极端降水条件下白洋淀主淀区水化学特征及水质变化*

韩玉丽，卜红梅**

(1:中国科学院地理科学与资源研究所陆地水循环及地表过程院重点实验室，北京100101) (2:中国科学院大学资源与环境学院，北京 100049)

湖泊是生态系统的重要组成部分，为周围区域提供了多项生态系统服务功能，湖泊水质状况不仅影响区域生态环境健康，对区域的可持续发展也具有极为重要的意义[1-3]. 当前正面临着全球性气候变化，变化环境下水文循环与水资源脆弱性成为了世界研究热点之一，而气候变化带来的水文效应问题也受到各国学者的广泛关注. 降水是河流、湖泊非点源污染的主要驱动力之一[4]，极端降水事件的产流量和污染物携带量往往更大，导致水体中的污染物通量增大[5-7]，因此极端降水是影响水环境质量的重要气象因素之一[4,8-9]. 随着气候变暖，极端降水事件的频率和量级呈显著上升的趋势，对生态系统产生的影响不断加大[10-12]. 在气候变化和人类活动共同作用下，湖泊水循环及湖水中的物理、化学、生物过程都发生了深刻改变，引起了一系列生态环境问题[13-14]. 水化学特征是湖泊水体的一个基本要素，表征其周围环境特点、水质现状及水体中的离子来源分布等[15]，而区域气候、水文地质条件、人类活动都会对地表水的水化学特征及离子来源产生深刻影响[16-19].

图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，是华北平原仅存的为数不多的湖泊型湿地生态系统之一. 白洋淀生态系统的生物多样性丰富，构成复杂，不仅为人类生产生活提供多种资源，而且具有蓄水灌溉、调节局部地区气候、改善生态环境、补充地下水和保护生物多样性等多种生态功能[20]. 2017年国务院设立的雄安新区建设对于推进京津冀协同发展、优化城市空间结构和国家发展，具有重大意义. 白洋淀位于雄安新区的核心区域，占雄县、容城和安新县总面积的23.4%，但白洋淀目前的水环境问题仍较为严重，大部分水域的水质依然为Ⅴ类甚至劣Ⅴ类[6]. 受强降雨影响，2021年7月京津冀降雨量较常年偏多1～2倍，局部降雨强度大、时段集中，中小河流涨势迅猛，汛情严重，海河流域滦河及漳卫河各出现1次编号洪水[21]. 白洋淀流域则出现了罕见的大暴雨及局部大暴雨的极端天气状况，此次降水达到了近5年最大降水，日最大降水量为59.9 mm，比2020年同月最大日降水量增加33.4 mm(图1). 中国气象上规定，每小时降雨量16 mm以上、或连续12小时降雨量30 mm以上、24小时降水量为50 mm或以上的雨称为暴雨，按其降水强度大小又分为3个等级，即24小时降水量为50～99.9 mm称暴雨、100～249.9 mm之间为大暴雨、250 mm以上称特大暴雨 (中国气象局, http://www.cma.gov.cn/). 根据等级划分，白洋淀本次降水属于暴雨等级.

为探究这种极端降水条件是否会对白洋淀的水质产生影响，本研究采集了白洋淀暴雨过后的湖泊水样，分析主淀区湖水的水化学特征、氢氧稳定同位素特征和水质空间差异特征，从而揭示极端降水条件对白洋淀主淀区水化学和水质的影响，为白洋淀的生态修复治理和雄安新区的生态系统管理提供科学依据.

1 材料与方法

1.1 研究区概况

白洋淀流域(38°10′～40°0′N, 113°40′～116°20′E)位于河北省中部，属于海河流域大清河水系，由143个淀泊和3700多条沟壕组成，以水体为主，水域间有苇田、台地、村庄，是华北平原最大的淡水湿地[15,20,22]，被誉为“华北明珠”(图2). 该地区为北温带半湿润大陆性季风气候，冬季寒冷干燥，最低气温可达-26.7℃；夏季高温多雨，最高气温为40.7℃，年平均降水量为530 mm，且降水多集中在7-9月份. 自1970年以来，入淀河流和淀区水质逐渐恶化，1980年后入淀水源主要来自于周围城市的污水，之后很长一段时间内，白洋淀水质长期处于恶化的阶段[23-24]. 雄安新区成立以后，各级政府通过外源污染管控、内源污染治理、生态补水等措施治理白洋淀水体，污染治理力度加大，白洋淀的水质状况明显好转[23].

图2 白洋淀地理位置及采样点分布Fig.2 Location and sampling sites distribution of Lake Baiyangdian

进入白洋淀的大部分河流为山前带河流，研究区地表经过冲刷、溶蚀和物理风化等作用形成了复杂的岩溶地貌[25]. 研究区内的基岩以碳酸盐岩为主，硅和镁的含量高，且受大气降雨补给[16,26]. 流域土地利用主要有林地、耕地、建设用地、草地和水域等类型，土地利用类型的变化受地形和人类活动的共同影响[16,25,27].

研究区在2021年受极端气候条件影响气候变化显著. 2021年7月11日至13日，河北省自西南向东北出现大到暴雨、局部大暴雨的极端天气状况，单日降水量达到近5年最大值 (图1)，受持续强降雨影响，大清河、永定河等河系部分河流的水位明显上升. 为应对极端气候，从7月11日开始，位于白洋淀上游的王快水库、安格庄水库以及白洋淀向下游河道泄水，最大泄水流量达到50 m3/s[28]. 强降雨和泄洪对白洋淀水体的水化学和水质必然造成一定的影响.

1.2 样品采集及水质理化指标测定

强降雨过后，于2021年7月底选取了15个采样点对研究区进行了湖泊水样采集(图2). 采样点1～3和11～15位于白洋淀的中部，水生植物分布相对较少，水面面积大，水深较深，且靠近景区；采样点4～6位于白洋淀的南部，水生植物分布较多；其余采样点位于北部，靠近岸边，水生植物分布相对集中. 每个采样点均分成表层、中层和底层分别进行采样.

采样过程中，现场共测定了8个水质参数，包括水温(WT)、pH值、溶解氧(DO)、电导率 (EC)、总溶解性固体(TDS)、盐度 (SAL)、叶绿素a(Chl.a)、藻蓝蛋白(PC). 其中，WT、pH、EC、SAL和DO利用多参数水质监测仪 YSI Professional Plus (USA)测定，Chl.a和PC浓度则使用多参数水质监测仪YSI EXO2 (USA) 测定.

1.3 数据处理及分析方法

本研究采用单因素方差分析比较各变量的空间差异，显著性水平为P< 0.05 或P< 0.01. 在分析前，采用S-W法进行数据正态分布检验和方差齐性检验. 对于不满足正态分布的水质变量进行对数转换，转换后仅pH和Chl.a的分布基本符合正态分布，其他不满足正态分布的水质变量则采用非参数秩和检验Kruskal-Wallis法进行方差分析. 利用KMO统计量检验判断原有变量是否适合因子分析，KMO值越接近于1，表明白洋淀水质变量间的相关性越强，越适合作因子分析. 采用因子分析法判断水质的空间特征，计算各采样点的综合因子得分，从而判断各采样点之间的水质差异[29].

以上数据分析及制图过程分别利用软件Microsoft Excel、SPSS 25、Origin 2017及ArcMap 10.8完成，空间插值采用反距离权重法.

2 结果与分析

2.1 白洋淀主淀区水体理化指标空间变化特征

对白洋淀主淀区各样点表层、中层和底层湖水水质分别进行分析，结果表明，白洋淀各样点湖水的理化指标、藻类指标和营养盐指标浓度存在空间差异 (图3). 单因素方差分析表明，pH和Chl.a在不同采样点间的空间差异显著 (P<0.05). 非参数检验结果表明，水温、TDS、EC、SAL、DO、PC、NO3-N、NH3-N和TN在各采样点间具有显著的空间差异 (P<0.05)，而DO和TP在各样点间的空间差异不显著 (P>0.05).

图3 白洋淀主淀区水体物理化学指标监测值Fig.3 Values of physicochemical parameters in the main area of Lake Baiyangdian

白洋淀主淀区湖水的水温平均值为(27.3±0.9)℃，其中采样点2、9和12处的水温相对较低，分别为26.4、25.9和26.4℃. 湖水的pH值平均为7.4±0.2，所有采样点的水体均呈弱碱性，符合《地表水环境质量标准》(GB 3838-2002)中关于pH的规定，整体pH表征良好；而位于淀区南部的采样点5和6以及位于淀区北部的采样点7、8和10的pH值相对较高，最高达到7.9. 水体中DO平均浓度为 (3.4±1.7) mg/L，大部分点位的DO浓度属于水质标准中的Ⅳ类和Ⅴ类，位于淀区南部的采样点5和6的DO浓度相对较高，分别为 5.5 和4.8 mg/L. 水体中TDS、EC和SAL的平均值分别为 (386±49) mg/L、(622±84) μS/cm和 (0.28±0.04)‰，位于淀区南部的采样点5、6和13以及位于淀区西北部的采样点10的TDS、EC和SAL都相对较高，最大值分别为436 mg/L、738 μS/cm和0.34‰.

2.2 白洋淀主淀区水化学特征

图4 白洋淀主淀区湖水主要离子Piper三线图Fig.4 Piper diagram showing major ion composition of the main area of Lake Baiyangdian

图5 白洋淀主淀区湖水Gibbs图Fig.5 Gibbs diagram of lake water in the main area of Lake Baiyangdian

2.3 白洋淀主淀区水体氢、氧稳定同位素特征

白洋淀主淀区湖水的δ2H范围为-60.86‰～-35.01‰，平均值为-54.91‰；δ18O范围为-8.84‰～-3.45‰，平均值为-7.61‰；氘盈余(D-excess)的变化范围为-7.76‰～10.11‰，平均值为5.96‰，其中仅采样点10的D-excess值为负值，其余采样点的D-excess值均大于3‰ (图6). 反距离空间插值结果表明，白洋淀δ2H 和δ18O都表现出西北部和南部富集，而西部和东北部有河流补给的地区则较为贫化，而D-excess低值则主要分布在西北部，东北部和东部有河流补给的地区其D-excess值较高，D-excess值的空间分布特征与δ2H和δ18O的空间分布特征基本相反.

图6 白洋淀主淀区水体氢、氧同位素及氘盈余空间分布Fig.6 Spatial distributions of δ2H, δ18O and D-excess in lake water of the main area of Lake Baiyangdian

根据测得的白洋淀氢、氧稳定同位素值，得到了白洋淀主淀区湖水氢、氧同位素关系线方程：δ2H=4.86δ18O-17.90 (R2=0.993,P<0.01)(图7). 将白洋淀水体同位素值与全球大气水线 (GMWL: δ2H=8 δ18O+10) 进行对比，结果发现白洋淀主淀区湖水的同位素值大部分在全球大气水线的右下方，并且采样点9和12水体的同位素值基本在GMWL上，而采样点10的同位素值距离GMWL最远. 与白洋淀流域大气水线 (LMWL: δ2H=7.19δ18O-0.74) 进行对比[32]，结果表明除了采样点10，其余采样点的同位素值都比较靠近当地大气降水线，并且采样点9和12的同位素值基本也在LMWL上. 此外，白洋淀湖水氢、氧同位素关系线的斜率和截距均小于GMWL和LMWL的斜率和截距. 回归分析表明，白洋淀主淀区湖水中的δ2H和δ18O均与水深呈显著负相关 (P<0.05)，水深每增加1 m，δ2H和δ18O值分别降低6.62‰和1.37‰ (图8).

图7 白洋淀主淀区水体氢、氧稳定同位素关系Fig.7 The relationship between δ2H and δ18O values in lake water of the main area of Lake Baiyangdian

图8 白洋淀主淀区湖水氢、氧稳定同位素与水深之间的线性回归关系 (图中δ2H和δ18O分别为同一水深处的平均值)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)

图9 白洋淀主淀区综合因子得分的空间分布 Fig.9 Spatial distribution of total factor scores of the main area of Lake Baiyangdian

2.4 白洋淀主淀区整体水质空间差异特征

表1 旋转因子载荷矩阵*

3 讨论

3.1 极端降水对主淀区湖水水化学特征的影响

在极端降水条件下，白洋淀主淀区pH值平均为7.4，EC值范围为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浓度的平均值大于600 mg/L[15, 33]. 对比结果表明 (表2)，极端降水过后的pH、EC和TDS值显著低于以往年份雨季的pH、EC和TDS值. 极端降水期间，白洋淀主要接受大气降水的补给，极端降水使得湖泊水体的补给量在短时间内迅速增加，由于稀释作用导致pH、EC和TDS值降低.

表2 以往年份雨季与本次极端降水后白洋淀主淀区物理化学指标对比

3.2 极端降水对主淀区湖水氢、氧稳定同位素特征的影响

极端降水使得白洋淀湖水的氢、氧稳定同位素发生贫化. 极端降水条件下湖水的δ2H和δ18O值的变化范围分别为-60.86‰～-35.01‰和-8.84‰～-3.45‰，而以往雨季湖水的δ2H和δ18O值的变化范围分别约为-49‰～-18‰和-5.8‰～-0.3‰[34-35]. 白洋淀湖水中氢氧稳定同位素值与水深之间呈显著的负相关，且随着水深增加，氢、氧稳定同位素值显著降低 (图8)，这可能是由于极端降水事件导致白洋淀的水深突然增加，而使得湖水受到的蒸发分馏作用减弱引起的[36-37]. 在这种条件下，极端降水后湖水氢、氧同位素关系线的斜率明显小于以往雨季湖水氢、氧同位素关系线的斜率，而截距却大于以往年份雨季关系线的截距. 因此认为，在极端降水条件下降水本身的氢、氧同位素特征对湖水氢、氧同位素关系的影响更为强烈.

从空间上来看，白洋淀雨季河流入淀口和补水口氢、氧稳定同位素值最低，而西北部和南部的氢、氧稳定同位素值呈富集趋势[34]. 在极端降水条件下，白洋淀的氢、氧稳定同位素同样也表现出西北部和南部富集的趋势，故极端降水对白洋淀氢、氧同位素的空间分布影响不大.

3.3 极端降水对主淀区湖水水质的影响

在空间上，极端气候条件下西南部和西北部的水质仍然比较差. 白洋淀在没有接受外来补水时，淀区水动力条件差，西南部和西北部的水体几乎不流动，容易形成死水区而导致水质较差[46]，且极端降水后的湖泊水动力情况依旧没有明显变化，因此极端降水没有大幅度改善湖泊的水动力条件. 湖泊东北部受上游水库防洪调蓄放水的影响，其水质较为良好. 《2020年河北省生态环境状况公报》显示，安格庄水库的水质达到了II类水质标准且处于轻度营养或中营养状态[47]，水质状况显著好于白洋淀. 因此，安格庄水库的来水补给是白洋淀东北部保持水质良好的重要原因.

4 结论

本研究分析了暴雨过后白洋淀的水化学特征、氢氧稳定同位素特征和水质空间差异特征，并揭示了极端气候条件对白洋淀水化学和水质的影响，主要结论如下：

1)极端降水后白洋淀主淀区湖水水质呈弱碱性，水化学类型主要为Ca-HCO3·SO4型，其水化学组成主要受到岩石风化作用控制，受到的蒸发结晶作用影响较小且基本不受人类活动等其他因素的影响. 极端降水是导致白洋淀主淀区pH、EC和TDS发生大幅度变化的主要原因之一，并且减弱了蒸发结晶作用和人类活动等因素对白洋淀主淀区湖水水化学组成的影响.

2)极端降水后白洋淀主淀区水体δ2H和δ18O的空间分布表现出西北部和南部富集，而西部和东北部较为贫化的特征. 极端降水是导致水体氢、氧稳定同位素贫化的一个重要原因，水体中氢、氧稳定同位素关系受降水本身氢、氧稳定同位素关系的影响更为强烈，而受蒸发分馏作用影响较弱. 极端降水对白洋淀主淀区氢、氧稳定同位素的空间分布影响不大.