白洋淀1998—2016年水体污染物时空分布特征分析

陈靓 吴文卫 杨明祥 李春义

摘 要：基于白洋淀9个监测站点水质数据，采用综合污染指数法对白洋淀1998—2016年水体污物时空分布特征进行系统评价和分析。在空间上，南污染带所在的水域属于白洋淀的水质良好区。西污染为各污染带中水质最差区域，其中安新桥为严重污染水质。北污染带中大张庄和王家寨属于中度污染。在时间上，留通各污染物浓度呈现波动式逐年上升的趋势，且每年6—9月各项污染物浓度较大，溶解氧达到最低。安新桥主要污染物浓度年际波动较大且呈明显增加，年内COD超标严重，有10个月浓度均超过地表水V类标准，其余污染物浓度在非汛期高于汛期。圈头受各入淀河流影响较小，污染物浓度年际间波动不大，大部分污染物浓度呈现雨季高于旱季。栆林庄总体变化趋势不明显，与上游安新桥相比各项污染浓度均有所减小，年内NH3-N波动较大，11、12月浓度相差3倍以上。可以看出，白洋淀重新蓄水后水体污染情况仍较为严重，污染物以府河入淀口为中心向东部和南部扩散，形成以安心桥为代表的局部集中污染。各污染物浓度的时间变化规律并不明显，总体呈逐年增大趋势，淀外污染源治理不容忽视。

关键词：白洋淀；时空分布；污染物；综合污染指数

中图分类号：X52文献标志码：A文章编号：1673-9655（2023）02-0-06

0 引言

白洋淀位于京津冀的核心区域，属于海河流域大清河的南支水系，总面积为366 km2，平均年蓄水量13.2亿m3，是华北平原最大的淡水湖。白洋淀大部为雄安新区所辖，是雄安新区总体规划中的重要生态水体[1，2]。2014年李克强总理提出“京津冀一体化发展的国家战略”，进一步提升了白洋淀在我国重大战略中的地位[3]。20世纪 60年代以后，白洋淀受湖体地形、气候干旱、上游断流等因素影响，干淀现象频发，20年间共经历了6次干涸，直到1988年一场大型降雨才使白洋淀得以重新蓄水。加之上游城镇的工业污水、淀区百姓的生活污水直排入淀等影响，白洋淀水质一直以来都处于Ⅳ类～劣Ⅴ类，水污染问题已经严重制约了区域的社会经济发展[4]。20世纪90年代末，白洋淀开始了系统性的生态治理，实施了水量人工调控，生态补水、排污控制等一系列的有效措施。近几十年，淀区的水环境质量虽然已经得到一定程度的好转，但污染治理与防控工作仍任重道远、不容忽视。因此，分析白洋淀水质的时空分布特征是区域水环境治理与保护的重要工作，可为区域水环境管理提供动态信息，对于预防和控制水质恶化至关重要。

当前常用的水质评价方法包括单因子评价法、模糊数学评价法、灰色聚类法、人工神经网络方法以及综合污染指数法等。其中，单因子评价法的应用最为广泛[5]，通常基于断面单点水质监测结果，将最低的单因子水质等级作为评价的结果[6]，可能会导致评价结果存在片面性，掩盖了水质的整体情况和其他关键信息[7]；人工神经网络法主要依赖大量监测数据样本对人工神经网络算法进行训练，依据训练结果开展水质评价，该方法对样本数据要求较高，在数据缺少的情况下可能会导致模型无法准确评判水质状况[8]；模糊评价法主要通过将监测数据代入隶属函数来确定水质级别，把体现污染的实测值转换为反映水质的参数，该方法在计算时采用线性加权平均法，容易造成评价结果的平均化处理偏差[9]。另外，综合污染指数法也是目前广泛应用的水质评价方法。与传统方法相比具有成本相对较低、可操作性强、评价效率高、结果简单易懂等优点[10]。目前白洋淀水体污染相关研究大多集中在分析淀区局部的水质情况[11，12]，缺少对整个淀区总体水质的综合分析和评估。本文面向京津冀地区水环境综合管理的实际需求，结合分布全淀区的9个监测站点长时间序列监测数据，采用综合污染指数法对白洋淀的总体水体污染情况及时空分布特征进行系统评价和分析，可为管理部门了解水环境状况并采取科学的保护措施提供参考依据，对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现实意义[13，14]。

1 材料与方法

1.1 采样点布设

白洋淀位于永定河和滹沱河冲积扇交汇处的扇缘洼地上，从南、西、北三面接纳府河、漕河、唐河等8条主要入淀河流。与淀内污染源相比，来自于这些河流的外源性入淀污染物是形成白洋淀水体污染的主要来源。因此，根据各入淀河流的汇入口位置以及淀内水体的流动特点和污染物迁移转化规律，白洋淀通常划分成南、西、北三个污染带[15，16]，即：①承接潴龙河、孝义河、唐河来水的南面污染带；②承接府河、漕河、瀑河及萍河来水的西面污染带；③承接北支白沟引河来水的北面污染带。

本研究参照国家标准《HJ 495-2009水质-采样方案设计技术规程》，并结合淀区河网、地形地貌特征，选取塘淀、泛鱼淀、聚龙淀、前塘淀四大淀交界处“采蒲台”，以及淀南西沿“端村”和纯水区乡“圈头”作为南污染带的代表性监测站点；选取府河、漕河、瀑河及萍河四河来水融汇处“安新桥”，以及湖心区“光淀张庄”和淀区出口“枣林庄”作为西污染带的代表性监测站点；选取白勾引河入淀口“留通”，及其下游“大张庄”和“王家寨”作为北污染带的代表性监测站点，全淀区共布设9个监测点（图 1）

1.2 样品采集与分析方法

本研究选取了溶解氧（DO）、高锰酸盐指数（CODMn）、化学需氧量（COD）、五日生化需氧量（BOD5）、氨氮（NH3-N）和总磷（TP）6项水质监测指标，水质监测时段为1998—2016年，监测频率为每月1次，委托监测单位为河北省水利科学研究院。

现场采用有機玻璃采样器或塑料桶采集表层水样，按《GB 12999-91水质采样样品的保存和管理技术规定》要求固定和保存水样。带回实验室的水样用小孔径筛网过滤除去较大的杂物后用0.45 μm

孔径的滤膜或三层滤纸过滤，在其中加入3滴饱和氯化汞后放于冰箱内（低于4℃）冷藏，用于主要水质参数的分析。

综合考虑监测数据样本及可操作性等因素，本研究选用了综合污染指数法对对各监测断面的水质等级进行综合评价。在空间上可以对比各污染带不同断面的水质污染程度，便于分级分类，在时间上还可以表示水质污染的总体变化趋势，既弥补了用单项指标表征水质污染不够全面的欠缺，又解决了用多项指标描述水质污染时不易计算、对比和综合评价的难题。综合污染指数法能有效集成流域中各单因子水质参数的评价结果，转换为反映水质总体状况的整体结果。综合污染指数公式如下：

式中：P—综合污染指数；Ci、Cs， i—分别为各污染物浓度的实测值及其在地表水中的最高允许标准值。

该评价方法将水质分为清洁、微清洁、轻污染、中度污染、较重污染、严重污染、极严重污染等七个级别，如表 2所示。

2 结果与分析

2.1 污染物空间分布特征

本文运用综合污染指数法重点分析了白洋淀重新蓄水后1998—2016年各典型污染物的空间分布情况（表3）。结果显示白洋淀污染总体上为有机污染，构成污染的物质为COD、CODMn、BOD5、NH3-N和TP；水体污染物主要来自于保定市，因此污染物从府河入淀口为中心向淀体东部和南部扩散，其扩散速度受到地形地貌条件的控制[17，18]。

2.1.1 南污染带水质状况

南污染带所在的水域属于白洋淀的水质良好区，3个监测站点均为清洁水质。总体上6项水质参数浓度分布较均匀，空间变化趋势不明显。从浓度平均值看，DO、CODMn、COD、BOD5、NH3-N、TP分别为9.36 mg/L、6.97 mg/L、5.82 mg/L、

3.50 mg/L、0.39mg/L和0.07mg/L。从浓度极值看，采蒲台出现2次最大浓度值点，DO和COD分别为

9.69 mg/L和6.42 mg/L，均达到地表水Ⅰ类标准；端村出现3次最大浓度值点，BOD5为4.41 mg/L，超过地表水Ⅲ类标准；NH3-N和TP分别为0.44 mg/L和0.1 mg/L，均超过地表水Ⅰ类标准；圈头出现1次最大浓度值点，CODMn为7.12 mg/L，超过地表水Ⅲ类标准。从污染级别看，端村综合污染指数为0.39，呈现微清洁状态，采蒲台和圈头综合污染指数分别为0.18和0.08，呈现清洁状态。

2.1.2 西污染带水质状况

西污染带的水质主要受府河入淀水的影响，为各污染带中水质最差区域，安新桥为严重污染水质。由于淀内水体扩散及稀释作用，再加上汛期白沟引河有水入淀，下游光淀张庄水质已经恢复尚清洁。总体上西污染带6项水质参数浓度分布不均匀，安新桥浓度平均值高于光淀张庄和枣林庄。从浓度平均值看，DO、CODMn、COD、BOD5、NH3-N和TP分别为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。从浓度极值看，安新桥出现5次最大浓度值点，CODMn为13.5 mg/L，超过地表水Ⅳ类标准；COD和BOD5分别为48.93 mg/L和15.62 mg/L，均超过地表水Ⅴ类标准；NH3-N和TP分别为13.47 mg/L和12.2 mg/L，均超过地表水Ⅴ类标准。枣林庄出现1次最大浓度值点，DO为9.79 mg/L，达到地表水Ⅰ类标准。从污染级别看，安新桥综合污染指数为12.2，呈现严重污染。光淀张庄和枣林庄的综合污染指数分别为0.18和0.06，呈现清洁状态。

2.1.3 北污染带水质状况

北污染带主要承接白沟引河汛期来水，入淀口留通测站水质较好，但下游大张庄、王家寨受到府河入淀污水的影响水质反而变差。总体上，DO、CODMn、COD和BOD5这4项水质参数浓度变化趋势不明显，而NH3-N和TP这两项水质参数浓度分布不均匀，变化趋势明显。从浓度平均值看，DO、CODMn、COD、BOD5、NH3-N和TP分别为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。从浓度极值看，王家寨出现4次最大浓度值点，DO为9.17 mg/L，达到地表水Ⅰ类标准；CODMn为8.29 mg/L，超过地表水Ⅲ类标准；COD为5.72 mg/L，达到地表水Ⅰ类标准；BOD5为6.19 mg/L，超过地表水Ⅴ类标准。大张庄出现2次最大浓度值点，NH3-N为2.44 mg/L，超过地表水Ⅴ类标准；TP为0.21 mg/L，超过地表水Ⅲ类标准。从污染级别看，大张庄和王家寨综合污染指数分别为2.31和1.95，呈现中度污染；留通的综合污染指数为0.45，呈现微清洁状态。

白洋淀区污染物浓度在南、西、北三个污染带之间的空间分布如图2所示。府河上游安新桥采样点污染最严重，COD浓度高于其他8个采样点6.16～8.79倍，超过了地表水环境质量标准V类标准。BOD5浓度高于其他8个采样点1.52～4.87倍，超过地表水环境质量标准V类标准。NH3-N和TP浓度也是9个采样点中的最高值；大张庄和王家寨呈现中度污染状态，NH3-N和TP结果较高，超过地表水环境质量标准V类标准。

2.2 污染物时间变化规律

2.2.1 年际变化趋势

为了更清晰的对比分析三个污染带不同污染物的年际变化规律，本研究分别选取了白洋淀三个污染带的代表性断面，即南污染带的圈头、西污染带的枣林庄和北污染带的留通，以及污染最严重的典型地区断面安新桥，对白洋淀1998—2016年水质年际变化情况进行分析。结果表明各监测点污染物总体呈逐年增大趋势，说明白洋淀的水质正逐渐恶化。

留通靠近白沟引河河口，污染物濃度与白沟引河水质关系密切。DO、CODMn、BOD5和NH3-N浓度都呈现逐年缓慢上升的趋势（图3）；TP浓度变化呈现平缓状态，基本在0～1 mg/L范围波动；DO浓度在2008年出现最低点，随后逐渐上升；CODMn浓度在2008年以前波动不大，2011年后呈现较明显的上升趋势，在2016年超过11 mg/L；BOD5和NH3-N浓度分别在2014年和2013年达到峰值。

由于受府河排污的影响，安新桥是白洋淀污染较重区域，CODMn、BOD5、NH3-N和TP浓度波动较大，总体呈现上升趋势（图3）。TP浓度在2012年达到最大值2 mg/L，2012年后呈现降低趋势；BOD5浓度在2014年达到最大值30.91 mg/L；DO浓度保持稳定较低水平，基本在0～10 mg/L范围内波动。

圈头远离白洋淀各入流河口，除个别年份外，污染物指标年际间波动较小（图3）。CODMn、TP、BOD5浓度总体上呈逐年上升趋势，CODMn浓度在2004年出现峰值后逐渐降低，在2015年又一次达到最大值10.54 mg/L。NH3-N浓度总体上也呈现出波动式上升，在2003年和2008年分别出现最低点，并在2010年出现浓度最大值

0.76 mg/L。DO在2010年之前均呈明显下降趋势，这表明白洋淀污染负荷在逐年增加。

栆林庄污染物各项指标年际间总体变化趋势不明显，与安新桥比各项污染浓度均有所减小（图3）。

BOD5浓度呈缓慢上升趋势，基本在0～5 mg/L范围内波动。DO浓度在2008年突降后呈现逐渐上升的趋势，主要维持在10 mg/L左右。CODMn浓度在2008年和2016年出现峰值，其他年份低于

12 mg/L。NH3-N浓度在2008年出现最低值，呈上升后降低的趋势，2016年达到峰值0.74 mg/L。TP浓度波动范围不大，均低于0.2 mg/L。

从以上的分析可见，从1998年开始，白洋淀各项污染物指标虽然在不同年份有波动，但总体上处于逐渐恶化状态，特别是白洋淀的污染物负荷在逐年增加，这也说明，进入淀区的污染物已经大大超过了白洋淀的自净能力[19]。

2.2.2 年内变化趋势

为了进一步了解白洋淀总体污染指标年内变化情况，本文根据1998—2016年多年月平均水质数据，分析了各断面污染物浓度的逐月变化规律。安新桥（图4）受府河入淀污水的影响，COD超标情况最为显著，除1月和9月外，其余月份浓度均超过地表水V类标准。由于汛期上游来水使污染物浓度有所降低，CODMn、NH3-N和BOD5浓度在非雨季高于雨季。雨季淀内生物活动强烈，消耗了大量DO，因此DO在非雨季浓度反而较高，这也是白洋淀富营养化的结果。

留通（图5）6—9月的CODMn、NH3-N、BOD5、TP、COD浓度较大，而在此期间DO却达到最低值，这是由于6—9月淀内旅游、养殖业兴旺，造成淀内氮、磷浓度高，藻类大量繁殖，耗氧大量增加。

圈头（图6）位于淀区中南部，水质变化是各种因素综合作用的结果。DO浓度在6—10月低于其他月份。TP浓度波动不大，无明显雨旱季分布特征。CODMn、NH3-N、BOD5、COD浓度呈现雨季高于旱季。

枣林庄（图7）CODMn、COD浓度呈现雨季高于旱季。NH3-N浓度波动较大，11、12两月NH3-N浓度相差3倍以上。DO在6、7、8、9月份浓度低于其他月份，总体上枣林庄水质年内较稳定。TP浓度无明显雨旱季分布特征。

3 结论

（1）在污染物的空间分布上，南污染带所在的水域属于白洋淀的水质良好区，各水质参数浓度分布均匀，其中圈头断面各种污染物的浓度较上游采蒲台稍高；西污染为各污染带中水质最差区域，其中安新桥断面为严重污染水质；北污染带的白沟引河入淀口留通断面水质较好，但下游大张庄、王家寨受到府河入淀污水的影响水质反而变差，呈中度污染。

（2）在污染物的年际变化上，留通断面各污染物浓度在波动的同时整体呈现逐年缓慢上升的趋势，BOD5和NH3-N浓度分别在2014年和2013年达到峰值；安新桥断面除DO外，其他污染物浓度年际波动较大且呈明显增加，表明有机污染加剧；圈头位于淀心位置，受各入淀河流影响较小，除个别年份外，污染物指标年际间波动不大；与上游安新桥断面相比，栆林庄断面各项污染浓度值均减小，总体变化趋势不明显。

（3）在污染物的年内变化上，安新桥断面除1月和9月份外，其余月份COD浓度均超过地表水V类标准。且由于汛期上游来水，CODMn、NH3-N和BOD5浓度在非汛期高于汛期；留通断面每年6—9月份旅游、养殖业兴旺，各项污染物浓度较大，溶解氧达到最低；圈头断面年内水质变化规律性较差，除DO和TP外，其余污染物浓度均呈现雨季高于旱季份。枣林庄断面氨氮波动较大，11、12月浓度相差3倍以上。

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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