衡水湖蒸发量与污染变化情况研究

孟淑锦

衡水湖蒸发量与污染变化情况研究

孟淑锦

（河北省衡水环境监测中心，河北 衡水 053000）

利用20 m2蒸发池测得衡水湖水面蒸发量数据，并进行同步计算，得到衡水湖水面蒸发量更接近天然水体的蒸发量，并进一步研究蒸发量的大小与污染物浓度和污染指数的变化情况。通过计算研究蒸发量数据，衡水湖2009—2019年这11年间平均水面蒸发量为764 mm，蒸发量最大值在2015年与2017年，最小值在2013年，衡水湖年际蒸发量变化较小；衡水湖年内平均蒸发量最大值出现在夏季。蒸发量是衡水湖水量损失最主要的途径，研究计算蒸发量可以深入了解衡水湖湖水年损失量，进而合理补水，减小水平衡分析误差，从而改善衡水湖的生态环境。

衡水湖；蒸发量；20 m2蒸发池；污染

1 衡水湖保护区概况

河北衡水湖国家级自然保护区位于河北省衡水市内，跨桃城、冀州两区，北距雄安新区120 km，是“引黄济淀”的必经之地。保护区管理边界范围东至五开河村东地界，西至大寨村，南至堤里王，北接滏阳河，地理坐标为东经115°28′27″～115°41′54″，北纬37°31′39″～37°41′16″，总面积为163.65 km2[1]。

衡水湖保护区是以保护珍稀濒危鸟类及其栖息地、湿地生态系统为主的湿地生态系统类型的自然保护区，为华北平原典型的湿地生态系统保护区，属暖温带大陆季风气候区，冷暖、干湿差异显著，四季分明，光热资源充沛，雨量集中，生物多样性丰富，其中有鸟类324种，植物538种，昆虫535种，鱼类40种，两栖爬行类34种，哺乳动物20种。

2 水文与水资源

2.1 衡水湖

解放初期，衡水湖湖域面积为120 km2。1967年海河工程实施后，衡水湖在修建了滏阳新河和滏东排河后，湖域面积为75 km2，20世纪70年代，被分隔为东湖、西湖和冀州小湖。此外，在衡水湖周边还有一些因古河道改道和洪水泛滥遗留的许多深浅不一的分散小水体。历史上东湖湿地面积42.5 km2，近些年来随着人类活动增加，部分沿湖沼泽湿地被开垦为农田，2017年遥感监测结果显示整个东湖水域面积39.94 km2（含冀州小湖），目前只有东湖常年蓄水，水源主要引自黄河，2005年曾从岳城水库引水。

2.2 河流水系

衡水湖保护区周边河流属海河流域的黑龙港流域。有滏阳河、滏阳新河和滏东排河三条主要河流流经保护区北侧，河水均自西向东北流，并有涵闸与衡水湖相通。滏阳河是目前衡水湖周边主要的自然河流，流域面积为21 737 km2；滏阳新河是为治理滏阳河泛滥而人工开挖的大型行洪排涝河道，行洪能力为50年一遇设计流量2800 m3/s，校核流量5700 m3/s；滏东排河系修筑滏阳新河南堤时取土留下的河道，流域面积4386 km2。保护区东侧和南侧有冀码渠、冀南渠、卫千渠、盐河故道。冀码渠和卫千渠是保护区最重要的两条人工河道。外部引水通过上述渠进入衡水湖。

3 衡水湖水面蒸发量

3.1 水面蒸发量

由于衡水湖主要水源来自引流黄河水，每年冬季调水。衡水湖水量除受日常生产生活影响外，蒸发量也是重要影响因素。随着时间变化蒸发量逐渐增加，湖内水量减少，需延续到下一年调水进行补充，完成一个年周期变化[2]。

衡水湖蒸发量是评价区域水文循环的重要环节，蒸发量将直接导致气候变化，进而对人类的生产生活产生影响。随着社会的发展，水资源的开发利用越来越高效，因此对衡水湖水资源进行更为精确的评价尤为重要。衡水湖蒸发量的研究可以实现对水资源的高效管理，对水资源的可持续发展具有重要的科学意义[3-4]。

3.2 试验方法

常用的水面蒸发测定方法包括：20 cm口径蒸发器、80 cm口径套盆蒸发器、E601蒸发器、水上漂浮蒸发器、20 m2蒸发池和100 m2大型蒸发池[5]。国内外许多分析资料认为，当蒸发池的直径大于3.5 m时，所测得的水面蒸发量比较接近大水体在自然条件下的蒸发量[6]。因此，参照前人的研究标准及衡水湖地理水文现状，采用20 m2蒸发池作为研究对象能够准确得出衡水湖水面蒸发量。

具体检测方法为每日8时、20时观测两次。在封冻期，每日观测次数为1次，观测时间为14时。在初冰期和解冻期，覆盖冰盖很薄，中午靠近池壁的部分融化，冰体呈自由漂浮状，可正常观测逐日蒸发量[7]。在封冻期，覆盖加厚导致对冰下水挤压，为防止池壁变形或开裂，用连通管排水原理减压。

3.3 计算方法

为了观测结果的准确性，在采用20 m2蒸发器观测的蒸发量数据应乘以折算系数，才能作为实际水体的蒸发量估计值：

实际仪器，

式中实际：天然水面蒸发量（mm）；：折算系数；仪器：20 m2蒸发器观测的水面蒸发量（mm）。

通过对衡水湖2009—2019年各年中不同月份水面蒸发量监测，计算得到表1中数据。

表1 2009—2019年衡水湖水面蒸发量 mm

3.4 水面蒸发量年内变化

衡水湖水面蒸发量受气候、风速、阳光辐射等因素影响，蒸发量年内变化较大。根据2009—2019这11年内平均蒸发量数值统计，得到衡水湖水面蒸发量在6月份达到最大值，为110 mm，占全年蒸发量的14.17%；1月份蒸发量最小，为19 mm，占全年蒸发量的2.58%。衡水湖近年来月平均蒸发量情况见表2。年内分布情况：年内分布变化是春季（3—5月）占全年的28.14%；夏季（6—8月）占40.24%；秋季（9—11月）占25.13％；冬季（12—2月）占7.88%。故此可以得到，夏季温度较高，水面蒸发量最大，冬季温度较低以及封冻等因素导致水面蒸发量最小。春秋两季水面蒸发量的影响因素主要为温度与风速。

表2 2009—2019年衡水湖水面近年来各月份平均蒸发量

3.5 水面蒸发量年际变化

衡水湖各年份蒸发总量如表3所示。从表3中可以得到，2009—2019年衡水湖水面蒸发在基准值 770 mm上下波动，其中2015年与2017年蒸发量相同且较大，蒸发量为801 mm。2013年水面蒸发量为近11年最低值，蒸发量为738 mm。水面蒸发量变化对衡水湖区域生态环境和气候的影响非常大，其中极值差能更准确地反应蒸发量年际变化的情况。通过对比近11年数据得到衡水湖蒸发量极值差为69 mm。

表3 2009—2019年衡水湖年际蒸发量

极值比为年际蒸发量最大值与最小值之比[8]。极值比越大，反应蒸发量年际变化越大；极值比小，年际变化小，蒸发量年际之间相对均匀。极值比可从相对角度反映年际变化特点。衡水湖水面蒸发量极值比为1.09。

衡水湖水面蒸发量变异系数（Cv）可更准确表示年际蒸发量离散程度。如果Cv较小，则年际蒸发量的离散程度较小，亦即系列各项的值同均值相差较小；Cv值越大，表示年降水量的年际变化越大。采用2009—2019年蒸发量资料计算，得到变异系数为0.034。表示在11年内衡水湖蒸发量离散程度变化较小，趋于稳定。

综合上述分析，可以得到：衡水湖水面蒸发量分布变化较小。年际变化在2009—2019年期间为732～801 mm，极值差69 mm，极值比1.09，变异系数0.034。

衡水湖水面蒸发量年际变化不仅受风速、气温、气压等气候因素的影响，还受生产生活年度用水量、蓄水量、引水水质影响，这些直接影响到湖内生物、植物的生长及鸟类的生长繁殖，从而引起蒸发量的年际变化。

3.6 衡水湖近年来降水和引水情况

衡水湖的蓄水量不仅受蒸发量的影响，同时受降水量和引黄水量的影响，2009—2019年来的降水量和引水量情况见表4。

表4 衡水湖近年来的年降水量和引水情况

4 衡水湖综合污染情况和富营养化程度

综合考虑衡水湖的湖区功能划分、水动力特征和污染源分布等因素，按地表水监测技术规范，布设衡水湖监测垂线为4个，即王口闸、大湖心、小湖心、大赵闸，衡水湖评价采用GB3838-2002《地表水环境质量标准》中III类标准，污染情况使用水质综合污染指数法进行评价，衡水湖富营养化程度的评价采用综合营养状态指数法。

4.1 综合污染指数年际变化

综合指数评价法是对各污染指标的相对污染指数进行统计，得出代表水体污染程度的数值，该方法用以确定污染程度和主要污染物，并对水污染状况进行综合判断。根据衡水湖近年来的监测项目和评价项目的选择原则，参评项目选择：氨氮、化学需氧量、高锰酸盐指数、五日生化需氧量、总磷共5项；监测方法分别为纳氏试剂分光光度法、高锰酸钾法、酸性法、稀释与接种法、钼酸铵分光光度法。水样保存、容器洗涤方法、采样器的材质和结构均符合《水质采样器技术要求》和《地表水监测技术规范》中的规定；采用回收率实验、精密度实验和方法空白实验进行质量控制和保证，其中各项目的加标回收率控制在90%～110%，实验过程中，每 10 个样品为一批次，初始精密度的偏差＜20%，每 10 个样品增加 1 个方法空白。水质综合污染指数的计算是在单项污染指数评价的基础上计算得到的。综合污染指数评价方法的计算公式为：

1）单项污染指数的计算方法

P=C/ C，

式中：P—监测点项污染物的污染指数；

C—监测点项污染物的年平均值；

C—项污染物的评价标准值。

2）综合污染指数的计算方法

式中：P—监测点水污染综合指数；

参与分析评价的水质指标总数。

水质综合污染指数的计算是基于不同类别标准的基础计算得到的，所以综合污染指数的比较只能在同一类别水体中进行，也可以进行年际比较，但不同类别的水体之间缺少可比性。衡水湖近年来综合污染指数评价结果见表5。

表5 衡水湖综合污染指数评价结果

注：项目未检出时以检出限+Ｌ表示。

4.2 富营养化程度的年际变化

衡水湖富营养化程度的评价采用综合营养状态指数法。综合营养状态指数法以叶绿素a（chla）、总磷（TP）、总氮（TN）、透明度（SD）、高锰酸盐指数（CODMn）计算衡水湖综合营养状态指数；检测方法分别为叶绿素分光光度法、钼酸铵分光光度法、碱性过硫酸钾消解分光光度法、赛氏盘法和酸性法。

衡水湖富营养化程度的评价采用综合营养状态指数法，计算公式为：

式中：r—第种参数与基准参数chla的相关系数；—评价参数的个数，中国湖泊（水库）部分参数与chla的相关关系r及r2值见表6。

（chla）=10（2.5+1.086ln）；

（TP）=10（9.436+1.624ln）；

（TN）=10（5.453+1.694ln）；

（SD）=10（5.118－1.94ln）；

（CODMn）=10（0.109+2.661ln）。

其中单位为 mg/m3，单位为 m；其他指标单位均为 mg/L。

表6 中国湖泊（水库）部分参数与chla的相关关系rij及rij2值

综合营养状态指数法判定标准如下：

当（∑）＜30 贫营养；

30≤（∑）≤50 中营养；

（∑）>50 富营养；

50＜（∑）≤60 轻度富营养；

60＜（∑）≤70 中度富营养；

（∑）＞70 重度富营养。

通过统计衡水湖的叶绿素a（chla）、总磷（TP）、总氮（TN）、透明度（SD）、高锰酸盐指数（CODMn）近年来的监测结果，计算衡水湖综合营养状态指数，结果见表 7。

表7 衡水湖近年来营养状态指数表

4.3 综合污染指数和综合营养状态指数与蒸发量的相关性分析

对2009—2019年的衡水湖的综合污染指数和综合营养状态指数与蒸发量之间进行比对分析，按线性相关系数进行分析后发现，由于受降水量和引水量以及引水水质的影响，综合污染指数与蒸发量的相关性低于综合营养状态指数与蒸发量的相关性，说明湖库的富营养化程度更容易受蒸发量的影响。在数据的简单对比中也可以看出，在2017年蒸发量最大的年份，降水和引水量也相对较小的情况下，综合污染指数和综合营养状态指数均达到了统计时段的最高值。

5 结论

通过利用衡水湖20 m2蒸发池观测，进行同步计算衡水湖2009—2019年水面蒸发量，较准确地计算出衡水湖水面蒸发量。衡水湖年平均蒸发量764 mm，极值差69 mm，极值比1.09，变差系数0.034。年内蒸发量变化受季节影响较大，其中春季（3—5月）占全年的28.14%；夏季（6—8月）占40.24%；秋季（9—11月）占25.13％；冬季（12—2月）占7.88%。

蒸发量是衡水湖水量损失最主要的途径，也是影响衡水湖污染指数变化的重要因素，研究计算蒸发量可以深入了解衡水湖湖水年损失量，进而合理补水，减小水平衡分析误差，为湿地生态环境的平衡、引水调度、生产生活用水及鸟类繁殖孵化所需水位提供科学的依据，从而改善衡水湖的生态环境和降低富营养化程度。因此，研究计算衡水湖蒸发量对保护和开发衡水湖湿地环境具有重要的意义。

[1] 吴景峰,王永亮,徐佳.20 m2蒸发池水面蒸发研究[J].南水北调与水利科技,2009,7(5):66-69.

[2] 张学知.衡水湖水面蒸发量计算[J].水科学与工程技术,2014(2):20-23.

[3] 王旭明,刘海军,张睿昊,等.河套灌区参考作物蒸发蒸腾量估算方法研究[J].干旱地区农业研究,2014,32(3):95-101.

[4] 赵娜,王治国,张复明,等.海河流域潜在蒸散发估算方法及其时空变化特征[J].南水北调与水利科技,2017,15(6):11-16,65.

[5] 裴步祥,邹耀芳.利用小型蒸发器观测水面蒸发量的几个问题[J].气象,1989,15(6):12-18.

[6] 刘敏,沈彦俊,曾燕,等.近50年中国蒸发器蒸发量变化趋势分析[J].地理学报,2009,64(3):259-269.

[7] 王永亮,张学知,乔光建.河北省平原区20 m2水面蒸发池与不同型号蒸发器折算系数分析[J].水文,2012,32(4):58-62.

[8] 邓集贤,杨维权,司徒荣,等.概率论及数理统计[M].北京:高等教育出版社,2009.

Study on Changes of Evaporation and Pollution in Hengshui Lake

MENG Shujin

(Ecological environmental monitoring Centre of Hengshui, Hebei Provience, Hengshui, Hebei 053000, China)

The present study adopted the observation data from a 20 m2evaporation pond of Hengshui Lake, and the synchronous calculation was carried out and found the water surface evaporation of Hengshui Lake is closer to that of natural water body. Furthermore, the changes of evaporation, pollutant concentration and pollution index were further studied. The results through calculating and investigating the evaporation data showed that the average surface evaporation of Hengshui Lake during 2009-2019 was 764 mm, with the maximum evaporation in 2015 and 2017, and the minimum evaporation in 2013. The annual evaporation of Hengshui Lake varies slightly. The maximum annual average evaporation of Hengshui Lake appears in summer. Evaporation is the main pattern of water loss in Hengshui Lake. The calculation of evaporation can help investigate the annual water loss in Hengshui Lake, and then supplement water reasonably, reduce the error of water balance analysis, and improve the ecological environment of Hengshui Lake.

Hengshui Lake;water surface evaporation; a 20m2evaporation pond; pollution

10.3969/j.issn.1673-2065.2021.04.003

孟淑锦（1972－），女，河北安平人，高级工程师。

P331

A

1673-2065(2021)04-0010-06

2021-03-29

（责任编校：李建明 英文校对：李玉玲）