冰封期河流污染特征研究进展与展望

王赫伟 潘星 焦点 王俭

（辽宁大学，辽宁沈阳 110136）

1 引言

在我国北方寒冷区域，每年的11月河流开始进入冰封期，次年4月解冻，其间径流量少，溶解氧含量相较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减少，水体的自净能力相对较差，这使得冰封期河流的污染问题显得尤为突出，这一特殊的气候特征以及环境条件成为流域可持续发展的阻碍之一。不容忽视的是，我国严寒地区面积较大，既包括人口密集的东北老工业基地和国家商品粮基地，又涵盖生态环境极为敏感和脆弱的青藏高原地区。因此，开展冰封期河流污染特征研究，对于更好地解决寒冷地区水环境污染问题，实现区域可持续发展具有重要的指导作用和现实意义。近年来，国内外学者关于冰封期河流污染特征研究主要集中在污染物特征、浮游植物变化特征和细菌群落变化特征等方面。本文主要从以上3个方面分析了冰封期河流污染特征，综述了冰封期河流污染特征的研究现状及主要成果，对冰封期河流污染特征的研究趋势进行了展望。

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

污染物被排放出来，进入河流之后，在经过扩散、沉淀和生物降解等一系列变化过程之后，其在河流中的浓度和数量都会有不同程度的减少，河流的水质因此得到净化，这就是天然水体的净化作用。冰封期的河流与畅水期相比有许多不一样的特征，冰封期河流的水文条件以及污染物的分布、污染物迁移机理和其他影响污染物消解的条件有许多不同。

国外曾有诸多学者对冰封和非冰封情况下河流水质［1-2］、冰封进程［3-4］、冰封期水动力学［5-6］进行了研究。主要研究方法有水动力模型和水质模型。例如，通过水动力模型分析，认为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存在一定差异［7-8］；利用水质模型（CE－QUAL－W2）分析，认为加拿大北河流域亚大巴斯卡河冬季溶解氧的变化与水动力、气温、NH3－N、硝酸盐和亚硝酸盐、磷酸盐及浮游藻类植物等相关。

另外，有研究发现冰封期与畅水期的有机污染物分布特征也明显不同。有机污染物的分布受pH、有机物浓度和有机物性质的影响［9-10］。极地地区接收了许多陆地污染物，已经成为接收陆地污染物的一个重要载体，有机污染物能够通过生物地化循环迁移到这里。通过实验模拟冰层中有机物，研究有机物在冰层中的迁移规律发现，在春季融雪时，经过冰封期在冰层中长时间累积的有机物在短时间内会全部释放出来。通过研究还发现，在冰层逐渐融化的这一阶段，有机物的性质影响着有机物的存在状态。在溶液中存在的易溶于水的有机物仅出现在水这一界面中；难溶于水的有机物则只在冰层中被检测到；而亲水性的有机物在两相中均被检测到。

在我国，北纬30°以北的地区以及青藏高原区在每年冬季都有可能出现封冻现象。寒区流域在冰封期由于水体自净能力的衰减，其纳污能力会有大幅度的降低，在开展寒区流域水环境治理和管理时必须考虑季节因素的影响［11-12］。

针对冰封期水体特征，加强河流有机污染物时空分配规律的研究，可为寒冷地区水污染防治工作提供重要支撑［13］。有学者基于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［14］。还可以通过一维水流－水质模型建立符合冰封期河流特征的模型来研究冰封期河流的特点［15］。而现有的水质模型大多是针对一般的枯水期，很难用于模拟冰封期河流污染物变化规律，特别是很难模拟“结冰-冰封-冰融”这一连续过程。

2.1.2 冰封期河流污染物降解规律

河流有机污染物的生化降解与温度也有着很大关系。冰封期水温一般较低，这时的水生生物和以往不用，新陈代谢速度较非冰封期有所降低，河流中的微生物在种类和数量上会发生变化，对生物降解造成影响。在冰封期，河流上有一层厚厚的冰盖，这层冰盖影响了大气复氧的发生，而且也会影响光照，生物的光合作用减弱，只有地下水能提供一些有限的溶解氧，但含量非常低，处于最低谷。因此，冰封期有机污染物的生物降解作用远不如畅水期［16］。冰封期的水环境容量要远远小于非冰封期［17］，冰封期结冰过程中，污染物由冰体向水体迁移，造成了冰封期水体污染加重。冰封期水体和冰体中各形态氮百分比差异较大，水体中各形态氮分布差异较大，而磷元素的赋存均以不溶性磷为主，水体中的营养盐变异性明显小于冰体中的。吕超等［18］对乌梁素海的采样研究以及张岩等［19］对冰封期内蒙古呼伦湖的研究，证实了水体中的污染物在低温冷冻过程中会发生一定的浓缩效应。结冰后，水体的富营养化等级由富营养变为重富营养，结冰会使水体的营养化程度加剧，并会给冰下水环境质量带来不良影响［20-22］。春季温度升高，覆盖在水面上的冰开始融化，水中的污染物含量会上升［23-24］。

另外，有机污染物的沉淀速率与河水的流速也有着明显的关系。由于冰封期河流流量小和流速低，有利于悬浮颗粒物的沉淀，有机污染物与水中的悬浮颗粒物有很强的亲和能力，因此在这一时期河流中的多数污染物主要是通过沉淀作用去除的。冰层的冻结作用虽然不能降解河流中COD，但由于水温低，可直接降低污染物在水中的溶解度，同时因结冰现象，可大大减少汇入河流干流的污染物总量。冰封期河流影响有机污染物的削减因素除了生物降解和沉淀作用外，还包括冰层的冻结作用。有研究显示，其削减影响程度为：沉淀作用＞冻结作用＞生物降解过程［16］。唐元庆［25］对水体结冰过程中铁、锰、钙、镁的迁移规律进行研究发现，冰下水体中的铁、锰、钙、镁浓度大于结冰前水体中的浓度大于冰体中的浓度，说明在结冰的过程中铁、锰、钙、镁不断地向冰下的水体迁移；下层冰体的铁、锰、钙、镁浓度大于上层大于中层；在冰体融化过程中，融冰初期会大量释放目标物质，而在融冰中后期目标物质会均匀少量地释放，刚开始融化时水中的目标物质浓度会比冰体中的平均含量高。刘禹［26］研究乌梁素海冰生长期与非冰封期重金属的迁移规律，发现在非冰封期各类重金属的浓度在水体中整体呈上升趋势但变化不大；重金属在冰刚生长时会出现迁移浓缩现象，这时浓度会上升；Cu，Cd这2种存在于沉积物中的重金属在冰生长期的浓度比非冰封期高，而Zn，Cr，Pb的浓度则相反；悬浮物中可迁移的重金属含量与沉积物相比，在冰封期会更高。

2.2 冰封期浮游植物变化特征

浮游藻类是水生态系统中非常重要的一环，浮游植物在自然中有很多种类和数量，可以通过光合作用生产氧气，也能够吸收水中的污染物质，不同水系中的浮游植物有不同的种类，可以通过研究浮游植物种类来评价水质和水体营养状态。

Salmi P等［27］研究发现，在破冰前几周，浮游植物生物量会出现上升，最高值甚至会超过夏季湖泊中的浮游植物数量，这一现象与冰盖融化后光照增加以及冰融化后湖泊中污染物含量上升有关。王东波等［28］通过对冰封期呼伦湖的研究发现，在冰封期浮游藻类会发生明显的群落演替规律，主要以绿藻门为主，绿藻门占到了52.5%，物种丰富度也出现了下降，刚进入冰封期时观察发现40个属，到冰盖消融时数量下降到34个属，研究发现蓝藻门在温度较低环境下会沉入水底进行休眠；物种丰度随着时间变化会呈现出上升的趋势，优势种群出现了从多样变成单一优势种的情况；冰封期中，浮游藻类的多样性指数出现下降，由此证明冰封期对浮游藻类影响较为明显。

黄继国等［29］采集长春南湖冰封水样后研究发现，室温条件下刚开始融化的冰水中营养盐以及浮游植物的浓度比冰体全部融化后的高，湖中冰体逐渐融化，营养盐和浮游植物会最先被释放；1月是冰层最厚的月份，冰体下层的营养盐以及浮游植物浓度比中上层冰的低，造成这一现象的原因是在结冰初期存在于上层水体中的一部分营养盐和浮游植物被冻结在冰体中；随着气温的降低，冰体和水体中的浮游植物最少量的情况出现在1月，温度较低的2月虽然营养盐的含量在水体会慢慢增多，但浮游植物没有快速生长，冰体在4月会全部融化，随着外界温度升高，水体温度升高，营养盐含量较高，浮游植物数量增长速度会迅速上升，证明了冰封期温度较低以及营养盐含量较少这2个因素限制了浮游植物的生长繁殖。

研究中发现，由于气温较低，硅藻竞争优势较大。王司阳等［30］研究了乌梁素海和奈伦湖，经过采样测量后发现2个湖泊分别属于中度富营养和轻度富营养，在浮游植物鉴定中2个湖泊植物组成较为一致，一共鉴定出6门21属29种，硅藻和绿藻在其中占多数，比例达到了全部物种数的79.3%，浮游植物种类为硅藻－绿藻型。李佳等［31］对冰封期乌梁素海浮游藻种类进行鉴定，也发现藻类7门77种，种类组成为绿藻－硅藻型。藻类大多生活在中部地区，出水口区域的藻类最少；湖区进水口生物性指数最低，其次为湖区中部，多样性指数在湖区进水口最大；冰体中总氮和总有机碳含量较少，小于水体中的含量，水体中的总磷含量更低；总氮更多存在于冰－水界面，这里的含量比表层冰要高，表层冰有更高的总磷含量和总有机碳含量；总磷的含量与浮游藻类生物量和叶绿素a的含量更为相关，通过研究发现主要限制浮游藻类生长的因素是磷。

孙鑫等［32］研究了乌梁素海冻融前后的浮游植物，在采集到的样品中观察到乌梁素海中的浮游植物一共有6门69属120种，其中硅藻占主要部分。通过观察结冰前的样品蓝藻，发现蓝藻在结冰前数量较多，是这里的优势种，但是随着温度降低，进入冰封气候其占比开始变小，而这时硅藻的数量开始增多；温度升高冰开始融化后，硅藻占比降低而蓝藻开始繁殖发育。在冰封期前后，南部明水区有很多浮游藻类聚集，进入1月温度降低，开始形成冰盖，这时浮游植物更多地生活在湖区北部入湖口。浮游藻类在冰封期前后分布较为均匀，这一现象是通过研究各时期浮游植物种群数量得出的，冰封期前后乌梁素海水体处于富营养化，通过浮游藻类丰富度得出这一时期水体总体污染较轻；温度降低后，硅藻在1月在水中浮游植物占大多数，这时群落结构比较简单。通过RDA排序发现，乌梁素海水体冻融前后影响浮游植物分布的因素依次为氨氮、总磷、水温、总溶解固体、溶解氧和透明度。

总之，在冰封期，因为水中的溶解氧含量、光照时间以及污染物浓度等的不同，水中浮游植物和非冰封期有一定的差别。河流从冰封期进入非冰封期，由于光照增强、温度升高等原因，水中的浮游植物数量会出现上升［33-34］。

2.3 冰封期细菌群落变化特征

细菌在自然界中分布广泛，是地球上最丰富的物质之一。一般来说，细菌以群落形式存在于自然界之中，在环境保护中有着重要的作用。细菌可以通过新陈代谢与环境发生作用达到净化环境的效果，也可以作为评价环境的指标［35-36］。季节变化会对细菌群落造成一定的影响，可以通过研究细菌群落在不同季节的特性来预测水质变化［37］。不同季节细菌群落的种类有差异，有些细菌即使在寒冷状态下也有较强的活性［38-39］。王博雯等［40］在新疆博斯腾湖进行采样，使用表面荧光显微镜直接计数法和广义可加模型进行研究，发现博斯腾湖中的细菌丰度在不同季节存在着较为明显的差异，湖中细菌丰度平均值为（1.48±0.95）×106个/mL，夏季细菌丰度最高，达到了2.05×106个/mL，冬季时细菌丰度只有3.81×105个/mL，为一年中最低。春季、冬季的冰封期湖区西南的细菌丰度最少，从西南到东南、湖区中部细菌丰度逐渐增多，夏季、秋季西北部的细菌丰度较高，而湖区中部较低，分布状况大致相反。通过广义可加模型研究发现，细菌丰度受温度、溶解性有机碳、叶绿素a、电导率以及浊度的影响较大，这些因素造成的总偏差解释率高达81.2%，温度贡献率占比最高，达到63.3%，溶解性有机碳、叶绿素a、电导率及浊度的贡献率分别为12.5%，2.7%，1.7%，1.0%。

研究表明，温度是影响河流水体细菌物种丰富度的关键，而在冰封期影响细菌物种丰富度的关键因素为溶解氧的含量。沈烽等［41］对南京玄武湖四季的细菌群落结构进行研究后发现，夏季细菌群落多样性最高，春季最低，组成方面春季、冬季最为相似。结果表明，温度是对细菌群落结构影响最大的因素，其次为pH值，而营养盐浓度对玄武湖细菌群落结构没有明显的影响。丁珵［42］对松花江冰封期的细菌群落进行研究后发现由于冰封期河水温度相对较低，造成常温降解菌活性不高，一些嗜冷和耐冷的降解菌在其中所占比例较大，对有机污染物起主要的降解作用。说明冰封期一般细菌群落活性较弱，细菌群落活性受温度影响较大。杨文焕等［43］使用高通量测序技术对内蒙古南海湖进行采样测定，发现冰封期影响细菌物种丰富度的关键因素为溶解氧的含量。测量结果显示，在内蒙古南海湖中旅游开发区溶解氧含量最高，此处细菌物种丰富度最高，水草区由于水生植物有一部分在冰封期产生腐败和残体分解，在过程中释放营养元素，该区域细菌物种丰富度排在第二，其余依次为进水口区、湖心区。

3 结论与展望

综上所述，冰封期河流污染特征研究主要集中在污染物特征、浮游植物变化特征和细菌群落变化特征等方面。进入冰封期时，寒冷地区河流不再能从降水中得到补充，雨水转变成了积雪，加上河流冰封等环境因素的影响，几乎没有地表径流，以点源污染为主，河流自净能力弱，污染较重。其研究成果多局限于通过野外调查、水质分析探究河流污染物的总体变化规律，现有的水质模型是建立在一般河流枯水期水质变化规律的基础之上，而对于像我国北方河流这种枯水期同时包含冰冻期的情形考虑较少，无法很好地处理“结冰－冰封－冰融”这一连续过程。因此，对于“结冰－冰封－冰融”过程中，不同水深、不同流速、不同冰层厚度条件下，河流污染物时空分布规律及迁移规律还不清楚，关于河流有机污染物通过物理作用、生物降解作用和冰层冻结作用的迁移机理还不明确。

为解决严寒地区冰封期流域水环境污染问题，应根据其流域地理、气候特征、水文特点、社会经济等因素，科学计算冰封期水环境容量，合理分配污染物削减量，提高河流自净能力，并选用合适的低温污水处理技术。而开展冰封期河流污染物时空分布规律研究，弄清冰封期河流“结冰-冰封-冰融”过程中污染物迁移转化机理，可以为提升冰封期河流自净能力以及选择合适的低温污水处理技术提供理论基础，为实现科学合理的水环境容量核算和污染物削减量分配提供技术支持，因此具有重要的现实意义。