孟淑錦

衡水湖蒸發(fā)量與污染變化情況研究

孟淑錦

（河北省衡水環(huán)境監(jiān)測中心，河北 衡水 053000）

利用20 m2蒸發(fā)池測得衡水湖水面蒸發(fā)量數(shù)據(jù)，并進行同步計算，得到衡水湖水面蒸發(fā)量更接近天然水體的蒸發(fā)量，并進一步研究蒸發(fā)量的大小與污染物濃度和污染指數(shù)的變化情況。通過計算研究蒸發(fā)量數(shù)據(jù)，衡水湖2009—2019年這11年間平均水面蒸發(fā)量為764 mm，蒸發(fā)量最大值在2015年與2017年，最小值在2013年，衡水湖年際蒸發(fā)量變化較?。缓馑陜?nèi)平均蒸發(fā)量最大值出現(xiàn)在夏季。蒸發(fā)量是衡水湖水量損失最主要的途徑，研究計算蒸發(fā)量可以深入了解衡水湖湖水年損失量，進而合理補水，減小水平衡分析誤差，從而改善衡水湖的生態(tài)環(huán)境。

衡水湖；蒸發(fā)量；20 m2蒸發(fā)池；污染

1 衡水湖保護區(qū)概況

河北衡水湖國家級自然保護區(qū)位于河北省衡水市內(nèi)，跨桃城、冀州兩區(qū)，北距雄安新區(qū)120 km，是“引黃濟淀”的必經(jīng)之地。保護區(qū)管理邊界范圍東至五開河村東地界，西至大寨村，南至堤里王，北接滏陽河，地理坐標為東經(jīng)115°28′27″～115°41′54″，北緯37°31′39″～37°41′16″，總面積為163.65 km2[1]。

衡水湖保護區(qū)是以保護珍稀瀕危鳥類及其棲息地、濕地生態(tài)系統(tǒng)為主的濕地生態(tài)系統(tǒng)類型的自然保護區(qū)，為華北平原典型的濕地生態(tài)系統(tǒng)保護區(qū)，屬暖溫帶大陸季風氣候區(qū)，冷暖、干濕差異顯著，四季分明，光熱資源充沛，雨量集中，生物多樣性豐富，其中有鳥類324種，植物538種，昆蟲535種，魚類40種，兩棲爬行類34種，哺乳動物20種。

2 水文與水資源

2.1 衡水湖

解放初期，衡水湖湖域面積為120 km2。1967年海河工程實施后，衡水湖在修建了滏陽新河和滏東排河后，湖域面積為75 km2，20世紀70年代，被分隔為東湖、西湖和冀州小湖。此外，在衡水湖周邊還有一些因古河道改道和洪水泛濫遺留的許多深淺不一的分散小水體。歷史上東湖濕地面積42.5 km2，近些年來隨著人類活動增加，部分沿湖沼澤濕地被開墾為農(nóng)田，2017年遙感監(jiān)測結(jié)果顯示整個東湖水域面積39.94 km2（含冀州小湖），目前只有東湖常年蓄水，水源主要引自黃河，2005年曾從岳城水庫引水。

2.2 河流水系

衡水湖保護區(qū)周邊河流屬海河流域的黑龍港流域。有滏陽河、滏陽新河和滏東排河三條主要河流流經(jīng)保護區(qū)北側(cè)，河水均自西向東北流，并有涵閘與衡水湖相通。滏陽河是目前衡水湖周邊主要的自然河流，流域面積為21 737 km2；滏陽新河是為治理滏陽河泛濫而人工開挖的大型行洪排澇河道，行洪能力為50年一遇設(shè)計流量2800 m3/s，校核流量5700 m3/s；滏東排河系修筑滏陽新河南堤時取土留下的河道，流域面積4386 km2。保護區(qū)東側(cè)和南側(cè)有冀碼渠、冀南渠、衛(wèi)千渠、鹽河故道。冀碼渠和衛(wèi)千渠是保護區(qū)最重要的兩條人工河道。外部引水通過上述渠進入衡水湖。

3 衡水湖水面蒸發(fā)量

3.1 水面蒸發(fā)量

由于衡水湖主要水源來自引流黃河水，每年冬季調(diào)水。衡水湖水量除受日常生產(chǎn)生活影響外，蒸發(fā)量也是重要影響因素。隨著時間變化蒸發(fā)量逐漸增加，湖內(nèi)水量減少，需延續(xù)到下一年調(diào)水進行補充，完成一個年周期變化[2]。

衡水湖蒸發(fā)量是評價區(qū)域水文循環(huán)的重要環(huán)節(jié)，蒸發(fā)量將直接導(dǎo)致氣候變化，進而對人類的生產(chǎn)生活產(chǎn)生影響。隨著社會的發(fā)展，水資源的開發(fā)利用越來越高效，因此對衡水湖水資源進行更為精確的評價尤為重要。衡水湖蒸發(fā)量的研究可以實現(xiàn)對水資源的高效管理，對水資源的可持續(xù)發(fā)展具有重要的科學意義[3-4]。

3.2 試驗方法

常用的水面蒸發(fā)測定方法包括：20 cm口徑蒸發(fā)器、80 cm口徑套盆蒸發(fā)器、E601蒸發(fā)器、水上漂浮蒸發(fā)器、20 m2蒸發(fā)池和100 m2大型蒸發(fā)池[5]。國內(nèi)外許多分析資料認為，當蒸發(fā)池的直徑大于3.5 m時，所測得的水面蒸發(fā)量比較接近大水體在自然條件下的蒸發(fā)量[6]。因此，參照前人的研究標準及衡水湖地理水文現(xiàn)狀，采用20 m2蒸發(fā)池作為研究對象能夠準確得出衡水湖水面蒸發(fā)量。

具體檢測方法為每日8時、20時觀測兩次。在封凍期，每日觀測次數(shù)為1次，觀測時間為14時。在初冰期和解凍期，覆蓋冰蓋很薄，中午靠近池壁的部分融化，冰體呈自由漂浮狀，可正常觀測逐日蒸發(fā)量[7]。在封凍期，覆蓋加厚導(dǎo)致對冰下水擠壓，為防止池壁變形或開裂，用連通管排水原理減壓。

3.3 計算方法

為了觀測結(jié)果的準確性，在采用20 m2蒸發(fā)器觀測的蒸發(fā)量數(shù)據(jù)應(yīng)乘以折算系數(shù)，才能作為實際水體的蒸發(fā)量估計值：

實際儀器，

式中實際：天然水面蒸發(fā)量（mm）；：折算系數(shù)；儀器：20 m2蒸發(fā)器觀測的水面蒸發(fā)量（mm）。

通過對衡水湖2009—2019年各年中不同月份水面蒸發(fā)量監(jiān)測，計算得到表1中數(shù)據(jù)。

表1 2009—2019年衡水湖水面蒸發(fā)量 mm

3.4 水面蒸發(fā)量年內(nèi)變化

衡水湖水面蒸發(fā)量受氣候、風速、陽光輻射等因素影響，蒸發(fā)量年內(nèi)變化較大。根據(jù)2009—2019這11年內(nèi)平均蒸發(fā)量數(shù)值統(tǒng)計，得到衡水湖水面蒸發(fā)量在6月份達到最大值，為110 mm，占全年蒸發(fā)量的14.17%；1月份蒸發(fā)量最小，為19 mm，占全年蒸發(fā)量的2.58%。衡水湖近年來月平均蒸發(fā)量情況見表2。年內(nèi)分布情況：年內(nèi)分布變化是春季（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，夏季溫度較高，水面蒸發(fā)量最大，冬季溫度較低以及封凍等因素導(dǎo)致水面蒸發(fā)量最小。春秋兩季水面蒸發(fā)量的影響因素主要為溫度與風速。

表2 2009—2019年衡水湖水面近年來各月份平均蒸發(fā)量

3.5 水面蒸發(fā)量年際變化

衡水湖各年份蒸發(fā)總量如表3所示。從表3中可以得到，2009—2019年衡水湖水面蒸發(fā)在基準值 770 mm上下波動，其中2015年與2017年蒸發(fā)量相同且較大，蒸發(fā)量為801 mm。2013年水面蒸發(fā)量為近11年最低值，蒸發(fā)量為738 mm。水面蒸發(fā)量變化對衡水湖區(qū)域生態(tài)環(huán)境和氣候的影響非常大，其中極值差能更準確地反應(yīng)蒸發(fā)量年際變化的情況。通過對比近11年數(shù)據(jù)得到衡水湖蒸發(fā)量極值差為69 mm。

表3 2009—2019年衡水湖年際蒸發(fā)量

極值比為年際蒸發(fā)量最大值與最小值之比[8]。極值比越大，反應(yīng)蒸發(fā)量年際變化越大；極值比小，年際變化小，蒸發(fā)量年際之間相對均勻。極值比可從相對角度反映年際變化特點。衡水湖水面蒸發(fā)量極值比為1.09。

衡水湖水面蒸發(fā)量變異系數(shù)（Cv）可更準確表示年際蒸發(fā)量離散程度。如果Cv較小，則年際蒸發(fā)量的離散程度較小，亦即系列各項的值同均值相差較??；Cv值越大，表示年降水量的年際變化越大。采用2009—2019年蒸發(fā)量資料計算，得到變異系數(shù)為0.034。表示在11年內(nèi)衡水湖蒸發(fā)量離散程度變化較小，趨于穩(wěn)定。

綜合上述分析，可以得到：衡水湖水面蒸發(fā)量分布變化較小。年際變化在2009—2019年期間為732～801 mm，極值差69 mm，極值比1.09，變異系數(shù)0.034。

衡水湖水面蒸發(fā)量年際變化不僅受風速、氣溫、氣壓等氣候因素的影響，還受生產(chǎn)生活年度用水量、蓄水量、引水水質(zhì)影響，這些直接影響到湖內(nèi)生物、植物的生長及鳥類的生長繁殖，從而引起蒸發(fā)量的年際變化。

3.6 衡水湖近年來降水和引水情況

衡水湖的蓄水量不僅受蒸發(fā)量的影響，同時受降水量和引黃水量的影響，2009—2019年來的降水量和引水量情況見表4。

表4 衡水湖近年來的年降水量和引水情況

4 衡水湖綜合污染情況和富營養(yǎng)化程度

綜合考慮衡水湖的湖區(qū)功能劃分、水動力特征和污染源分布等因素，按地表水監(jiān)測技術(shù)規(guī)范，布設(shè)衡水湖監(jiān)測垂線為4個，即王口閘、大湖心、小湖心、大趙閘，衡水湖評價采用GB3838-2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》中III類標準，污染情況使用水質(zhì)綜合污染指數(shù)法進行評價，衡水湖富營養(yǎng)化程度的評價采用綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法。

4.1 綜合污染指數(shù)年際變化

綜合指數(shù)評價法是對各污染指標的相對污染指數(shù)進行統(tǒng)計，得出代表水體污染程度的數(shù)值，該方法用以確定污染程度和主要污染物，并對水污染狀況進行綜合判斷。根據(jù)衡水湖近年來的監(jiān)測項目和評價項目的選擇原則，參評項目選擇：氨氮、化學需氧量、高錳酸鹽指數(shù)、五日生化需氧量、總磷共5項；監(jiān)測方法分別為納氏試劑分光光度法、高錳酸鉀法、酸性法、稀釋與接種法、鉬酸銨分光光度法。水樣保存、容器洗滌方法、采樣器的材質(zhì)和結(jié)構(gòu)均符合《水質(zhì)采樣器技術(shù)要求》和《地表水監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》中的規(guī)定；采用回收率實驗、精密度實驗和方法空白實驗進行質(zhì)量控制和保證，其中各項目的加標回收率控制在90%～110%，實驗過程中，每 10 個樣品為一批次，初始精密度的偏差＜20%，每 10 個樣品增加 1 個方法空白。水質(zhì)綜合污染指數(shù)的計算是在單項污染指數(shù)評價的基礎(chǔ)上計算得到的。綜合污染指數(shù)評價方法的計算公式為：

1）單項污染指數(shù)的計算方法

P=C/ C，

式中：P—監(jiān)測點項污染物的污染指數(shù)；

C—監(jiān)測點項污染物的年平均值；

C—項污染物的評價標準值。

2）綜合污染指數(shù)的計算方法

式中：P—監(jiān)測點水污染綜合指數(shù)；

參與分析評價的水質(zhì)指標總數(shù)。

水質(zhì)綜合污染指數(shù)的計算是基于不同類別標準的基礎(chǔ)計算得到的，所以綜合污染指數(shù)的比較只能在同一類別水體中進行，也可以進行年際比較，但不同類別的水體之間缺少可比性。衡水湖近年來綜合污染指數(shù)評價結(jié)果見表5。

表5 衡水湖綜合污染指數(shù)評價結(jié)果

注：項目未檢出時以檢出限+Ｌ表示。

4.2 富營養(yǎng)化程度的年際變化

衡水湖富營養(yǎng)化程度的評價采用綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法。綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法以葉綠素a（chla）、總磷（TP）、總氮（TN）、透明度（SD）、高錳酸鹽指數(shù)（CODMn）計算衡水湖綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)；檢測方法分別為葉綠素分光光度法、鉬酸銨分光光度法、堿性過硫酸鉀消解分光光度法、賽氏盤法和酸性法。

衡水湖富營養(yǎng)化程度的評價采用綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法，計算公式為：

式中：r—第種參數(shù)與基準參數(shù)chla的相關(guān)系數(shù)；—評價參數(shù)的個數(shù)，中國湖泊（水庫）部分參數(shù)與chla的相關(guān)關(guān)系r及r2值見表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）。

其中單位為 mg/m3，單位為 m；其他指標單位均為 mg/L。

表6 中國湖泊（水庫）部分參數(shù)與chla的相關(guān)關(guān)系rij及rij2值

綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法判定標準如下：

當（∑）＜30 貧營養(yǎng)；

30≤（∑）≤50 中營養(yǎng)；

（∑）>50 富營養(yǎng)；

50＜（∑）≤60 輕度富營養(yǎng)；

60＜（∑）≤70 中度富營養(yǎng)；

（∑）＞70 重度富營養(yǎng)。

通過統(tǒng)計衡水湖的葉綠素a（chla）、總磷（TP）、總氮（TN）、透明度（SD）、高錳酸鹽指數(shù)（CODMn）近年來的監(jiān)測結(jié)果，計算衡水湖綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)，結(jié)果見表 7。

表7 衡水湖近年來營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)表

4.3 綜合污染指數(shù)和綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)與蒸發(fā)量的相關(guān)性分析

對2009—2019年的衡水湖的綜合污染指數(shù)和綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)與蒸發(fā)量之間進行比對分析，按線性相關(guān)系數(shù)進行分析后發(fā)現(xiàn)，由于受降水量和引水量以及引水水質(zhì)的影響，綜合污染指數(shù)與蒸發(fā)量的相關(guān)性低于綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)與蒸發(fā)量的相關(guān)性，說明湖庫的富營養(yǎng)化程度更容易受蒸發(fā)量的影響。在數(shù)據(jù)的簡單對比中也可以看出，在2017年蒸發(fā)量最大的年份，降水和引水量也相對較小的情況下，綜合污染指數(shù)和綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)均達到了統(tǒng)計時段的最高值。

5 結(jié)論

通過利用衡水湖20 m2蒸發(fā)池觀測，進行同步計算衡水湖2009—2019年水面蒸發(fā)量，較準確地計算出衡水湖水面蒸發(fā)量。衡水湖年平均蒸發(fā)量764 mm，極值差69 mm，極值比1.09，變差系數(shù)0.034。年內(nèi)蒸發(fā)量變化受季節(jié)影響較大，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%。

蒸發(fā)量是衡水湖水量損失最主要的途徑，也是影響衡水湖污染指數(shù)變化的重要因素，研究計算蒸發(fā)量可以深入了解衡水湖湖水年損失量，進而合理補水，減小水平衡分析誤差，為濕地生態(tài)環(huán)境的平衡、引水調(diào)度、生產(chǎn)生活用水及鳥類繁殖孵化所需水位提供科學的依據(jù)，從而改善衡水湖的生態(tài)環(huán)境和降低富營養(yǎng)化程度。因此，研究計算衡水湖蒸發(fā)量對保護和開發(fā)衡水湖濕地環(huán)境具有重要的意義。

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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

孟淑錦（1972－），女，河北安平人，高級工程師。

P331

A

1673-2065(2021)04-0010-06

2021-03-29

（責任編校：李建明 英文校對：李玉玲）