密云水库上游河道水质时空变化特征分析

胡春春，李亚楠，杨倩，任民

（北京市密云水库管理处，北京 101512）

密云水库是华北地区最大的人工湖，是北京地区重要的地表饮用水源地、水资源战略储备基地，主要通过上游河道来水及降水补给，为保证密云水库水质安全，应密切关注上游河道水质状况。本文基于2010—2021年密云水库上游河道逐月水质监测数据，分析了密云水库上游河道水质时空变化特征，以期为管理部门做好水环境保护工作提供决策支持。

孙瑞瑞[1]等的研究结果表明，由于社会和经济的快速发展，富含氮磷等营养物质的工农业废水和生活污水的排入加剧了湖泊的富营养化。何锡君［2］等的研究结果表明，对于湖泊水质管理而言，陆源污染物随河道输入是造成湖体水质恶化及生态系统受损的重要原因，因此研究主要入湖河道污染物变化的时空规律对于湖体污染治理工作具有十分重要的意义。崔璨[3]等的研究结果表明，在汛期入湖河道多数污染指标由于来水量增大得以稀释，质量浓度有所降低，但TN仍未得到有效控制，变化趋势不明显，说明污染的控制不能仅靠水体的自净能力，还需采用人工手段进行干预，进一步削弱污染。

1 研究区域概况

密云水库位于潮白河干流上，有两大支流潮河、白河汇入。潮河发源于河北省丰宁县，流域面积6 716 km2，主要支流有清水河、安达木河；白河发源于河北省沽源县，流域面积9 072 km2[4]，主要支流有汤河、天河、渣汰河、琉璃庙河、对家河、白马关河。

北京市年平均气温10～12℃，密云水库上游多年平均径流量8.49 m3/s。多年平均降水量465.5 mm，降水量年内、年际变化明显，年内90%的降水集中在每年的5—10月；从年际变化来看，2015—2021年最大年降水为2021年的1 201.8 mm，最小年降水为2017年的610.3 mm，最大与最小年降水量比为1.97。2015—2021年最高库水位为155.3 m（2021年8月）。

2 采样与分析

2.1 采样点布设

根据《水环境监测规范》（SL 219-2018）[5]采样点布设原则，密云水库上游入库河道采样点分布如图1所示。

图1 密云水库上游入库河道采样点分布

2.2 评价指标及评价标准

密云水库库区及上游河流中的TN含量偏高且近年持续上升[6]。密云水库上游流域水体富营养化问题严重，因此本文选取对富营养化程度影响较大的溶解氧、高锰酸盐指数、总磷、氨氮、总氮5个指标进行分析。溶解氧使用电化学探头法（GB 11913-1989），高锰酸盐指数使用滴定法（GB/T 11892-1989），总磷使用钼酸铵分光光度法（GB 11893-1989），氨氮使用纳氏试剂比色法（GB//T 7479-1987），总氮使用碱性过硫酸钾消解分光光度法（HJ 636-2012）。

水质评价以国家《地表水环境质量标准》（GB/T 3838-2002）[7]为依据，将地面水环境质量分类中的Ⅱ类标准作为评价标准，超标倍数即为超Ⅱ类标准的倍数。

水体富营养化评价采用指数法，将评价项目浓度值按国家《地表水资源质量评价技术规程》（SL 395-2007）中湖库营养状态评价标准分级方法，采用线性插值法将各个项目监测值转换为富营养化评分值，计算营养状态指数EI值，进而判断水体富营养化状态[8]。其计算公式为：

式中：EI为营养状态指数；En为某一评价项目的赋分值；N为评价项目个数。

时间变化特征主要分析2010—2021年水质监测数据，空间变化特征使用空间分布差异，采用距平系数[1]表示。其计算公式为：

式中：η为距平系数；xi为2010—2021年某河道i某一水质指标的平均值；x为所有河道某一水质指标的平均值。

由于溶解氧越大水质越好，为便于比较，溶解氧的距平系数计算公式改为：

3 结果与分析

3.1 时间变化特征

3.1.1 年内变化

基于2010—2021年密云水库上游河道逐月水质监测数据，对各项水质指标浓度计算月平均值，分析各水质指标年内逐月的变化趋势，如图2所示。

溶解氧多年月平均浓度为9.6 mg/L，符合地表水I类标准，相对标准偏差为7.89%，年内变化比较平稳，最高值出现在2月达10.6 mg/L，之后随着水温的逐渐升高，浓度逐渐降低，最低值出现在8月为8.6 mg/L，之后随着水温的降低而升高。

高锰酸盐指数多年月平均浓度为2.39 mg/L，符合地表水Ⅱ类标准，相对标准偏差为12.56%，年内变化相对平稳，最高值出现在8月达2.85 mg/L，最低值出现在8月为2.00 mg/L。

氨氮多年月平均浓度为0.145 mg/L，符合地表水Ⅰ类标准，相对标准偏差为14.93%，年内变化较大。总氮多年月平均浓度为3.15 mg/L，符合地表水劣V类标准，相对标准偏差为17.71%，年内变化较大。总磷多年月平均浓度为0.01 mg/L，符合地表水Ⅰ类标准，相对标准偏差为25.68%，年内变化较大。由图2可见，氨氮、总氮、总磷逐月变化趋势基本一致，在2—5月均出现高值，5—7月逐渐下降，7月之后均上升，到8、9月再次出现峰值。分析原因如下：2—5月天气逐渐回暖，河道解冻，同时正处于春耕时节，农业活动频繁，化肥的使用加剧了农业面源污染，使得上游河道氮磷营养盐浓度升高[9]。5月之后，密云水库流域降水逐渐增多，上游河道流量逐渐增加，水体流动性增强，自我净化能力变强，使得河道氮磷营养盐含量有下降趋势。8、9月正处于密云水库流域的雨季，上游河道流量急剧增大，对河床、河道两岸的冲刷增强，部分河道周围农田被淹没，水流携带大量化肥汇入河道，导致河道氮磷营养盐浓度升高[10]。

图2 密云水库上游河道水质指标年内变化

3.1.2 年际变化

因实际水文数据限制，只掌握了白河、潮河入库站点的流量数据，分析白河、潮河入库年均水量年际变化趋势，白河入库水量一直高于潮河，2021年入库水量陡增，潮、白河入库水量相当，如图3所示。

图3 白河、潮河入库年均水量年际变化趋势

由图4可见，高锰酸盐指数、总氮、总磷浓度年均值2010—2015年较为平稳，多年平均值分别为2.56、3.53、0.02 mg/L；2015—2016年均有小幅上升，分别上升16.3%、31.3%、3.4%；从2016年开始均有下降趋势，高锰酸盐指数的谷值出现在2021年为2.23 mg/L，总氮、总磷的谷值出现在2020年分别为2.77、0.01 mg/L，2021年总氮、总磷有小幅的回升分别为15.4%、29.8%。

图4 密云水库上游河道水质指标年际变化

氨氮浓度年均值在2010—2013年呈逐年下降趋势，2013年最低为0.11 mg/L，2013—2018年呈波动性上升，2018年最高为0.19 mg/L，2018年之后呈下降趋势。

溶解氧浓度由2010的8.32 mg/L波动性上升到2021年的10.9 mg/L。溶解氧多年平均浓度为9.45 mg/L，相对标准偏差为13.0%。2010—2021年河道溶解氧浓度呈逐年向好趋势，改善效果良好。

近年河道高锰酸盐指数、总氮、总磷、氨氮浓度下降以及溶解氧浓度上升的原因，考虑与密云水库上游采取若干整治措施有关。①深入落实河长制工作机制，定期开展上游河北省境内入库河道环境巡视，严格控制点源污染；②实施《潮河流域生态环境保护规划》，推进流域总氮削减；③实施《京冀密云水库水源保护共同行动方案》，京冀两地强化流域空间管控，加大退耕禁种禁养力度，实施河流生态修复，推动植草沟过滤带建设，加快上游流域产业结构调整，大力发展资源节约型、环境友好型绿色产业。

3.2 空间变化特征

潮、白河流域北京市境内11条河道各项水质指标的距平系数统计结果，详见表1。

表1 2010—2021年密云水库上游河道水质指标距平系数

3.2.1 白河流域

白河入北京境处多项指标的距平系数为正值，总磷的距平系数达19.0；白河怀柔密云区界处所有指标的距平系数均为负值，范围为-14.7～-3.1，所以综合评判白河流域天河水质最差，白河怀柔密云区界段水质最好。对家河入库处总氮的距平系数最高达76.6，汤河入北京境处总磷的距平系数最高达25.7，所以对家河主要污染物为氮元素，汤河主要污染物为磷元素。

3.2.2 潮河流域

潮河入北京境处多项指标的距平系数为正值，总氮、总磷的距平系数分别为108.1、64.3；清水河入库处多数指标的距平系数均为负值，范围为-39.8～0.8，所以综合评判潮河入北京境处水质最差，清水河水质最好。潮河入北京境处总氮、总氮的距平系数均为潮河流域最高值，所以潮河入境处氮磷均为主要污染物。

按河道流向分析，天河入境至汇入白河前及潮河入境至入库各水质指标的距平系数均有所下降；汤河入境至汇入白河前除总氮外各水质指标的距平系数也有下降，说明河流有自净能力，经过物理、化学和生物等方面的作用，可使污染物浓度降低或转化[11]。白河入密云区至入库溶解氧、总磷距平系数有所升高，可能白河在入库至入库沿途有污染的情况，应密切关注。

4 结论

（1）溶解氧、总磷符合地表水I类标准，高锰酸盐指数符合地表水II类标准，总氮符合地表水劣V类标准，密云水库上游河道氮污染严重。年内，寒冷季节溶解氧含量高，随着水温的升高逐渐下降。高锰酸盐指数、氨氮、总磷、总氮在1 a中大致有2个高峰：①2—5月天气回暖春耕时节，面源污染加剧；②8、9月雨水丰沛，上游河道流量急增，对河床、河道两岸的冲刷增强，部分河道周围农田被淹没，水流携带大量化肥汇入河道。

（2）白河入库水量一直高于潮河，2021年入库水量陡增，潮、白河入库水量相当。高锰酸盐指数、总氮、总磷浓度年均值变化趋势一致，2010—2015年较为平稳，2015—2016年有小幅上升，从2016年有下降趋势，2021年总氮、总磷浓度有小幅的回升。氨氮浓度年均值在2010—2013年呈逐年下降趋势，2013—2018年呈波动性上升，2018年之后呈下降趋势。2010—2021年河道溶解氧浓度呈逐年向好趋势，改善效果良好。

（3）近年，河道高锰酸盐指数、总氮、总磷、氨氮浓度下降以及溶解氧浓度上升的原因，与密云水库上游采取若干整治措施有关。①深入落实河长制工作机制，严格控制点源污染；②实施《潮河流域生态环境保护规划》，推进流域总氮削减；③实施《京冀密云水库水源保护共同行动方案》，京冀两地强化流域空间管控，加大退耕禁种禁养力度，实施河流生态修复，推动植草沟过滤带建设，加快上游流域产业结构调整，大力发展资源节约型、环境友好型绿色产业。

（4）经综合评判，白河流域天河水质最差，白河怀柔密云区界段水质最好，对家河主要污染物为氮元素，汤河主要污染物为磷元素；潮河入北京境处水质最差，清水河水质最好，潮河入境处氮磷均为主要污染物。

（5）按河道流向分析，天河入境至汇入白河前及潮河入境至入库各水质指标的距平系数均有所下降，汤河入境至汇入白河前除总氮外各水质指标的距平系数也有下降，说明河流有自净能力，经过物理、化学和生物等方面的作用，可使污染物浓度降低或转化。白河入密云区至入库溶解氧、总磷距平系数有所升高，可能白河在入库至入库沿途有污染的情况，应密切关注。

综上，密云水库上游历年采取的整治措施效果明显，应继续实施河道长效管护，确保入库水质安全。