摘要
研究基于白洋淀5个站点近30年水质监测数据，运用多元统计分析方法，结合文献调研，系统揭示了白洋淀水质演变趋势、影响因素和控制对策。结果表明，（1）2005年和2015年前后为近30年白洋淀水质较差时段，2022—2023年淀区水质稳定在Ⅲ类，2023年水质为近30年最好水平，淀区主要污染指标为化学需氧量（COD）和总磷（TP）。（2）Mann-Kendall趋势检验结果显示，2009—2023年淀区COD、总氮(TN)和TP浓度均呈明显下降趋势，年变化速率分别为-0.611 mg/(L·a)（α=0.05）、-0.212 mg/(L·a)（α=0.01）和-0.013 mg/(L·a)（α=0.05）。（3）各站点水质指标空间上聚为3类，西部的南刘庄站点水质最差；富营养化指标可聚为2类，呈现出北部站点高于南部站点的特征；近年白洋淀整体为磷限制特征，但为氮污染型湖泊。（4）入淀水量和水位是近年影响白洋淀水质的关键因素；分区域看，西部南刘庄站点应重点关注外源输入，北部站点应重点降低TN浓度，南部站点应重点治理COD和TP污染。下一步，应进一步结合多站点多要素观测数据，应用水动力—水质耦合模型进行模拟溯源分析，多方位保障淀区水质综合决策，为生态补水和底泥等内源污染控制及流域协同污染治理提供支撑。
Abstract
Based on the monitoring data of water quality at 5 stations in Lake Baiyangdian in the past 30 years, this study comprehensively applied multivariate statistical analysis methods and literature research to systematically reveal the trends of water quality evolution, influencing factors, and control measures in Lake Baiyangdian. Results showed that: ①The years 2005 and 2015 were the periods of poor water quality in Lake Baiyangdian over the past 30 years. From 2022 to 2023, the water quality of the lake area remained stable at Class Ⅲ, and by 2023, the water quality was at its best level over 30 years. The main pollution indicators in recent years have been COD and TP. ② From 2009 to 2023, the COD, TN, and TP concentrations in the Dianqu area were in significant downward trends, with an annual decrease rate of 0.611 mg/(L·a) (α=0.05), 0.212 mg/(L·a) (α=0.01), and 0.013 mg/(L·a) (α=0.05), respectively. ③The water quality indicators across various monitoring stations in Lake Baiyangdian could be spatially categorized into three groups, with the Nanliuzhuang station in the western region showing the poorest water quality. Eutrophication indicators were further classified into two categories, with northern sites exhibiting a higher nitrogen-to-phosphorus ratio than the southern sites. Over recent years, Lake Baiyangdian has become predominantly phosphorus-limited despite being a nitrogen-polluted system overall. ④The inflow and water level were the key factors affecting the water quality of Lake Baiyangdian in recent years. From a regional perspective, targeted management strategies were necessary for different areas of the lake. In the western region, particularly at the Nanliuzhuang site, efforts should focus on controlling external nutrient inputs. In the northern sites, priority should be given to reducing total nitrogen concentrations, while in the southern sites, the main focus should be on controlling chemical oxygen demand and total phosphorus levels. In the next step, the multi-site and multi-factor observation data should be further combined with the application of a hydrodynamic-water quality coupling model for simulation and traceability analysis, which can guarantee the comprehensive decision-making of water quality in Lake Baiyangdian, and provide support for the ecological water replenishment and the control of endogenous pollution such as substrate and humus, as well as the synergistic pollution management in the watershed.
Keywords
湖泊作为重要的水生系统，对促进地区经济发展与改善生态环境具有重要意义。例如，湖泊可以为人类社会发展提供饮用水、渔业与旅游业资源，具有调节气候、净化环境、维护生态与生物多样性等多种生态服务功能[1-2]。尽管近年我国许多地区的湖泊水环境质量已有所改善，但仍呈现富营养状态。许多因素可能导致不同时空尺度下湖泊水环境质量的变化，如点源和非点源输入、气候、水动力条件和大气沉降等[3-4]。
白洋淀是华北平原最大的湿地系统，为浅水型、草型湖泊。白洋淀不仅为人民生产生活提供各种资源，还具有行洪滞沥、灌溉等多种生态功能，可调节当地气候，改善周边生态环境[5]。与世界各地水资源供需矛盾突出区域的许多湖泊一样，白洋淀水质容易受到气候变化和高强度人类活动的双重影响，同时出现资源型缺水和水质型缺水，需从上游水库和跨流域调水设施输送足够的水，以维持湿地生态系统的健康发展[6]。自1988年恢复蓄水以来，白洋淀一直面临水源不足、湿地萎缩、水污染、泥沙淤积和生物多样性降低等问题[7]。2017年党中央、国务院设立雄安新区，白洋淀作为雄安新区的生态支撑，“以淀兴城、城淀共荣”成为雄安新区建设的重点发展理念。为了“把白洋淀修复好、保护好”，国家和地方政府采取了一系列举措，近年白洋淀水质显著改善，“华北明珠”重现光彩。
当前，国内外针对白洋淀水质的研究主要集中在白洋淀局部水环境质量及影响因素分析、生态需水核算及评价、生物多样性分析、水环境状况及其治理保护对策等方面，采用的方法主要为指数计算、统计评价等，少数研究也涉及WASP、MIKE等水质模型模拟、遥感反演等，这些研究时段绝大多数集中在2020年之前[8]。自2017年白洋淀开展综合治理以来，缺少对整个淀区较长时间序列、整体和局部差异化水质的综合分析和评估，且采用长时间序列分析方法对主要水质指标变化趋势及溯源分析仍不够深入[9]。本研究基于白洋淀5个站点多年水质监测数据，综合运用Mann-Kendall统计检验、时空聚类分析、主成分分析（principal component analysis，PCA）和相关性统计等分析方法，结合文献调研，系统揭示了白洋淀流域水质演变趋势以及影响因素和管控等特殊事件对水质的影响；综合考虑了水质时间序列的长度、点位分布的空间差异、影响因素的多样性、非线性和复杂性，以期为白洋淀“十五五”水质改善工作提供技术支撑，也可为国内其他湖泊或河流开展水质研究与评价提供参考。
1 材料与方法
1.1 研究区域与监测数据
白洋淀位于华北平原（38°44′~38°59′N，115°45′~116°07′E），是海河流域面积最大的淡水湖。白洋淀地势西高东低，水域面积为336 km2，流域面积为31199 km2，平均蓄水量为3.2亿m3，由143个较小的湖泊和3700多条海沟组成，周围环绕着芦苇台田和225个村庄。白洋淀地区属暖温带大陆性季风气候，年平均气温在7~12℃之间，年平均降水量为500 mm左右，以主汛期7月下旬—8月上旬降水最为集中。白洋淀归雄安新区管辖，是雄安新区总体规划中的重要生态水域。
白洋淀历史水质监测数据包括电导率（EC）、水温（WT）、pH值、溶解氧（DO）、化学需氧量（COD）、氨氮（NH3-N）、总氮（TN）和总磷（TP）等，相关历史监测数据主要来自有关文献[6-8]，近年水质自动和人工监测数据从国家地表水水质数据发布系统（http://waterpub.cnemc.cn:10001/）和上海青悦数据中心（https://data.epmap.org/product/province_water）获得。人工监测每月一次，自动监测每4小时一次，均按照《地表水环境质量标准》（GB 3838—2002）要求进行采样分析及评价。本研究收集分析了淀区内5个监测点位（烧车淀、南刘庄、光淀张庄、圈头和采蒲台；具体分布见图1）水质监测数据，5个站点数据的平均值用来评估淀区水质情况。收集的水质指标监测数据主要为，1992—2023年淀区各项水质指标年均值，2009—2023年淀区各站点水质指标年均值，2019—2023年淀区各站点水质指标月均值和小时值。白洋淀气温（T）、降水量（Precip）等气象数据来自国家气象信息中心网站（http://data.cma.cn/），河流COD、TN、TP等水体污染物排放量数据来自《河北省统计年鉴》（http://tjj.hebei.gov.cn/hbstjj/sj/sjcx/tjnj/）。白洋淀入淀水量（WIL）、水位（WL）等水文数据从河北省水利厅发布的历年水资源公报（http://slt.hebei.gov.cn）获取。按照水文特征统计惯例，5—9月为丰水期、12月至次年2月为枯水期。
白洋淀承接大清河水系潴龙河、孝义河、唐河、瀑河、府河、萍河和白沟引河等河流来水，其中一些河流已干涸或停止流动（如萍河）；仅有赵王新河从白洋淀流出（图1）。白洋淀流域除府河和孝义河常年有水外，其余大部分河道已出现季节性甚至长期干涸的现象。府河主要承接上游保定市区和清苑区部分再生水，孝义河主要承接上游蠡县和高阳县再生水。
图1白洋淀淀区水质监测断面分布
Fig.1Distribution of water quality monitoring sections in Lake Baiyangdian
1.2 研究方法
水质指标变化具有很强的非线性特征，且影响水环境质量的因素众多，采用简单的数理统计并不能全面反映水污染与环境因子之间的特征、响应和规律[10]。本研究结合趋势统计定量分析、空间聚类、相关性统计及因子分析等统计方法，全面评价白洋淀地表水水质状况及其成因。
1.2.1 Mann-Kendall趋势检验
Mann-Kendall（MK）趋势检验法是一种非参数统计方法，最初由曼（H.B.Mann）和肯德尔（M.G.Kendall）提出并发展，主要用于检测时间序列数据上升和下降的变化趋势[11]。该方法不需要样本遵从特定的分布，适用性强，计算较为方便。主要原理为：假设时间序列数据