高園園，郭 悅，段茂慶，苑飛燕，王乙震，劉振環(huán)*

(1.生態(tài)環(huán)境部海河流域北海海域生態(tài)環(huán)境監(jiān)督管理局生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)與科學(xué)研究中心，300170，天津； 2.水利部發(fā)展研究中心，100038，北京)

0 引言

近年來(lái)，永定河流域水生態(tài)環(huán)境質(zhì)量修復(fù)逐步受到關(guān)注。2014年3月，習(xí)近平總書記在中央財(cái)經(jīng)領(lǐng)導(dǎo)小組第五次會(huì)議上提出：“要統(tǒng)籌永定河、潮白河上下游用水，進(jìn)行中小河流綜合治理?！?015年4月30日，中央政治局會(huì)議審議通過(guò)的《京津冀協(xié)同發(fā)展規(guī)劃綱要》也指出要推進(jìn)包括永定河在內(nèi)的“六河五湖”生態(tài)治理與修復(fù)[1]。2021年3月11日，十三屆全國(guó)人大四次會(huì)議表決通過(guò)的《中華人民共和國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十四個(gè)五年規(guī)劃和2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要》第十一篇第十九章“專欄15”環(huán)境保護(hù)和資源節(jié)約工程中明確提出“實(shí)施永定河、木蘭溪等綜合治理，加快華北地區(qū)及其他重點(diǎn)區(qū)域地下水超采綜合治理和黃河河口綜合治理”。由此可見(jiàn)，永定河在保障與維持區(qū)域生態(tài)安全中的地位越來(lái)越重要。

目前隨著永定河生態(tài)補(bǔ)水工程的有效落實(shí)，其功能性與服務(wù)性日漸凸顯。根據(jù)《永定河生態(tài)用水保障合作協(xié)議》，2020年年底實(shí)現(xiàn)了永定河水到大興國(guó)際機(jī)場(chǎng)的通水目標(biāo)，計(jì)劃于2022年實(shí)現(xiàn)永定河全線通水。與此同時(shí)，永定河生態(tài)水量調(diào)度也為2022年北京冬奧會(huì)水資源、水生態(tài)環(huán)境需求提供重要水資源支撐。本文基于永定河流域國(guó)控?cái)嗝嫠|(zhì)與調(diào)水信息溯清了永定河流域引黃補(bǔ)水存在的主要問(wèn)題，對(duì)指導(dǎo)流域進(jìn)一步優(yōu)化調(diào)水方案，改善永定河水生態(tài)環(huán)境質(zhì)量具有一定的實(shí)踐意義。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

永定河是海河流域七大水系之一，流經(jīng)內(nèi)蒙古、山西、河北3省、北京、天津2個(gè)直轄市。流域總面積4.7 萬(wàn)km2，上游分別由桑干河與洋河兩大支流組成，以桑干河為正源，其上源為源子河與恢河，兩河于朔州附近匯合后入東榆林水庫(kù)，下始稱桑干河，全長(zhǎng)約506 km[2-3]，流域河流全長(zhǎng)約747 km(圖1)[4-5]。

圖1 永定河流域水系關(guān)系概化圖

永定河是“六河五湖”中的重要河流之一，是京津冀區(qū)域重要的水源涵養(yǎng)區(qū)、生態(tài)屏障和生態(tài)廊道，長(zhǎng)期以來(lái)存在水資源過(guò)度開發(fā)、環(huán)境承載力差、污染嚴(yán)重、生態(tài)系統(tǒng)退化、防洪隱患等突出問(wèn)題[6-9]。為解決永定河上游來(lái)水減少，持續(xù)干旱等系列問(wèn)題，2019年自首次“引黃入京”，對(duì)永定河進(jìn)行生態(tài)補(bǔ)水(自引黃隧洞由七里河進(jìn)入太平窯水庫(kù)，沿桑干河調(diào)水)。截至2020年10月27日，累計(jì)向官?gòu)d水庫(kù)以上永定河生態(tài)補(bǔ)水約5.36 億m3，官?gòu)d水庫(kù)累計(jì)向下游永定河補(bǔ)水5.32 億m3。2021年官?gòu)d水庫(kù)以上各類工程累計(jì)補(bǔ)水7 833 萬(wàn)m3，官?gòu)d水庫(kù)向下游補(bǔ)水2 140 萬(wàn)m3，小紅門再生水廠向永定河生態(tài)補(bǔ)水63 萬(wàn)m3。

1.2 數(shù)據(jù)與方法

本文以永定河流域14個(gè)水質(zhì)監(jiān)測(cè)斷面2016—2020年逐月水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，其中桑干河及其支流7個(gè)，洋河及其支流3個(gè)，永定河4個(gè)，如圖2所示。主要監(jiān)測(cè)指標(biāo)為溶解氧、高錳酸鹽指數(shù)、生化需氧量、氨氮、石油類、揮發(fā)酚、汞、鉛、化學(xué)需氧量、總磷、總氮、銅、鋅、氟化物、硒、砷、鎘、六價(jià)鉻、氰化物、硫化物以及葉綠素a等21個(gè)指標(biāo)。

以單因子評(píng)價(jià)法對(duì)流域地表水環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行分析評(píng)價(jià)，該方法是目前我國(guó)水環(huán)境管理部分主要的水質(zhì)評(píng)價(jià)方法[10-12]，依據(jù)《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3838—2002)對(duì)監(jiān)測(cè)值進(jìn)行等級(jí)分類，以所有參評(píng)指標(biāo)最差水質(zhì)類別作為水質(zhì)評(píng)價(jià)結(jié)果，其方法簡(jiǎn)單易行且直觀。評(píng)價(jià)結(jié)果對(duì)指標(biāo)的選取較為敏感，其數(shù)學(xué)表達(dá)方式為：

Gi(c)=c∈G(I-劣V)，

G=max(Gi),i=1,2,…n,

其中，G為水質(zhì)類別，c為指標(biāo)監(jiān)測(cè)濃度值，i為某一水質(zhì)指標(biāo)，n為水質(zhì)指標(biāo)個(gè)數(shù)。

圖2 “十三五”期間永定河流域水質(zhì)斷面分布概化圖

2 結(jié)果與討論

2.1 流域整體水環(huán)境質(zhì)量變化情況

2.1.1 水質(zhì)類別 “十三五”期間永定河流域14個(gè)地表水國(guó)控?cái)嗝婀灿?jì)監(jiān)測(cè)731次，各類水質(zhì)占比分別為Ⅰ類：0.5%，Ⅱ類：11.2%，Ⅲ類：32.8%，Ⅳ類：34.1%，Ⅴ類8.5%，劣Ⅴ類：12.9%。從時(shí)間變化趨勢(shì)來(lái)看，永定河流域水質(zhì)總體向好發(fā)展，Ⅰ～Ⅲ類水質(zhì)整體呈現(xiàn)逐年上升趨勢(shì)，由2016年的42.5%上升至2020年的55.4%；劣Ⅴ類占比呈現(xiàn)逐年下降趨勢(shì)，由2016年的42.5%上升至2020年的55.4%(圖3)?！笆濉逼陂g優(yōu)Ⅲ類占比由2016年的42.5%上升至2020年的50.6%；劣Ⅴ類占比由2016年的18.7%下降至2020年的2.5%，主要污染指標(biāo)為COD、生化需氧量、氟化物、高錳酸鹽指數(shù)、TP以及NH3-N。

圖3 “十三五”期間永定河流域水質(zhì)類別占比逐年變化情況

2.1.2 主要污染指標(biāo) “十三五”期間永定河流域國(guó)控?cái)嗝嬷饕廴局笜?biāo)濃度年均值整體上呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，盡管個(gè)別斷面呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，但上升程度不高，基本保持在Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)限值范圍內(nèi)。主要污染指標(biāo)超標(biāo)率分別為：COD 35.2%、BOD525.6%、氟化物22.8%、高錳酸鹽指數(shù)17.0%、TP 16.0%、NH3-N 15.0%。相比于2016年均值，14個(gè)地表水國(guó)控?cái)嗝嬷袞|榆林水庫(kù)出口與沿河城斷面COD的2020年均值有所上升，其中沿河城斷面為15.6 mg/L，僅高出Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)限值0.6 mg/L；2020年均值5個(gè)斷面BOD5濃度有所上升，但5個(gè)斷面年均濃度值均小于Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)限值(BOD5≤4 mg/L)；同樣，氟化物4個(gè)斷面，高錳酸鹽指數(shù)3個(gè)斷面濃度有所上升，且均小于Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)限值(氟化物≤1 mg/L；高錳酸鹽指數(shù)≤6 mg/L)；TP 3個(gè)斷面濃度有所上升，其中宣家塔斷面濃度超Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)限值，為0.21 mg/L(TP≤0.2 mg/L)；NH3-N 5個(gè)斷面濃度有所上升，但均小于Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)限值(NH3-N≤1.0 mg/L)。除上述斷面外，其余斷面各指標(biāo)2020年濃度均值均呈現(xiàn)出不同程度的下降趨勢(shì)，如圖4所示。

2.1.3 調(diào)水期指標(biāo)濃度變化特征 2020年永定河秋季補(bǔ)水期間，對(duì)引黃調(diào)水河段(桑干河上游)沿線進(jìn)行布點(diǎn)監(jiān)測(cè)，主要監(jiān)測(cè)指標(biāo)為化學(xué)需氧量、生化需氧量以及氟化物。監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，引黃北干線1#隧洞水質(zhì)穩(wěn)定在Ⅱ類，靠近1#隧洞的4個(gè)斷面(太平窯水庫(kù)出庫(kù)、東榆林水庫(kù)出庫(kù)、新橋、固定橋)隨著調(diào)水時(shí)間的延續(xù)，主要監(jiān)測(cè)指標(biāo)濃度呈現(xiàn)持續(xù)下降趨勢(shì)。而下游冊(cè)田水庫(kù)出庫(kù)與石匣里2個(gè)斷面受支流匯入以及冊(cè)田水庫(kù)本底環(huán)境影響，水質(zhì)變化對(duì)調(diào)水過(guò)程時(shí)間響應(yīng)不明顯，如圖5。

圖4 永定河流域國(guó)控?cái)嗝嬷饕廴局笜?biāo)2020年均濃度變化特征(以2016年均值為基準(zhǔn)值)

圖5 永定河2020年秋季調(diào)水期間主要污染指標(biāo)濃度變化特征

2.2 永定河(北京段)水環(huán)境質(zhì)量狀況

“十三五”期間永定河北京段共布設(shè)2個(gè)國(guó)控?cái)嗝?沿河城與南大荒橋斷面)，從水質(zhì)類別占比變化情況來(lái)看，劣Ⅴ類水質(zhì)目前已消除，Ⅰ～Ⅲ類水質(zhì)占比變化趨勢(shì)與流域整體水質(zhì)類別變化趨勢(shì)有一定差異性，2020年Ⅰ～Ⅲ類水質(zhì)相比2019年有所下降(圖6)，主要污染指標(biāo)為COD和氟化物。

圖6 “十三五”期間永定河(北京段)國(guó)控?cái)嗝嫠|(zhì)類別占比逐年變化情況

“十三五”期間沿河城和南大荒橋2個(gè)國(guó)控?cái)嗝鍯OD、氟化物超標(biāo)率分別為38.8%、21.6%。由圖7與圖8可知，自2019年春季永定河流域?qū)嵤耙S濟(jì)京”生態(tài)補(bǔ)水后，官?gòu)d水庫(kù)下泄水量時(shí)期，受庫(kù)區(qū)水質(zhì)影響，兩斷面氟化物濃度有所上升，沿河城斷面COD濃度由泄水前的14.9 mg/L上升到泄水后的16.2 mg/L，氟化物濃度由泄水前的0.83 mg/L上升到泄水后的1.0 mg/L；南大荒橋斷面氟化物濃度由泄水前的0.45 mg/L上升到泄水后的0.91 mg/L，而COD濃度則有所下降。這主要是由于南大荒橋斷面位置距官?gòu)d水庫(kù)出口較遠(yuǎn)，且位于人類活動(dòng)密集區(qū)域，影響COD濃度的主要因素并非單一的上游來(lái)水。

圖7 沿河城斷面主要污染指標(biāo)濃度逐月變化趨勢(shì)

圖8 南大荒橋斷面主要污染指標(biāo)濃度逐月變化趨勢(shì)

2.3 水環(huán)境質(zhì)量問(wèn)題與成因

由2.1與2.2節(jié)可知，永定河“引黃濟(jì)京”生態(tài)補(bǔ)水過(guò)程對(duì)流域整體地表水環(huán)境質(zhì)量起到改善作用，Ⅰ～Ⅲ類水質(zhì)占比明顯上升，劣Ⅴ類占比明顯下降，各斷面主要污染指標(biāo)濃度總體呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。而流域下游區(qū)域永定河北京段由于受官?gòu)d水庫(kù)庫(kù)區(qū)水質(zhì)的影響，COD與氟化物指標(biāo)超標(biāo)現(xiàn)象頻出。主要原因有以下兩點(diǎn)。

2.3.1 上游農(nóng)業(yè)用水需求大，引黃水入官?gòu)d水庫(kù)水量低 截止2021年4月1日，官?gòu)d水庫(kù)以上各類工程累計(jì)補(bǔ)水7 833 萬(wàn)m3，但永定河上八號(hào)橋斷面累計(jì)過(guò)水3 970 萬(wàn)m3，僅占上游補(bǔ)水的50.1%。除此之外，對(duì)調(diào)水沿線進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，發(fā)現(xiàn)沿河存在大范圍的耕地面積(圖9)，且根據(jù)全國(guó)重要江河湖泊水功能區(qū)劃(2011—2030年)結(jié)果(圖10)，桑干河及其上游共劃有3個(gè)水功能區(qū)，分別為桑干河山西山陰應(yīng)縣農(nóng)業(yè)用水區(qū)與桑干河河北張家口農(nóng)業(yè)用水區(qū)，占整個(gè)河段的2/3。引黃補(bǔ)水部分水源用于農(nóng)業(yè)灌溉，加之灌溉方式基本為漫灌，導(dǎo)致引黃水消耗量與蒸發(fā)損失量較大，上游補(bǔ)水入官?gòu)d水庫(kù)水量減小。

圖9 永定河流域土地利用分布圖

圖10 桑干河與洋河農(nóng)業(yè)用水功能區(qū)分布圖

2.3.2 上游來(lái)水入官?gòu)d水庫(kù)水環(huán)境容量低，對(duì)庫(kù)區(qū)水質(zhì)改善不明顯 流域內(nèi)點(diǎn)源面源污染影響上游來(lái)水水質(zhì)，入庫(kù)水體對(duì)庫(kù)區(qū)COD與氟化物濃度改善效果不明顯?！耙S入京”工程自2019年實(shí)施，截止2020年底累計(jì)補(bǔ)水量約9 億m3，洋河年平均徑流量4.62 億m3，官?gòu)d水庫(kù)總庫(kù)容為41.6 億m3。目前，盡管八號(hào)橋斷面(入官?gòu)d水庫(kù)前永定河上游代表斷面)水質(zhì)為Ⅲ類，但上游來(lái)水量未完成一個(gè)換水周期。

除補(bǔ)水量的問(wèn)題外，上游來(lái)水水環(huán)境容量問(wèn)題也是改善官?gòu)d水庫(kù)水環(huán)境質(zhì)量的關(guān)鍵。官?gòu)d水庫(kù)主要污染指標(biāo)為氟化物與COD，而上游桑干河與洋河入官?gòu)d水庫(kù)水質(zhì)盡管為Ⅲ類，但氟化物與COD指標(biāo)濃度幾乎接近Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn)范圍值，由2020年均值來(lái)看，桑干河入官?gòu)d水庫(kù)代表斷面溫泉屯氟化物與COD指標(biāo)平均濃度距Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)限值分別為15%與23%，洋河入官?gòu)d水庫(kù)代表斷面八號(hào)橋?yàn)?4.5%與21.5%，而其余指標(biāo)則為40%以上。加之累積補(bǔ)水量小的問(wèn)題，較低的水環(huán)境容量使得上游補(bǔ)水對(duì)官?gòu)d水庫(kù)庫(kù)區(qū)本身的氟化物與COD濃度稀釋效果不明顯。

3 結(jié)論

通過(guò)分析“十三五”期間永定河流域水質(zhì)，結(jié)合沿線自上而下的溯源調(diào)研結(jié)果，明確了永定河水環(huán)境質(zhì)量變化情況、現(xiàn)存問(wèn)題以及成因?！笆濉逼陂g永定河流域水質(zhì)總體向好發(fā)展，主要污染指標(biāo)濃度基本維持在Ⅲ類。現(xiàn)存問(wèn)題主要體現(xiàn)為：自1#引黃隧洞沿桑干河向下游補(bǔ)水，實(shí)際入官?gòu)d水庫(kù)水量遠(yuǎn)小于調(diào)水水量，加之來(lái)水水環(huán)境容量低，影響了補(bǔ)水對(duì)官?gòu)d水庫(kù)水環(huán)境質(zhì)量的改善效果。主要原因如下：調(diào)水期間桑干河與洋河沿岸農(nóng)業(yè)取用水問(wèn)題嚴(yán)重，影響了引黃入京補(bǔ)水成效，此外，流域農(nóng)業(yè)污染源范圍大，工業(yè)、企業(yè)污水排放方式不明確，可能成為官?gòu)d水庫(kù)上游來(lái)水水環(huán)境容量低的重要因素。

建議嚴(yán)控桑干河與洋河流域農(nóng)業(yè)取用水?dāng)?shù)量，加快區(qū)域農(nóng)業(yè)粗放型灌排方式向節(jié)水灌排方式轉(zhuǎn)型，減小農(nóng)業(yè)面源污染威脅，同時(shí)，保障上游引黃水入官?gòu)d水庫(kù)補(bǔ)給量；除此之外，加大流域入河排污口排除力度，溯清點(diǎn)源污染分布情況，提高上游補(bǔ)水水環(huán)境容量，做到“保障水源，控制面源，整治點(diǎn)源”，“十四五”期間永定河流域水生態(tài)環(huán)境質(zhì)量將有望得到持續(xù)且明顯的改善。