朱昊彧， 隗嵐琳， 林妙麗， 杜云彬

(1.重慶交通大學河海學院， 重慶 400074； 2.南京水利科學研究院生態(tài)環(huán)境研究所， 江蘇 南京 210098)

生態(tài)流量是維持河流生態(tài)系統(tǒng)健康可持續(xù)發(fā)展的基本要素，保障河流生態(tài)流量是落實五大發(fā)展理念、推進生態(tài)文明建設、保障區(qū)域水安全和生態(tài)安全的基本要求?！吨腥A人民共和國水法》《中華人民共和國水污染防治法》《關于實行最嚴格水資源管理制度的意見》(國發(fā)〔2012〕3號)等法規(guī)政策均明確規(guī)定，國務院有關部門和縣級以上地方人民政府在開發(fā)、利用和調節(jié)、調度水資源時，應當注意維持江河的合理流量和湖泊、水庫以及地下水的合理水位，維護水體的自然凈化能力。2015年4月國務院印發(fā)的《水污染防治行動計劃》明確要求“完善水量調度方案，合理安排閘壩下泄水量和泄流時段，維持河湖基本生態(tài)用水需求，重點保障枯水期生態(tài)基流”；2019年水利部明確了21條中等開發(fā)利用強度的河流開展生態(tài)流量保障試點工作，并將生態(tài)流量保障工作作為“水利工程補短板、水利行業(yè)強監(jiān)管”的重點優(yōu)先突破領域。

近年來，隨著派河中下游地區(qū)社會經濟的發(fā)展和人口膨脹，排入派河中下游干流的污染物增多[1]，水體水質持續(xù)惡化，導致干流水體富營養(yǎng)化加劇，水華現(xiàn)象頻發(fā)，嚴重威脅了區(qū)域水安全和生態(tài)安全，對河流健康構成嚴重威脅，給巢湖流域生態(tài)文明建設帶來了新的挑戰(zhàn)。盡管在《巢湖綜合治理綠色發(fā)展總體規(guī)劃》等相關規(guī)劃中，對派河干流的水環(huán)境進行過分析，但受歷史原因影響，過去派河流域的水資源開發(fā)利用規(guī)劃，對中下游干流生態(tài)需水考慮的不夠深入。派河水生態(tài)系統(tǒng)不斷退化，引發(fā)了一系列生態(tài)環(huán)境問題，引起了社會的廣泛關注。

為貫徹落實十八大提出的關于加強生態(tài)文明建設的重要精神，促進派河中下游地區(qū)經濟社會發(fā)展與水資源、水環(huán)境承載能力相協(xié)調，開展派河中下游干流河道內生態(tài)需水研究十分必要，也非常緊迫。本研究以期為保障派河干流及其主要基流生態(tài)基流量、改善派河中下游地區(qū)河道水質、維系區(qū)域生物多樣性和生態(tài)系統(tǒng)健康提供支撐，為后期水利工程的規(guī)劃建設的生態(tài)流量保障提供依據。

1 派河水環(huán)境現(xiàn)狀

派河是巢湖主要入湖支流，發(fā)源于江淮分水嶺周公山，干流經城西橋、上派、中派、下派進入巢湖，全長60 km，流域面積584.6 km[2]。河道上游彎窄流急，下游寬直流緩，枯水季節(jié)水深約1 m。根據派河中下游干流面臨的主要生態(tài)環(huán)境問題，確定派河干流為研究對象，全長48.9 km，綜合考慮基礎資料系列長度及完整性，關鍵斷面選取派河入巢湖口處(國控斷面)作為關鍵控制斷面。

表1為國控斷面2016—2018年3年月平均水質指標，其中流量由逐日平均流量計算獲得。由表中可以看出，各水質指標含量在1—6月較高，主要原因可能在于1—3月流量較低且冬季水體營養(yǎng)物消耗較低，而4—7月降雨帶來部分面源污染引起水質惡化[3]，COD的增加也印證了這一點。8—12月水質有轉好趨勢，主要原因在于該時期水體交換能力增加，自凈能力增強。

表1 2017年月平均水量水質指標

根據中華人民共和國地表水環(huán)境質量標準(GB3838-2002)，對派河3種主要污染物指標進行評價，評價結果如表2。派河3種單體指標大多處于Ⅳ～劣Ⅴ類標準之間，綜合評價多處于Ⅴ和劣Ⅴ類標準，其中COD基本處于Ⅳ類標準，TP處于Ⅳ類和Ⅴ類水質標準，而NH3-N多處于Ⅴ和劣Ⅴ類標準。河道水質在1—7月為劣Ⅴ類、8—12月多為Ⅴ類水質，主要污染物為NH3-N[1]。

表2 平均水質年內變化情況

2 研究方法

2.1 研究現(xiàn)狀

2018年布里斯班的宣言對生態(tài)需水定義進行修訂：“維持水生生態(tài)系統(tǒng)所必需的淡水水量、時間、水質以及水位，進而支持人類文化、經濟、可持續(xù)的發(fā)展”。經修訂后定義涵蓋了流水，靜水和依賴于地下水的生態(tài)系統(tǒng)以及可能在這些狀態(tài)之間交替的水生生態(tài)系統(tǒng)。根據研究目的和保護目標，國外發(fā)展了多種確定河流環(huán)境流量的方法，從單純的水文學法，發(fā)展到水力學法，進一步發(fā)展到整體性方法。水文學法假定生物與流量變化之間存在響應關系，保護水平直接和流量相關，并且隨著流量的增加保護水平提高。水力學和生境方法則假設生物的響應或者與濕周有關、或者與生境有關，而且隨著流量的增加，這種響應關系呈現(xiàn)非線性。

我國自20世紀70年代開始探索生態(tài)需水研究，包括概念、計算方法等，主要以借鑒國外為主。2000年以后，生態(tài)需水的相關概念如最小生態(tài)需水、適宜生態(tài)需水等被不斷提出，計算方法也多種多樣。該階段不僅關注生態(tài)需水量，還開始關注生態(tài)流量過程、發(fā)生時間和頻率等更多的水文要素。2011年至今，更加注重生態(tài)用水與河流治理開發(fā)、修復等方面的結合，開始強調生態(tài)用水調度等方面的實踐管理工作。在2018年修改的《中華人民共和國水污染防治法》第二十七條明確“國務院有關部門和縣級以上地方人民政府開發(fā)、利用和調節(jié)、調度水資源時，應當統(tǒng)籌兼顧，維持江河的合理流量和湖泊、水庫以及地下水體的合理水位，保障基本生態(tài)用水，維護水體的生態(tài)功能”。社會開始關注河湖生態(tài)需水，各地針對自身情況，也積極開展了一些實踐管理的探索。目前，國內外對如何確定適宜的環(huán)境流量進行了大量研究，這些研究方法根據原理的不同大致可以分為4類[4]：

(1)水文學法：主要基于歷史數據，很少考慮河流或其生物群落的特殊性。

(2)水力學法：主要利用流量和河流形態(tài)的關系，例如水深、流速、濕周計算出河流的生態(tài)流量。

(3)生境模擬法[5]：利用水生生物和河道水力參數來共同確定河道內所需要的合理生態(tài)流量。

(4)綜合法：需要收集待研究河流的各種數據，并且需要建立河流流量特征與主要生態(tài)需水之間的結構聯(lián)系。

2.2 研究方法

目前我國不同領域提出了不同環(huán)境流量計算方法，這些方法大多是借鑒國外的方法，方法的合理性和機理值得進一步探討?？紤]到國內大量現(xiàn)場觀測數據缺乏的情況，實際分析河流環(huán)境流量時，應結合研究區(qū)域的實際情況采用不同的計算方法，分析不同環(huán)境流量計算方法的優(yōu)缺點，對比已有的基礎資料，選擇出適合的計算方法。由于派河缺乏長時間、長序列的水文、水質、生物監(jiān)測資料，難以對派河環(huán)境流量進行水文學和綜合法進行研究。目前，派河生態(tài)流量以控制環(huán)境污染物為主要目標，以模型計算法為主要計算方法，在研究斷面處，針對斷面特征，組合不同的水動力條件和污染輸入負荷，設置多情景模擬，根據規(guī)劃水質達標要求，推求不同條件下滿足水質達標的斷面生態(tài)流量。該方法作為派河污染物控制的依據可行，方法較為合理。

本研究通過對基礎資料的系統(tǒng)整理分析，摸清派河干流水質、生態(tài)流量等方面的基本特征和演變規(guī)律。以關鍵斷面(國控斷面)為水質控制的重點對象，分析派河中下游河道內天然徑流和實測徑流的時間變化特征；重點分析關鍵斷面生態(tài)環(huán)境用水、水污染等時空演變情況。通過構建水質數學模型并與水動力模型耦合，根據歷史資料和水環(huán)境達標要求，選定NH3-N、TP模擬其時空變化特征，推求關鍵斷面水質變化情況下的環(huán)境需水量。針對目標在計算過程中的分析單元、時間尺度及過程等進行標準化處理，統(tǒng)一時間尺度(日、月、年)、空間尺度(以控制斷面為主要依據)、計算情景(不同來水量)等各種輸入條件、計算情景、輸出成果等進行統(tǒng)一設定，確保NH3-N、TP指標環(huán)境需水的統(tǒng)一融合。其中，模型選取與水質資料對應的2017年1月1日至2017年12月31日水文、水質資料作為模型邊界，在該時期的水動力模型基礎上進行水環(huán)境模型計算。

3 計算結果

本研究污染負荷采用日平均值，代入模型校驗派河國控斷面環(huán)境調水流量結果見表3。NH3-N環(huán)境調水量均高于TP環(huán)境調水流量，因此環(huán)境調水量以NH3-N環(huán)境調水量為主，結果如圖1。結果表明，派河干流(國控斷面)水質達到Ⅳ類水標準時，年平均環(huán)境調水流量為3.39 m3/s，派河干流(國控斷面)水質達到Ⅴ類水標準時，年平均環(huán)境調水流量為1.45 m3/s。

圖1 派河(國控斷面)水質達標后生態(tài)流量對比分析

表3 派河各月份對應水質指標環(huán)境調水量計算結果

派河干流(國控斷面)水質達到Ⅳ類、Ⅴ類水標準時，環(huán)境調水量見圖2?？梢钥闯?，在單一年度內，派河水質達標需要調水量在年內變化較大，在水質達到Ⅳ類水標準時，春夏秋冬四季調水量分別需要6.06 m3/s、4.08 m3/s、0.98 m3/s、2.42 m3/s；水質達到Ⅴ類水標準時，春夏秋冬四季調水量分別需要3.58 m3/s、1.88 m3/s、-0.40 m3/s、0.76 m3/s。

圖2 派河(國控斷面)水質達標后環(huán)境調水量對比分析

根據模型計算法計算結果，派河干流春夏季(2—7月)需要調較多外來水量，消減派河污染程度，秋冬季(8月—次年1月)需要調水水量較少。

這與肥西縣多年平均降水量變化過程基本呈相反趨勢(圖3)?？梢酝茰y，派河上游水質較差，因此在枯水期，派河水質改善需要調集更多外部水源；在豐水期，受降雨補給稀釋的影響，派河水質有所改善。

圖3 肥西縣多年平均年內降雨分配過程

4 結 論

近年，派河總體水質略有好轉，但水體污染覆蓋面仍較大，主要污染指標有NH3-N、TP等。為改善派河水質，派河流域內近年來修建了3座比較大型的污水處理廠，監(jiān)測數據表明，西部組團、中派污水處理廠處理效率較高，出水水質均達到Ⅲ類，一定程度改善了派河水質。為更好改善派河水質，考慮對沿程點源、非點源進行截污、提高污水處理廠處理能力的同時，可通過引入潔凈水源，尤其在枯水期流量較小時可有效改善河道水環(huán)境質量，增強水體流動性與自凈能力，進而提升河網的水環(huán)境容量。