地表水水质是指地表水体的物理、化学和生物学的特征和性质。

中国地表水水质现状

(1) 我国点源污染不断加剧，非点源污染日趋严重，对水资源安全构成了严重的威胁。随着经济社会的发展， 人类活动程度的加大和范围的扩大， 非点源污染的影响日趋严重，总磷、总氮入河量的贡献率均超过了 60% 。化学需氧量和氨氮入河量，全国仍以点源为主，但非点源的贡献亦已经上升到40% 左右，致使全国地表水水质汛期状况稍差于非汛期，个别区域，如松花江区，汛期水质状况远差于非汛期。

(2) 我国河流污染以有机污染为主，主要参数为氨氮、化学需氧量、高锰酸盐指数、五日生化需氧量、溶解氧和挥发酚。重金属污染重点出现在西南、长江等局部区域。黄淮海平原、辽河平原、太湖水系、珠江三角洲的河流及珠江三角洲上游的南盘江受化学需氧量、高锰酸盐指数、氨氮和溶解氧污染较大；海河南系、淮河中上游是我国挥发酚的重点污染区，局部区域污染程度惊人。

(3) 我国湖泊水库富营养化严重，严重威胁到供水安全和渔业生产，严重削弱景观娱乐功能的发挥。

(4) 我国江河湖库底质污染严重。重金属污染率高达 81%，总磷轻度及重度污染断面比例为12.5%，总氮轻度及重度污染断面比例为 16.7%。底质污染控制已经成为点源、面源之外的又一必须关注的问题，应该有防患对策。

(5) 饮水水质的好坏，直接关系到人民的身体健康，也是反映一个国家文明程度的重要指标之一。我国饮用水水源地合格比例为 75.3%，部分经济水平较高、人口密度较大的区域，水源地合格率较差，与我国人民生活水平不断提高对饮用水安全的要求还存在差距，是区域全面可持续发展的制约因素之一。

(6) 具有“三致”效应及干扰内分泌作用的有毒有机化合物已影响到我国重要水源地水质安全，严重威胁人民身体健康。对于常规处理办法难于去除、且危害极大的有毒有机物污染必须引起有关部门的高度重视，并尽快在全国组织更全面系统的监测调查和研究，以便及时制定防患对策。

(7) 我国水功能区达标状况不容乐观，部分水功能区已经丧失了其使用功能。我国水功能区现状水质与目标水质类别差 1 个级别，其中保护区、保留区和饮用水源区水质相对较好， 以Ⅱ类为主，与水质目标差距最小，缓冲区、景观娱乐用水区现状水质与目标水质差距最大。

(8) 我国水功能区纳污能力与入河量的空间分异加剧了水环境状况的恶化，部分水功能区不堪重负，是类似 “三江三湖”等严重污染区水质状况恶劣的主要原因。

(9) 水质趋势分析成果表明，部分项目的污染已经得到控制，但地表水资源质量总体在下降，水环境污染势头未能有效遏制，情势严峻。

水环境监测方法可以归为三类:（1）自动监测,执行国家环保局、EPA (USA) 和EU 认可的仪器分析方法,并按照国家环境保护局批准的水质自动监测技术规范进行;（2）常规监测,执行地表水环境质量标准(GB 383822002) 中规定的标准分析方法;（3）应急监测,凡有国家认可标准方法的项目,必须采用标准方法.没有标准方法的项目,采用等效方法进行测定。

在水环境监测领域,针对不同的流域和管理需要一般采取两种监测方式:水质自动监测和常规监测,并将两种监测方式有机地结合起来. 水质自动监测系统一方面保留了传统的自动仪器监测方式的优点:能连续、实时地对水质进行监测,节省大量的人力和时间,监测数据的偶然误差小,水环境受到污染时能及时报警. 另一方面还发展了一些新的自动监测方法,如瑞典对海洋采用生物自动监测方式;如利用雷达对海域的溢油进行实时监测等. 但是占主导地位的监测方式仍然还是常规监测方式. 它能够克服自动监测的许多局限性,比如一次性投资大,能监测的指标少,主要以综合性指标为主,无法解决很多单项指标的特别是有机污染物的监测问题。

目前,地表水监测技术路线为:采用以流域为单元,优化断面为基础,连续自动监测分析技术为先导;以手工采样、实验室分析技术为主体;以移动式现场快速应急监测技术为辅助手段的自动监测、常规监测与应急监测相结合的监测技术路线。

水质监测质量和水平的提高依赖于监测技术的发展. 水污染以有机物为主的情况下,有机物监测显得尤其重要. 在现有的技术条件下,水质监测技术仍以传统的物理化学监测技术为主,一些非传统的监测技术,如水质自动监测技术、生物监测及遥感监测技术也得到了应用。

1、传统监测技术——理化监测

水质监测中物理指标数据是比较容易获取的,其监测仪器往往也比较简单,有些一机多能的水质监测仪可同时测定多项物理指标. 无机污染物的监测技术是从分光光度法测定开始的,之后由于监测要求的提高,一些高灵敏度的分析仪器和方法很快发展起来,如原子吸收和原子荧光法、等离子体发射光谱( ICP2AES) 、等离子发射光谱2质谱法( ICP2MS) 、分光光度和流动注射分析技术、价态和形态分析. 在无机物监测技术方面,我国已经基本与世界接轨,技术方法等较为完善和成熟.

有毒有机污染物的监测是水质监测面临的重要任务,在仪器的引进及研发方面取得一定的进步. 一些监测站已经引进了大、中型实验室监测分析仪器,提高了对一些有毒有害物质的监测能力. 在分析仪器方面,也不断进行着研发. 研究开发了便携式GC-PID 测定苯系物、有机磷农药等有机污染物的监测方法,可实现简易化,并适合于现场测量. 此外还开发了用于现场测量的NH3-N、挥发酚、Cr6+ 、氟化物、硫化物和CODCr的快速监测管等.《水和废水监测分析方法》(第四版) 增加了一些有毒有害有机物污染物的分析技术,如用吹脱捕集GC2MS 法测挥发性有机物(VOCs) ,用液液萃取或微固相萃取GC-MS 测定半挥发性有机物(S-VOCs) ;也可将GC-MS 用于氯酚类、有机氯农药、有机磷农药、PAHs、PCBs 类的分析应用;用IC 法于AOX、TOX的分析。

2、非传统监测技术

（1）水质自动监测技术

水质自动监测代表水环境监测高级阶段,从理论上来说,一个水质自动监测系统应当实现对本地区水系的河道、湖泊、水库乃至海域实现长时间的连续监测,实时监视水质状况和动态变化规律,及时发现污染事件,随时做出水质状况报告,定期做出阶段报告,并进而建立水质变化模式,做到水质的预测预报. 水质自动监测站的监测方式包括传感器式、抽水式或两者相结合的方式. 传感器方式是把外部传感器安装到测点位置,通过不同传感器对pH 值、溶解氧、电导率、浊度、温度等参数进行监测. 抽水式是利用水泵把水样抽到采样杯,或通过去除泥沙等预处理后进入采样杯,再从采样杯中取水到综合分析仪,分别对总磷、总氮、TOD 等参数进行分析. 近年来,我国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、引水渠等相继建成了一批水质自动监测站,还处于发展的初期阶段. 国外的水质监测已经在向这一方向发展,如美国、日本等已经基本形成了全国范围的水质自动监测网络.但水质自动监测也存在一些问题,如监测参数较少(只有10 个左右) ,费用较高,一些重金属、有机物等尚无自动监测手段,与我国技术规范中规定的监测参数数量有较大差距等. 因此,此技术上需要与传统的监测技术相结合,根据我国的国情逐步展开。

（2）生物监测

在对水质的评价过程中,常规的对水环境中BOD、COD、TOD 和浊度等的测试所利用的传统理化检测方法,已经不足以说明和反映水环境样品的毒性效应,因此还需要进行多样性的生物监测. 应用生物监测方法,可以直接检测出生态系统已经发生的变化或已经产生影响而没有显示出不良效应的信息. 如水环境监测利用底栖动物及浮游动物群落、种群及个体数量和形态学的改变来反映污染程度;利用活体生物的急性毒性试验反映污染物浓度;利用活体生物的慢性毒性试验来反映致畸、致癌、致突变的毒性效应等。

水生物监测水质技术是利用水生物对水体有害物质的敏感性,通过对不同水生物在不同水质环境条件下相应的活动变化状况测定或分析,得出对水质的定性评价结果. 通常分为鱼测法、水虱测法和人工底质测定法三种. 水生物监测水质技术能够弥补化学分析技术实时性和综合性较差的缺陷. 但其本身只能反映水质的变化,对于导致产生水质变化的有害物质认定以及寻找有害物质来源方面,则只能通过化学分析系统来完成. 因此,一个完整的水环境监测系统应包括优势互补的化学分析和生物监测两个方面.

（3）遥感监测技术

遥感技术目前也已经用于水环境的监测. 水体及其污染物质的光谱特性是利用遥感信息进行水质监测与评价的依据 . 在水污染监测方面,我国先后对海河、渤海湾、蓟运河、大连河、长春南湖、于桥水库、珠江、苏南大运河等大型水体进行了遥感监测,研究了有机物污染、油污染、富营养化等。

遥感技术的监测,是一种新兴的技术. 它需要与其他领域的相关技术结合才能取得预期的效果,也就决定它的影响因素较多. 主要是对大范围的水域较为适用,通过以往获得的数据来建立数学模型,对一些水体的水质变化进行预测. 同时这一技术也对监测工作人员提出更高的要求。

地表水水质模型是描述各种污染物质在地表水体中混合和输运、在时间和空间上的迁移转化规律以及各影响因素相互关系的数学方程,它是地表水环境污染治理规划决策分析的重要工具和有效手段,在地表水质预测、水环境容量研究中起着重要作用。地表水水质模型是一种数学描述,在其对地表水水质进行研究分析的过程中涉及到许多物理、化学和生物过程,因而比较复杂,研究过程中需要根据需求选择因子与研究方法,建立不同的模型。最近几十年来,各种地表水水质模型不断涌现,发展日臻成熟,为地表水水质的研究工作提供了基础。随着人工神经网络技术、3S技术以及虚拟技术等的不断发展以及与地表水水质模型的进一步结合,极大地促进了地表水水质研究技术和水环境管理技术的发展,为水环境规划与管理工作提供了强有力的技术保障和支持。

模型的分类

地表水水质模型的分类标准比较多,大致如下:

(1)按照水质组分的空间分布特性,可分为零维、一维、二维、三维水质模型。零维水质模型又称均匀混合水质模型,它将整个计算单元看作是一个反应容器,处于完全均匀的混合状态,此类模型主要用于对湖泊、水库等水体的水质模拟计算;沿河流流动方向横向尺度远小于纵向尺度,只考虑纵向,此类模型是一维水质模型,主要适用于中小河流的水质模拟计算;二维水质模型考虑纵向和横向尺度,主要应用于宽浅河流的水质模拟计算;三维水质模型则考虑了横向、纵向、垂向三维空间的变化,主要应用于排污口附近的水质模拟计算。但在应用水质模型时,应综合考虑各种因素并着重考虑主要因素选取合适维数的水质模型,而并非一味的追求维数的多寡。

(2)按照模型变量的多少,可分为单变量水质模型和多变量水质模型。简单的水质模拟一般采用单一变量或是少数变量,随着变量的增加,模拟难度也会相应增加。模型变量及其数目的选择,主要取决于模型应用的目的以及对于实际资料和实测数据的拥有程度等。

(3)按照水质组分的时间变化特性,可分为稳态水质模型和动态水质模型。水质组分不随时间变化的是稳态水质模型,反之则是动态水质模型。当

水流运动为恒定状态时,水质组分可能不随时间变化,也可能随时间变化;而当水流运动为非恒定状态时,水质组分是随着时间而变化的。在实际应用过程中,稳态水质模型常应用于水污染控制规划,而动态水质模型则常应用于分析污染事故、预测水质变化。

除以上分类外,地表水水质模型还有很多分类方法,如按水质组分的迁移特性可分为对流水质模型、扩散水质模型和对流-扩散水质模型;按水质组分是否作为随机变量可以分为随机水质模型和确定性水质模型等

几种主要的地表水水质模型

（1）S-P模型(Streeter-Phelps模型)

S-P模型是1925年由Streeter和Phelps提出的,又称BOD-DO模型,是应用最普遍的一维地表水水质模型。此模型建立的基本假定[5]是:只考虑好氧微生物参加的BOD一级衰减反应,即任何时候反应速率都和剩余的有机物数量成正比,用-K1C来表示;水体中溶解氧(DO)的减少只认为是由微生物的作用使BOD衰减而引起的,水体中DO减少的速率与BOD的反应速率相同;水体中复氧速率与水体中的氧亏量成正比S-P模型是比较初级和简单的模型,在实际应用过程中存在许多缺陷,之后的发展中出现了很多修正式[6],如描述沉淀的Thomas修正式,描述地表汇流、底泥耗氧、光合作用增氧的Dobbins-Camp修正式,描述硝化阶段耗氧的OConnor修正式,等等。这些模型都只是简单的氧平衡模型,虽然涉及了一些非耗氧物质的研究,但其主要研究氧平衡,属于一维稳态水质模型,较难应用于复杂的水环境的模拟计算。

（2）QUAL系列模型

1970年,美国环保局(EPA)研究开发并推出QUAL-I水质综合模型,之后经多次修订和增强,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础上:①将研究河段分成一系列等长的计算单元水体,并将每一个单元水体中污染物看作是混合均匀的;②污染物沿水流轴方向迁移,对流、扩散等作用存在纵轴方向,流量和旁侧水流不随时间变化,视为是一个常数;③各单元水体的水力几何特征,如坡底、断面面积、河床糙率、生化反应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,即环境流体动力学模型(Environ-mentalFluidDynamicsCode),是由美国弗吉尼亚州海洋研究所(VIMS)根据多个数学模型集成开发研制的综合模型[8],它采用Fortran77编制,集水动力模块、泥沙输运模块、污染物运移模块和水质预测模块为一体,可以用于包括河流、湖泊和近岸海域一、二、三维等地表水水质的模拟。EFDC模型具有灵活的变边界处理技术和通用的文件输入格式,同时具有能快速耦合的水动力、泥沙和水质模块,省略了不同模型接口程序的研发过程。另外,EFDC模型具有极强的问题适应能力,可用于模拟点源和非点源的污染、有机物迁移、归趋等[9]。至今,EFDC模型已经成功应用于模拟弗吉尼亚的James河口、YorkRiver河口以及Chesapeake河口等。

（4）WASP模型

WASP模型(TheWaterQualityAnalysisSim-ulationProgram,水质分析模拟程序)是美国环境保护局(EPA)环境研究实验室开发的地表水水质模型系统,可以用来模拟水文动力学、河流一维不稳定流、湖泊和河口三维不稳定流、常规污染物(包括DO、BOD以及营养物质)和有毒污染物(包括有机化学物质、金属和沉积物)在水中的迁移和转化规律。WASP模型主要有3个方面的作用:描述水质现状,提供一般性水质预测和提供特定位置水质预测。目前,已经发展到最新版本WASP-6。

WASP模型系统包括2个独立的计算程序:DYNHYD和WASP,它们可以联合运行,也可以独立运行。DYNHYD是水动力学程序,它模拟水的运动,对水系统中长波的传播机型进行模拟计算;WASP是水质程序,主要模拟水中各种污染物的运动及相互作用,描述某种水质组分在时空上的变化,主要由有毒化学物模型TOXI和富营养化模型EUTRO两个子程序组成,分别模拟两类水质问题,即传统污染物的迁移转化规律(DO、BOD和富营养化)、有毒物质迁移转化规律(有机化学物、金属、沉积物等)

（5）QUASAR模型

QUASAR模型(QualitySimulationAlongRiverSystem)是由英国贝德福乌斯河水质模型发展起来的,属于一维动态综合水质模型。QUA-SAR模型用含参数的一维质量守恒微分方程来描述枝状河流动态传输过程,可随机模拟大的受污水排放口、取水口和水工建筑物等多种因素影响的枝状河流体系,可同时模拟包括BOD、DO、硝氮、氨氮、pH值、温度和一种守恒物质的任意组合的水质组分。