極端降水條件下白洋淀主淀區(qū)水化學(xué)特征及水質(zhì)變化*

韓玉麗，卜紅梅**

(1:中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所陸地水循環(huán)及地表過(guò)程院重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100101) (2:中國(guó)科學(xué)院大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，北京 100049)

湖泊是生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，為周圍區(qū)域提供了多項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能，湖泊水質(zhì)狀況不僅影響區(qū)域生態(tài)環(huán)境健康，對(duì)區(qū)域的可持續(xù)發(fā)展也具有極為重要的意義[1-3]. 當(dāng)前正面臨著全球性氣候變化，變化環(huán)境下水文循環(huán)與水資源脆弱性成為了世界研究熱點(diǎn)之一，而氣候變化帶來(lái)的水文效應(yīng)問(wèn)題也受到各國(guó)學(xué)者的廣泛關(guān)注. 降水是河流、湖泊非點(diǎn)源污染的主要驅(qū)動(dòng)力之一[4]，極端降水事件的產(chǎn)流量和污染物攜帶量往往更大，導(dǎo)致水體中的污染物通量增大[5-7]，因此極端降水是影響水環(huán)境質(zhì)量的重要?dú)庀笠蛩刂籟4,8-9]. 隨著氣候變暖，極端降水事件的頻率和量級(jí)呈顯著上升的趨勢(shì)，對(duì)生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生的影響不斷加大[10-12]. 在氣候變化和人類活動(dòng)共同作用下，湖泊水循環(huán)及湖水中的物理、化學(xué)、生物過(guò)程都發(fā)生了深刻改變，引起了一系列生態(tài)環(huán)境問(wèn)題[13-14]. 水化學(xué)特征是湖泊水體的一個(gè)基本要素，表征其周圍環(huán)境特點(diǎn)、水質(zhì)現(xiàn)狀及水體中的離子來(lái)源分布等[15]，而區(qū)域氣候、水文地質(zhì)條件、人類活動(dòng)都會(huì)對(duì)地表水的水化學(xué)特征及離子來(lái)源產(chǎn)生深刻影響[16-19].

圖1 保定市近5年7月最大日降水量Fig.1 Maximum daily precipitation of Baoding City in July in recent 5 years

白洋淀位于海河流域，是華北平原僅存的為數(shù)不多的湖泊型濕地生態(tài)系統(tǒng)之一. 白洋淀生態(tài)系統(tǒng)的生物多樣性豐富，構(gòu)成復(fù)雜，不僅為人類生產(chǎn)生活提供多種資源，而且具有蓄水灌溉、調(diào)節(jié)局部地區(qū)氣候、改善生態(tài)環(huán)境、補(bǔ)充地下水和保護(hù)生物多樣性等多種生態(tài)功能[20]. 2017年國(guó)務(wù)院設(shè)立的雄安新區(qū)建設(shè)對(duì)于推進(jìn)京津冀協(xié)同發(fā)展、優(yōu)化城市空間結(jié)構(gòu)和國(guó)家發(fā)展，具有重大意義. 白洋淀位于雄安新區(qū)的核心區(qū)域，占雄縣、容城和安新縣總面積的23.4%，但白洋淀目前的水環(huán)境問(wèn)題仍較為嚴(yán)重，大部分水域的水質(zhì)依然為Ⅴ類甚至劣Ⅴ類[6]. 受強(qiáng)降雨影響，2021年7月京津冀降雨量較常年偏多1～2倍，局部降雨強(qiáng)度大、時(shí)段集中，中小河流漲勢(shì)迅猛，汛情嚴(yán)重，海河流域?yàn)春蛹罢男l(wèi)河各出現(xiàn)1次編號(hào)洪水[21]. 白洋淀流域則出現(xiàn)了罕見(jiàn)的大暴雨及局部大暴雨的極端天氣狀況，此次降水達(dá)到了近5年最大降水，日最大降水量為59.9 mm，比2020年同月最大日降水量增加33.4 mm(圖1). 中國(guó)氣象上規(guī)定，每小時(shí)降雨量16 mm以上、或連續(xù)12小時(shí)降雨量30 mm以上、24小時(shí)降水量為50 mm或以上的雨稱為暴雨，按其降水強(qiáng)度大小又分為3個(gè)等級(jí)，即24小時(shí)降水量為50～99.9 mm稱暴雨、100～249.9 mm之間為大暴雨、250 mm以上稱特大暴雨 (中國(guó)氣象局, http://www.cma.gov.cn/). 根據(jù)等級(jí)劃分，白洋淀本次降水屬于暴雨等級(jí).

為探究這種極端降水條件是否會(huì)對(duì)白洋淀的水質(zhì)產(chǎn)生影響，本研究采集了白洋淀暴雨過(guò)后的湖泊水樣，分析主淀區(qū)湖水的水化學(xué)特征、氫氧穩(wěn)定同位素特征和水質(zhì)空間差異特征，從而揭示極端降水條件對(duì)白洋淀主淀區(qū)水化學(xué)和水質(zhì)的影響，為白洋淀的生態(tài)修復(fù)治理和雄安新區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)管理提供科學(xué)依據(jù).

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

白洋淀流域(38°10′～40°0′N, 113°40′～116°20′E)位于河北省中部，屬于海河流域大清河水系，由143個(gè)淀泊和3700多條溝壕組成，以水體為主，水域間有葦田、臺(tái)地、村莊，是華北平原最大的淡水濕地[15,20,22]，被譽(yù)為“華北明珠”(圖2). 該地區(qū)為北溫帶半濕潤(rùn)大陸性季風(fēng)氣候，冬季寒冷干燥，最低氣溫可達(dá)-26.7℃；夏季高溫多雨，最高氣溫為40.7℃，年平均降水量為530 mm，且降水多集中在7-9月份. 自1970年以來(lái)，入淀河流和淀區(qū)水質(zhì)逐漸惡化，1980年后入淀水源主要來(lái)自于周圍城市的污水，之后很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，白洋淀水質(zhì)長(zhǎng)期處于惡化的階段[23-24]. 雄安新區(qū)成立以后，各級(jí)政府通過(guò)外源污染管控、內(nèi)源污染治理、生態(tài)補(bǔ)水等措施治理白洋淀水體，污染治理力度加大，白洋淀的水質(zhì)狀況明顯好轉(zhuǎn)[23].

圖2 白洋淀地理位置及采樣點(diǎn)分布Fig.2 Location and sampling sites distribution of Lake Baiyangdian

進(jìn)入白洋淀的大部分河流為山前帶河流，研究區(qū)地表經(jīng)過(guò)沖刷、溶蝕和物理風(fēng)化等作用形成了復(fù)雜的巖溶地貌[25]. 研究區(qū)內(nèi)的基巖以碳酸鹽巖為主，硅和鎂的含量高，且受大氣降雨補(bǔ)給[16,26]. 流域土地利用主要有林地、耕地、建設(shè)用地、草地和水域等類型，土地利用類型的變化受地形和人類活動(dòng)的共同影響[16,25,27].

研究區(qū)在2021年受極端氣候條件影響氣候變化顯著. 2021年7月11日至13日，河北省自西南向東北出現(xiàn)大到暴雨、局部大暴雨的極端天氣狀況，單日降水量達(dá)到近5年最大值 (圖1)，受持續(xù)強(qiáng)降雨影響，大清河、永定河等河系部分河流的水位明顯上升. 為應(yīng)對(duì)極端氣候，從7月11日開(kāi)始，位于白洋淀上游的王快水庫(kù)、安格莊水庫(kù)以及白洋淀向下游河道泄水，最大泄水流量達(dá)到50 m3/s[28]. 強(qiáng)降雨和泄洪對(duì)白洋淀水體的水化學(xué)和水質(zhì)必然造成一定的影響.

1.2 樣品采集及水質(zhì)理化指標(biāo)測(cè)定

強(qiáng)降雨過(guò)后，于2021年7月底選取了15個(gè)采樣點(diǎn)對(duì)研究區(qū)進(jìn)行了湖泊水樣采集(圖2). 采樣點(diǎn)1～3和11～15位于白洋淀的中部，水生植物分布相對(duì)較少，水面面積大，水深較深，且靠近景區(qū)；采樣點(diǎn)4～6位于白洋淀的南部，水生植物分布較多；其余采樣點(diǎn)位于北部，靠近岸邊，水生植物分布相對(duì)集中. 每個(gè)采樣點(diǎn)均分成表層、中層和底層分別進(jìn)行采樣.

采樣過(guò)程中，現(xiàn)場(chǎng)共測(cè)定了8個(gè)水質(zhì)參數(shù)，包括水溫(WT)、pH值、溶解氧(DO)、電導(dǎo)率 (EC)、總?cè)芙庑怨腆w(TDS)、鹽度 (SAL)、葉綠素a(Chl.a)、藻藍(lán)蛋白(PC). 其中，WT、pH、EC、SAL和DO利用多參數(shù)水質(zhì)監(jiān)測(cè)儀 YSI Professional Plus (USA)測(cè)定，Chl.a和PC濃度則使用多參數(shù)水質(zhì)監(jiān)測(cè)儀YSI EXO2 (USA) 測(cè)定.

1.3 數(shù)據(jù)處理及分析方法

本研究采用單因素方差分析比較各變量的空間差異，顯著性水平為P< 0.05 或P< 0.01. 在分析前，采用S-W法進(jìn)行數(shù)據(jù)正態(tài)分布檢驗(yàn)和方差齊性檢驗(yàn). 對(duì)于不滿足正態(tài)分布的水質(zhì)變量進(jìn)行對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后僅pH和Chl.a的分布基本符合正態(tài)分布，其他不滿足正態(tài)分布的水質(zhì)變量則采用非參數(shù)秩和檢驗(yàn)Kruskal-Wallis法進(jìn)行方差分析. 利用KMO統(tǒng)計(jì)量檢驗(yàn)判斷原有變量是否適合因子分析，KMO值越接近于1，表明白洋淀水質(zhì)變量間的相關(guān)性越強(qiáng)，越適合作因子分析. 采用因子分析法判斷水質(zhì)的空間特征，計(jì)算各采樣點(diǎn)的綜合因子得分，從而判斷各采樣點(diǎn)之間的水質(zhì)差異[29].

以上數(shù)據(jù)分析及制圖過(guò)程分別利用軟件Microsoft Excel、SPSS 25、Origin 2017及ArcMap 10.8完成，空間插值采用反距離權(quán)重法.

2 結(jié)果與分析

2.1 白洋淀主淀區(qū)水體理化指標(biāo)空間變化特征

對(duì)白洋淀主淀區(qū)各樣點(diǎn)表層、中層和底層湖水水質(zhì)分別進(jìn)行分析，結(jié)果表明，白洋淀各樣點(diǎn)湖水的理化指標(biāo)、藻類指標(biāo)和營(yíng)養(yǎng)鹽指標(biāo)濃度存在空間差異 (圖3). 單因素方差分析表明，pH和Chl.a在不同采樣點(diǎn)間的空間差異顯著 (P<0.05). 非參數(shù)檢驗(yàn)結(jié)果表明，水溫、TDS、EC、SAL、DO、PC、NO3-N、NH3-N和TN在各采樣點(diǎn)間具有顯著的空間差異 (P<0.05)，而DO和TP在各樣點(diǎn)間的空間差異不顯著 (P>0.05).

圖3 白洋淀主淀區(qū)水體物理化學(xué)指標(biāo)監(jiān)測(cè)值Fig.3 Values of physicochemical parameters in the main area of Lake Baiyangdian

白洋淀主淀區(qū)湖水的水溫平均值為(27.3±0.9)℃，其中采樣點(diǎn)2、9和12處的水溫相對(duì)較低，分別為26.4、25.9和26.4℃. 湖水的pH值平均為7.4±0.2，所有采樣點(diǎn)的水體均呈弱堿性，符合《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838-2002)中關(guān)于pH的規(guī)定，整體pH表征良好；而位于淀區(qū)南部的采樣點(diǎn)5和6以及位于淀區(qū)北部的采樣點(diǎn)7、8和10的pH值相對(duì)較高，最高達(dá)到7.9. 水體中DO平均濃度為 (3.4±1.7) mg/L，大部分點(diǎn)位的DO濃度屬于水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)中的Ⅳ類和Ⅴ類，位于淀區(qū)南部的采樣點(diǎn)5和6的DO濃度相對(duì)較高，分別為 5.5 和4.8 mg/L. 水體中TDS、EC和SAL的平均值分別為 (386±49) mg/L、(622±84) μS/cm和 (0.28±0.04)‰，位于淀區(qū)南部的采樣點(diǎn)5、6和13以及位于淀區(qū)西北部的采樣點(diǎn)10的TDS、EC和SAL都相對(duì)較高，最大值分別為436 mg/L、738 μS/cm和0.34‰.

2.2 白洋淀主淀區(qū)水化學(xué)特征

圖4 白洋淀主淀區(qū)湖水主要離子Piper三線圖Fig.4 Piper diagram showing major ion composition of the main area of Lake Baiyangdian

圖5 白洋淀主淀區(qū)湖水Gibbs圖Fig.5 Gibbs diagram of lake water in the main area of Lake Baiyangdian

2.3 白洋淀主淀區(qū)水體氫、氧穩(wěn)定同位素特征

白洋淀主淀區(qū)湖水的δ2H范圍為-60.86‰～-35.01‰，平均值為-54.91‰；δ18O范圍為-8.84‰～-3.45‰，平均值為-7.61‰；氘盈余(D-excess)的變化范圍為-7.76‰～10.11‰，平均值為5.96‰，其中僅采樣點(diǎn)10的D-excess值為負(fù)值，其余采樣點(diǎn)的D-excess值均大于3‰ (圖6). 反距離空間插值結(jié)果表明，白洋淀δ2H 和δ18O都表現(xiàn)出西北部和南部富集，而西部和東北部有河流補(bǔ)給的地區(qū)則較為貧化，而D-excess低值則主要分布在西北部，東北部和東部有河流補(bǔ)給的地區(qū)其D-excess值較高，D-excess值的空間分布特征與δ2H和δ18O的空間分布特征基本相反.

圖6 白洋淀主淀區(qū)水體氫、氧同位素及氘盈余空間分布Fig.6 Spatial distributions of δ2H, δ18O and D-excess in lake water of the main area of Lake Baiyangdian

根據(jù)測(cè)得的白洋淀氫、氧穩(wěn)定同位素值，得到了白洋淀主淀區(qū)湖水氫、氧同位素關(guān)系線方程：δ2H=4.86δ18O-17.90 (R2=0.993,P<0.01)(圖7). 將白洋淀水體同位素值與全球大氣水線 (GMWL: δ2H=8 δ18O+10) 進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果發(fā)現(xiàn)白洋淀主淀區(qū)湖水的同位素值大部分在全球大氣水線的右下方，并且采樣點(diǎn)9和12水體的同位素值基本在GMWL上，而采樣點(diǎn)10的同位素值距離GMWL最遠(yuǎn). 與白洋淀流域大氣水線 (LMWL: δ2H=7.19δ18O-0.74) 進(jìn)行對(duì)比[32]，結(jié)果表明除了采樣點(diǎn)10，其余采樣點(diǎn)的同位素值都比較靠近當(dāng)?shù)卮髿饨邓€，并且采樣點(diǎn)9和12的同位素值基本也在LMWL上. 此外，白洋淀湖水氫、氧同位素關(guān)系線的斜率和截距均小于GMWL和LMWL的斜率和截距. 回歸分析表明，白洋淀主淀區(qū)湖水中的δ2H和δ18O均與水深呈顯著負(fù)相關(guān) (P<0.05)，水深每增加1 m，δ2H和δ18O值分別降低6.62‰和1.37‰ (圖8).

圖7 白洋淀主淀區(qū)水體氫、氧穩(wěn)定同位素關(guān)系Fig.7 The relationship between δ2H and δ18O values in lake water of the main area of Lake Baiyangdian

圖8 白洋淀主淀區(qū)湖水氫、氧穩(wěn)定同位素與水深之間的線性回歸關(guān)系 (圖中δ2H和δ18O分別為同一水深處的平均值)Fig.8 Linear regressions between stable isotope values of lake water δ2H and δ18O and water depth in the main area of Lake Baiyangdian (δ2H and δ18O were mean values at the same water depth)

圖9 白洋淀主淀區(qū)綜合因子得分的空間分布 Fig.9 Spatial distribution of total factor scores of the main area of Lake Baiyangdian

2.4 白洋淀主淀區(qū)整體水質(zhì)空間差異特征

表1 旋轉(zhuǎn)因子載荷矩陣*

3 討論

3.1 極端降水對(duì)主淀區(qū)湖水水化學(xué)特征的影響

在極端降水條件下，白洋淀主淀區(qū)pH值平均為7.4，EC值范圍為533～857 μS/cm，TDS<500 mg/L. 而在以往年份的雨季，白洋淀的pH平均值均大于8，EC的平均值大于1100 μS/cm，TDS濃度的平均值大于600 mg/L[15, 33]. 對(duì)比結(jié)果表明 (表2)，極端降水過(guò)后的pH、EC和TDS值顯著低于以往年份雨季的pH、EC和TDS值. 極端降水期間，白洋淀主要接受大氣降水的補(bǔ)給，極端降水使得湖泊水體的補(bǔ)給量在短時(shí)間內(nèi)迅速增加，由于稀釋作用導(dǎo)致pH、EC和TDS值降低.

表2 以往年份雨季與本次極端降水后白洋淀主淀區(qū)物理化學(xué)指標(biāo)對(duì)比

3.2 極端降水對(duì)主淀區(qū)湖水氫、氧穩(wěn)定同位素特征的影響

極端降水使得白洋淀湖水的氫、氧穩(wěn)定同位素發(fā)生貧化. 極端降水條件下湖水的δ2H和δ18O值的變化范圍分別為-60.86‰～-35.01‰和-8.84‰～-3.45‰，而以往雨季湖水的δ2H和δ18O值的變化范圍分別約為-49‰～-18‰和-5.8‰～-0.3‰[34-35]. 白洋淀湖水中氫氧穩(wěn)定同位素值與水深之間呈顯著的負(fù)相關(guān)，且隨著水深增加，氫、氧穩(wěn)定同位素值顯著降低 (圖8)，這可能是由于極端降水事件導(dǎo)致白洋淀的水深突然增加，而使得湖水受到的蒸發(fā)分餾作用減弱引起的[36-37]. 在這種條件下，極端降水后湖水氫、氧同位素關(guān)系線的斜率明顯小于以往雨季湖水氫、氧同位素關(guān)系線的斜率，而截距卻大于以往年份雨季關(guān)系線的截距. 因此認(rèn)為，在極端降水條件下降水本身的氫、氧同位素特征對(duì)湖水氫、氧同位素關(guān)系的影響更為強(qiáng)烈.

從空間上來(lái)看，白洋淀雨季河流入淀口和補(bǔ)水口氫、氧穩(wěn)定同位素值最低，而西北部和南部的氫、氧穩(wěn)定同位素值呈富集趨勢(shì)[34]. 在極端降水條件下，白洋淀的氫、氧穩(wěn)定同位素同樣也表現(xiàn)出西北部和南部富集的趨勢(shì)，故極端降水對(duì)白洋淀氫、氧同位素的空間分布影響不大.

3.3 極端降水對(duì)主淀區(qū)湖水水質(zhì)的影響

在空間上，極端氣候條件下西南部和西北部的水質(zhì)仍然比較差. 白洋淀在沒(méi)有接受外來(lái)補(bǔ)水時(shí)，淀區(qū)水動(dòng)力條件差，西南部和西北部的水體幾乎不流動(dòng)，容易形成死水區(qū)而導(dǎo)致水質(zhì)較差[46]，且極端降水后的湖泊水動(dòng)力情況依舊沒(méi)有明顯變化，因此極端降水沒(méi)有大幅度改善湖泊的水動(dòng)力條件. 湖泊東北部受上游水庫(kù)防洪調(diào)蓄放水的影響，其水質(zhì)較為良好. 《2020年河北省生態(tài)環(huán)境狀況公報(bào)》顯示，安格莊水庫(kù)的水質(zhì)達(dá)到了II類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)且處于輕度營(yíng)養(yǎng)或中營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)[47]，水質(zhì)狀況顯著好于白洋淀. 因此，安格莊水庫(kù)的來(lái)水補(bǔ)給是白洋淀東北部保持水質(zhì)良好的重要原因.

4 結(jié)論

本研究分析了暴雨過(guò)后白洋淀的水化學(xué)特征、氫氧穩(wěn)定同位素特征和水質(zhì)空間差異特征，并揭示了極端氣候條件對(duì)白洋淀水化學(xué)和水質(zhì)的影響，主要結(jié)論如下：

1)極端降水后白洋淀主淀區(qū)湖水水質(zhì)呈弱堿性，水化學(xué)類型主要為Ca-HCO3·SO4型，其水化學(xué)組成主要受到巖石風(fēng)化作用控制，受到的蒸發(fā)結(jié)晶作用影響較小且基本不受人類活動(dòng)等其他因素的影響. 極端降水是導(dǎo)致白洋淀主淀區(qū)pH、EC和TDS發(fā)生大幅度變化的主要原因之一，并且減弱了蒸發(fā)結(jié)晶作用和人類活動(dòng)等因素對(duì)白洋淀主淀區(qū)湖水水化學(xué)組成的影響.

2)極端降水后白洋淀主淀區(qū)水體δ2H和δ18O的空間分布表現(xiàn)出西北部和南部富集，而西部和東北部較為貧化的特征. 極端降水是導(dǎo)致水體氫、氧穩(wěn)定同位素貧化的一個(gè)重要原因，水體中氫、氧穩(wěn)定同位素關(guān)系受降水本身氫、氧穩(wěn)定同位素關(guān)系的影響更為強(qiáng)烈，而受蒸發(fā)分餾作用影響較弱. 極端降水對(duì)白洋淀主淀區(qū)氫、氧穩(wěn)定同位素的空間分布影響不大.