白洋淀污染现状空间分布规律可视化分析

张 彦，寇利卿

（河北省保定水文水资源勘测局，河北 保定 071003）

白洋淀位于河北省中部，保定市以东的安新县附近，地处北京、天津和石家庄三市的三角形中心位置[1]。白洋淀是华北地区最大的淡水湿地，也是我国东部地区典型的浅水型湖泊，总面积366 km2，由143个淀泊、3 700多条沟壑组成，水域面积约占50%，被誉为“华北之肾”。白洋淀具有缓滞洪水、蓄水灌溉、调节气候、补充地下水、维持生物多样性和生态平衡等重要作用。

自20世纪80年代以来，受自然因素和人类活动的影响，又加之入淀的天然径流逐年减少，白洋淀水体的污染负荷迅速加大，水质逐步恶化，水生态环境变得更加脆弱。因此，掌握和控制白洋淀的污染状况，改善水生态环境将是今后白洋淀治理工作的重点。

传统的地表水污染表征与评价是对地表水采样点的实测结果进行文字描述，这种方法虽然能比较客观地表明各采样点的实际污染状况，但其直观性不够，而且难以系统地反映整个区域的地表水环境质量总体状况。运用可视化软件工具对地表水污染物浓度及其空间分布进行可视化表达，在一定程度上能科学准确地表征与评价地表水污染状况及变化趋势，进而为有效地保护和改善地表水环境质量提供决策依据。

本研究旨在运用Surfer软件强大的插值和绘制图件功能对白洋淀污染物浓度现状分布、富营养化程度分布及其趋势面进行可视化分析，以期为有效保护和治理白洋淀污染提供决策依据。

1 材料与方法

1.1 数据来源与软件的选取

选用2012年为白洋淀评价现状年，水质监测断面共有13个。各采样点样品的采集和检测按照《水环境监测规范》[2]由河北省水环境监测中心保定分中心完成。

白洋淀污染物浓度分布图、富营养化程度分布以及趋势面分析图的绘制软件选用Surfer软件，版本号为Surfer 11.0.642，它是由美国Golden Software公司研制的基于Windows系列操作系统的插值绘图软件，是一个十分流行的小型软件[3，4]。其他数据处理应用美国微软公司编制的Microsoft Office Excel办公软件。

1.2 评价参数与评价方法

根据白洋淀实际污染情况，选用年平均值超《地表水环境质量标准》（GB 3838-2002）[5]Ⅲ类标准值的主要超标参数，包括总磷（TP）、总氮（TN）、五日生化需氧量（BOD5）和化学需氧量（CODCr），绘制相应参数浓度分布图。另外，由于实际监测项目的限制，本研究最终选取总磷（TP）、总氮 （TN）和高锰酸盐指数（CODMn）3项作为湖泊营养状态评价指标，并采用由中国环境监测总站制定的《湖泊（水库）富营养化评价方法及分级技术规定》中的ΣTLI（综合营养状态指数）作为评价方法。

2 白洋淀污染物浓度分布可视化分析

2.1 白洋淀TP浓度分布分析

依据监测结果绘制白洋淀TP浓度分布图，见图1。

图1 白洋淀TP浓度分布

由图1可知，白洋淀大部分水域TP浓度都超过了《地表水环境质量标准》 （GB 3838-2002）的Ⅲ类水标准，只有采莆台和枣林庄部分水域能达到地表水Ⅲ类水标准；其中污染最严重的水域为安新桥监测断面以西，其水质为劣Ⅴ类标准，此断面为保定市区城市生产生活污废水以及沿途汇入的工业污废水入淀控制监测断面。由图1可以很直观地看出，自白洋淀入口向白洋淀淀区方向TP浓度呈现辐射状减小趋势，由此可以说明，白洋淀的磷污染主要为点源污染，污染源为城市生产生活的污废水。关城、端村水域距离入淀控制监测断面比较远，附近几乎没有污水排入，但水质类别仍然达到了劣Ⅴ类标准，这应该与此水域水产养殖过程中产生的污染物有关。

2.2 白洋淀TN浓度分布分析

依据监测结果绘制白洋淀TN浓度分布图，见图2。

由图2可以看出，白洋淀TN与TP的浓度分布趋势很相似，都是从白洋淀入口向淀区方向呈现辐射状减小趋势。但白洋淀总氮的污染程度不容乐观，污染程度远比总磷要严重，淀区绝大部分地区总氮浓度都超过《地表水环境质量标准》（GB 3838-2002）的Ⅲ类水标准，淀区半数以上水域甚至达到了劣Ⅴ类水质标准，分析其原因，主要还是由保定市区排放的生产生活的污废水以及淀区围网养鱼所致。

2.3 白洋淀BOD5浓度分布分析

依据监测结果绘制白洋淀BOD5浓度分布图，见图3。

图2 白洋淀TN浓度分布

五日生化需氧量（BOD5）浓度的大小间接反映水体中可生物降解有机物质含量的大小，水体中此类有机物含量大时，水体中好氧微生物分解有机物要消耗水体中的溶解氧，从而破坏水体中氧的平衡，造成水体水质的恶化，最终导致水中鱼类和其他水生生物缺氧死亡。

图3 白洋淀BOD5浓度分布

由图3可知，白洋淀大部分水域BOD5浓度超过《地表水环境质量标准》（GB 3838-2002）的Ⅲ类水标准，只有采莆台监测断面附近小面积水域符合Ⅲ类水质标准。白洋淀西部水域大部分水质达到Ⅴ类水标准，可降解的有机物污染已经比较严重。

2.4 白洋淀CODCr浓度分布分析

依据监测结果绘制白洋淀CODCr浓度分布图，见图4。

图4 白洋淀CODCr浓度分布

化学需氧量（CODCr）反映了水中受还原性物质污染的程度，同时也作为衡量有机物相对含量的综合指标之一。化学需氧量越高，就表示水体中的有机物污染越严重，许多有机污染物可在水体中被底泥吸附而沉积下来，在今后若干年内对水生生物造成持久的毒害作用。

由图4可以看出，白洋淀整个淀区的CODCr浓度都超过了《地表水环境质量标准》（GB 3838-2002）Ⅲ类水标准，尤其以保定市区污废水入淀控制监测断面CODCr浓度最大，为劣Ⅴ类水质，有机污染最为严重。淀区北部水域少部分为Ⅳ水标准，剩余部分均为Ⅴ类水标准，说明目前白洋淀整体的水质有机污染已经相当严重。

3 白洋淀水体富营养化程度现状分布及趋势面可视化分析

3.1 白洋淀水体富营养化程度现状分布分析

依据计算的综合营养状态指数绘制白洋淀水体富营养化程度现状分布图，见图5。

由图5可知，白洋淀全淀富营养化程度都在轻度富营养化以上，白洋淀东部富营养化程度稍低，为轻度富营养化；东部入淀控制断面至大张庄监测断面富营养化程度最重，为重度富营养化，整个淀区的富营养化程度的趋势为由西向东逐渐减轻，这与保定市区排入白洋淀的污废水有直接的关系。淀区西南部远离入淀口的端村、关城监测断面水域为中度富营养化，富营养化程度比较严重，可能与该区域的围网养殖有关。

3.2 白洋淀富营养化程度趋势面分析

本研究拟采用多维图形的方法来分析预测白洋淀富营养化污染程度的空间变动趋势。趋势面是这样一种数学曲面：它能够集中地反映所监测数据在较大范围空间的变化状况，从而形象直观地对该区域污染状况趋势进行预测。趋势面分析是通过回归分析原理，运用最小二乘法，拟合一个二维非线性函数，展示地理要素在地域空间上的变化趋势[6，7]。富营养化程度趋势面模型是以采样点的坐标（X，Y）和综合营养状态指数（Z）数据为依据，建立二元多项式模型方程进行趋势预测。本研究利用Surfer 11.0对数据运用3次多项式回归插值法建立网格数据文件，并对此网格文件生成富营养化程度趋势的等值线和空间分布趋势面图。图6即是利用Surfer 11.0绘制的白洋淀富营养化程度趋势面图。

图5 白洋淀富营养化程度分布

图6 白洋淀富营养化趋势面分析

由图6分析可知：白洋淀富营养化趋势由大张庄、王家寨、端村和关城一线成弧形向西部安新桥方向逐渐趋于严重，安新桥区域富营养化程度最为严重，这种情况很符合白洋淀富营养化污染的实际情况，安新桥为保定市区排污入淀控制断面，此区域营养盐类污染最为严重；北部区域由郭里口向留通方向逐渐减轻；东部区域由枣林庄、圈头、前塘一线向东部方向逐渐减轻。

4 结论与建议

（1）应用Surfer软件强大的插值和绘制图件功能将白洋淀主要污染物的空间分布、富营养化程度分布及其趋势面分析进行可视化。结果简单直观地表述了白洋淀实际的污染状况，为白洋淀水质污染状况的表征和评价提供了一种新的尝试，具有良好的推广意义。

（2）白洋淀主要污染物浓度分布图表明，白洋淀的营养盐污染以及有机污染都相当严重，绝大部分水域污染物浓度超过地表水Ⅲ类水质标准，污染程度由西向东逐渐减轻，其中入淀控制监测断面的污染最严重。

（3）白洋淀富营养化程度分布图及其趋势面分析图表明，白洋淀全淀都处于富营养化状态，趋势由西向东逐渐减轻，尤其以入淀控制断面富营养化程度最高，为重度富营养化。

（4）针对白洋淀的实际情况制定相应的污染控制对策是确保白洋淀水质的关键。白洋淀的污染问题主要由入淀河流排污产生的点源污染所致，要解决白洋淀的水环境问题，首先必须对白洋淀入淀河流污染进行严格治理，同时，应减少面源污染，恢复淀区生态系统，加强环境监管，提高民众的环保意识。

[1]朱宣清，弓冉，穆仲义，等.白洋淀环境演变及预测[M].西安：西安地图出版社，1994.

[2]长江流域水环境监测中心.SL 219－98水环境监测规范[S].北京：中国水利水电出版社，1998.

[3]王建，白世彪，陈晔.Surfer8地理信息制图[M].北京：中国地图出版社，2004.

[4]白世彪，陈晔，王建，等.等值线绘图软件Surfe7.0中九种插值法介绍[J].物探化探计算技术，2002，24（2）：157-162.

[5]国家环境保护总局，国家质量监督检验检疫总局.GB 3838-2002地表水环境质量标准[S].北京：中国标准出版社，2002.

[6]徐建华.现代地理学中的数学方法[M].2版.北京：高等教育出版社，2002：47-60.

[7]庄宇，胡晓蕊，马贤娣.水环境承载力与经济效率的多元回归模型及应用[J].干旱区资源与环境，2007，21（9）：41-45.