雄安新区白洋淀冰封期水体污染特征及水质评价*

2020-07-19李再兴张艺冉周石磊郭朋朋

湖泊科学 2020年4期

孙悦，李再兴，张艺冉，周石磊，战江，王函，尹璐，郭朋朋

(河北科技大学环境科学与工程学院，河北省污染防治生物技术实验室，石家庄 050018)

白洋淀位于雄安新区的核心位置，在拦蓄洪水、航运渔业和调节气候等方面意义重大，为雄安新区的建设提供了重要的生态保障. 目前，针对白洋淀的研究主要集中在淀区生态系统健康评价、动植物群落与水体富营养化关系调查及沉积物氮素分布与释放通量研究等方面，例如Xu等[1]根据白洋淀水域生态健康状况的典型特征，应用热力学指标体系的生态系统健康评价方法对白洋淀生态系统健康状况进行评价，确定了研究水域的健康状况，针对人类干扰较多的水域提出了相应的措施；李华等[2]构建了白洋淀底栖-浮游耦合食物网的概念模型，探究富营养化对底栖、浮游食物网的影响，结果表明浮游植物与总氮(TN)浓度呈显著的正相关关系，而底栖藻类和大型沉水植物与TN、总磷(TP)浓度呈显著负相关关系；Zhu等[3]采集了34个沉积物样本，应用一维孔隙水扩散模型计算氨氮释放通量，结果表明氨氮在沉积物中释放的可能性较大，对于白洋淀底栖生物的影响比其他形式的氮更为显著.

为了更好地保护白洋淀水生态系统，需要对白洋淀水体水质特征及污染状况进行全面系统的分析和评价. 而现有研究针对白洋淀水质的研究和评价，大多以单一或部分淀区为对象、评价方法单一且采样时间大多集中在春、夏、秋季节. 例如，Zhao等[4]虽然研究了白洋淀8个采样点十年内水质变化，但仅采用了综合污染指数法对理化指标进行处理分析，得出TN、TP是影响白洋淀富营养化的主要污染物；王瑜等[5]应用修正的卡尔森营养指数和优势种评价法对枣林庄、端村春、夏季水质进行分析，结果显示两个淀区的水体处于中度富营养状态；Qi等[6]利用综合污染指数对府河水质进行评价，结果显示府河内TN、TP综合污染指数较高，说明控制府河水质是缓解白洋淀富营养化程度的关键. 冰封期作为雄安新区-白洋淀水质变化的一个重要时期，一方面冬季水草死亡腐烂释放N、P等污染物且温度降低冰体中污染物向下覆水迁移，导致区域水体污染物浓度升高；另一方面冰层通过隔绝大气与水面的氧传递，导致水体溶解氧浓度下降，沉积物在厌氧条件下释放大量内源污染物，导致水质污染严重. 然而，目前关于白洋淀冰封期水体水质特征及污染状况的研究却鲜有报道. 因此，全面分析白洋淀冰封期水体水质，并应用科学的评价方法明确水体水质状况变得十分必要，不仅可以填补冬季冰封期水体水质数据、健全白洋淀水质基础数据库；而且还为分析该时期水质演变的微生物作用机制以及定向精准治理白洋淀奠定坚实的基础.

目前，常用的水质评价方法主要有单因子评价法[7-9]、综合污染指数法[7,10]、主成分分析法[11-12]、模糊综合评价法[13]、水质指数法[14]等，这些评价方法各有优缺点，侧重点也不同. 为明确各淀区冰封期水质特征，根据白洋淀整体淀区的承载功能，将整个淀区分为五大功能区即原始区、旅游区、生活区、养殖区和入淀区，并在5个特征区域内设置25个代表性采样点，研究各个淀区的水体水质特征；并综合单因子评价法、综合污染指数法以及主成分分析法对该时期水体进行分析，旨在明确冰封期淀区水污染状况.

1 材料与方法

1.1 研究区概况

白洋淀位于河北省中部，总面积达366 km2，流域面积为31200 km2，作为华北平原最大的淡水湖泊，对维护华北地区生态系统平衡、调节华北平原乃至京津地区气候、补充地下水源、调蓄洪水以及保护生物物种多样性等方面发挥重要作用[4,15]. 淀内主要由大小不等的143个淀泊和3700多条沟壕组成，形成了“淀中有村，村中有淀”的独特景象[16]，随着雄安新区的设立，白洋淀作为新区最重要的水域之一，其内部规划和水环境状况更是受到各界的关注.

1.2 研究区划分及采样点设置

通过现场调查及前人研究[17-20]，根据各淀区的承载功能将白洋淀分为原始区、旅游区、生活区、养殖区、入淀区5个特征区域，每个功能区均有其各自的特征(表1)，原始区包括藻苲淀1#(S1)、藻苲淀2#(S2)、藻苲淀3#(S3)3个采样点；旅游区包括烧车淀(S4)、鸳鸯岛-旅游区(S5)、文化苑西门(S6)3个采样点；生活区包括枣林庄(S7)、平阳淀(S8)、小麦淀(S9)、北田庄西淀(S10)、涝王淀(S11)、采蒲台(S12)、范峪淀(S13)7个采样点；养殖区包括前塘(S14)、后塘(S15)、端村1#(S16)、端村2#(S17)、泛鱼淀(S18)、鲥鮜淀(S19)5个采样点；入淀区包括白沟引河(S20)、瀑河藻苲淀入淀口(S21)、萍河藻苲淀入淀口(S22)、唐河端村入淀口(S23)、南刘庄府河入淀口(S24)、潴笼河入淀口(S25)6个采样点. 每个区域的采样点位置见图1，于2019年1月对25个采样点的表层水样进行采集，由于北方冬季气温较低，河水冻结，现场凿冰利用采水器进行各采样点表层水样的采集，利用DS5水质分析仪现场测定温度、电导率等基本指标.

表1 白洋淀冰封期5大功能区特征

图1 白洋淀采样点示意

1.3 测定方法

1.4 数据处理与评价方法

将所得实验数据利用Excel 2016进行处理，Origin 2018软件进行图形的绘制与分析，SPASS 22.0进行主成分中成分得分系数矩阵的数值分析.

本文选用单因子评价法、综合污染指数(K)法、主成分分析法进行水质评价，单因子评价法是最基本的水质评价方法，通过将某一指标作为分析变量，可以简单直观的对25个采样点的水质进行定量分析；综合污染指数(K)法通过较简单的数值分析可以对比不同河段水体的水质污染程度；主成分分析法较为复杂，但是能够对5个淀区的整体情况进行定性分析，3种评价方法相结合可以客观准确的对白洋淀冰封期水质进行评价.

1.4.1 单因子评价法单因子评价法采用一票否决原则，将各评价指标的检测浓度与评价标准进行对比，将最差指标的水质类别作为评价结果进行后续分析. 在所有参评水质指标中，如有一项指标超标，则所属水域不符合相应的水质标准[22].

1.4.2 综合污染指数法综合污染指数(K)法是我国第一个综合表示水质污染情况及综合评价水污染的方法，它用一种简单的，可以进行统计的数值来评价水质污染情况. 在空间上可以对比不同河段水体的水质污染程度，便于分级分类；在时间上可以表示一个河段，一个地区水质污染的总的变化趋势，其表达式是[23]：

K=∑Ci·Ck/Coi

(1)

式中，Ci指各类污染物的实测浓度(mg/L)；Coi指各类污染物评价标准值；Ck指地表水各类污染物的统一标准值，此值为0.1. 综合污染指数法评价分级标准包括6个标准：K≤0.1的水体属于一般或未受污染水体、0.15.0时属于严重污染水体.

1.4.3 主成分分析法主成分分析法实际是利用降维的思想，通过全面分析各项指标所携带的信息，筛选出比原始指标少，但能解释大部分资料的综合性指标[11,24].

2 结果与讨论

2.1 水质因子特征

2.1.1 理化和营养盐指标图2显示了白洋淀冰封期各采样点的基本水质指标情况，白洋淀冰封期各采样点的水温在1.76～5.84℃间，各淀区水体间温差波动较小；由图2b可知，DO浓度在各个采样点之间相差较大，其中原始区的S2采样点DO浓度为9.82 mg/L，高于地表水质量标准Ⅰ类限值(7.5 mg/L)，可能是原始区靠近入淀区河流，冬季入淀区河流流动频繁，水体中DO浓度较多，导致汇入S2中的DO浓度较高；位于生活区的S8采样点DO浓度最低，为0.53 mg/L，可能是冰封期河流结冰，一方面水体流动缓慢，另一方面冰面阻隔了大气与水体中氧的传质，使得淀区中DO浓度降低. 氨氮浓度范围为0.09～0.74 mg/L，水中氨氮的来源主要为生活污水中含氮有机物受微生物作用的分解产物，其中S20白沟引河采样点氨氮浓度最高，为0.74 mg/L，S20位于入淀区的位置，一方面杨静等[25]通过对白洋淀流域养分流失研究发现随着白洋淀周边城市化进程的加快，会导致河流受到的污染更为严重，白沟引河周边分布较多居民，随着冰封期水面结冰，水体中汇入的生活垃圾等外源污染物扩散缓慢，逐渐沉降至下覆水中，造成所在区域水体中氨氮浓度较高；其次该采样点随着时间的积累沉积了大量水生植物的腐败物，导致内源污染物大量释放；再次是上游入淀区河流的氨氮浓度较高，虽已进入冰封期，但该采样点仍与上游河流进行水质交流，导致水质污染严重. 图2d显示各功能区的TN浓度变化波动较大，入淀区6个采样点的TN浓度均较高，S24的TN浓度高达8.13 mg/L，污染最为严重，S24采样点作为承接保定市废水的河流，水质呈现出中度富营养状态，在不具备富营养化条件的冰封期，TN浓度依旧最高，一方面是冰体中污染物逐渐向下覆水迁移，另一方面可能是内源释放造成水质污染严重，这也将导致融冰期含氮污染物扩散加快，水质富营养化更加严重.

根据现场调研可知虽已进入冰封期，但6条入淀区河流仍与上游河流存在水质流动，由于白洋淀地势平缓，冰封期水体流动更加缓慢，因此外界河流汇入的污染物几乎汇聚在各入淀区河流，从而导致冰封期的6条入淀区河流污染显著；TP浓度变化范围在0.04～1.62 mg/L之间，与TN浓度呈现出的结果类似. 通过现场调研及对冰封期各采样点理化和营养盐指标分析可知，白洋淀地势平缓且冰封期各淀区水质流动缓慢，从而导致外源污染物几乎汇聚在各入淀区河流，入淀区高浓度的氮、磷浓度在融冰期随着河水流动速度的加快，可能导致白洋淀大面积水域受到污染，因此应加紧对入淀区河流的治理.

2.1.2 有机污染指标高锰酸盐指数常被作为地表水体受有机污染物和还原性无机物质污染程度的综合指标，图2f显示高锰酸盐指数的变化范围在4.74～8.76 mg/L之间，80%的采样点高于6 mg/L(Ⅲ类水质标准限值)，位于养殖区的S15采样点高锰酸盐指数值最高，为8.76 mg/L，可能是养殖区水域大面积发展鱼虾，历史上剩余饵料堆积沉入底层[4, 26]，随着冰封期的来临，水体中DO浓度下降，导致沉积物中的污染物质在厌氧的条件下释放到上覆水中，使得冰封期水体污染严重.

图2 白洋淀采样点水质基本指标

2.1.3 水质特征分析综合图2可知，白洋淀冰封期水体温度波动较小，DO浓度显示冰封期原始区和入淀区较高，入淀区NH3-N浓度较高，高锰酸盐指数在各采样点间相差较小，各采样点的TN和TP浓度变化幅度较大且大多数采样点的TN、TP浓度较高，超过了Ⅴ类水体的限值，这与阳小兰等[27]得出的TN、TP是白洋淀的主要污染物的结论相一致. Liu等[28]通过研究白洋淀浮游植物的结构变化与理化因子的关系发现白洋淀的理化因子指标呈季节性变化，氮、磷浓度在冬季呈升高趋势，与本文对白洋淀冰封期水体氮、磷浓度呈较高趋势的结果一致.

表2展示了白洋淀与新三湖(白洋淀、洱海、丹江口)；老三湖(太湖、巢湖、滇池)；北方湖泊(乌梁素海、呼伦湖、博斯腾湖)以及北欧湖泊(维纳恩湖)的水质状况对比，根据数据逐一对比可知[29-37]，在新三湖中，白洋淀的TN、TP浓度波动最大且较高，洱海与丹江口水质较好，而白洋淀则呈现出N、P污染严重；通过与老三湖的对比可知，除巢湖的TN浓度高于白洋淀外，太湖、滇池的TN浓度均低于白洋淀，TP浓度呈现出白洋淀最高的状态；与北方的3条典型湖泊及北欧最大湖泊维纳恩湖相比，博斯腾湖与维纳恩湖的N、P浓度低于白洋淀，乌梁素海和呼伦湖的TN浓度高于白洋淀，但TP浓度白洋淀最高；若不加紧对水体中N、P污染物的治理，在融冰期随着水体流动加快，污染物扩散速度增加，可能导致整个淀区水质受到严重污染，通过与新三湖、老三湖、北方湖泊与北欧湖泊的对比可以发现，白洋淀的N、P污染更为明显，水体富营养化的原因主要是N、P浓度超标[38]，白洋淀冰封期水质中较高的N、P污染物，在融冰期随着水体流动加快会大面积扩散污染淀区水质，因此对水质治理时，白洋淀的N、P污染物去除应引起重视.

表2 白洋淀主要污染指标与其他湖泊比较

表3是保定市生态环境保护局公布的2017-2019年白洋淀四季的监测点实测指标，根据监测的王家寨、枣林庄、端村和鸪丁村4个点位反映，现有观测的4个淀区水质基本都处于Ⅳ类～Ⅴ类水质间，但也出现了劣Ⅴ类水质，整体上水质处于较差的状态. 根据季节分析，同一监测点不同季节的水质状况存在波动，原因可能是春、夏、秋季节水质流动频繁且人类活动干预较多，水质中污染物扩散较快；而冬季结冰，沉积物在厌氧状态释放大量污染物，造成小范围内水质污染，在融冰期，随着水体的流动，污染物开始扩散，造成第二年水质较差. 然而，环保局监测数据仅为TP和有机物且监测样点较少未能全面分析整个白洋淀的特征. 尤其是，冬季冰封期近3年未进行采样分析，对认识冰封期水体演变特征影响很大. 因此，本研究在白洋淀冰封期开展全方位的水体污染特征及水质状况分析，为以后各淀区水体的靶向治理提供依据.

2.2 水质评价

2.2.1 单因子评价根据水质基本指标分析可知白洋淀冰封期TN、TP超标严重，因此单因子评价法选择TN、TP作为定类项目，表4是运用单因子评价结果对白洋淀冰封期水质进行评价的结果，可以发现，TN、TP作为定类项目时，Ⅳ类水占比最高，均为40%. 并且水质中出现了劣Ⅴ类，占到了25个采样点的24%，入淀区河流占到了一半，可能是入淀区河流不仅要承担白洋淀自身的内源污染物，还要接纳外界河流汇入的外源污染物，因此，入淀区河流水质较差. 综合看单因子评价结果显示出白洋淀冰封期水质呈现出较差的状态且入淀区河流的水质污染较严重，这与张铁坚等[39]对于入淀区河流的研究结果相一致.

表3 白洋淀2017-2019年国控监测指标

表4 白洋淀采样点水质单因子评价结果

根据以上分析结果，可以得出在用单因子评价方法对白洋淀水质进行评价时，TN和TP是白洋淀冰封期水质的限制因子且入淀区河流水质最差.

2.2.2 综合污染指数评价对白洋淀冰封期25个采样点的综合污染指数进行计算，结果见图3a，原始区、旅游区、生活区、养殖区、入淀区的综合污染指数范围分别是0.38～0.66、0.46～0.63、0.25～0.42、0.26～1.05、0.29～1.77，数据显示16个采样点的水质级别呈轻度污染，5个采样点水质呈中度污染，S14、S20、S22、S24这4个采样点的水质到了重度污染级别. S14后塘采样点是白洋淀的鱼虾养殖区，以前饲养方式都是将含有大量氮磷营养物的饵料投入水中，剩余的饵料则是直接沉入水中，虽然现在已经禁止了这种投喂方法，但到了冬季冰封期，沉积物释放大量内源污染物，造成水体污染严重，这与王亚琼等[40]对于白洋淀养殖区水体污染的研究结果一致；其余3个采样点均属于入淀区河流，S20、S22采样点不仅承接自身水体，还接纳上游河流水质，水质较差. S24南刘庄府河流经保定市区，研究表明府河水质主要是受保定市生产生活污水影响较大[41]，随着保定市生活污水的排入，导致府河水质受到严重污染，进而污染其他淀区河流水质，对白洋淀整体水质造成巨大威胁.

原始区、旅游区、生活区、养殖区、入淀区5个功能区的综合污染指数平均值分别为0.52±0.02、0.57±0.01、0.32±0.01、0.52±0.08、0.85±0.13(图3b)，表明入淀区河流的综合污染指数平均值最大且方差最大，说明入淀区河流不仅水质较差且内部6条河流的综合污染指数波动较大，白洋淀入淀区呈现出的水质较差的原因与蠡河入湖区水质类似[42]，作为与外界河流进行水质流动的入淀区河流，汇入的外源污染物较多，超出水体自净能力，造成自身河流水质较差，进而对内部河流水质产生威胁；原始区、旅游区水质次之；养殖区水质较差，虽然现在禁止向水中投放饵料，但往年水体中残留的饵料污染仍较为严重，根据现有文献发现[43]，滇池水体中氮素浓度升高的一个主要原因是剩余饲料沉入水体释放出大量含氮污染物，由此可知往年堆积的饲料对于水质仍然是较大的威胁，需要重点关注，生活区的水质最好，且内部采样点呈现出综合污染指数值接近，均处于轻度污染水体.

图3 白洋淀采样点综合污染指数

2.2.3 主成分分析评价白洋淀冰封期25个采样点的理化参数主成分分析见图4a，不仅不同功能区的水质存在一定差异，即使相同功能区水质存在的差异也很明显. 入淀区6个采样点的水质差异最为明显，彼此间偏离较大，出现这种情况的原因可能是每条入淀区河流承接的上游水系不同，各项水质因子浓度存在差异，因此水质差异较为明显；养殖区、原始区、旅游区3个功能区的水质根据图形显示偏离较小，证明各功能区内部水质的影响因子偏差不大，生活区各采样点间距离最小，证明内部水质差异不大. 与第一主成分高度相关的理化指标是TN，因子负载达到了0.44，与第二主成分高度相关的理化指标是TP，因子负载达到了0.55，通过这两个数值也可以反映出白洋淀冰封期水质主要受到了TN和TP的影响，较高的N、P值也将成为白洋淀水体富营养化的潜在风险，这一结果与王亚琼等[40]对于入淀区和养殖区水体受N、P影响较大的污染结果相一致.

根据成分得分系数矩阵等相关方程和公式得出25个采样点的主成分综合得分，见图4b，即能定量描述各采样点水质的污染程度，综合得分越高，水质越差. 水质较差的采样点为S22和S24，水质较好的采样点为S8；S22和S24采样点分别为瀑河藻苲淀入淀口和南刘庄府河入淀口，这2条入淀河流都属于大清河南支河流，瀑河藻苲淀入淀口位于白洋淀的西部，为季节性泄洪河道，南刘庄府河入淀口是上游保定市排放生活污水、工农业生产污水的排泄通道，受人类活动影响较频繁，汇入的外源污染物较多，致使水质较差. S8平阳淀位于整个淀区的东部，远离入淀区河流的污染，淀区水体受到的污染较小，因此水质较好.

图4 白洋淀冰封期采样点主成分分析

从5个功能分区分析，入淀区水质最差，生活区的水质较好. 通过数据分析可知，白洋淀各淀区水质存在一定差异，一方面与水体在淀区的迁移流向有关，另一方面与淀区及淀区周边的污染物排放有关，白洋淀是封闭性湖泊，淀区地势起伏不大，淀区内水体流动不明显. 因此位于西部的入淀区河流在接纳外源和内源污染物时，自净能力较弱，水质相较其他功能区较差，位于中部和东部的生活区因远离入淀区河流的污染以及政府对于白洋淀水体的治理，水质相对较好.

通过3种评价方法对于白洋淀冰封期水质状况的评价可知，虽然3种评价方法分析角度不同，但均表现出冰封期入淀区水质最差，虽然处于冰封期，但依旧与外界河流存在水体流动，汇入其中的外源污染物可能较多. 入淀区作为承接白洋淀与外界水系的纽带，其水质对白洋淀水环境影响较大，因此在对白洋淀水质进行治理时，入淀区水质的治理应给予重点关注，只有有效改善入淀区河流的水质，才是净化白洋淀水体的关键.

2.2.4 3种评价方法的对比运用单因子评价法、综合污染指数法、主成分分析法3种评价方法对白洋淀水质进行评价. 单因子评价法简单直观，能够对白洋淀水质进行定性评价，利用数据判定各采样点的水质等级，得出TN、TP是白洋淀水质的限制因子，但单因子评价法不能对同一等级的水质断面进行更详细的优劣排序. 综合污染指数法和主成分分析计算相对复杂，能对水质进行定量分析，对各采样点的水质情况进行优劣排序，对5个功能区的水质进行整体分析，通过这两种方法的分析，25个采样点中，S22和S24的水质是最差的，S8平阳淀因远离入淀区河流的影响，水质较好. 按功能区分析，入淀区河流不仅要承载白洋淀自身水质的污染源，还要承载外界河流汇入的污染物质，因此水质最差；养殖区、生活区和旅游区的水质由于受到人类活动和淀区自身水生植物腐烂产生的污染物质的影响，水质次之；原始区因属于未开发区域，人类活动干预较少，因此水质较好.

3种评价方法中，虽然各有其优缺点，但主成分分析法主要是根据方差累计贡献率作为因子权重进行数据处理，对于数据的处理较复杂，但得出的结果相对客观准确，与前2种方法相比，对于白洋淀冰封期水质评价得出的结果参考价值更大. 运用这3种评价方法可以从不同角度评价白洋淀各淀区水质的污染状况，故运用多种评价方法能更客观全面的反映白洋淀冰封期水质状况与污染特征.