赵黔伟，汪敬忠,2,，魏 浩，李金涛，张益淼

(1.河北地质大学 地球科学学院，河北 石家庄 050031；2.河北地质大学 河北省高校生态环境地质应用 技术研发中心，河北 石家庄 050031；3.河北地质大学 实验实践教学中心，河北 石家庄 050031)

1 研究背景

白洋淀湿地是中国北方最具典型性的、最大的淡水湖型湿地，其流域总面积约366 km2，主体位于安新县境内，湖区内部具有淀中有村，村中有淀，沟壕相连的独特地貌特征，自2017年成立雄安新区后，湿地的生态环境建设变得尤为关键[1-2]。然而，白洋淀上游和周边地区经济近年来迅速发展，作为重要补给水源的府河、唐河、孝义河、潴龙河以及白沟引河等受到不同程度的工农业污染，其中府河污染最为严重，早在1960年后就成为上游保定市工业废水和生活污水排污、纳污的河流[3-4]，这直接导致淀内水质恶化、富营养化及重金属污染等问题日渐严重。此外，湖区村庄人口数量也不断上升，留守人口约10万人[5]，湿地正面临着收缩、干涸等环境问题[6-7]。

迄今，在白洋淀湖水水质污染、水体富营养化及驱动因素方面已有一定的研究成果。如张婷等[8]认为1973-2007年白洋淀水质恶化在空间上呈现的差异性主要受入淀水量、流域工农业发展及人口数量增长的影响，之后得到Zhuang等[3]的证实；Zhao等[9]指出白洋淀水体中的主要污染物是氮和磷，湖泊已处于富营养化或超富营养化状态；高楠楠等[10]发现白洋淀水体富营养化程度西高东低，差异显著；王珺等[11]认为控制府河含氮污染物可以有效地缓解白洋淀富营养化状况；Han等[12]认为2006-2016年人类活动导致白洋淀水质变化的比重大于自然因素。但是将白洋淀水体的水化学类型、营养盐(总氮、总磷)和重金属相结合，并运用数学方法揭示其时空分布规律方面少有研究。由此，利用白洋淀湖水中离子、营养盐和重金属浓度的变化，分析其水化学类型，展示他们的空间特征，并在前人的研究基础上分析2000-2019年来湖水中总氮和总磷的变化趋势，利用多元统计方法揭示他们的时空变化规律，为白洋淀湿地水质的质量管理、控制流域污染源以及雄安新区的生态文明建设提供相关资料和参照，具有重要的实际价值和科学意义。

2 材料与方法

2.1 样品获取与测试

依据淀内国家控制点[8]、河流入淀的位置及淀内居民地的分布情况[10]，2018和2019年7月选择湖区的9个位点作为研究对象，包括南刘庄(B1)、烧车淀(B2)、端村(B3)、圈头(B4)、东淀(B5)、光淀张庄(B6)、王家寨(B7)、枣林庄(B8)和采蒲台(B9)，现场应用HORIBA便携式多参数水质分析仪测定湖水的pH和溶解性总固体(total dissolved solids,TDS)，运用水质采样器在深度0.5 m 采集代表位点的湖泊水样，白洋淀湖水采样点空间分布见图1。

图1 白洋淀湖水采样点空间分布

2.2 数据分析

应用ArcGIS 10.2 软件绘制白洋淀湿地9个位点的空间分布；采用GW_Chart软件绘制水化学Piper图；利用R-3.6.1和SPSS 17.0软件进行统计分析，包括相关性分析和聚类分析。

3 结果与分析

3.1 水体理化指标含量的变化特征

2018-2019年白洋淀湖水理化指标的含量变化特征见表1。由表1可见，2018年湖水中pH值为8.88，TDS、TN和TP(total phosphorus)平均值分别为627.23、2.46和0.16 mg/L，其中TN高于《地表水环境质量标准》(GB 3838-2002)V类水质限值，约是其1.2倍，2019年TN含量显著下降，但平均值仍高于V类水质限值。2019年湖水中重金属平均数值与2018年相比有所下降，但各重金属指标仍高于V类水质限值，其中2018年Cd和Cr平均值为0.02和2.40 mg/L，分别为V类水质限值的20倍和24 倍；2018和2019年Pb平均值分别为0.41和0.39 mg/L，分别为V类水质限值的4.1倍和3.9倍。

表1 2018-2019年白洋淀水体理化指标的含量变化

Piper图是一种对水样进行分类的图示方法，指示水体总的化学性质，并用阴、阳离子浓度表示水体的相对成分[13-15]。2018年白洋淀各采样点湖水主要离子的Piper三线图见图2，结果表明白洋淀湖水主要水化学类型为 HCO3-Ca·Mg，而南刘庄(B1)和王家寨地区(B7)水化学类型为SO4·Cl-Ca·Mg。

图2 2018年白洋淀各采样点湖水主要离子的Piper三线图

3.2 水体元素的空间变化特征

2018和2019年白洋淀湖水各元素含量的空间分布见图3。由图3可看出，2018和2019年白洋淀湖水营养盐和重金属的空间变化较小，其中湖水营养盐TN和TP在南刘庄(B1)、端村(B3)和王家寨(B7)地区相对较高，南刘庄(B1)地区TN和TP最高，两年平均值分别为2.65和0.32 mg/L，而南部的采蒲台(B9)地区含量最低，两年平均值分别为1.69和0.045 mg/L；湖水重金属在南刘庄(B1)和王家寨(B7)地区较高，同样在采蒲台(B9)地区数值最小。2018和2019年白洋淀湖水营养盐和重金属空间上整体均呈现为西部地区高，东南地区低的特征。

图3 2018和2019年白洋淀湖水各元素含量的空间分布

4 讨 论

4.1 2000-2019年白洋淀湖水总氮(TN)和总磷(TP)的变化特征及原因

图4为2000-2019年白洋淀湖水TN和TP浓度变化及相关性分析结果，在数据处理上，引用各年份同一季度(夏季)湖泊水体氮、磷浓度数值，并利用相关数据进行计算和整合，得到整个湖区水体氮、磷浓度的平均值。图4(a)表明，2000-2019年TN和TP浓度平均值分别为3.78和0.24 mg/L，两者呈现波动性变化特征，但变化趋势有所差异，其中TN浓度在2008、2014及2015年显著增高，而TP在2003和2010年的浓度值较高，但2016年后TN和TP浓度总体均表现出下降趋势。

研究表明，2000-2019年区域温度逐渐上升，降雨量减少，特别是2014年的厄尔尼诺事件导致白洋淀的干涸状况愈加严重，再加上农业灌溉和上游水利工程建设，进一步导致总径流量显著减少，淀内水位降低，甚至出现干淀现象[6,21]。在土地利用方面，2000-2008年，天然湿地面积进一步减小，与2000年相比，2008年在保持原有耕地面积的基础上，流域约39.2%的河流和27.5%的沼泽转变为农业耕地[6,22]。2016-2019年随着区域生态环境治理工作的开展，淀内水位升高，水量增大，且周边工农业和生活污水排放得到有效控制，流入淀内的营养物质含量减少[12,20]，使得淀内TN和TP浓度显著降低。因此，近20年来湖水氮磷变化受气候和人类活动的双重影响。另外，通过相关性分析发现近20年来TN和TP的相关性较低(图4(b))，Pearson系数r=0.286 1(n=12)，说明人类活动的作用方式或者来源方面可能存在差异。

图4 2000-2019年白洋淀湖水TN和TP浓度变化及相关性分析(相关数值引自参考文献[9]、[16-20])

4.2 白洋淀湖水营养盐和重金属空间变化的影响因素

4.2.1 各元素相关性分析 由于2018和2019年白洋淀湖水营养盐和重金属空间分布差异较小(图3)，将这两年的各元素数据平均后进行标准化处理，应用R-3.6.1 for windows 软件对上述处理后的数据进行相关性分析，得出的相关性分析矩阵见图5。由图5可见，湖水中的TDS、Cd、Cu、Ni、Pb及Zn之间具有相关性(P<0.05)，表明有相似的来源；营养盐TN与TP之间无明显相关性，这与历史时期的研究结果相同，说明在时间和空间变化上两者的来源均存在差异；除TP与Zn之间有显著的相关性(P<0.01)外，营养盐与重金属之间均无明显的相关性；另外，Cr与其他参数也无明显相关性。

图5 白洋淀湖水理化参数的相关性分析矩阵(2018和2019年平均数据)

4.2.2 系统聚类分析 为进一步探讨湖水中营养盐和重金属空间变化的影响因素及规律，根据2018和2019年白洋淀湖水各元素的平均含量，对淀内水体各采样点及各元素进行系统聚类分析，结果见图6。由图6(a)可见，各采样点在组间平均距离为“10”处，主要分为两大类，其中烧车淀(B2)、端村(B3)、圈头(B4)、东淀(B5)、光淀张庄(B6)、枣林庄(B8)及采蒲台(B9)分布在同一树簇上；而南刘庄(B1)和王家寨(B7)分布在另一树簇上，水化学类型(SO4·Cl-Ca·Mg)有别于其他地区(图2)，且在空间上，该两个区域2018和2019年湖水营养盐和重金属含量均高于淀内其他地区(图3)，与张婷等[8]的研究结果一致。依据白洋淀流域主要补给水源的入淀口位置及影响范围来看，府河携带的污染物质是影响白洋淀西部地区湖水营养盐和重金属含量空间变化的主要因素。

图6 白洋淀水体各采样点及各元素的系统聚类分析(2018和2019年平均数据)

淀内东南部地区，尤其是南部的采蒲台为静水区，受区域河流影响较小，使得湖水中的元素含量相对较低。由图6(b)可见，同样在组间平均距离为“10”处，元素Cu、Ni、Zn及Cd在同一树簇上，与前述相关性分析(图4)的结果吻合，说明这4种重金属具有共同的来源，且经上述分析可知，污染物主要来自府河。但湖水Pb、TP、TN及Cr分布在不同的树簇上，表明这些元素在空间上存在变异，除受到白洋淀流域河流影响外，由于淀内本身淀-村相间的特点，湖内不同地区的点源污染也是元素空间变异不可忽略的重要因素，这也与沉积物中TN、TP、Pb及Cr的变化规律一致[23]。

自20世纪60年代以来保定市工业废水和生活污水就开始通过府河排入白洋淀内[1,4]。Zhuang等[3]、张婷等[8]认为上游保定市的人口及经济发展对湖区水质的影响最为显著；胡国成等[24]发现作为重要补给水源的府河与白洋淀的重金属污染具有类似的污染源，流域的工业废水和生活污水是淀内重金属污染的主要来源；之后被汪敬忠等[23]证实。王珺等[11]对府河水体进行δ15N示踪研究，认为保定市产生的污废水是其氮污染物的主要来源，而流域内农业活动的影响较小。据此，由府河进入淀内的污染物是白洋淀湖水氮、磷和重金属的主要来源，也是影响湖泊污染物空间变异的主要因素，与本研究利用统计方法得到的结论吻合(图5和6)。此外，目前白洋淀内部有39个纯水村，人口超10万，主要从事养殖、种植、旅游开发等经济活动[2]。Zhao等[9]认为河流携带的污染物以及区域生活污水、村庄废弃物和畜牧业是影响湖泊氮、磷的重要因素；张浩等[5]采用 GIS 技术，发现汛期后湖水NH3-N 和 TP 污染严重地区主要分布在淀内村落周边。因此，淀内村庄的生活污水、家禽渔业养殖排放、旅游业及废物溶淋等[2,25]对湖水营养盐和重金属含量的时间和空间变化的影响也需重视，特别是上述讨论的N、P、Pb及Cr。

5 结 论

(1)2018年白洋淀湖水主要水化学类型为HCO3-Ca·Mg，而淀内南刘庄和王家寨地区为SO4·Cl-Ca·Mg；2018和2019年湖水中的TN、Cd、Cr、Cu、Pb及Zn平均值均高于V类水质限值。

(2)2000-2019年，白洋淀湖水TN和TP的平均浓度呈现波动性下降的趋势，但两者无明显相关性，主要受气候和人类活动的双重影响。

(3)白洋淀湖水营养盐和重金属空间上整体呈现为西部地区高、东南地区低的特征。相关性和系统聚类分析进一步证实，府河携带的污染物质是白洋淀湖水营养盐及重金属的主要来源，也是影响其空间变化的主要因素，但淀内不同地区的人类活动的影响也不可忽视，尤其是对N、P、Pb和Cr的影响。