土地利用对水道和水质变化的影响研究

1 从水循环角度研究水污染原因

1.1 水资源循环中携带的污染物

图1说明了人类通过以下4种主要方式对水循环系统产生化学影响。

图1 污染物进入水循环系统概念框架

(1)通过废气进入大气层;

(2)通过物理和化学方式来利用土壤和植被:利用排水和清除农业化学物来促进生物量生产过程;通过干燥的废弃物以及散落在陆地各处的暴露于雨水之下的生活废品;

(3)从地下含水层，生活、市政活动、工业以及灌溉供水水体中截留的水资源;

(4)通过废水形式将利用过的水返回到水体。

污染物主要通过两种方式进入陆地水体中:一种是作为溶浸剂，另一种是作为传输媒介。污染物可以以两种形式进入流动水体中:通过废品或人为污染物直接进入，通过浸出或改变水体溶解能力间接引入。

1.2 多源成因同时作用

在实际中，通常是多源成因同时作用。因此，缓解水污染生态效应的措施必须能够针对同时作用的多源成因。

(1)第1类成因源于不同源的空气排放。

(2)第2类成因是源于陆地上不同种类的化学物质。

(3)第3类水污染成因是源于卫生系统不完备地区中人类排泄物在陆地上的累积。

(4)第4类污染源是生活用水、城市、乡村直接排放的废水，或者是工业废水的排放。

1.3 源自不同行业的污染

对水质产生的影响一般源自于不同的行业。流经某个陆地系统的水流也会受到逆流而上的人为污染活动的影响，例如城市化、工业、农业或者旅游业。

由于水资源同时具有多种功能，对人类健康的威胁取决于人类接触污水的方式，包括饮用水、被污染的食物和洗浴水。这也反映了水资源同时具备的多种功能，即携带功能、健康功能、栖息功能，以及生物量生产功能。

1.4 缓解多源复杂的水污染问题

同一水体可能受到一系列不同污染源的污染。恢复水流就是要针对这些污染源，以及引起水体化学组成变化的所有可能因素。因此，为了选定与所研究水体理想状态相关的确切指标和优先级别，需要一种系统的方法来恢复水流。

常规的解决方法是完全切断上述4种污染源，或者至少是将污染源头的数目最小化，可以通过两种方式实现，一是阻碍污染物的输出，二是转化为新的产品或者改变生产方式，使之产生较少污染物。完善卫生系统可以避免人类排泄物在陆地上的残留，因此可以有效缓解第3种污染源。第2种类型污染源最难解决，这是因为化学物质在促进生物量生产方面起着重要作用，它要用食物、饲料、纤维、薪材和木材来支撑世界人口的不断增长。治理的目标应该是尽可能减少污染物的输出，通过采用环境友好的农业生产方式，可降解的农药并阻断有形资产的循环，从而最大程度杜绝干燥废弃物和废渣。

缓解水污染的主要障碍在于决定水质的各种因素纷繁复杂，包括河流栖息地的退化(筑坝、渠化，航运阻碍等)，营养物质、有毒污染物以及能降解有机生物的输入，季节性或完全性断流，例如水生以及河滨生物群的消失。此外，与流域内土地利用、水资源利用和城市化、气候变化(如降雨减少)、全球变暖(如河水温度上升以及高海拔水源地冰川融化)等相关的问题还会给水生生物群增加另一组限制条件。

不同流域河流受到影响的时间不同:有的河流可能已经被影响了上百年之久，而有的河流可能才刚刚开始受到影响。由于特有物种灭绝以及新的物种引入，要恢复到最原始的状态和生物多样性，几乎不可能。缓解污染的效果可能被延迟很长一段时间。解决污染问题所需的时间包括以下两个部分:社会反应时间，从一开始的发现问题到最终采取必要措施;水文物理反应时间，首先，污染在水体内的聚集需要一定时间，而当污染输入被切断之后，清除这些聚集的污染物又需要一定时间，时间上的延迟还与水体自净所需时间有关。

2 流动的水体与周围环境的相互影响

2.1 与物理环境的互动

水，无论是地表水还是地下水，流动时都会受到周围环境的影响。

水陆系统是一个“多元多相系统”，系统中有一定数量的主要构成单元。系统最底层的反应往往发生得很快，而且对水质产生较大影响。自然系统一般不可能达到平衡状态。系统中不同反应的相互抵消，对水体中的pH值变化产生了一定缓冲作用，以抵消氧化还原反应以及由固体相存在而引起的阳离子平衡作用所产生的变化。在大多数淡水系统中，主要组成物质含量的变化非常小，这是因为水土系统中各种反应过程之间存在复杂的相互关系。

水体本身处于物理流动状态，这也控制着水中溶解物的输移。由于水体沿着不同水道流动，而这些水道都具有不同的历史地貌，同时，水体还跟不同的地质环境进行交换，因此，在一个给定的节点上，“分段水体的混合”是影响水质的重要因素。在水流系统中，溶解物沿程会经历各种生物化学反应，或经历与系统中化学、生物、物理条件相关的转化。地表虽然在水流系统中很少出现，但是却对溶解物的输移特性有着重大的直接影响。

几种反应同时发生以去除水中的溶解物，包括:物理吸收、静电吸收、化学吸附、取代反应和沉淀或共沉淀。

2.2 流管假设

水流在陆地中的流动受到重力、土壤渗透力和地形等因素的影响。水流流动一般存在两种形式:在山顶和上边坡，水流沿表面流动，浸润地下灌溉植物根系，多余的水流还会继续向下流动形成地下水，补给含水层。在底坡，局部山谷或河谷底部，水流流回地表。这种流动形式将陆地分为补给区和径流区。随着地下水位在汛期和枯期的升降，这些区域的大小也存在很大差异。

因此，必须鉴别3种地形因素，包括分别持续存在于补给区和径流区的因素以及两种区域高程转换时的影响因素。当径流量很小的时候，径流区只占总流域的很小部分，当径流量很大的时候，径流区所占比例迅速扩大。

地下水可以被视作是在流管中流动，流管的入口在补给区，出口在径流区的地表。一个流域的流管可以被看作是一捆排列有序的管道，水流流动形式由地下水位既定的地形所决定。一定量的水流经一个管道所需的时间就是其“通过时间”:浅层水道的通过时间相对较短，通常为几周，水流只是浸润坡面;中层水道的通过时间多为几个月甚至一年，水流流过地层的上层区域，或者较高处能浸润到坡面;深层水道的通过时间较长，可以达到几十年，水流流经导水性较弱的地层，浸润坡顶表面。

不同种类流管所占的组分由以下两种因素决定:一是地面总流量，二是水流流出流域的比率。当冰碛物位于结晶岩体上时，部分地下水会流经岩体的上部区域，这个区域存在水平和垂直方向的裂隙，因此导水率较大。

2.3 流管中对水质产生影响的过程

水质在时空上变化的重要性包括以下几个方面:地表的水道;不同水道水流的混合;在水流混合之前，不同组分的通过时间。

当一定量的水流通过一个流管时，一些水质参数将渐渐发生变化。

2.3.1 补给区发生的反应

如前所述，水流是一种活泼的溶剂，在陆地中流动时与各种地质媒介接触。水流主要和两个系统发生反应:加入二氧化碳和酯的有机物，以及加入了侵蚀和离子交换产物的矿物系统。当到达地下水位时，雨水具有一定的酸碱度和氧化还原特性，这对于持续的传输过程起到了决定性作用。

对于溶解物的输移特性和分布产生较大影响的主要参数包括:水本身的组成(pH值、氧化还原性、溶解的盐等)、地质环境的特性以及周围正在发生的生物活动。

由于存在一个可以携带金属物质的颗粒相pH依赖型地层，酸性(pH值)对于重金属的输移特性十分重要。

同时，氧化还原性对于污染物的传播也产生很大影响，这是因为氧化铁类物质的形成和存在很大程度上依赖于这一特性。对于氧化还原反应敏感的一些元素(如 Cr，Hg，As和 U)的输移特性，同样存在较大影响。此外，某些有机物的降解和氮的化学性态也同样受到氧化还原特性的影响。

2.3.2 传输阶段发生的反应

水流流动过程中，系统中的溶解物一般要经历各种各样化学生物反应，或者与系统生物、化学、物理条件相关的变化。而且，固体表面虽然很少作为颗粒相物质出现，但是其对溶解物的传输过程产生很大影响。单位面积的流域中，水流流经的陆地介质越多，其携带的溶解物含量越大。当排泄的污染物速率一定时，污染物含量不受到径流的影响。

同时，在清除淡水系统溶解物的过程中，会发生若干种不同反应。这些反应涉及到物理吸收、静电吸收、化学吸附、取代反应和沉淀或共沉淀等过程。pH值的变化和腐殖物质的含量在很大程度上影响着水流对固态地质环境中重金属物的吸收。

输移性较差的污染介质，如pH值较高的重金属，在与可溶性有机复合物相互作用的特定条件下，其传输特性会大大增强。在很多实例中，有毒物质和复杂有机介质的结合产生了可移动的有毒物种和化学重分布。

2.3.3 径流区发生的反应

当地下水到达径流区时，就与空气和土壤相接触。通过土壤水分的蒸腾作用，溶解盐的含量增加，有利于一些特殊组分的沉淀，例如钙。从补给区带来主要的植物养分，例如钙、钾和磷酸盐，水流沿水道流动时携带这些营养物质，促进植被覆盖丰富的物种生长。如果水体中缺氧，很容易碘化，任何铁离子都可能形成氢氧化铁的沉淀。二氧化碳压力可能会降低，造成钙沉淀形成方解石。

2.3.4 转换区发生的反应

在枯季水位较低的情况下，一些特殊的地形也有可能形成补给区，反之，在丰水季节，这些补给区又会转化为径流区。水流流动的方向(向上和向下)会不停变化。氧化还原作用、pH值以及某些时候有机物含量的变化会对物种形成和重金属的含量和输移产生影响。

2.4 土地利用产生的水质污染

土地利用主要通过以下途径产生水质污染，即化学废料场、地下水的过度开采、农业、土地开发利用，以及采矿活动。

2.5 较长的流动时间形成“化学定时炸弹”

事实上，水污染的发生并不意味着其可能被检测到。较长的输移时间会使这些污染问题被隐藏起来。然而，通过地层中发生的吸收过程，污染物还可能在土壤和泥沙中累积，这就形成一枚“化学定时炸弹”。换句话说，检测到水污染的可能性与两种延迟过程息息相关，一种是流域中的地下水流动，一种是由于湖泊之间水流流动延迟而形成的地表水流动。

当在被污染的地层开挖水井时，地下水的污染才有可能被检测到。

当地理化学条件发生变化时，污染物累积于土壤和泥沙中形成“化学定时炸弹”，随时可能引爆，在这种地方，地下水和地表水的污染也可能被延迟。这就意味着，即使污染源的排放速度有所降低，在土壤和泥沙中仍然会赋存大量的“旧”污染物。这些污染物虽然不可能被永久清除，但是可以被遣散。土地利用和气候的改变会影响某些控制条件，例如，水的流动可以滤去污染物，从而改变地利化学条件，进而触发这种隐藏污染物的排放。

重点需要关注的化学物质包括重金属、卤化有机物，脂肪族类和芳香烃以及人造肥(N和P)。例如，铅这种污染物从铜器时代就开始赋存，引发巨大的隐忧。其在土壤中的留存时间可以从1 a到100万a不等。

2.6 河流水质状况

河流水体是具有不同水化学特征的水体片段的混合。与地表水酸化有关的问题，促进了人们对河道演变历史和河流水质特征重要性的认识。研究发现，酸化作用与丰水期占主导地位的水体“片段”相互关联，如涨水期快速流动的水流，而不是流域土壤中赋存的流动时间较长的水流。不同水化学性质的水体所占的比例随着时间变化而变化，这一点可以通过水流浓度的滞后效应来反映。

一般来说，污染物含量的变化受到很多不同因素的影响，包括土地利用、水文气象条件，废品利用，土壤类型等。遗憾的是，测量数据总是不准确，比如没有包括极端径流事件，而这些极端情况可以携带大部分的污染物。一些稳定的同位素，例如O18，可以作为追踪剂来区分地下水补给水道和径流水道。

2.6.1 继承性水污染

不同年代的人类活动造成了水污染的逐步加重:11世纪前的土地利用，11世纪后的河流整治工程，19世纪发生的城市人口扩张和采矿活动，20世纪前半段的大气污染，以及二战之后农业化肥造成的污染。

然而，世界上任何一个地区都有独特的地理系统和历史，如冰川期和冰川消融期，地表变化等，以及独特的人类发展历史。因此，在未来，不同区域人类活动的驱动和地球系统的控制特点仍将不同，以全球变暖和气候变化的方式。同时，自然条件的敏感性也会不同，例如在碳酸盐岩地区，发生酸化的风险有限，半酸化地区容易发生盐化和河流断流的情况，而山区和黄土区则更容易发生泥沙不平衡等。

在人类发展史上，河流水质逐渐发生着变化，一开始对原始狩猎采集社会的影响很小，到后来，在筑坝形成的水库中，水质发生了最大程度的恶化，这一恶化同时也受到灌溉、大型城市用水以及工业和采矿活动的影响。对废水采集的有限、对环境治理的不得力以及居民环保意识的淡薄都加剧了水质恶化。梅贝克提出了以下4个阶段:①人口的驱动;②恶化加剧;③环境修复;④当河流中的水污染被全面治理清除之后，对河流水质的全方位管理。采取工程措施管理水流系统，以保证居民和水生生物用水的水质安全。

一些欠发达国家往往处于以上第1个阶段，而发展速度较快的发展中国家已经开始迈向第2阶段。一些东欧国家直到1990年代才进入第2阶段。大部分北美和西欧发达国家已经进入第3阶段，而且这些国家的一些流域甚至已经进入第4阶段。

2.6.2 从千年尺度研究河流水质

从水质角度来看，对不同河流的影响基本都是趋于负面(在发展中国家是微生物污染以及病菌的繁殖，在发达国家是化学污染和富营养化问题)。

不同形式的人类活动对河流水质产生不同影响，可以依照世界范围内，人类对环境的普遍性破坏影响，将其被归纳为一系列“河流水症”。基于河流演变重构效应，在西欧和南美的河流系统演变过程中，一些“河流水症”表现出地区性差异。在欧洲，有机物、排泄物以及金属污染几乎呈平行增长的趋势，直到20世纪70年代，这些污染快速减少，但是硝酸盐和农药污染却增加。在南美，金属污染在公元16世纪左右增长，伴随着欧洲殖民者的入侵，以及他们所开展的金银矿开采和汞融合活动。金属污染在20世纪80年代出现下降趋势，但是二战之后又与硝酸盐和农药污染物一起，同步回升。

3 对将来的水污染风险

3.1 规划

水污染问题广泛存在并且十分复杂。可以预见，水污染问题在将来会更加严重而且影响深远。梅贝克根据水污染从罗马时期开始的综合发展空间尺度，对其多年来的演化过程进行了大致分析。在罗马时期，水化学污染的严重影响可能只是在地方范围内显现;直到19世纪，污染效应开始像更广阔的地区发展，但是仍然可以忽略。在20世纪50年代，污染程度加剧，扩展到了洲际范围。在20世纪，污染空间尺度已经达到全球范围，其中洲际污染处于中等状况，而局部地区的污染已经十分严重。他描述了2050年3种情景:和以往一样，地区性污染越来越严重;绝大多数污染地的优先性降低，地方性污染程度降低，但是还不足以影响全球范围的污染情况;普遍使用预警准则，使地方性、地区性以及全球范围的污染程度减轻，减轻到中等污染。

3.2 需要应对的主要风险

首先，要聚焦特别严重的风险，对那些有害于人类健康和破坏生物系统繁殖的风险要特别关注。对人类健康有害的风险包括传染性物质:有毒化学物如汞、铅和镉;农药和荷尔蒙激素化合物;硝酸盐。这些物质会危害人类健康并引发与水相关的疾病，如皮肤病、在人类组织中的累积，以及在食用鱼类体内的累积。对生物系统有害的风险可能包括不同物种生态功能的丧失，包括土地及水的盐碱化会导致农业减产，湖泊和近岸水流的有毒物质会影响到鱼类和海产等。

值得关注的是，人类该如何有效应对这些风险以及关键的问题出在哪里。一般来说，需要首先关注的是最具威胁的污染物，也是最不允许出现的污染物，或者说是影响最为久远的污染物。利用不同方式对污染物进行控制:通过稀释作用降低污染物浓度;通过废水处理措施，如对营养物质的再利用，控制污染物流入;对于水源被核物质污染的水流进行隔离处理;通过控制最大允许流量来阻止污染物的流出;或者完全禁用某种污染物，例如对DDT和其他有毒化学物质的禁用。

3.3 水流除污原则

从原则上看，水流除污的原则可以是对某种已经存在的污染物的被动反应，也可以是通过禁止某些污染物的联合作用，来对隐藏的潜在污染进行主动处理。对于前面一种情况，有多种不同的选择:通过保证足够的稀释量来降低污染浓度;通过控制污染物进入水流系统，以及通过废水治理，隔离污染源、阻止污染物流出，或者禁用某些污染物等方式。最终的目的都是要重点关注用水这一环节，通过运用一些用户层级的治理技术来保护其用水不受污染。

就对特定污染源以及相关污染实施者(点源污染和面源污染)的鉴别存在不同可能性，除污效果可能存在差异。面源污染尤其难以治理，正如某些工业国家，尽管经过了几十年的治理，还是造成了湖泊和近岸水流严重富营养化的局面。

水流除污的成败取决于对以下这些相关活动的管理水平:

(1)对相关风险和薄弱环节的认识;

(2)对某种特定污染源和污染实施者的鉴别;

(3)法律、强制、激励和处罚手段相关政策的制定和发展;

(4)可行技术处理措施的可获取性;

(5)不同形式的经济调整措施，即污染实施者赔偿、用户收费、税收、政府补贴等;

(6)治理污染的政治意愿，这一意愿要得到社会公众的支持，并使之付诸行动，包括经济措施;

(7)选择合适的责任人和机构来负责除污;

(8)通过强调对水流除污的认识来促进全社会接受除污行动，以保证各种措施的实施。

4 结语

目前，水质状况的分布具有明显的地区性差异，这反映了水文化学和人类历史发展的差异。总得来说，水污染不仅仅是广泛分布，同时也十分复杂。水污染问题来源于自然演变过程和人类活动的相互影响，这种影响改变了水流物理特性，并且增加了水流中的化学物质组成。

在对水污染进行治理时，迫切需要从以下方面着手，包括针对威胁性最大的物质、污染最严重的地点、生物多样性降低最严重的水生系统以及影响最为深远的威胁。

在选择治理对象时，要考虑到治理效果的显现需要经过很长的反应之间等等一系列问题。

在过去的30多年中，对生物群落进行了论证，并从环境影响方面定义了所存在问题，然而对于决策者来说，这些工作的说服力十分有限。因此，在将来的水污染治理中，应该更多地从水体本身进行论证:

(1)解释水污染背后缓慢的水体变化过程;

(2)为了保证现有政策的实施效果和作用时间，提供更多的解决方案;

(3)提供更多的治理模型，包括一些对水量和水质、土地和水流、人类和生态系统综合治理的措施;

(4)提出在技术、经济、法律法规上均可行，并且能被社会广泛接受的解决措施;

(5)让那些对水资源问题有充分认识和了解的有识之士参与到决策中来。