白洋淀1998—2016年水體污染物時空分布特征分析

陳靚 吳文衛 楊明祥 李春義

摘 要：基于白洋淀9個監測站點水質數據，采用綜合污染指數法對白洋淀1998—2016年水體污物時空分布特征進行系統評價和分析。在空間上，南污染帶所在的水域屬于白洋淀的水質良好區。西污染為各污染帶中水質最差區域，其中安新橋為嚴重污染水質。北污染帶中大張莊和王家寨屬于中度污染。在時間上，留通各污染物濃度呈現波動式逐年上升的趨勢，且每年6—9月各項污染物濃度較大，溶解氧達到最低。安新橋主要污染物濃度年際波動較大且呈明顯增加，年內COD超標嚴重，有10個月濃度均超過地表水V類標準，其余污染物濃度在非汛期高于汛期。圈頭受各入淀河流影響較小，污染物濃度年際間波動不大，大部分污染物濃度呈現雨季高于旱季。栆林莊總體變化趨勢不明顯，與上游安新橋相比各項污染濃度均有所減小，年內NH3-N波動較大，11、12月濃度相差3倍以上。可以看出，白洋淀重新蓄水后水體污染情況仍較為嚴重，污染物以府河入淀口為中心向東部和南部擴散，形成以安心橋為代表的局部集中污染。各污染物濃度的時間變化規律并不明顯，總體呈逐年增大趨勢，淀外污染源治理不容忽視。

關鍵詞：白洋淀；時空分布；污染物；綜合污染指數

中圖分類號：X52文獻標志碼：A文章編號：1673-9655（2023）02-0-06

0 引言

白洋淀位于京津冀的核心區域，屬于海河流域大清河的南支水系，總面積為366 km2，平均年蓄水量13.2億m3，是華北平原最大的淡水湖。白洋淀大部為雄安新區所轄，是雄安新區總體規劃中的重要生態水體[1，2]。2014年李克強總理提出“京津冀一體化發展的國家戰略”，進一步提升了白洋淀在我國重大戰略中的地位[3]。20世紀 60年代以后，白洋淀受湖體地形、氣候干旱、上游斷流等因素影響，干淀現象頻發，20年間共經歷了6次干涸，直到1988年一場大型降雨才使白洋淀得以重新蓄水。加之上游城鎮的工業污水、淀區百姓的生活污水直排入淀等影響，白洋淀水質一直以來都處于Ⅳ類～劣Ⅴ類，水污染問題已經嚴重制約了區域的社會經濟發展[4]。20世紀90年代末，白洋淀開始了系統性的生態治理，實施了水量人工調控，生態補水、排污控制等一系列的有效措施。近幾十年，淀區的水環境質量雖然已經得到一定程度的好轉，但污染治理與防控工作仍任重道遠、不容忽視。因此，分析白洋淀水質的時空分布特征是區域水環境治理與保護的重要工作，可為區域水環境管理提供動態信息，對于預防和控制水質惡化至關重要。

當前常用的水質評價方法包括單因子評價法、模糊數學評價法、灰色聚類法、人工神經網絡方法以及綜合污染指數法等。其中，單因子評價法的應用最為廣泛[5]，通常基于斷面單點水質監測結果，將最低的單因子水質等級作為評價的結果[6]，可能會導致評價結果存在片面性，掩蓋了水質的整體情況和其他關鍵信息[7]；人工神經網絡法主要依賴大量監測數據樣本對人工神經網絡算法進行訓練，依據訓練結果開展水質評價，該方法對樣本數據要求較高，在數據缺少的情況下可能會導致模型無法準確評判水質狀況[8]；模糊評價法主要通過將監測數據代入隸屬函數來確定水質級別，把體現污染的實測值轉換為反映水質的參數，該方法在計算時采用線性加權平均法，容易造成評價結果的平均化處理偏差[9]。另外，綜合污染指數法也是目前廣泛應用的水質評價方法。與傳統方法相比具有成本相對較低、可操作性強、評價效率高、結果簡單易懂等優點[10]。目前白洋淀水體污染相關研究大多集中在分析淀區局部的水質情況[11，12]，缺少對整個淀區總體水質的綜合分析和評估。本文面向京津冀地區水環境綜合管理的實際需求，結合分布全淀區的9個監測站點長時間序列監測數據，采用綜合污染指數法對白洋淀的總體水體污染情況及時空分布特征進行系統評價和分析，可為管理部門了解水環境狀況并采取科學的保護措施提供參考依據，對于白洋淀乃至海河流域的水污染防治工作都具有十分重要的現實意義[13，14]。

1 材料與方法

1.1 采樣點布設

白洋淀位于永定河和滹沱河沖積扇交匯處的扇緣洼地上，從南、西、北三面接納府河、漕河、唐河等8條主要入淀河流。與淀內污染源相比，來自于這些河流的外源性入淀污染物是形成白洋淀水體污染的主要來源。因此，根據各入淀河流的匯入口位置以及淀內水體的流動特點和污染物遷移轉化規律，白洋淀通常劃分成南、西、北三個污染帶[15，16]，即：①承接潴龍河、孝義河、唐河來水的南面污染帶；②承接府河、漕河、瀑河及萍河來水的西面污染帶；③承接北支白溝引河來水的北面污染帶。

本研究參照國家標準《HJ 495-2009水質-采樣方案設計技術規程》，并結合淀區河網、地形地貌特征，選取塘淀、泛魚淀、聚龍淀、前塘淀四大淀交界處“采蒲臺”，以及淀南西沿“端村”和純水區鄉“圈頭”作為南污染帶的代表性監測站點；選取府河、漕河、瀑河及萍河四河來水融匯處“安新橋”，以及湖心區“光淀張莊”和淀區出口“棗林莊”作為西污染帶的代表性監測站點；選取白勾引河入淀口“留通”，及其下游“大張莊”和“王家寨”作為北污染帶的代表性監測站點，全淀區共布設9個監測點（圖 1）

1.2 樣品采集與分析方法

本研究選取了溶解氧（DO）、高錳酸鹽指數（CODMn）、化學需氧量（COD）、五日生化需氧量（BOD5）、氨氮（NH3-N）和總磷（TP）6項水質監測指標，水質監測時段為1998—2016年，監測頻率為每月1次，委托監測單位為河北省水利科學研究院。

現場采用有機玻璃采樣器或塑料桶采集表層水樣，按《GB 12999-91水質采樣樣品的保存和管理技術規定》要求固定和保存水樣。帶回實驗室的水樣用小孔徑篩網過濾除去較大的雜物后用0.45 μm

孔徑的濾膜或三層濾紙過濾，在其中加入3滴飽和氯化汞后放于冰箱內（低于4℃）冷藏，用于主要水質參數的分析。

綜合考慮監測數據樣本及可操作性等因素，本研究選用了綜合污染指數法對對各監測斷面的水質等級進行綜合評價。在空間上可以對比各污染帶不同斷面的水質污染程度，便于分級分類，在時間上還可以表示水質污染的總體變化趨勢，既彌補了用單項指標表征水質污染不夠全面的欠缺，又解決了用多項指標描述水質污染時不易計算、對比和綜合評價的難題。綜合污染指數法能有效集成流域中各單因子水質參數的評價結果，轉換為反映水質總體狀況的整體結果。綜合污染指數公式如下：

式中：P—綜合污染指數；Ci、Cs， i—分別為各污染物濃度的實測值及其在地表水中的最高允許標準值。

該評價方法將水質分為清潔、微清潔、輕污染、中度污染、較重污染、嚴重污染、極嚴重污染等七個級別，如表 2所示。

2 結果與分析

2.1 污染物空間分布特征

本文運用綜合污染指數法重點分析了白洋淀重新蓄水后1998—2016年各典型污染物的空間分布情況（表3）。結果顯示白洋淀污染總體上為有機污染，構成污染的物質為COD、CODMn、BOD5、NH3-N和TP；水體污染物主要來自于保定市，因此污染物從府河入淀口為中心向淀體東部和南部擴散，其擴散速度受到地形地貌條件的控制[17，18]。

2.1.1 南污染帶水質狀況

南污染帶所在的水域屬于白洋淀的水質良好區，3個監測站點均為清潔水質。總體上6項水質參數濃度分布較均勻，空間變化趨勢不明顯。從濃度平均值看，DO、CODMn、COD、BOD5、NH3-N、TP分別為9.36 mg/L、6.97 mg/L、5.82 mg/L、

3.50 mg/L、0.39mg/L和0.07mg/L。從濃度極值看，采蒲臺出現2次最大濃度值點，DO和COD分別為

9.69 mg/L和6.42 mg/L，均達到地表水Ⅰ類標準；端村出現3次最大濃度值點，BOD5為4.41 mg/L，超過地表水Ⅲ類標準；NH3-N和TP分別為0.44 mg/L和0.1 mg/L，均超過地表水Ⅰ類標準；圈頭出現1次最大濃度值點，CODMn為7.12 mg/L，超過地表水Ⅲ類標準。從污染級別看，端村綜合污染指數為0.39，呈現微清潔狀態，采蒲臺和圈頭綜合污染指數分別為0.18和0.08，呈現清潔狀態。

2.1.2 西污染帶水質狀況

西污染帶的水質主要受府河入淀水的影響，為各污染帶中水質最差區域，安新橋為嚴重污染水質。由于淀內水體擴散及稀釋作用，再加上汛期白溝引河有水入淀，下游光淀張莊水質已經恢復尚清潔。總體上西污染帶6項水質參數濃度分布不均勻，安新橋濃度平均值高于光淀張莊和棗林莊。從濃度平均值看，DO、CODMn、COD、BOD5、NH3-N和TP分別為7.61 mg/L、9.39 mg/L、20.66 mg/L、7.21 mg/L、4.75 mg/L和0.28 mg/L。從濃度極值看，安新橋出現5次最大濃度值點，CODMn為13.5 mg/L，超過地表水Ⅳ類標準；COD和BOD5分別為48.93 mg/L和15.62 mg/L，均超過地表水Ⅴ類標準；NH3-N和TP分別為13.47 mg/L和12.2 mg/L，均超過地表水Ⅴ類標準。棗林莊出現1次最大濃度值點，DO為9.79 mg/L，達到地表水Ⅰ類標準。從污染級別看，安新橋綜合污染指數為12.2，呈現嚴重污染。光淀張莊和棗林莊的綜合污染指數分別為0.18和0.06，呈現清潔狀態。

2.1.3 北污染帶水質狀況

北污染帶主要承接白溝引河汛期來水，入淀口留通測站水質較好，但下游大張莊、王家寨受到府河入淀污水的影響水質反而變差。總體上，DO、CODMn、COD和BOD5這4項水質參數濃度變化趨勢不明顯，而NH3-N和TP這兩項水質參數濃度分布不均勻，變化趨勢明顯。從濃度平均值看，DO、CODMn、COD、BOD5、NH3-N和TP分別為8.90 mg/L、7.66 mg/L、5.34 mg/L、5.32 mg/L、1.79 mg/L和0.16 mg/L。從濃度極值看，王家寨出現4次最大濃度值點，DO為9.17 mg/L，達到地表水Ⅰ類標準；CODMn為8.29 mg/L，超過地表水Ⅲ類標準；COD為5.72 mg/L，達到地表水Ⅰ類標準；BOD5為6.19 mg/L，超過地表水Ⅴ類標準。大張莊出現2次最大濃度值點，NH3-N為2.44 mg/L，超過地表水Ⅴ類標準；TP為0.21 mg/L，超過地表水Ⅲ類標準。從污染級別看，大張莊和王家寨綜合污染指數分別為2.31和1.95，呈現中度污染；留通的綜合污染指數為0.45，呈現微清潔狀態。

白洋淀區污染物濃度在南、西、北三個污染帶之間的空間分布如圖2所示。府河上游安新橋采樣點污染最嚴重，COD濃度高于其他8個采樣點6.16～8.79倍，超過了地表水環境質量標準V類標準。BOD5濃度高于其他8個采樣點1.52～4.87倍，超過地表水環境質量標準V類標準。NH3-N和TP濃度也是9個采樣點中的最高值；大張莊和王家寨呈現中度污染狀態，NH3-N和TP結果較高，超過地表水環境質量標準V類標準。

2.2 污染物時間變化規律

2.2.1 年際變化趨勢

為了更清晰的對比分析三個污染帶不同污染物的年際變化規律，本研究分別選取了白洋淀三個污染帶的代表性斷面，即南污染帶的圈頭、西污染帶的棗林莊和北污染帶的留通，以及污染最嚴重的典型地區斷面安新橋，對白洋淀1998—2016年水質年際變化情況進行分析。結果表明各監測點污染物總體呈逐年增大趨勢，說明白洋淀的水質正逐漸惡化。

留通靠近白溝引河河口，污染物濃度與白溝引河水質關系密切。DO、CODMn、BOD5和NH3-N濃度都呈現逐年緩慢上升的趨勢（圖3）；TP濃度變化呈現平緩狀態，基本在0～1 mg/L范圍波動；DO濃度在2008年出現最低點，隨后逐漸上升；CODMn濃度在2008年以前波動不大，2011年后呈現較明顯的上升趨勢，在2016年超過11 mg/L；BOD5和NH3-N濃度分別在2014年和2013年達到峰值。

由于受府河排污的影響，安新橋是白洋淀污染較重區域，CODMn、BOD5、NH3-N和TP濃度波動較大，總體呈現上升趨勢（圖3）。TP濃度在2012年達到最大值2 mg/L，2012年后呈現降低趨勢；BOD5濃度在2014年達到最大值30.91 mg/L；DO濃度保持穩定較低水平，基本在0～10 mg/L范圍內波動。

圈頭遠離白洋淀各入流河口，除個別年份外，污染物指標年際間波動較小（圖3）。CODMn、TP、BOD5濃度總體上呈逐年上升趨勢，CODMn濃度在2004年出現峰值后逐漸降低，在2015年又一次達到最大值10.54 mg/L。NH3-N濃度總體上也呈現出波動式上升，在2003年和2008年分別出現最低點，并在2010年出現濃度最大值

0.76 mg/L。DO在2010年之前均呈明顯下降趨勢，這表明白洋淀污染負荷在逐年增加。

栆林莊污染物各項指標年際間總體變化趨勢不明顯，與安新橋比各項污染濃度均有所減小（圖3）。

BOD5濃度呈緩慢上升趨勢，基本在0～5 mg/L范圍內波動。DO濃度在2008年突降后呈現逐漸上升的趨勢，主要維持在10 mg/L左右。CODMn濃度在2008年和2016年出現峰值，其他年份低于

12 mg/L。NH3-N濃度在2008年出現最低值，呈上升后降低的趨勢，2016年達到峰值0.74 mg/L。TP濃度波動范圍不大，均低于0.2 mg/L。

從以上的分析可見，從1998年開始，白洋淀各項污染物指標雖然在不同年份有波動，但總體上處于逐漸惡化狀態，特別是白洋淀的污染物負荷在逐年增加，這也說明，進入淀區的污染物已經大大超過了白洋淀的自凈能力[19]。

2.2.2 年內變化趨勢

為了進一步了解白洋淀總體污染指標年內變化情況，本文根據1998—2016年多年月平均水質數據，分析了各斷面污染物濃度的逐月變化規律。安新橋（圖4）受府河入淀污水的影響，COD超標情況最為顯著，除1月和9月外，其余月份濃度均超過地表水V類標準。由于汛期上游來水使污染物濃度有所降低，CODMn、NH3-N和BOD5濃度在非雨季高于雨季。雨季淀內生物活動強烈，消耗了大量DO，因此DO在非雨季濃度反而較高，這也是白洋淀富營養化的結果。

留通（圖5）6—9月的CODMn、NH3-N、BOD5、TP、COD濃度較大，而在此期間DO卻達到最低值，這是由于6—9月淀內旅游、養殖業興旺，造成淀內氮、磷濃度高，藻類大量繁殖，耗氧大量增加。

圈頭（圖6）位于淀區中南部，水質變化是各種因素綜合作用的結果。DO濃度在6—10月低于其他月份。TP濃度波動不大，無明顯雨旱季分布特征。CODMn、NH3-N、BOD5、COD濃度呈現雨季高于旱季。

棗林莊（圖7）CODMn、COD濃度呈現雨季高于旱季。NH3-N濃度波動較大，11、12兩月NH3-N濃度相差3倍以上。DO在6、7、8、9月份濃度低于其他月份，總體上棗林莊水質年內較穩定。TP濃度無明顯雨旱季分布特征。

3 結論

（1）在污染物的空間分布上，南污染帶所在的水域屬于白洋淀的水質良好區，各水質參數濃度分布均勻，其中圈頭斷面各種污染物的濃度較上游采蒲臺稍高；西污染為各污染帶中水質最差區域，其中安新橋斷面為嚴重污染水質；北污染帶的白溝引河入淀口留通斷面水質較好，但下游大張莊、王家寨受到府河入淀污水的影響水質反而變差，呈中度污染。

（2）在污染物的年際變化上，留通斷面各污染物濃度在波動的同時整體呈現逐年緩慢上升的趨勢，BOD5和NH3-N濃度分別在2014年和2013年達到峰值；安新橋斷面除DO外，其他污染物濃度年際波動較大且呈明顯增加，表明有機污染加劇；圈頭位于淀心位置，受各入淀河流影響較小，除個別年份外，污染物指標年際間波動不大；與上游安新橋斷面相比，栆林莊斷面各項污染濃度值均減小，總體變化趨勢不明顯。

（3）在污染物的年內變化上，安新橋斷面除1月和9月份外，其余月份COD濃度均超過地表水V類標準。且由于汛期上游來水，CODMn、NH3-N和BOD5濃度在非汛期高于汛期；留通斷面每年6—9月份旅游、養殖業興旺，各項污染物濃度較大，溶解氧達到最低；圈頭斷面年內水質變化規律性較差，除DO和TP外，其余污染物濃度均呈現雨季高于旱季份。棗林莊斷面氨氮波動較大，11、12月濃度相差3倍以上。

參考文獻：

[1] 中共河北省委， 河北省人民政府. 河北雄安新區規劃綱要[N]. 河北日報， 2018-04-22 （002）.

[2] 劉佳. 基于雄安新區建設的白洋淀生態環境規劃研究[J]. 農村科學實驗， 2021（11）：3.

[3] 袁思凡. 共生理念下的河湖生命健康研究——評《海河流域河湖健康評估研究與實踐》[J]. 灌溉排水學報， 2021（8）：158.

[4] 王偉， 馮海波， 臧志雪， 萬寶春， 楊哲明. 河北省海河流域污染防治優先控制單元研究[J]. 南水北調與水利科技， 2011， 9（5）：59-62.

[5] Yan C， Zhang W， Zhang Z J， et al. Assessment of water quality and identification of polluted risky regions based on field observations ＆ GIS in the Honghe River watershed， China[J]. PLOS One， 2015， 10（3）： 0119130.

[6] JI X L， Dahlgren R A， Zhang M H. Comparison of seven water quality assessment methods for the characterization and management of highly impaired river systems[J]. Environment Monitoring and Assessment， 2016， 188（1）： 15.

[7] Roohollah N， Ronny B， Majid H， et al. A critical review on the application of the National Sanitation Foundation Water Quality Index[J]. Environmental Pollution， 2019， （244）：575-587.

[8] 楊程， 郭亞昆， 鄭蘭香， 等. T-S模糊神經網絡模型訓練樣本構建及其在鳴翠湖水質評價中的應用[J]. 水動力學研究與進展（A輯）， 2020， 35（3）：356-366.

[9] 都莎莎， 王紅旗， 劉姝媛， 等. 基于人工神經網絡改進的地下水水質評價模型研究及應用[J]. 北京師范大學學報（自然科學版）， 2014， 50（4）：424-428.

[10] Tim H， Rehan S， Asit M. Adaptation and evaluation of the Canadian Council of Ministers of the Environment Water Quality Index （CCME WQI） for use as an effective tool to characterize drinking source water quality[J]. Water Research， 2012， 46（11）：3544-3552.

[11] 王歡歡， 白潔， 劉世存， 等. 白洋淀近30年水質時空變化特征[J]. 農業環境科學學報， 2020， 39（5）：1051-1059.

[12] QUAN H A， RT A， WS A， et al. Anthropogenic influences on the water quality of the Baiyangdian Lake in North China over the last decade[J]. Science of The Total Environment， 2020（701）：134929.

[13] N. Brmus著. 戴國瑞， 馮尚友， 等譯. 水資源科學分配[M]. 北京： 水利電力出版社， 1983.

[14] 章申. 白洋淀區域水污染控制研究（第一集）水陸交錯帶水環境特征與調控機理[M].北京：科學出版社， 1995.

[15] 高秋生， 焦立新， 楊柳， 等. 白洋淀典型持久性有機污染物污染特征與風險評估[J]. 環境科學， 2018， 39（4）：12.

[16] 趙黔偉， 汪敬忠， 魏浩， 等. 白洋淀水體氮， 磷和重金屬的變化特征及影響因素[J]. 水資源與水工程學報， 2020， 31（6）：6.

[17] 楊娜， 陳國鷹. 基于灰色聚類分析的白洋淀水質評價[J]. 科技創新與應用， 2019， 34：3.

[18] 康宇華， 王帥， 閆子奇， 等. 河北省農村污水治理對策探究——以白洋淀上游流域為例[J]. 智庫時代， 2019， （23）：2.

[19] 任旺， 徐國賓. 基于GA-灰色波形預測模型的白洋淀天然入淀水量[J]. 南水北調與水利科技， 2017， 15（5）：7.

Abstract： The comprehensive pollution index method was used to systematically evaluate and analyze the temporal and spatial distribution characteristics of water pollutants based on the water quality data of 9 monitoring stations in Baiyangdian Lake from 1998 to 2016. Spatially， the southern zone had the good water quality area. The water quality of the western zone was the worst， among which the Anxinqiao section was seriously polluted. The Dazhangzhuang and Wangjiazhai sections in the northern zone were moderately polluted. In the time series， the concentration of each pollutant in Liutong station showed a fluctuating trend year by year， and it was always higher from June to September every year， when the dissolved oxygen was the lowest. The concentration of main pollutants in Anxinqiao station fluctuated greatly and increased obviously. The concentration of COD exceeded the class V standard in 10 months of a year， and the concentration of other pollutants was higher than that in non-flood season. Quantou station seemed less affected by the rivers entering the lake， and the concentration of pollutants fluctuated little from year to year， most of which in the rainy season were higher than those in the dry season. The overall change trend of Zaolinzhuang was not obvious， and the pollution concentration was lower than that of Anxinqiao upstream. NH3-N fluctuated greatly in a year， and the concentration difference was more than 3 times in November and December. It could be seen that after the re-impoundment of Baiyangdian Lake， the water pollution was still serious， and the pollutants spread to the east and south via the entrance of the Fu River as the center， forming a local concentrated pollution area represented by Anxinqiao. The time change law of each pollutant was not obvious， and the overall trend was increasing， indicating that the water quality of Baiyangdian Lake was gradually deteriorating. The treatment of pollution sources from the incoming rivers outside the Baiyangdian Lake cannot be ignored.

Key words： Baiyangdian; spatiaotemporal distribution; pollution source; comprehensive pollution index