始繁殖發育。在冰封期前后，南部明水區有很多浮游藻類聚集，進入1月溫度降低，開始形成冰蓋，這時浮游植物更多地生活在湖區北部入湖口。浮游藻類在冰封期前后分布較為均勻，這一現象是通過研究各時期浮游植物種群數量得出的，冰封期前后烏梁素海水體處于富營養化，通過浮游藻類豐富度得出這一時期水體總體污染較輕；溫度降低后，硅藻在1月在水中浮游植物占大多數，這時群落結構比較簡單。通過RDA排序發現，烏梁素海水體凍融前后影響浮游植物分布的因素依次為氨氮、總磷、水溫、總溶解固體、溶解氧和透明度。

總之，在冰封期，因為水中的溶解氧含量、光照時間以及污染物濃度等的不同，水中浮游植物和非冰封期有一定的差別。河流從冰封期進入非冰封期，由于光照增強、溫度升高等原因，水中的浮游植物數量會出現上升［33-34］。

2.3 冰封期細菌群落變化特征

細菌在自然界中分布廣泛，是地球上最豐富的物質之一。一般來說，細菌以群落形式存在于自然界之中，在環境保護中有著重要的作用。細菌可以通過新陳代謝與環境發生作用達到凈化環境的效果，也可以作為評價環境的指標［35-36］。季節變化會對細菌群落造成一定的影響，可以通過研究細菌群落在不同季節的特性來預測水質變化［37］。不同季節細菌群落的種類有差異，有些細菌即使在寒冷狀態下也有較強的活性［38-39］。王博雯等［40］在新疆博斯騰湖進行采樣，使用表面熒光顯微鏡直接計數法和廣義可加模型進行研究，發現博斯騰湖中的細菌豐度在不同季節存在著較為明顯的差異，湖中細菌豐度平均值為（1.48±0.95）×106個/mL，夏季細菌豐度最高，達到了2.05×106個/mL，冬季時細菌豐度只有3.81×105個/mL，為一年中最低。春季、冬季的冰封期湖區西南的細菌豐度最少，從西南到東南、湖區中部細菌豐度逐漸增多，夏季、秋季西北部的細菌豐度較高，而湖區中部較低，分布狀況大致相反。通過廣義可加模型研究發現，細菌豐度受溫度、溶解性有機碳、葉綠素a、電導率以及濁度的影響較大，這些因素造成的總偏差解釋率高達81.2%，溫度貢獻率占比最高，達到63.3%，溶解性有機碳、葉綠素a、電導率及濁度的貢獻率分別為12.5%，2.7%，1.7%，1.0%。

研究表明，溫度是影響河流水體細菌物種豐富度的關鍵，而在冰封期影響細菌物種豐富度的關鍵因素為溶解氧的含量。沈烽等［41］對南京玄武湖四季的細菌群落結構進行研究后發現，夏季細菌群落多樣性最高，春季最低，組成方面春季、冬季最為相似。結果表明，溫度是對細菌群落結構影響最大的因素，其次為pH值，而營養鹽濃度對玄武湖細菌群落結構沒有明顯的影響。丁珵［42］對松花江冰封期的細菌群落進行研究后發現由于冰封期河水溫度相對較低，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。說明冰封期一般細菌群落活性較弱，細菌群落活性受溫度影響較大。楊文煥等［43］使用高通量測序技術對內蒙古南海湖進行采樣測定，發現冰封期影響細菌物種豐富度的關鍵因素為溶解氧的含量。測量結果顯示，在內蒙古南海湖中旅游開發區溶解氧含量最高，此處細菌物種豐富度最高，水草區由于水生植物有一部分在冰封期產生腐敗和殘體分解，在過程中釋放營養元素，該區域細菌物種豐富度排在第二，其余依次為進水口區、湖心區。

3 結論與展望

綜上所述，冰封期河流污染特征研究主要集中在污染物特征、浮游植物變化特征和細菌群落變化特征等方面。進入冰封期時，寒冷地區河流不再能從降水中得到補充，雨水轉變成了積雪，加上河流冰封等環境因素的影響，幾乎沒有地表徑流，以點源污染為主，河流自凈能力弱，污染較重。其研究成果多局限于通過野外調查、水質分析探究河流污染物的總體變化規律，現有的水質模型是建立在一般河流枯水期水質變化規律的基礎之上，而對于像我國北方河流這種枯水期同時包含冰凍期的情形考慮較少，無法很好地處理“結冰－冰封－冰融”這一連續過程。因此，對于“結冰－冰封－冰融”過程中，不同水深、不同流速、不同冰層厚度條件下，河流污染物時空分布規律及遷移規律還不清楚，關于河流有機污染物通過物理作用、生物降解作用和冰層凍結作用的遷移機理還不明確。

為解決嚴寒地區冰封期流域水環境污染問題，應根據其流域地理、氣候特征、水文特點、社會經濟等因素，科學計算冰封期水環境容量，合理分配污染物削減量，提高河流自凈能力，并選用合適的低溫污水處理技術。而開展冰封期河流污染物時空分布規律研究，弄清冰封期河流“結冰-冰封-冰融”過程中污染物遷移轉化機理，可以為提升冰封期河流自凈能力以及選擇合適的低溫污水處理技術提供理論基礎，為實現科學合理的水環境容量核算和污染物削減量分配提供技術支持，因此具有重要的現實意義。