第1章绪论
1.1白洋淀淀区基本情况
白洋淀位于河北省中部，西距保定市区30km，北距北京162km，东距天津155km，地处京津冀腹地。其地理坐标范围为115°38′～116°07′E，38°43′～39°02′N。白洋淀淀区总面积约366km2，东西长39.5km，南北宽28.5km，四周以堤坝为界，东至千里堤，西至西门堤，南至淀南新堤，北至新安堤，见图1-1。白洋淀位于太行山东麓永定河冲积扇与瀑河冲积扇相夹持的低洼地区，为冲积平原洼地。白洋淀上承九河，下注渤海，地势低洼，是我国*具代表性的典型湿地之一。白洋淀位于保定市东南部，素有“九河下梢”之称，保定市境内白沟引河、萍河、瀑河、漕河、府河、唐河、孝义河、潴龙河直接入淀。2017年之前，仅有府河、孝义河常年有水汇入白洋淀，且为中水或雨水；其余河流为季节性河流，无生态补水的情况下河流处于干涸断流的状态。白洋淀河淀相连，沟壕纵横，田园交错，形成了*特的自然景观，有3700多条沟壕，河道把大小不一的143个淀泊连成一体。
图1-1白洋淀流域及淀区水系图
白洋淀地区属于温带大陆性季风气候，年均温度为7～12℃，*低温度往往出现在1月，*热的月份是7月。平均年降水量为550mm，年均蒸发量1637mm。地区降水量年内变化较大，其中，89.7%的降水量集中在每年的5～10月，见图1-2。
图1-22006～2016年白洋淀地区多年月均降水量和气温
1.2白洋淀上游河流基本情况
白洋淀是海河流域大清河水系中游重要的缓洪滞洪区，承担着上游河流的洪水调蓄任务。上游河流的来水是白洋淀蓄水的主要来源，对淀区水环境质量改善和水生态系统健康水平提升起着至关重要的作用。白洋淀上游河流地处大清河淀西平原水资源三级区，为海河流域大清河水系的中上游。白洋淀上游河流所处保定市位于河北省中西部，太行山北部东麓，冀中平原西部；地势均由西北向东南倾斜，西北部为山区和丘陵地带，其余大部分地区处于山前冲洪积平原。
海河流域大清河水系的*大特点是多条河流呈扇形分布，主要河流包括（图1-3）：府河、孝义河、拒马河、唐河、潴龙河、漕河、瀑河、萍河。
图1-3白洋淀上游主要水系与补水线路图
1.2.1府河
府河发源于保定市城区西部的一亩泉村附近，经安州镇、南刘庄，于建昌村入藻苲淀。上游支流有一亩泉河、百草沟、侯河、清水河、金线河，其中一亩泉河为主要支流。流域面积781km2，全长62km。府河是排沥河道，上游无基流汇入，常年处于干涸状态，仅雨季存蓄少许雨水。支流侯河、百草沟、清水河下游、金线河均出现断流。保定市三座城镇污水处理厂建成后，府河主要接纳保定市城区雨水及三座城镇污水处理厂的出水（胡国成等，2011；汤景梅等，2014；孙洪欣等，2015）。
西大洋水库水源自水库下泄至唐河总干渠，流至保定市城区西北大水系分水闸分流，生态补水部分通过保定市城区北黄花沟汇入府河，部分通过保定市城区南一亩泉河汇入府河。
1.2.2孝义河
孝义河发源于定州市，原是唐河的一条支流。孝义河是潴龙河以北、唐河以南的一条主要排沥河道。王快水库水源自水库下泄至沙河总干渠，而后自蠡县沙河总干渠出口进入月明河，经月明河*终汇入孝义河入淀。月明河为孝义河支流，源于安国市，经博野县入蠡县境南，又东流北转经胡村、东河、辛兴村西入孝义河。月明河流经县境内长16.9km，为排沥河和季节河（梁国伟等，2014）。
孝义河于车里营村南、潘营村东会月明河，又北经黄家庄、万安，从万安向东由人工改道，沿四门堤东流，经高阳县南路台、史家佐至高阳城南，而后向北至雍城村西北入马棚淀（李登峰，2020；李光浩和陈巧红，2020；宋凯宇等，2020）。
1.2.3拒马河
拒马河为大清河支流，发源于河北省涞源县西北太行山麓，在北京市房山区十渡镇套港村入北京市界，流经十渡风景区、张坊镇、南尚乐乡。在张坊镇张坊村分为南北两支。北支为北拒马河，流经南尚乐乡，至东茨村以下称白沟河，在白沟镇与南拒马河汇合入大清河。南拒马河纳中易水、北易水后在白沟镇与白沟河汇合后称大清河。新盖房处建有水利枢纽，将大清河北支分为三支：一支经白沟河进水闸引部分洪水入白洋淀；另一支经大清河灌溉闸引少量灌溉用水入大清河；再一支经分洪闸及洪堰引大部分洪水经新盖房分洪道入东淀，目前为季节性河流。
安格庄水库水源自水库下泄至中易水河，而后在北河店处北易水河汇入，紧接着在下游一千米处汇入南拒马河，流经南拒马河在新盖房处流入白沟引河，*终经白沟引河入淀。中易水河由水库向东流，经燕下都故址南，在周任村出易县进入定兴县境内，复向东南至东引村南与北易水河汇合，至北河铁路桥以西汇入南拒马河。中易水河干流长46km。水库以下至汇合口的中易水河流域面积为489km2（唐圣斌等，2007；李明朝，2020）。
1.2.4唐河
唐河源于山西省浑源县，经山西省灵丘县，河北省涞源县、唐县，后经唐梅、白合、通天河汇入西大洋水库，后途经定州、望都、清苑等县市，于安新县山口镇注入白洋淀。唐河总流域面积4990km2，全长333km。唐河已多年断流。
1.2.5漕河
漕河发源于保定市易县境内的五回岭，属海河流域大清河水系，自西北向东南流经易县、满城区低山丘陵区至满城区市头村。原为徐河的支流，在漕河镇，源于西北曹河泽水入徐水，始称漕河。后改流汇入府河，入藻苲淀。目前处于断流状态。
1.2.6潴龙河
潴龙河上游主要支流水系由沙河、磁河及孟良河汇合而成，流经阜平县、安国市、灵寿县、*阳县、博野县、蠡县，下游出高阳县后注入白洋淀，因受上游水库控制河水流量变幅很大。潴龙河是大清河南支*大的行洪河道，为季节性河流、多沙性河道。流域面积8600km2，北郭村至白洋淀河道长80.5km。该河河口宽为250～500m，河底纵坡为1/833～1/6850，总流域面积8425km2，其中山区占5055km2。河上建有分洪道，主河道两岸有堤防，其右堤为千里堤，目前处于断流状态。
1.3白洋淀生态补水情况
在气候变化和人类活动影响下，白洋淀上游河流自产径流衰减严重，水资源供需矛盾日益严重。保定市境内8条河流中仅府河、孝义河常年有水（为污水处理厂处理后中水）入白洋淀，拒马河为季节性河流，潴龙河、唐河、漕河、瀑河、萍河长期干涸。
上游水系的来水是白洋淀水量的主要来源，入淀水量减少导致白洋淀自20世纪80年代以来出现多次干淀。为维持白洋淀生态系统健康，自1981年以来，水利部门已经多次向白洋淀进行生态补水。早期上游的大型水库，即安格庄水库、西大洋水库、王快水库为主要的补水水源。另外随着引黄入冀补淀工程投入运行，引黄水也成为补水的重要来源之一。近年来南水北调中线工程通过北易水退水闸经北易水河—南拒马河—白沟引河以及瀑河退水闸—瀑河进行了多次补水。目前形成了再生水常态补水、引黄水冬季补水、水库水春秋补水、引江水相机补水的多元补水格局。主要补水路线如图1-3所示。
1.4国内外相关领域研究进展
白洋淀补水*直接的目的是满足湿地生态系统的生态用水需求，但是考虑到白洋淀及其上游河流的实际情况，如何应对水污染问题是在生态补水决策过程中不可忽略的问题。先治污后补水应是提升白洋淀生态补水社会经济与生态环境效益的必由之路，国内外相关领域研究进展如下。
1.4.1白洋淀上游河流水质演变规律
白洋淀上游河流水环境问题很早就受到学者们关注，一直是该流域环境问题的研究重点。历来的研究围绕水环境质量演变规律分析开展了河流水环境质量评价、污染物来源解析与负荷估算等工作。
水环境质量评价能够指导水污染防治工作的开展，是分析水质变化规律的重要手段（佟霁坤等，2020）。张强（2020）基于污染指数法和内梅罗综合指数评价法评价了流域中25个断面18项因子，结果表明2017年各河流总氮、总磷含量较高，河流总体污染程度从重到轻依次为府河、大清河、孝义河、白沟引河。陈杰（2019）通过单因子指数评价法、综合污染指数法和内梅罗污染指数法对2018年的白洋淀流域府河水质评价得出，9个因子中主要污染因子为总氮、化学需氧量和氨态氮。贾龙凤（2015）基于水质标识指数评价府河2014年水质的级别为劣Ｖ类，主要污染指标为化学需氧量、氨氮、总氮，且污染有加剧的趋势。朱珍妮（2017）运用水体理化指标、附着藻类多样性指数和附着藻类光合活性3种评价方法对2016年府河水质进行综合评价，结果表明府河总体已呈中营养化，有较明显的富营养化趋势；府河水质从优到劣依次为秋季、夏季、春季，府河水污染自上游向下游逐渐减轻。戎曼丝（2015）通过综合营养状态指数法评价得出，2014年府河春季、秋季属于中度富营养，夏季多处于重度富营养状态。
污染物来源解析与负荷估算是水环境质量研究中不可缺少的一步，为分析河流沿程污染成因提供基础。Brauns等（2016）通过粮食种植试验与地球化学模型结合分析，得出过量农业生产的肥料投入以及工业、生活污水排放增加是加重白洋淀流域污染的主要原因。梁慧雅等（2017）通过水化学及水中同位素分析，得出白洋淀上游河流氮素主要来源为生活污水或者工业废水，同时河流的水污染物是白洋淀淀区水污染物的主要来源。张铁坚（2019）利用APCS-MLR模型解析出河流丰水期污染来源主要为城市和农村面源、底泥内源、污水排放；平水期主要为污水排放和城市面源；枯水期主要为污水排放和底泥内源。黄诗涵等（2019）通过实地采样结合沿岸景观分析，得出府河主要污染原因是城市面源，尤其是未经处理的生活污水排放对水质影响极大。对于不同类型的污染来源，孙添伟等（2012）通过现场调查得出生活垃圾在总氮、总磷年入河负荷中占比达70%。
1.4.2生态补水对河流水质影响机制
早在20世纪90年代，国外学者就开始研究生态补水对河流水质的影响。1991年，田纳西（Tennessee）河管理局为改善下游河道的水质状况，使河道具有良好的流场特性，通过补水增加水库的下泄流量，保护了下游生态环境（董哲仁，2006）。Edwards等（1997）评估了英格兰亨伯（Humber）河补水效果，生态补水提升了河流与河口的水质。Karamouz等（2010）通过人工神经网络模拟了跨流域调水对卡伦（Karoon）河流域水质的提升作用，并分析了补水水量优化策略。Gunawardena等（2017）通过耦合流域模型与河流模型估算了斯里兰卡凯拉尼（Kelani）河下游区域的污染物转移系数，为确定补水水量与工业污染控制政策提供基础。
近年来我国也有许多学者开展了相关领域研究。梁媛等（2014）采用模糊综合评判法分析得出太湖引水后黄浦江水质类别有所提升。陈建标等（2014）利用原型调水试验数据建立了南通市河网水量水质模型，评估得出引江调水对河网氨态氮和化学需氧量污染有改善效果。贾海峰等（2013）对吴淞江甪直镇河网的22个断面进行了8次同步水文监测，分析得出水动力条件与水质状况存在较大的相关性，补水使得溶解氧浓度上升，水质改善。刘国庆等（2019）对无锡运东片水系开展了连续6天的水动力水质同步原型观测，分析得出水质提升对补水的响应程度依次为总氮、氨态氮、总磷、溶解氧。Song等（2021）通过对浮游植物群落采样分析，得出补水水源中的浮游植物能够显著影响接受水体，甚至加重水华发生的风险。
近年来，随着数值模拟方法的普及，研究生态补水更多地从原位观测转向建立数学模型。陈振涛等（2015）构建河网水质模型，分析得出随着补水水量的增大，河网水质改善幅度逐渐变小，补水水源水质的提升对河网水质提高有明显效果。Zhou等（2020）建立水量水质耦合模型来分析无锡市水系的补水路线与补水流量，通过情景评估得出能够*大程度优化水质的补水量。王雪等（20
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