地表水水質

地表水水質是指地表水體的物理、化學和生物學的特徵和性質。

基本介紹

• 中文名：地表水水質
• 外文名：Surface water quality
• 定義：地表水體的的特徵和性質
• 監測方法：自動監測、常規監測、應急監測
• 作用：直接關係到人民的身體健康
• 現狀：水體富營養化嚴重

現狀

中國地表水水質現狀

(1) 我國點源污染不斷加劇，非點源污染日趨嚴重，對水資源安全構成了嚴重的威脅。隨著經濟社會的發展， 人類活動程度的加大和範圍的擴大， 非點源污染的影響日趨嚴重，總磷、總氮入河量的貢獻率均超過了 60% 。化學需氧量和氨氮入河量，全國仍以點源為主，但非點源的貢獻亦已經上升到40% 左右，致使全國地表水水質汛期狀況稍差於非汛期，個別區域，如松花江區，汛期水質狀況遠差於非汛期。

(2) 我國河流污染以有機污染為主，主要參數為氨氮、化學需氧量、高錳酸鹽指數、五日生化需氧量、溶解氧和揮發酚。重金屬污染重點出現在西南、長江等局部區域。黃淮海平原、遼河平原、太湖水系、珠江三角洲的河流及珠江三角洲上游的南盤江受化學需氧量、高錳酸鹽指數、氨氮和溶解氧污染較大；海河南系、淮河中上游是我國揮發酚的重點污染區，局部區域污染程度驚人。

(3) 我國湖泊水庫富營養化嚴重，嚴重威脅到供水安全和漁業生產，嚴重削弱景觀娛樂功能的發揮。

(4) 我國江河湖庫底質污染嚴重。重金屬污染率高達 81%，總磷輕度及重度污染斷面比例為12.5%，總氮輕度及重度污染斷面比例為 16.7%。底質污染控制已經成為點源、面源之外的又一必須關注的問題，應該有防患對策。

(5) 飲水水質的好壞，直接關係到人民的身體健康，也是反映一個國家文明程度的重要指標之一。我國飲用水水源地合格比例為 75.3%，部分經濟水平較高、人口密度較大的區域，水源地合格率較差，與我國人民生活水平不斷提高對飲用水安全的要求還存在差距，是區域全面可持續發展的制約因素之一。

(6) 具有“三致”效應及干擾內分泌作用的有毒有機化合物已影響到我國重要水源地水質安全，嚴重威脅人民身體健康。對於常規處理辦法難於去除、且危害極大的有毒有機物污染必須引起有關部門的高度重視，並儘快在全國組織更全面系統的監測調查和研究，以便及時制定防患對策。

(7) 我國水功能區達標狀況不容樂觀，部分水功能區已經喪失了其使用功能。我國水功能區現狀水質與目標水質類別差 1 個級別，其中保護區、保留區和飲用水源區水質相對較好， 以Ⅱ類為主，與水質目標差距最小，緩衝區、景觀娛樂用水區現狀水質與目標水質差距最大。

(8) 我國水功能區納污能力與入河量的空間分異加劇了水環境狀況的惡化，部分水功能區不堪重負，是類似 “三江三湖”等嚴重污染區水質狀況惡劣的主要原因。

(9) 水質趨勢分析成果表明，部分項目的污染已經得到控制，但地表水資源質量總體在下降，水環境污染勢頭未能有效遏制，情勢嚴峻。

監測

監測方法

水環境監測方法可以歸為三類:（1）自動監測,執行國家環保局、EPA (USA) 和EU 認可的儀器分析方法,並按照國家環境保護局批准的水質自動監測技術規範進行;（2）常規監測,執行地表水環境質量標準(GB 383822002) 中規定的標準分析方法;（3）應急監測,凡有國家認可標準方法的項目,必須採用標準方法.沒有標準方法的項目,採用等效方法進行測定。

在水環境監測領域,針對不同的流域和管理需要一般採取兩種監測方式:水質自動監測和常規監測,並將兩種監測方式有機地結合起來. 水質自動監測系統一方面保留了傳統的自動儀器監測方式的優點:能連續、實時地對水質進行監測,節省大量的人力和時間,監測數據的偶然誤差小,水環境受到污染時能及時報警. 另一方面還發展了一些新的自動監測方法,如瑞典對海洋採用生物自動監測方式;如利用雷達對海域的溢油進行實時監測等. 但是占主導地位的監測方式仍然還是常規監測方式. 它能夠克服自動監測的許多局限性,比如一次性投資大,能監測的指標少,主要以綜合性指標為主,無法解決很多單項指標的特別是有機污染物的監測問題。

技術路線

目前,地表水監測技術路線為:採用以流域為單元,最佳化斷面為基礎,連續自動監測分析技術為先導;以手工採樣、實驗室分析技術為主體;以移動式現場快速應急監測技術為輔助手段的自動監測、常規監測與應急監測相結合的監測技術路線。

水質監測技術

水質監測質量和水平的提高依賴於監測技術的發展. 水污染以有機物為主的情況下,有機物監測顯得尤其重要. 在現有的技術條件下,水質監測技術仍以傳統的物理化學監測技術為主,一些非傳統的監測技術,如水質自動監測技術、生物監測及遙感監測技術也得到了套用。

1、傳統監測技術——理化監測

水質監測中物理指標數據是比較容易獲取的,其監測儀器往往也比較簡單,有些一機多能的水質監測儀可同時測定多項物理指標. 無機污染物的監測技術是從分光光度法測定開始的,之後由於監測要求的提高,一些高靈敏度的分析儀器和方法很快發展起來,如原子吸收和原子螢光法、電漿發射光譜( ICP2AES) 、等離子發射光譜2質譜法( ICP2MS) 、分光光度和流動注射分析技術、價態和形態分析. 在無機物監測技術方面,我國已經基本與世界接軌,技術方法等較為完善和成熟.

有毒有機污染物的監測是水質監測面臨的重要任務,在儀器的引進及研發方面取得一定的進步. 一些監測站已經引進了大、中型實驗室監測分析儀器,提高了對一些有毒有害物質的監測能力. 在分析儀器方面,也不斷進行著研發. 研究開發了攜帶型GC-PID 測定苯系物、有機磷農藥等有機污染物的監測方法,可實現簡易化,並適合於現場測量. 此外還開發了用於現場測量的NH₃-N、揮發酚、Cr⁶⁺ 、氟化物、硫化物和CODCr的快速監測管等.《水和廢水監測分析方法》(第四版) 增加了一些有毒有害有機物污染物的分析技術,如用吹脫捕集GC2MS 法測揮發性有機物(VOCs) ,用液液萃取或微固相萃取GC-MS 測定半揮發性有機物(S-VOCs) ;也可將GC-MS 用於氯酚類、有機氯農藥、有機磷農藥、PAHs、PCBs 類的分析套用;用IC 法於AOX、TOX的分析。

2、非傳統監測技術

（1）水質自動監測技術

水質自動監測代表水環境監測高級階段,從理論上來說,一個水質自動監測系統應當實現對本地區水系的河道、湖泊、水庫乃至海域實現長時間的連續監測,實時監視水質狀況和動態變化規律,及時發現污染事件,隨時做出水質狀況報告,定期做出階段報告,並進而建立水質變化模式,做到水質的預測預報. 水質自動監測站的監測方式包括感測器式、抽水式或兩者相結合的方式. 感測器方式是把外部感測器安裝到測點位置,通過不同感測器對pH 值、溶解氧、電導率、濁度、溫度等參數進行監測. 抽水式是利用水泵把水樣抽到採樣杯,或通過去除泥沙等預處理後進入採樣杯,再從採樣杯中取水到綜合分析儀,分別對總磷、總氮、TOD 等參數進行分析. 近年來,我國在大江大河的一些重要河段和一些重要城市的主要水源地、引水渠等相繼建成了一批水質自動監測站,還處於發展的初期階段. 國外的水質監測已經在向這一方向發展,如美國、日本等已經基本形成了全國範圍的水質自動監測網路.但水質自動監測也存在一些問題,如監測參數較少(只有10 個左右) ,費用較高,一些重金屬、有機物等尚無自動監測手段,與我國技術規範中規定的監測參數數量有較大差距等. 因此,此技術上需要與傳統的監測技術相結合,根據我國的國情逐步展開。

（2）生物監測

在對水質的評價過程中,常規的對水環境中BOD、COD、TOD 和濁度等的測試所利用的傳統理化檢測方法,已經不足以說明和反映水環境樣品的毒性效應,因此還需要進行多樣性的生物監測. 套用生物監測方法,可以直接檢測出生態系統已經發生的變化或已經產生影響而沒有顯示出不良效應的信息. 如水環境監測利用底棲動物及浮遊動物群落、種群及個體數量和形態學的改變來反映污染程度;利用活體生物的急性毒性試驗反映污染物濃度;利用活體生物的慢性毒性試驗來反映致畸、致癌、致突變的毒性效應等。

水生物監測水質技術是利用水生物對水體有害物質的敏感性,通過對不同水生物在不同水質環境條件下相應的活動變化狀況測定或分析,得出對水質的定性評價結果. 通常分為魚測法、水虱測法和人工底質測定法三種. 水生物監測水質技術能夠彌補化學分析技術實時性和綜合性較差的缺陷. 但其本身只能反映水質的變化,對於導致產生水質變化的有害物質認定以及尋找有害物質來源方面,則只能通過化學分析系統來完成. 因此,一個完整的水環境監測系統應包括優勢互補的化學分析和生物監測兩個方面.

（3）遙感監測技術

遙感技術目前也已經用於水環境的監測. 水體及其污染物質的光譜特性是利用遙感信息進行水質監測與評價的依據 . 在水污染監測方面,我國先後對海河、渤海灣、薊運河、大連河、長春南湖、於橋水庫、珠江、蘇南大運河等大型水體進行了遙感監測,研究了有機物污染、油污染、富營養化等。

遙感技術的監測,是一種新興的技術. 它需要與其他領域的相關技術結合才能取得預期的效果,也就決定它的影響因素較多. 主要是對大範圍的水域較為適用,通過以往獲得的數據來建立數學模型,對一些水體的水質變化進行預測. 同時這一技術也對監測工作人員提出更高的要求。

模型

地表水水質模型是描述各種污染物質在地表水體中混合和輸運、在時間和空間上的遷移轉化規律以及各影響因素相互關係的數學方程,它是地表水環境污染治理規劃決策分析的重要工具和有效手段,在地表水質預測、水環境容量研究中起著重要作用。地表水水質模型是一種數學描述,在其對地表水水質進行研究分析的過程中涉及到許多物理、化學和生物過程,因而比較複雜,研究過程中需要根據需求選擇因子與研究方法,建立不同的模型。最近幾十年來,各種地表水水質模型不斷湧現,發展日臻成熟,為地表水水質的研究工作提供了基礎。隨著人工神經網路技術、3S技術以及虛擬技術等的不斷發展以及與地表水水質模型的進一步結合,極大地促進了地表水水質研究技術和水環境管理技術的發展,為水環境規劃與管理工作提供了強有力的技術保障和支持。

模型的分類

地表水水質模型的分類標準比較多,大致如下:

(1)按照水質組分的空間分布特性,可分為零維、一維、二維、三維水質模型。零維水質模型又稱均勻混合水質模型,它將整個計算單元看作是一個反應容器,處於完全均勻的混合狀態,此類模型主要用於對湖泊、水庫等水體的水質模擬計算;沿河流流動方向橫向尺度遠小於縱向尺度,只考慮縱向,此類模型是一維水質模型,主要適用於中小河流的水質模擬計算;二維水質模型考慮縱向和橫向尺度,主要套用於寬淺河流的水質模擬計算;三維水質模型則考慮了橫向、縱向、垂向三維空間的變化,主要套用於排污口附近的水質模擬計算。但在套用水質模型時,應綜合考慮各種因素並著重考慮主要因素選取合適維數的水質模型,而並非一味的追求維數的多寡。

(2)按照模型變數的多少,可分為單變數水質模型和多變數水質模型。簡單的水質模擬一般採用單一變數或是少數變數,隨著變數的增加,模擬難度也會相應增加。模型變數及其數目的選擇,主要取決於模型套用的目的以及對於實際資料和實測數據的擁有程度等。

(3)按照水質組分的時間變化特性,可分為穩態水質模型和動態水質模型。水質組分不隨時間變化的是穩態水質模型,反之則是動態水質模型。當

水流運動為恆定狀態時,水質組分可能不隨時間變化,也可能隨時間變化;而當水流運動為非恆定狀態時,水質組分是隨著時間而變化的。在實際套用過程中,穩態水質模型常套用於水污染控制規劃,而動態水質模型則常套用於分析污染事故、預測水質變化。

除以上分類外,地表水水質模型還有很多分類方法,如按水質組分的遷移特性可分為對流水質模型、擴散水質模型和對流-擴散水質模型;按水質組分是否作為隨機變數可以分為隨機水質模型和確定性水質模型等

幾種主要的地表水水質模型

（1）S-P模型(Streeter-Phelps模型)

S-P模型是1925年由Streeter和Phelps提出的,又稱BOD-DO模型,是套用最普遍的一維地表水水質模型。此模型建立的基本假定[5]是:只考慮好氧微生物參加的BOD一級衰減反應,即任何時候反應速率都和剩餘的有機物數量成正比,用-K1C來表示;水體中溶解氧(DO)的減少只認為是由微生物的作用使BOD衰減而引起的,水體中DO減少的速率與BOD的反應速率相同;水體中復氧速率與水體中的氧虧量成正比S-P模型是比較初級和簡單的模型,在實際套用過程中存在許多缺陷,之後的發展中出現了很多修正式[6],如描述沉澱的Thomas修正式,描述地表匯流、底泥耗氧、光合作用增氧的Dobbins-Camp修正式,描述硝化階段耗氧的OConnor修正式,等等。這些模型都只是簡單的氧平衡模型,雖然涉及了一些非耗氧物質的研究,但其主要研究氧平衡,屬於一維穩態水質模型,較難套用於複雜的水環境的模擬計算。

（2）QUAL系列模型

1970年,美國環保局(EPA)研究開發並推出QUAL-I水質綜合模型,之後經多次修訂和增強,逐步推出了QUAL-Ⅱ、QUAL2E、QUAL2K模型,QUAL2K模型是目前的最新版本。QUAL系列模型主要建立在如下假定的基礎上:①將研究河段分成一系列等長的計算單元水體,並將每一個單元水體中污染物看作是混合均勻的;②污染物沿水流軸方向遷移,對流、擴散等作用存在縱軸方向,流量和旁側水流不隨時間變化,視為是一個常數;③各單元水體的水力幾何特徵,如坡底、斷面面積、河床糙率、生化反應速率以及污染物沉降等方面各小段均相同。

（3）EFDC模型

EFDC模型,即環境流體動力學模型(Environ-mentalFluidDynamicsCode),是由美國維吉尼亞州海洋研究所(VIMS)根據多個數學模型集成開發研製的綜合模型[8],它採用Fortran77編制,集水動力模組、泥沙輸運模組、污染物運移模組和水質預測模組為一體,可以用於包括河流、湖泊和近岸海域一、二、三維等地表水水質的模擬。EFDC模型具有靈活的變邊界處理技術和通用的檔案輸入格式,同時具有能快速耦合的水動力、泥沙和水質模組,省略了不同模型接口程式的研發過程。另外,EFDC模型具有極強的問題適應能力,可用於模擬點源和非點源的污染、有機物遷移、歸趨等[9]。至今,EFDC模型已經成功套用於模擬維吉尼亞的James河口、YorkRiver河口以及Chesapeake河口等。

（4）WASP模型

WASP模型(TheWaterQualityAnalysisSim-ulationProgram,水質分析模擬程式)是美國環境保護局(EPA)環境研究實驗室開發的地表水水質模型系統,可以用來模擬水文動力學、河流一維不穩定流、湖泊和河口三維不穩定流、常規污染物(包括DO、BOD以及營養物質)和有毒污染物(包括有機化學物質、金屬和沉積物)在水中的遷移和轉化規律。WASP模型主要有3個方面的作用:描述水質現狀,提供一般性水質預測和提供特定位置水質預測。目前,已經發展到最新版本WASP-6。

WASP模型系統包括2個獨立的計算程式:DYNHYD和WASP,它們可以聯合運行,也可以獨立運行。DYNHYD是水動力學程式,它模擬水的運動,對水系統中長波的傳播機型進行模擬計算;WASP是水質程式,主要模擬水中各種污染物的運動及相互作用,描述某種水質組分在時空上的變化,主要由有毒化學物模型TOXI和富營養化模型EUTRO兩個子程式組成,分別模擬兩類水質問題,即傳統污染物的遷移轉化規律(DO、BOD和富營養化)、有毒物質遷移轉化規律(有機化學物、金屬、沉積物等)

（5）QUASAR模型

QUASAR模型(QualitySimulationAlongRiverSystem)是由英國貝德福烏斯河水質模型發展起來的,屬於一維動態綜合水質模型。QUA-SAR模型用含參數的一維質量守恆微分方程來描述枝狀河流動態傳輸過程,可隨機模擬大的受污水排放口、取水口和水工建築物等多種因素影響的枝狀河流體系,可同時模擬包括BOD、DO、硝氮、氨氮、pH值、溫度和一種守恆物質的任意組合的水質組分。