白洋淀近30年水質(zhì)時空變化特征

王歡歡，白 潔，劉世存，田 凱，趙彥偉*，李春暉

（1.水環(huán)境模擬國家重點實驗室，北京師范大學(xué)環(huán)境學(xué)院，北京 100875；2.水沙科學(xué)教育部重點實驗室，北京師范大學(xué)環(huán)境學(xué)院，北京 100875）

湖泊是一種重要自然資源，具有重要生態(tài)服務(wù)功能[1]，其水質(zhì)影響著周邊生產(chǎn)生活和區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展[2]。近年來，我國湖泊水污染問題突出，對社會經(jīng)濟發(fā)展造成不利影響[3]，因此亟需進(jìn)行湖泊綜合治理。水質(zhì)綜合評價是湖泊水環(huán)境治理的必要基礎(chǔ)工作，對水質(zhì)時空變化進(jìn)行客觀全面的分析，有助于更為準(zhǔn)確地界定水質(zhì)特征，為湖泊水質(zhì)改善與生態(tài)修復(fù)提供依據(jù)。

白洋淀是海河平原上最大的淺水湖泊，被譽為“華北明珠”，也是雄安新區(qū)生態(tài)安全的重要依托。近幾十年來，白洋淀入淀水量逐年減少[4]，流域工農(nóng)業(yè)、旅游業(yè)與養(yǎng)殖業(yè)快速發(fā)展，但大量處理或未經(jīng)處理的城市污水通過孝義河、府河進(jìn)入淀區(qū)[5]，淀區(qū)水環(huán)境污染形勢嚴(yán)峻，成為制約雄安新區(qū)建設(shè)與發(fā)展的主要瓶頸。目前，白洋淀水質(zhì)研究多集中在水質(zhì)評價、水質(zhì)對水生生物的響應(yīng)等方面。部分學(xué)者采用集對分析法[6]、主成分分析法[7]、原生動物群落評價法[8]等方法評價了白洋淀水質(zhì)狀況，也有學(xué)者研究了水生生物與水質(zhì)的關(guān)系[9-11]，而關(guān)于水質(zhì)時空變化研究尚缺乏。張婷等[12]、龍幸幸等[13]做了相關(guān)研究，但研究中選取指標(biāo)較少，不足以全面表征水質(zhì)，且僅研究1～2 年府河入淀口水質(zhì)空間變化，時間序列短。針對長時間序列，考慮多項指標(biāo)的淀區(qū)水質(zhì)時空變化研究相對較少，這就難以闡明白洋淀水質(zhì)全面、動態(tài)的變化信息，無法對白洋淀水質(zhì)改善與綜合治理提供充分支持。

本文采用多元統(tǒng)計分析方法，針對近30 年白洋淀水環(huán)境問題，采用綜合污染指數(shù)法、累積距平法、Mann-Kendall檢驗法等多種方法，分析水質(zhì)單因子指數(shù)與綜合指數(shù)的年際、年內(nèi)變化特征，運用分層聚類法揭示了水質(zhì)空間分布特征，為白洋淀水環(huán)境改善決策提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

白洋淀（115°38′～116°07′E，38°43′～39°02′N）是華北平原唯一的天然湖泊，主要位于河北省保定市安新縣內(nèi)（圖1）。淀區(qū)主要由143 個淀泊和3700 多條溝壕組成，總面積366 km2，水面面積150 km2，平均水位7.5 m，平均水深2.3 m。白洋淀原有9條入淀河流，現(xiàn)除府河、孝義河常年有水外，其余河流基本斷流或季節(jié)性斷流，入淀水量逐年減少。自20 世紀(jì)80 年代以來，干淀現(xiàn)象多次出現(xiàn)，水資源短缺嚴(yán)重，承載污染負(fù)荷大，水質(zhì)狀況不容樂觀。

1.2 數(shù)據(jù)來源

本文主要采用1988—2016 年水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)。1988—2009 年水質(zhì)數(shù)據(jù)為逐月監(jiān)測數(shù)據(jù)，來源于環(huán)境質(zhì)量公報及相關(guān)監(jiān)測資料，由于受部分時段干淀等的影響，缺少 1990、1993、1994、1995 年水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)，2010—2015 年水質(zhì)數(shù)據(jù)為逐年數(shù)據(jù)，來源于相關(guān)文獻(xiàn)[5，9-10，14]，2016 年水質(zhì)數(shù)據(jù)為逐月監(jiān)測數(shù)據(jù)，通過實地監(jiān)測獲得。

1.3 研究方法

1.3.1 污染指數(shù)計算

污染指數(shù)包括單因子污染指數(shù)、綜合污染指數(shù)與年內(nèi)水質(zhì)指數(shù)。

單因子污染指數(shù)是一種常用的水質(zhì)評價方法，是利用實測數(shù)據(jù)和標(biāo)準(zhǔn)對比分類評價水質(zhì)，評價標(biāo)準(zhǔn)采用《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3838—2002）Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，計算公式為：

圖1 白洋淀地理位置及監(jiān)測點位分布圖Figure 1 Location of Baiyangdian and distribution of monitoring points

式中：Ci為第i個水質(zhì)因子的監(jiān)測濃度值，mg·L-1；Csi為第i個水質(zhì)因子的標(biāo)準(zhǔn)濃度值，mg·L-1。

綜合污染指數(shù)法是評價水質(zhì)的一種重要方法，可更全面、綜合評價水質(zhì)污染狀況。本文采用水質(zhì)平均污染指數(shù)（WQI）進(jìn)行水質(zhì)綜合評價，計算公式[15]為：

式中：n為污染物個數(shù)；Pi為第i個水質(zhì)因子的平均污染指數(shù)。

年內(nèi)水質(zhì)變化采用綜合污染指數(shù)法中的代數(shù)疊加法[16]，計算公式為：

式中：P為綜合污染指數(shù)；m為月份數(shù)或季數(shù)；n為水質(zhì)指標(biāo)個數(shù)；∑Pi為綜合污染分指數(shù)；∑Pj為某類污染物分指數(shù)；Pij為多年月均值或多年季節(jié)均值。

1.3.2 時間序列分析方法

時間序列分析包括趨勢、季節(jié)、循環(huán)、不規(guī)則變化分析，廣泛應(yīng)用于水文、氣象、地質(zhì)、經(jīng)濟、環(huán)境等領(lǐng)域，常用方法包括累積距平法和Mann-Kendall 檢驗法等。累積距平法是一種由曲線判斷變化趨勢的分析方法[17]，能直觀準(zhǔn)確地描述水質(zhì)年際變化階段性特征。Mann-Kendall 檢驗法是一種非參數(shù)秩次檢驗，不需要樣本保持一定分布，不受少量異常值影響，適用于順序變量，在揭示趨勢變化及突變特征中極為有用[18-19]。本文采用累積距平法分析白洋淀水質(zhì)變化趨勢，采用Mann-Kendall 檢驗法分析水質(zhì)突變特征。

1.3.3 空間分析方法

聚類分析是一種模式識別技術(shù)，其中層次聚類分析（HCA）應(yīng)用最為廣泛[20-21]，該方法通過變量之間相似程度，將相似程度大的優(yōu)先聚合到一起，再逐步聚合，達(dá)到聚類目的[22]。本文基于SPSS 軟件，采用HCA作為空間分析方法，利用平方歐氏距離法（Squared Euclidean distance）分析各監(jiān)測點位水質(zhì)特征的空間相似性和差異性。

2 結(jié)果與分析

2.1 時間變化

2.1.1 年際變化

（1）污染指數(shù)變化

對8 個監(jiān)測點位的年均值求平均值后得到白洋淀年均值，根據(jù)式（1）計算白洋淀 1988—2016 年CODMn、-N、TN、TP、BOD5、DO、pH 7項水質(zhì)指標(biāo)的污染指數(shù)，白洋淀主要超標(biāo)污染物為CODMn、-N、TN、TP、BOD5，對這5 項指標(biāo)進(jìn)行分析的結(jié)果見圖2。由圖可見，CODMn、-N、TN、TP、BOD5的平均污染指數(shù)范圍分別為 0.963～2.260、0.003～5.227、1.006～6.607、0.145～2.600、0.535～3.331，變異系數(shù)分別為0.220、0.859、0.341、0.793、0.607?？傮w來看，-N年際變化最大，CODMn年際變化最小，TN 污染情況最嚴(yán)重，BOD5、-N污染情況較輕。

根據(jù)式（2）計算出白洋淀綜合污染指數(shù)為0.832～2.229（圖2），總體呈上升趨勢，近兩年略有下降，變異系數(shù)為0.257。1988—1997 年水質(zhì)相對較好，其中，1992年WQI 達(dá)到最小值 0.833，水質(zhì)最好。21 世紀(jì)以來，除 2010年WQI 為 0.850 外，其余年份 WQI 均大于1，污染嚴(yán)重。近30 年來，2015 年白洋淀水質(zhì)最差，WQI達(dá)到最大值2.229。

（2）趨勢分析

1988—1996 年間監(jiān)測時間序列不連續(xù)，無法進(jìn)行趨勢分析，故采用累積距平法繪制1996—2016 年各水質(zhì)指標(biāo)和綜合污染指數(shù)累積距平曲線（圖3），分析水質(zhì)變化趨勢。由圖3（a）～圖3（e）可見，CODMn總體呈先上升后下降趨勢，自2012 年起，CODMn污染指數(shù)逐漸降低，污染負(fù)荷減?。?N 總體呈現(xiàn)先下降后波動上升趨勢，-N由污染相對較低狀態(tài)上升至較嚴(yán)重狀態(tài)，近期略有下降；TN、TP波動大，總體呈現(xiàn)先波動下降后上升趨勢；BOD5呈波動上升后下降趨勢，近幾年平均污染指數(shù)相對較低。

圖2 白洋淀污染指數(shù)年際變化Figure 2 Interannual variation of water pollution index in Baiyangdian

由圖3（f）可見，WQI 總體表現(xiàn)為波動。1996—2001 年，綜合污染指數(shù)累積距平曲線呈現(xiàn)波動下降趨勢，表明此階段白洋淀水質(zhì)相對較好；2002—2016年，綜合污染指數(shù)總體呈上升趨勢，可能是生產(chǎn)生活污染排放增加[23]與入淀水量減少[24]所致。

（3）突變檢驗分析

1988—1996 年間監(jiān)測時間序列不連續(xù)，無法進(jìn)行突變分析，故從1996 年開始分析。對白洋淀1996—2016 年各項指數(shù)進(jìn)行Mann-Kendall 突變檢驗分析，得到突變診斷曲線圖（圖4）。圖中，UF 為Mann-Ken?dall 統(tǒng)計值正向序列，UB 為逆向序列，（-1.96，1.96）為95%顯著水平置信區(qū)間。由圖可見，CODMn污染指數(shù)在1996—2013年增加，2014—2016年有所減少；兩條統(tǒng)計曲線在位于置信區(qū)間內(nèi)有唯一交點，說明CODMn污染指數(shù)在2012 年開始發(fā)生突變。-N 污染指數(shù)總體呈增加趨勢，2004 年以后顯著增加，2000年-N 污染指數(shù)突變開始，突變顯著。TN 污染指數(shù)呈現(xiàn)波動變化，突變不顯著。TP 污染指數(shù)總體呈現(xiàn)增加趨勢，突變不顯著。BOD5污染指數(shù)在1996—2013年增加，2002—2008年增加趨勢顯著，2012年產(chǎn)生突變。綜合污染指數(shù)大體呈現(xiàn)增加趨勢，2005—2008 年增加趨勢顯著；兩條統(tǒng)計曲線有多個交點，且都位于置信水平線內(nèi)，突變不顯著。突變檢驗分析結(jié)果與趨勢分析結(jié)果一致。

圖3 污染指數(shù)累積距平曲線Figure 3 Cumulative anomaly curve of water pollution index

2.1.2 年內(nèi)變化

利用1988—2016 年水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)的多年月均值和季節(jié)均值，根據(jù)式（3）計算白洋淀各水質(zhì)指標(biāo)和綜合污染指數(shù)年內(nèi)水質(zhì)變化，結(jié)果如圖5 和表1所示。從圖5 可以看出，CODMn、BOD5水質(zhì)指標(biāo)月變化不大；4、9、11、12 月-N 污染指數(shù)較大，1 月污染指數(shù)最?。籘N 年內(nèi)變化較大，3、4、9—12 月污染指數(shù)較大，其余月份污染指數(shù)較??；TP 最大污染指數(shù)出現(xiàn)在7 月?？傮w而言，7 月水質(zhì)最差，2 月水質(zhì)最好，污染指數(shù)從低到高為BOD5、CODMn、-N、TP、TN。

從表1 可以看出，夏季污染最嚴(yán)重，綜合污染指數(shù)最高為13.75，冬季綜合污染指數(shù)最低為11.35，綜合污染指數(shù)從高到低為夏、秋、春、冬。TN 污染指數(shù)最高，BOD5污染指數(shù)最低，污染指數(shù)從低到高分別是BOD5、CODMn、-N、TP、TN。

圖4 污染指數(shù)突變診斷曲線Figure 4 Mutation diagnosis curve of water pollution index

圖5 白洋淀綜合污染指數(shù)和水質(zhì)分指數(shù)月變化Figure 5 Monthly variation of comprehensive pollution index and individual indexes of water quality in Baiyangdian

表1 水質(zhì)分指數(shù)和綜合污染指數(shù)季節(jié)變化Table 1 Seasonal variation of comprehensive pollution index and individual indexes of water quality in Baiyangdian

2.2 空間變化

對近30 年各監(jiān)測點位水質(zhì)指標(biāo)污染指數(shù)均值進(jìn)行空間聚類分析。結(jié)果表明，白洋淀8 個監(jiān)測點位存在空間相似性和差異性（圖6）。如圖所示，8 個點位可分為三類：第一類點位為南劉莊；第二類點位包括王家寨和燒車淀；第三類點位包括光淀張莊、棗林莊、圈頭、端村、采蒲臺。第一類點位位于白洋淀西北部府河入淀口，府河水質(zhì)較差，不滿足Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)要求，對南劉莊區(qū)域影響較大。第二類點位位于北部，水質(zhì)相對較好。第三類點位位于東部和南部，該區(qū)域淀中村較多，受到一定程度的居民排污、水產(chǎn)養(yǎng)殖等人為干擾，水質(zhì)一般。

圖6 空間聚類結(jié)果Figure 6 Results of spatial clustering

3 討論

水質(zhì)年際變化分析顯示，水質(zhì)總體為波動變化，WQI 在2000、2006、2015 年為高值，近兩年略有下降。其中，1988—2000 年間，水質(zhì)呈下降趨勢，主要緣于入淀流量的減少與污染負(fù)荷的增加；在2002—2009年間，多次進(jìn)行生態(tài)補水[25]，2006—2010 年水質(zhì)有所改善，尤其是2015 年“水十條”發(fā)布后，淀區(qū)污染治理力度加大，水質(zhì)狀況明顯好轉(zhuǎn)。張婷等[12]研究也發(fā)現(xiàn)2006 年白洋淀水質(zhì)差，Zhao 等[26]研究表明白洋淀2000—2010 年綜合污染指數(shù)變化具有波動性，2000年綜合污染指數(shù)高。以上研究結(jié)果與本文結(jié)論基本一致，但不完全相同?？赡芘c水質(zhì)指標(biāo)選取不同有關(guān)，張婷等選取了 DO、BOD5、CODMn3 項指標(biāo)，Zhao 等選取了pH、DO、BOD5、TN、-N、TP 6 項指標(biāo)，而本文選擇指標(biāo)多，共7 項指標(biāo)，導(dǎo)致年際變化分析有所差異；也可能與選取時間序列不同有關(guān)，張婷等、Zhao等分別分析了1973—2007年和2000—2010年的年際變化，本文分析了1988—2016 年年際變化，污染累積效應(yīng)與污染物種類、污染時間有關(guān)，選取時間序列不同，可能導(dǎo)致結(jié)果有所差異。

水質(zhì)年內(nèi)變化分析結(jié)果表明，夏季水質(zhì)最差，冬季水質(zhì)最好。造成這一現(xiàn)象的原因可能是湖泊水體交換緩慢，氣候條件對水質(zhì)影響顯著。夏季非點源污染負(fù)荷大，水溫高，水中溶解氧消耗快，旅游與人為活動強烈，水文擾動會加快淀區(qū)底泥污染釋放，影響水質(zhì)。張婷等[12]認(rèn)為綜合污染指數(shù)從高到低依次為春、夏、冬、秋，與本文長時間序列研究結(jié)果不一致，單就2006年看，研究結(jié)果一致。原因可能是選取的水質(zhì)指標(biāo)、研究時間序列不同。張婷等選取了TP、-N、CODMn、BOD54項指標(biāo)，研究了2006年年內(nèi)變化，選取指標(biāo)較少，時間序列較短；本文選取7 項指標(biāo)，研究了1988—2016 年變化，對年內(nèi)水質(zhì)變化特征的分析更為全面。目前，白洋淀水質(zhì)變化機理研究不夠，內(nèi)源與外源的貢獻(xiàn)率與貢獻(xiàn)強度及水質(zhì)年內(nèi)變化的驅(qū)動機制等問題還需進(jìn)一步研究。

水質(zhì)空間分析結(jié)果表明，白洋淀東部水質(zhì)總體好于西部，以燒車淀和王家寨為代表的北部水質(zhì)最好，光淀張莊、棗林莊等所處的東部和南部水質(zhì)次之，南劉莊所在的西北部水質(zhì)最差。這可能是由于淀區(qū)地勢自西北向東南傾斜，水流沿著地勢向東流動，中東部圍堤圍埝多，流速減緩，同時淀中蘆葦、香蒲等水生植物密度高，對水體污染物有一定去除效果，提升了水體自凈作用，使得水質(zhì)由西向東逐漸好轉(zhuǎn)。同時，近年來多次利用外調(diào)水源補淀[27]，其中引黃濟淀工程較為穩(wěn)定，入淀后主要在東部對污染物進(jìn)行稀釋，提升了東部水質(zhì)。此外，淀區(qū)北部荷花等挺水植物茂盛，淀中村少，人為干擾小，水質(zhì)相對較好。Zhao等[28]研究發(fā)現(xiàn)西北部污染最嚴(yán)重，北部和西南部為中度污染，中部和東部污染較輕，該結(jié)果與本文結(jié)果不完全相同，可能與選取時間序列、監(jiān)測點位、監(jiān)測指標(biāo)不一致有關(guān)，Zhao 等對 2007—2008年13 個點位數(shù)據(jù)進(jìn)行了短時間序列研究，本文對1988—2016年8個點位數(shù)據(jù)進(jìn)行研究，可以更加充分地反映污染趨勢與分布。

1988—2016 年，白洋淀水質(zhì)總體呈現(xiàn)下降趨勢，主要污染物為CODMn、-N、TN、TP、BOD5，與馬牧源等[10]、孟睿等[29]的研究結(jié)果一致。水質(zhì)下降的主要原因有：（1）入淀河流水質(zhì)較差，多為劣Ⅴ類；（2）入淀水量減少，淀泊自凈能力下降；（3）淀中村生活污水直接入淀，旅游活動、養(yǎng)殖業(yè)污染排放[30-32]。近年采取調(diào)水補淀、排污企業(yè)整治、城鎮(zhèn)污水處理設(shè)施建設(shè)、淀中村污染治理、水產(chǎn)養(yǎng)殖清理等系列措施治理白洋淀，水環(huán)境得到了一定程度的改善，但仍需進(jìn)一步強化與管理。對白洋淀西北部區(qū)域應(yīng)逐步恢復(fù)入淀河流流量，控制入淀河流污染；對東部和南部區(qū)域應(yīng)嚴(yán)控淀中村與養(yǎng)殖污染；對整個淀區(qū)應(yīng)加大補水量，優(yōu)化補水時空分配，實施綜合治理。

4 結(jié)論

（1）從年際變化上看，1988 年至今，白洋淀水質(zhì)年際變化具有波動性，-N 的變異系數(shù)最大為0.859，CODMn、-N、BOD5污染指數(shù)大體呈現(xiàn)上升趨勢，綜合污染指數(shù)波動上升，但在近兩年略有下降。CODMn、-N、BOD5分別在2012、2000、2012 年產(chǎn)生突變，其余指標(biāo)突變不顯著。

（2）從年內(nèi)變化上看，7 月綜合污染指數(shù)最高，2月綜合污染指數(shù)最低，污染指數(shù)從低到高為BOD5、CODMn、-N、TP、TN；在季節(jié)分布上，綜合污染指數(shù)呈現(xiàn)出夏＞秋＞春＞冬，污染指數(shù)從低到高分別為BOD5、CODMn、-N、TP、TN。

（3）淀區(qū)水質(zhì)在空間分布上具有差異性，白洋淀東部水質(zhì)總體好于西部，以燒車淀和王家寨為代表的北部水質(zhì)最好，光淀張莊、棗林莊等所處的東部和南部水質(zhì)次之，南劉莊所在的西北部水質(zhì)最差。