1 從水循環(huán)角度研究水污染原因

1.1 水資源循環(huán)中攜帶的污染物

圖1說明了人類通過以下4種主要方式對水循環(huán)系統(tǒng)產生化學影響。

圖1 污染物進入水循環(huán)系統(tǒng)概念框架

(1)通過廢氣進入大氣層;

(2)通過物理和化學方式來利用土壤和植被:利用排水和清除農業(yè)化學物來促進生物量生產過程;通過干燥的廢棄物以及散落在陸地各處的暴露于雨水之下的生活廢品;

(3)從地下含水層，生活、市政活動、工業(yè)以及灌溉供水水體中截留的水資源;

(4)通過廢水形式將利用過的水返回到水體。

污染物主要通過兩種方式進入陸地水體中:一種是作為溶浸劑，另一種是作為傳輸媒介。污染物可以以兩種形式進入流動水體中:通過廢品或人為污染物直接進入，通過浸出或改變水體溶解能力間接引入。

1.2 多源成因同時作用

在實際中，通常是多源成因同時作用。因此，緩解水污染生態(tài)效應的措施必須能夠針對同時作用的多源成因。

(1)第1類成因源于不同源的空氣排放。

(2)第2類成因是源于陸地上不同種類的化學物質。

(3)第3類水污染成因是源于衛(wèi)生系統(tǒng)不完備地區(qū)中人類排泄物在陸地上的累積。

(4)第4類污染源是生活用水、城市、鄉(xiāng)村直接排放的廢水，或者是工業(yè)廢水的排放。

1.3 源自不同行業(yè)的污染

對水質產生的影響一般源自于不同的行業(yè)。流經某個陸地系統(tǒng)的水流也會受到逆流而上的人為污染活動的影響，例如城市化、工業(yè)、農業(yè)或者旅游業(yè)。

由于水資源同時具有多種功能，對人類健康的威脅取決于人類接觸污水的方式，包括飲用水、被污染的食物和洗浴水。這也反映了水資源同時具備的多種功能，即攜帶功能、健康功能、棲息功能，以及生物量生產功能。

1.4 緩解多源復雜的水污染問題

同一水體可能受到一系列不同污染源的污染?；謴退骶褪且槍@些污染源，以及引起水體化學組成變化的所有可能因素。因此，為了選定與所研究水體理想狀態(tài)相關的確切指標和優(yōu)先級別，需要一種系統(tǒng)的方法來恢復水流。

常規(guī)的解決方法是完全切斷上述4種污染源，或者至少是將污染源頭的數(shù)目最小化，可以通過兩種方式實現(xiàn)，一是阻礙污染物的輸出，二是轉化為新的產品或者改變生產方式，使之產生較少污染物。完善衛(wèi)生系統(tǒng)可以避免人類排泄物在陸地上的殘留，因此可以有效緩解第3種污染源。第2種類型污染源最難解決，這是因為化學物質在促進生物量生產方面起著重要作用，它要用食物、飼料、纖維、薪材和木材來支撐世界人口的不斷增長。治理的目標應該是盡可能減少污染物的輸出，通過采用環(huán)境友好的農業(yè)生產方式，可降解的農藥并阻斷有形資產的循環(huán)，從而最大程度杜絕干燥廢棄物和廢渣。

緩解水污染的主要障礙在于決定水質的各種因素紛繁復雜，包括河流棲息地的退化(筑壩、渠化，航運阻礙等)，營養(yǎng)物質、有毒污染物以及能降解有機生物的輸入，季節(jié)性或完全性斷流，例如水生以及河濱生物群的消失。此外，與流域內土地利用、水資源利用和城市化、氣候變化(如降雨減少)、全球變暖(如河水溫度上升以及高海拔水源地冰川融化)等相關的問題還會給水生生物群增加另一組限制條件。

不同流域河流受到影響的時間不同:有的河流可能已經被影響了上百年之久，而有的河流可能才剛剛開始受到影響。由于特有物種滅絕以及新的物種引入，要恢復到最原始的狀態(tài)和生物多樣性，幾乎不可能。緩解污染的效果可能被延遲很長一段時間。解決污染問題所需的時間包括以下兩個部分:社會反應時間，從一開始的發(fā)現(xiàn)問題到最終采取必要措施;水文物理反應時間，首先，污染在水體內的聚集需要一定時間，而當污染輸入被切斷之后，清除這些聚集的污染物又需要一定時間，時間上的延遲還與水體自凈所需時間有關。

2 流動的水體與周圍環(huán)境的相互影響

2.1 與物理環(huán)境的互動

水，無論是地表水還是地下水，流動時都會受到周圍環(huán)境的影響。

水陸系統(tǒng)是一個“多元多相系統(tǒng)”，系統(tǒng)中有一定數(shù)量的主要構成單元。系統(tǒng)最底層的反應往往發(fā)生得很快，而且對水質產生較大影響。自然系統(tǒng)一般不可能達到平衡狀態(tài)。系統(tǒng)中不同反應的相互抵消，對水體中的pH值變化產生了一定緩沖作用，以抵消氧化還原反應以及由固體相存在而引起的陽離子平衡作用所產生的變化。在大多數(shù)淡水系統(tǒng)中，主要組成物質含量的變化非常小，這是因為水土系統(tǒng)中各種反應過程之間存在復雜的相互關系。

水體本身處于物理流動狀態(tài)，這也控制著水中溶解物的輸移。由于水體沿著不同水道流動，而這些水道都具有不同的歷史地貌，同時，水體還跟不同的地質環(huán)境進行交換，因此，在一個給定的節(jié)點上，“分段水體的混合”是影響水質的重要因素。在水流系統(tǒng)中，溶解物沿程會經歷各種生物化學反應，或經歷與系統(tǒng)中化學、生物、物理條件相關的轉化。地表雖然在水流系統(tǒng)中很少出現(xiàn)，但是卻對溶解物的輸移特性有著重大的直接影響。

幾種反應同時發(fā)生以去除水中的溶解物，包括:物理吸收、靜電吸收、化學吸附、取代反應和沉淀或共沉淀。

2.2 流管假設

水流在陸地中的流動受到重力、土壤滲透力和地形等因素的影響。水流流動一般存在兩種形式:在山頂和上邊坡，水流沿表面流動，浸潤地下灌溉植物根系，多余的水流還會繼續(xù)向下流動形成地下水，補給含水層。在底坡，局部山谷或河谷底部，水流流回地表。這種流動形式將陸地分為補給區(qū)和徑流區(qū)。隨著地下水位在汛期和枯期的升降，這些區(qū)域的大小也存在很大差異。

因此，必須鑒別3種地形因素，包括分別持續(xù)存在于補給區(qū)和徑流區(qū)的因素以及兩種區(qū)域高程轉換時的影響因素。當徑流量很小的時候，徑流區(qū)只占總流域的很小部分，當徑流量很大的時候，徑流區(qū)所占比例迅速擴大。

地下水可以被視作是在流管中流動，流管的入口在補給區(qū)，出口在徑流區(qū)的地表。一個流域的流管可以被看作是一捆排列有序的管道，水流流動形式由地下水位既定的地形所決定。一定量的水流經一個管道所需的時間就是其“通過時間”:淺層水道的通過時間相對較短，通常為幾周，水流只是浸潤坡面;中層水道的通過時間多為幾個月甚至一年，水流流過地層的上層區(qū)域，或者較高處能浸潤到坡面;深層水道的通過時間較長，可以達到幾十年，水流流經導水性較弱的地層，浸潤坡頂表面。

不同種類流管所占的組分由以下兩種因素決定:一是地面總流量，二是水流流出流域的比率。當冰磧物位于結晶巖體上時，部分地下水會流經巖體的上部區(qū)域，這個區(qū)域存在水平和垂直方向的裂隙，因此導水率較大。

2.3 流管中對水質產生影響的過程

水質在時空上變化的重要性包括以下幾個方面:地表的水道;不同水道水流的混合;在水流混合之前，不同組分的通過時間。

當一定量的水流通過一個流管時，一些水質參數(shù)將漸漸發(fā)生變化。

2.3.1 補給區(qū)發(fā)生的反應

如前所述，水流是一種活潑的溶劑，在陸地中流動時與各種地質媒介接觸。水流主要和兩個系統(tǒng)發(fā)生反應:加入二氧化碳和酯的有機物，以及加入了侵蝕和離子交換產物的礦物系統(tǒng)。當?shù)竭_地下水位時，雨水具有一定的酸堿度和氧化還原特性，這對于持續(xù)的傳輸過程起到了決定性作用。

對于溶解物的輸移特性和分布產生較大影響的主要參數(shù)包括:水本身的組成(pH值、氧化還原性、溶解的鹽等)、地質環(huán)境的特性以及周圍正在發(fā)生的生物活動。

由于存在一個可以攜帶金屬物質的顆粒相pH依賴型地層，酸性(pH值)對于重金屬的輸移特性十分重要。

同時，氧化還原性對于污染物的傳播也產生很大影響，這是因為氧化鐵類物質的形成和存在很大程度上依賴于這一特性。對于氧化還原反應敏感的一些元素(如 Cr，Hg，As和 U)的輸移特性，同樣存在較大影響。此外，某些有機物的降解和氮的化學性態(tài)也同樣受到氧化還原特性的影響。

2.3.2 傳輸階段發(fā)生的反應

水流流動過程中，系統(tǒng)中的溶解物一般要經歷各種各樣化學生物反應，或者與系統(tǒng)生物、化學、物理條件相關的變化。而且，固體表面雖然很少作為顆粒相物質出現(xiàn)，但是其對溶解物的傳輸過程產生很大影響。單位面積的流域中，水流流經的陸地介質越多，其攜帶的溶解物含量越大。當排泄的污染物速率一定時，污染物含量不受到徑流的影響。

同時，在清除淡水系統(tǒng)溶解物的過程中，會發(fā)生若干種不同反應。這些反應涉及到物理吸收、靜電吸收、化學吸附、取代反應和沉淀或共沉淀等過程。pH值的變化和腐殖物質的含量在很大程度上影響著水流對固態(tài)地質環(huán)境中重金屬物的吸收。

輸移性較差的污染介質，如pH值較高的重金屬，在與可溶性有機復合物相互作用的特定條件下，其傳輸特性會大大增強。在很多實例中，有毒物質和復雜有機介質的結合產生了可移動的有毒物種和化學重分布。

2.3.3 徑流區(qū)發(fā)生的反應

當?shù)叵滤竭_徑流區(qū)時，就與空氣和土壤相接觸。通過土壤水分的蒸騰作用，溶解鹽的含量增加，有利于一些特殊組分的沉淀，例如鈣。從補給區(qū)帶來主要的植物養(yǎng)分，例如鈣、鉀和磷酸鹽，水流沿水道流動時攜帶這些營養(yǎng)物質，促進植被覆蓋豐富的物種生長。如果水體中缺氧，很容易碘化，任何鐵離子都可能形成氫氧化鐵的沉淀。二氧化碳壓力可能會降低，造成鈣沉淀形成方解石。

2.3.4 轉換區(qū)發(fā)生的反應

在枯季水位較低的情況下，一些特殊的地形也有可能形成補給區(qū)，反之，在豐水季節(jié)，這些補給區(qū)又會轉化為徑流區(qū)。水流流動的方向(向上和向下)會不停變化。氧化還原作用、pH值以及某些時候有機物含量的變化會對物種形成和重金屬的含量和輸移產生影響。

2.4 土地利用產生的水質污染

土地利用主要通過以下途徑產生水質污染，即化學廢料場、地下水的過度開采、農業(yè)、土地開發(fā)利用，以及采礦活動。

2.5 較長的流動時間形成“化學定時炸彈”

事實上，水污染的發(fā)生并不意味著其可能被檢測到。較長的輸移時間會使這些污染問題被隱藏起來。然而，通過地層中發(fā)生的吸收過程，污染物還可能在土壤和泥沙中累積，這就形成一枚“化學定時炸彈”。換句話說，檢測到水污染的可能性與兩種延遲過程息息相關，一種是流域中的地下水流動，一種是由于湖泊之間水流流動延遲而形成的地表水流動。

當在被污染的地層開挖水井時，地下水的污染才有可能被檢測到。

當?shù)乩砘瘜W條件發(fā)生變化時，污染物累積于土壤和泥沙中形成“化學定時炸彈”，隨時可能引爆，在這種地方，地下水和地表水的污染也可能被延遲。這就意味著，即使污染源的排放速度有所降低，在土壤和泥沙中仍然會賦存大量的“舊”污染物。這些污染物雖然不可能被永久清除，但是可以被遣散。土地利用和氣候的改變會影響某些控制條件，例如，水的流動可以濾去污染物，從而改變地利化學條件，進而觸發(fā)這種隱藏污染物的排放。

重點需要關注的化學物質包括重金屬、鹵化有機物，脂肪族類和芳香烴以及人造肥(N和P)。例如，鉛這種污染物從銅器時代就開始賦存，引發(fā)巨大的隱憂。其在土壤中的留存時間可以從1 a到100萬a不等。

2.6 河流水質狀況

河流水體是具有不同水化學特征的水體片段的混合。與地表水酸化有關的問題，促進了人們對河道演變歷史和河流水質特征重要性的認識。研究發(fā)現(xiàn)，酸化作用與豐水期占主導地位的水體“片段”相互關聯(lián)，如漲水期快速流動的水流，而不是流域土壤中賦存的流動時間較長的水流。不同水化學性質的水體所占的比例隨著時間變化而變化，這一點可以通過水流濃度的滯后效應來反映。

一般來說，污染物含量的變化受到很多不同因素的影響，包括土地利用、水文氣象條件，廢品利用，土壤類型等。遺憾的是，測量數(shù)據(jù)總是不準確，比如沒有包括極端徑流事件，而這些極端情況可以攜帶大部分的污染物。一些穩(wěn)定的同位素，例如O18，可以作為追蹤劑來區(qū)分地下水補給水道和徑流水道。

2.6.1 繼承性水污染

不同年代的人類活動造成了水污染的逐步加重:11世紀前的土地利用，11世紀后的河流整治工程，19世紀發(fā)生的城市人口擴張和采礦活動，20世紀前半段的大氣污染，以及二戰(zhàn)之后農業(yè)化肥造成的污染。

然而，世界上任何一個地區(qū)都有獨特的地理系統(tǒng)和歷史，如冰川期和冰川消融期，地表變化等，以及獨特的人類發(fā)展歷史。因此，在未來，不同區(qū)域人類活動的驅動和地球系統(tǒng)的控制特點仍將不同，以全球變暖和氣候變化的方式。同時，自然條件的敏感性也會不同，例如在碳酸鹽巖地區(qū)，發(fā)生酸化的風險有限，半酸化地區(qū)容易發(fā)生鹽化和河流斷流的情況，而山區(qū)和黃土區(qū)則更容易發(fā)生泥沙不平衡等。

在人類發(fā)展史上，河流水質逐漸發(fā)生著變化，一開始對原始狩獵采集社會的影響很小，到后來，在筑壩形成的水庫中，水質發(fā)生了最大程度的惡化，這一惡化同時也受到灌溉、大型城市用水以及工業(yè)和采礦活動的影響。對廢水采集的有限、對環(huán)境治理的不得力以及居民環(huán)保意識的淡薄都加劇了水質惡化。梅貝克提出了以下4個階段:①人口的驅動;②惡化加劇;③環(huán)境修復;④當河流中的水污染被全面治理清除之后，對河流水質的全方位管理。采取工程措施管理水流系統(tǒng)，以保證居民和水生生物用水的水質安全。

一些欠發(fā)達國家往往處于以上第1個階段，而發(fā)展速度較快的發(fā)展中國家已經開始邁向第2階段。一些東歐國家直到1990年代才進入第2階段。大部分北美和西歐發(fā)達國家已經進入第3階段，而且這些國家的一些流域甚至已經進入第4階段。

2.6.2 從千年尺度研究河流水質

從水質角度來看，對不同河流的影響基本都是趨于負面(在發(fā)展中國家是微生物污染以及病菌的繁殖，在發(fā)達國家是化學污染和富營養(yǎng)化問題)。

不同形式的人類活動對河流水質產生不同影響，可以依照世界范圍內，人類對環(huán)境的普遍性破壞影響，將其被歸納為一系列“河流水癥”。基于河流演變重構效應，在西歐和南美的河流系統(tǒng)演變過程中，一些“河流水癥”表現(xiàn)出地區(qū)性差異。在歐洲，有機物、排泄物以及金屬污染幾乎呈平行增長的趨勢，直到20世紀70年代，這些污染快速減少，但是硝酸鹽和農藥污染卻增加。在南美，金屬污染在公元16世紀左右增長，伴隨著歐洲殖民者的入侵，以及他們所開展的金銀礦開采和汞融合活動。金屬污染在20世紀80年代出現(xiàn)下降趨勢，但是二戰(zhàn)之后又與硝酸鹽和農藥污染物一起，同步回升。

3 對將來的水污染風險

3.1 規(guī)劃

水污染問題廣泛存在并且十分復雜?？梢灶A見，水污染問題在將來會更加嚴重而且影響深遠。梅貝克根據(jù)水污染從羅馬時期開始的綜合發(fā)展空間尺度，對其多年來的演化過程進行了大致分析。在羅馬時期，水化學污染的嚴重影響可能只是在地方范圍內顯現(xiàn);直到19世紀，污染效應開始像更廣闊的地區(qū)發(fā)展，但是仍然可以忽略。在20世紀50年代，污染程度加劇，擴展到了洲際范圍。在20世紀，污染空間尺度已經達到全球范圍，其中洲際污染處于中等狀況，而局部地區(qū)的污染已經十分嚴重。他描述了2050年3種情景:和以往一樣，地區(qū)性污染越來越嚴重;絕大多數(shù)污染地的優(yōu)先性降低，地方性污染程度降低，但是還不足以影響全球范圍的污染情況;普遍使用預警準則，使地方性、地區(qū)性以及全球范圍的污染程度減輕，減輕到中等污染。

3.2 需要應對的主要風險

首先，要聚焦特別嚴重的風險，對那些有害于人類健康和破壞生物系統(tǒng)繁殖的風險要特別關注。對人類健康有害的風險包括傳染性物質:有毒化學物如汞、鉛和鎘;農藥和荷爾蒙激素化合物;硝酸鹽。這些物質會危害人類健康并引發(fā)與水相關的疾病，如皮膚病、在人類組織中的累積，以及在食用魚類體內的累積。對生物系統(tǒng)有害的風險可能包括不同物種生態(tài)功能的喪失，包括土地及水的鹽堿化會導致農業(yè)減產，湖泊和近岸水流的有毒物質會影響到魚類和海產等。

值得關注的是，人類該如何有效應對這些風險以及關鍵的問題出在哪里。一般來說，需要首先關注的是最具威脅的污染物，也是最不允許出現(xiàn)的污染物，或者說是影響最為久遠的污染物。利用不同方式對污染物進行控制:通過稀釋作用降低污染物濃度;通過廢水處理措施，如對營養(yǎng)物質的再利用，控制污染物流入;對于水源被核物質污染的水流進行隔離處理;通過控制最大允許流量來阻止污染物的流出;或者完全禁用某種污染物，例如對DDT和其他有毒化學物質的禁用。

3.3 水流除污原則

從原則上看，水流除污的原則可以是對某種已經存在的污染物的被動反應，也可以是通過禁止某些污染物的聯(lián)合作用，來對隱藏的潛在污染進行主動處理。對于前面一種情況，有多種不同的選擇:通過保證足夠的稀釋量來降低污染濃度;通過控制污染物進入水流系統(tǒng)，以及通過廢水治理，隔離污染源、阻止污染物流出，或者禁用某些污染物等方式。最終的目的都是要重點關注用水這一環(huán)節(jié)，通過運用一些用戶層級的治理技術來保護其用水不受污染。

就對特定污染源以及相關污染實施者(點源污染和面源污染)的鑒別存在不同可能性，除污效果可能存在差異。面源污染尤其難以治理，正如某些工業(yè)國家，盡管經過了幾十年的治理，還是造成了湖泊和近岸水流嚴重富營養(yǎng)化的局面。

水流除污的成敗取決于對以下這些相關活動的管理水平:

(1)對相關風險和薄弱環(huán)節(jié)的認識;

(2)對某種特定污染源和污染實施者的鑒別;

(3)法律、強制、激勵和處罰手段相關政策的制定和發(fā)展;

(4)可行技術處理措施的可獲取性;

(5)不同形式的經濟調整措施，即污染實施者賠償、用戶收費、稅收、政府補貼等;

(6)治理污染的政治意愿，這一意愿要得到社會公眾的支持，并使之付諸行動，包括經濟措施;

(7)選擇合適的責任人和機構來負責除污;

(8)通過強調對水流除污的認識來促進全社會接受除污行動，以保證各種措施的實施。

4 結語

目前，水質狀況的分布具有明顯的地區(qū)性差異，這反映了水文化學和人類歷史發(fā)展的差異。總得來說，水污染不僅僅是廣泛分布，同時也十分復雜。水污染問題來源于自然演變過程和人類活動的相互影響，這種影響改變了水流物理特性，并且增加了水流中的化學物質組成。

在對水污染進行治理時，迫切需要從以下方面著手，包括針對威脅性最大的物質、污染最嚴重的地點、生物多樣性降低最嚴重的水生系統(tǒng)以及影響最為深遠的威脅。

在選擇治理對象時，要考慮到治理效果的顯現(xiàn)需要經過很長的反應之間等等一系列問題。

在過去的30多年中，對生物群落進行了論證，并從環(huán)境影響方面定義了所存在問題，然而對于決策者來說，這些工作的說服力十分有限。因此，在將來的水污染治理中，應該更多地從水體本身進行論證:

(1)解釋水污染背后緩慢的水體變化過程;

(2)為了保證現(xiàn)有政策的實施效果和作用時間，提供更多的解決方案;

(3)提供更多的治理模型，包括一些對水量和水質、土地和水流、人類和生態(tài)系統(tǒng)綜合治理的措施;

(4)提出在技術、經濟、法律法規(guī)上均可行，并且能被社會廣泛接受的解決措施;

(5)讓那些對水資源問題有充分認識和了解的有識之士參與到決策中來。