密云水庫(kù)上游河道水質(zhì)時(shí)空變化特征分析

胡春春，李亞楠，楊倩，任民

（北京市密云水庫(kù)管理處，北京 101512）

密云水庫(kù)是華北地區(qū)最大的人工湖，是北京地區(qū)重要的地表飲用水源地、水資源戰(zhàn)略儲(chǔ)備基地，主要通過上游河道來水及降水補(bǔ)給，為保證密云水庫(kù)水質(zhì)安全，應(yīng)密切關(guān)注上游河道水質(zhì)狀況。本文基于2010—2021年密云水庫(kù)上游河道逐月水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，分析了密云水庫(kù)上游河道水質(zhì)時(shí)空變化特征，以期為管理部門做好水環(huán)境保護(hù)工作提供決策支持。

孫瑞瑞[1]等的研究結(jié)果表明，由于社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，富含氮磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的工農(nóng)業(yè)廢水和生活污水的排入加劇了湖泊的富營(yíng)養(yǎng)化。何錫君［2］等的研究結(jié)果表明，對(duì)于湖泊水質(zhì)管理而言，陸源污染物隨河道輸入是造成湖體水質(zhì)惡化及生態(tài)系統(tǒng)受損的重要原因，因此研究主要入湖河道污染物變化的時(shí)空規(guī)律對(duì)于湖體污染治理工作具有十分重要的意義。崔璨[3]等的研究結(jié)果表明，在汛期入湖河道多數(shù)污染指標(biāo)由于來水量增大得以稀釋，質(zhì)量濃度有所降低，但TN仍未得到有效控制，變化趨勢(shì)不明顯，說明污染的控制不能僅靠水體的自凈能力，還需采用人工手段進(jìn)行干預(yù)，進(jìn)一步削弱污染。

1 研究區(qū)域概況

密云水庫(kù)位于潮白河干流上，有兩大支流潮河、白河匯入。潮河發(fā)源于河北省豐寧縣，流域面積6 716 km2，主要支流有清水河、安達(dá)木河；白河發(fā)源于河北省沽源縣，流域面積9 072 km2[4]，主要支流有湯河、天河、渣汰河、琉璃廟河、對(duì)家河、白馬關(guān)河。

北京市年平均氣溫10～12℃，密云水庫(kù)上游多年平均徑流量8.49 m3/s。多年平均降水量465.5 mm，降水量年內(nèi)、年際變化明顯，年內(nèi)90%的降水集中在每年的5—10月；從年際變化來看，2015—2021年最大年降水為2021年的1 201.8 mm，最小年降水為2017年的610.3 mm，最大與最小年降水量比為1.97。2015—2021年最高庫(kù)水位為155.3 m（2021年8月）。

2 采樣與分析

2.1 采樣點(diǎn)布設(shè)

根據(jù)《水環(huán)境監(jiān)測(cè)規(guī)范》（SL 219-2018）[5]采樣點(diǎn)布設(shè)原則，密云水庫(kù)上游入庫(kù)河道采樣點(diǎn)分布如圖1所示。

圖1 密云水庫(kù)上游入庫(kù)河道采樣點(diǎn)分布

2.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)及評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

密云水庫(kù)庫(kù)區(qū)及上游河流中的TN含量偏高且近年持續(xù)上升[6]。密云水庫(kù)上游流域水體富營(yíng)養(yǎng)化問題嚴(yán)重，因此本文選取對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化程度影響較大的溶解氧、高錳酸鹽指數(shù)、總磷、氨氮、總氮5個(gè)指標(biāo)進(jìn)行分析。溶解氧使用電化學(xué)探頭法（GB 11913-1989），高錳酸鹽指數(shù)使用滴定法（GB/T 11892-1989），總磷使用鉬酸銨分光光度法（GB 11893-1989），氨氮使用納氏試劑比色法（GB//T 7479-1987），總氮使用堿性過硫酸鉀消解分光光度法（HJ 636-2012）。

水質(zhì)評(píng)價(jià)以國(guó)家《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 3838-2002）[7]為依據(jù)，將地面水環(huán)境質(zhì)量分類中的Ⅱ類標(biāo)準(zhǔn)作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，超標(biāo)倍數(shù)即為超Ⅱ類標(biāo)準(zhǔn)的倍數(shù)。

水體富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià)采用指數(shù)法，將評(píng)價(jià)項(xiàng)目濃度值按國(guó)家《地表水資源質(zhì)量評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)程》（SL 395-2007）中湖庫(kù)營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)分級(jí)方法，采用線性插值法將各個(gè)項(xiàng)目監(jiān)測(cè)值轉(zhuǎn)換為富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)分值，計(jì)算營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)EI值，進(jìn)而判斷水體富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)[8]。其計(jì)算公式為：

式中：EI為營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)；En為某一評(píng)價(jià)項(xiàng)目的賦分值；N為評(píng)價(jià)項(xiàng)目個(gè)數(shù)。

時(shí)間變化特征主要分析2010—2021年水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，空間變化特征使用空間分布差異，采用距平系數(shù)[1]表示。其計(jì)算公式為：

式中：η為距平系數(shù)；xi為2010—2021年某河道i某一水質(zhì)指標(biāo)的平均值；x為所有河道某一水質(zhì)指標(biāo)的平均值。

由于溶解氧越大水質(zhì)越好，為便于比較，溶解氧的距平系數(shù)計(jì)算公式改為：

3 結(jié)果與分析

3.1 時(shí)間變化特征

3.1.1 年內(nèi)變化

基于2010—2021年密云水庫(kù)上游河道逐月水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)各項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)濃度計(jì)算月平均值，分析各水質(zhì)指標(biāo)年內(nèi)逐月的變化趨勢(shì)，如圖2所示。

溶解氧多年月平均濃度為9.6 mg/L，符合地表水I類標(biāo)準(zhǔn)，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為7.89%，年內(nèi)變化比較平穩(wěn)，最高值出現(xiàn)在2月達(dá)10.6 mg/L，之后隨著水溫的逐漸升高，濃度逐漸降低，最低值出現(xiàn)在8月為8.6 mg/L，之后隨著水溫的降低而升高。

高錳酸鹽指數(shù)多年月平均濃度為2.39 mg/L，符合地表水Ⅱ類標(biāo)準(zhǔn)，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為12.56%，年內(nèi)變化相對(duì)平穩(wěn)，最高值出現(xiàn)在8月達(dá)2.85 mg/L，最低值出現(xiàn)在8月為2.00 mg/L。

氨氮多年月平均濃度為0.145 mg/L，符合地表水Ⅰ類標(biāo)準(zhǔn)，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為14.93%，年內(nèi)變化較大。總氮多年月平均濃度為3.15 mg/L，符合地表水劣V類標(biāo)準(zhǔn)，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為17.71%，年內(nèi)變化較大。總磷多年月平均濃度為0.01 mg/L，符合地表水Ⅰ類標(biāo)準(zhǔn)，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為25.68%，年內(nèi)變化較大。由圖2可見，氨氮、總氮、總磷逐月變化趨勢(shì)基本一致，在2—5月均出現(xiàn)高值，5—7月逐漸下降，7月之后均上升，到8、9月再次出現(xiàn)峰值。分析原因如下：2—5月天氣逐漸回暖，河道解凍，同時(shí)正處于春耕時(shí)節(jié)，農(nóng)業(yè)活動(dòng)頻繁，化肥的使用加劇了農(nóng)業(yè)面源污染，使得上游河道氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽濃度升高[9]。5月之后，密云水庫(kù)流域降水逐漸增多，上游河道流量逐漸增加，水體流動(dòng)性增強(qiáng)，自我凈化能力變強(qiáng)，使得河道氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽含量有下降趨勢(shì)。8、9月正處于密云水庫(kù)流域的雨季，上游河道流量急劇增大，對(duì)河床、河道兩岸的沖刷增強(qiáng)，部分河道周圍農(nóng)田被淹沒，水流攜帶大量化肥匯入河道，導(dǎo)致河道氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽濃度升高[10]。

圖2 密云水庫(kù)上游河道水質(zhì)指標(biāo)年內(nèi)變化

3.1.2 年際變化

因?qū)嶋H水文數(shù)據(jù)限制，只掌握了白河、潮河入庫(kù)站點(diǎn)的流量數(shù)據(jù)，分析白河、潮河入庫(kù)年均水量年際變化趨勢(shì)，白河入庫(kù)水量一直高于潮河，2021年入庫(kù)水量陡增，潮、白河入庫(kù)水量相當(dāng)，如圖3所示。

圖3 白河、潮河入庫(kù)年均水量年際變化趨勢(shì)

由圖4可見，高錳酸鹽指數(shù)、總氮、總磷濃度年均值2010—2015年較為平穩(wěn)，多年平均值分別為2.56、3.53、0.02 mg/L；2015—2016年均有小幅上升，分別上升16.3%、31.3%、3.4%；從2016年開始均有下降趨勢(shì)，高錳酸鹽指數(shù)的谷值出現(xiàn)在2021年為2.23 mg/L，總氮、總磷的谷值出現(xiàn)在2020年分別為2.77、0.01 mg/L，2021年總氮、總磷有小幅的回升分別為15.4%、29.8%。

圖4 密云水庫(kù)上游河道水質(zhì)指標(biāo)年際變化

氨氮濃度年均值在2010—2013年呈逐年下降趨勢(shì)，2013年最低為0.11 mg/L，2013—2018年呈波動(dòng)性上升，2018年最高為0.19 mg/L，2018年之后呈下降趨勢(shì)。

溶解氧濃度由2010的8.32 mg/L波動(dòng)性上升到2021年的10.9 mg/L。溶解氧多年平均濃度為9.45 mg/L，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為13.0%。2010—2021年河道溶解氧濃度呈逐年向好趨勢(shì)，改善效果良好。

近年河道高錳酸鹽指數(shù)、總氮、總磷、氨氮濃度下降以及溶解氧濃度上升的原因，考慮與密云水庫(kù)上游采取若干整治措施有關(guān)。①深入落實(shí)河長(zhǎng)制工作機(jī)制，定期開展上游河北省境內(nèi)入庫(kù)河道環(huán)境巡視，嚴(yán)格控制點(diǎn)源污染；②實(shí)施《潮河流域生態(tài)環(huán)境保護(hù)規(guī)劃》，推進(jìn)流域總氮削減；③實(shí)施《京冀密云水庫(kù)水源保護(hù)共同行動(dòng)方案》，京冀兩地強(qiáng)化流域空間管控，加大退耕禁種禁養(yǎng)力度，實(shí)施河流生態(tài)修復(fù)，推動(dòng)植草溝過濾帶建設(shè)，加快上游流域產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，大力發(fā)展資源節(jié)約型、環(huán)境友好型綠色產(chǎn)業(yè)。

3.2 空間變化特征

潮、白河流域北京市境內(nèi)11條河道各項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)的距平系數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，詳見表1。

表1 2010—2021年密云水庫(kù)上游河道水質(zhì)指標(biāo)距平系數(shù)

3.2.1 白河流域

白河入北京境處多項(xiàng)指標(biāo)的距平系數(shù)為正值，總磷的距平系數(shù)達(dá)19.0；白河懷柔密云區(qū)界處所有指標(biāo)的距平系數(shù)均為負(fù)值，范圍為-14.7～-3.1，所以綜合評(píng)判白河流域天河水質(zhì)最差，白河懷柔密云區(qū)界段水質(zhì)最好。對(duì)家河入庫(kù)處總氮的距平系數(shù)最高達(dá)76.6，湯河入北京境處總磷的距平系數(shù)最高達(dá)25.7，所以對(duì)家河主要污染物為氮元素，湯河主要污染物為磷元素。

3.2.2 潮河流域

潮河入北京境處多項(xiàng)指標(biāo)的距平系數(shù)為正值，總氮、總磷的距平系數(shù)分別為108.1、64.3；清水河入庫(kù)處多數(shù)指標(biāo)的距平系數(shù)均為負(fù)值，范圍為-39.8～0.8，所以綜合評(píng)判潮河入北京境處水質(zhì)最差，清水河水質(zhì)最好。潮河入北京境處總氮、總氮的距平系數(shù)均為潮河流域最高值，所以潮河入境處氮磷均為主要污染物。

按河道流向分析，天河入境至匯入白河前及潮河入境至入庫(kù)各水質(zhì)指標(biāo)的距平系數(shù)均有所下降；湯河入境至匯入白河前除總氮外各水質(zhì)指標(biāo)的距平系數(shù)也有下降，說明河流有自凈能力，經(jīng)過物理、化學(xué)和生物等方面的作用，可使污染物濃度降低或轉(zhuǎn)化[11]。白河入密云區(qū)至入庫(kù)溶解氧、總磷距平系數(shù)有所升高，可能白河在入庫(kù)至入庫(kù)沿途有污染的情況，應(yīng)密切關(guān)注。

4 結(jié)論

（1）溶解氧、總磷符合地表水I類標(biāo)準(zhǔn)，高錳酸鹽指數(shù)符合地表水II類標(biāo)準(zhǔn)，總氮符合地表水劣V類標(biāo)準(zhǔn)，密云水庫(kù)上游河道氮污染嚴(yán)重。年內(nèi)，寒冷季節(jié)溶解氧含量高，隨著水溫的升高逐漸下降。高錳酸鹽指數(shù)、氨氮、總磷、總氮在1 a中大致有2個(gè)高峰：①2—5月天氣回暖春耕時(shí)節(jié)，面源污染加劇；②8、9月雨水豐沛，上游河道流量急增，對(duì)河床、河道兩岸的沖刷增強(qiáng)，部分河道周圍農(nóng)田被淹沒，水流攜帶大量化肥匯入河道。

（2）白河入庫(kù)水量一直高于潮河，2021年入庫(kù)水量陡增，潮、白河入庫(kù)水量相當(dāng)。高錳酸鹽指數(shù)、總氮、總磷濃度年均值變化趨勢(shì)一致，2010—2015年較為平穩(wěn)，2015—2016年有小幅上升，從2016年有下降趨勢(shì)，2021年總氮、總磷濃度有小幅的回升。氨氮濃度年均值在2010—2013年呈逐年下降趨勢(shì)，2013—2018年呈波動(dòng)性上升，2018年之后呈下降趨勢(shì)。2010—2021年河道溶解氧濃度呈逐年向好趨勢(shì)，改善效果良好。

（3）近年，河道高錳酸鹽指數(shù)、總氮、總磷、氨氮濃度下降以及溶解氧濃度上升的原因，與密云水庫(kù)上游采取若干整治措施有關(guān)。①深入落實(shí)河長(zhǎng)制工作機(jī)制，嚴(yán)格控制點(diǎn)源污染；②實(shí)施《潮河流域生態(tài)環(huán)境保護(hù)規(guī)劃》，推進(jìn)流域總氮削減；③實(shí)施《京冀密云水庫(kù)水源保護(hù)共同行動(dòng)方案》，京冀兩地強(qiáng)化流域空間管控，加大退耕禁種禁養(yǎng)力度，實(shí)施河流生態(tài)修復(fù)，推動(dòng)植草溝過濾帶建設(shè)，加快上游流域產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，大力發(fā)展資源節(jié)約型、環(huán)境友好型綠色產(chǎn)業(yè)。

（4）經(jīng)綜合評(píng)判，白河流域天河水質(zhì)最差，白河懷柔密云區(qū)界段水質(zhì)最好，對(duì)家河主要污染物為氮元素，湯河主要污染物為磷元素；潮河入北京境處水質(zhì)最差，清水河水質(zhì)最好，潮河入境處氮磷均為主要污染物。

（5）按河道流向分析，天河入境至匯入白河前及潮河入境至入庫(kù)各水質(zhì)指標(biāo)的距平系數(shù)均有所下降，湯河入境至匯入白河前除總氮外各水質(zhì)指標(biāo)的距平系數(shù)也有下降，說明河流有自凈能力，經(jīng)過物理、化學(xué)和生物等方面的作用，可使污染物濃度降低或轉(zhuǎn)化。白河入密云區(qū)至入庫(kù)溶解氧、總磷距平系數(shù)有所升高，可能白河在入庫(kù)至入庫(kù)沿途有污染的情況，應(yīng)密切關(guān)注。

綜上，密云水庫(kù)上游歷年采取的整治措施效果明顯，應(yīng)繼續(xù)實(shí)施河道長(zhǎng)效管護(hù)，確保入庫(kù)水質(zhì)安全。