余真真，閆 莉，王瑞玲，馬秀梅，張世坤

(黃河水資源保護(hù)科學(xué)研究院，河南 鄭州 450004)

以往關(guān)于自凈需水的研究[1]僅從量的方面考慮，一般采用河流多年平均天然徑流量的10%及近10年最枯月平均流量或90%保證率最枯月平均流量，或以歷史水文數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的7Q10法、Tennant法[2]等計(jì)算得到，大都缺乏對(duì)研究河段水體功能和生態(tài)保護(hù)目標(biāo)的識(shí)別。在黃河流域相關(guān)研究中，郝伏勤等[3]研究了黃河干流2003年現(xiàn)狀納污、污染可控及目標(biāo)控制3種納污模式下的寧蒙、龍三、小花河段的自凈水量；黃錦輝等[4]在河流水質(zhì)及污染源調(diào)查的基礎(chǔ)上，分析河流水質(zhì)和污染源分布及排放規(guī)律之間的關(guān)系，建立了湟水、渭河、沁河、伊洛河自凈需水模型，提出保障水功能區(qū)水質(zhì)目標(biāo)所需的水量；張建軍等[5]建立了黃河干流自凈需水量模型，分別對(duì)黃河花園口以上河段以及利津斷面的自凈需水量進(jìn)行了計(jì)算。以上研究偏重以水功能區(qū)水質(zhì)目標(biāo)為約束條件，較少考慮生態(tài)系統(tǒng)功能發(fā)揮對(duì)水質(zhì)的需求，以及生態(tài)系統(tǒng)變化和流量、水質(zhì)的響應(yīng)關(guān)系。本文建立基于河道邊界條件水動(dòng)力學(xué)與水質(zhì)相耦合模型，結(jié)合伊洛河生態(tài)系統(tǒng)特點(diǎn)及功能性需水組成，以河流水功能區(qū)水質(zhì)目標(biāo)為協(xié)控因子，進(jìn)一步考慮伊洛河河口黃河鯉繁殖期對(duì)水質(zhì)的要求進(jìn)行自凈需水流量計(jì)算，同時(shí)考慮不同河流納污水平，將入河排污口作為分散點(diǎn)源，實(shí)現(xiàn)水質(zhì)、水量及污染源同步輸入情景模擬。

1 伊洛河生態(tài)環(huán)境狀況

1.1 生態(tài)環(huán)境特征

受水沙條件、水體物理化學(xué)性質(zhì)及流域氣候、地理?xiàng)l件等因素影響，黃河水生生物種類和數(shù)量相對(duì)貧乏，生物量較低，魚類種類相對(duì)較少，但許多特有土著魚類具有重要保護(hù)價(jià)值，是國(guó)家水生生物保護(hù)和魚類物種資源保護(hù)的重要組成部分。伊洛河是小浪底水利樞紐以下黃河一級(jí)支流，流域面積 1.89萬(wàn)km2，流經(jīng)陜西、河南兩省。隨著小浪底水庫(kù)“調(diào)水調(diào)沙”運(yùn)行，黃河下游頻繁出現(xiàn)“流魚”現(xiàn)象，同時(shí)水庫(kù)低溫水下泄也對(duì)魚類資源破壞極大。黃河下游支流水環(huán)境相對(duì)穩(wěn)定，生物行為學(xué)特性研究表明，魚類在不適宜生境條件下，可以依靠其側(cè)線管等感應(yīng)系統(tǒng)的判斷，轉(zhuǎn)移到環(huán)境相對(duì)適宜的水域。目前黃河魚類有自黃河下游干流遷徙到連通支流的趨勢(shì)，因此對(duì)作為魚類主要生境的伊洛河的保護(hù)和修復(fù)顯得尤為重要。

伊洛河流域位于我國(guó)暖溫帶和北亞熱帶的分界區(qū)，體現(xiàn)出南北過(guò)渡、東西交匯的特征，流域上游是自然植被主要分布區(qū)，中下游地區(qū)人類活動(dòng)和干擾比較嚴(yán)重，以農(nóng)田植被為主。上游水質(zhì)優(yōu)良，為Ⅱ類，河流經(jīng)過(guò)城鎮(zhèn)后，水質(zhì)變差，為Ⅲ類或Ⅳ類。干流靈口以上河段水環(huán)境相對(duì)良好，其他河段均存在水電無(wú)序開(kāi)發(fā)現(xiàn)象，河流縱向連通性遭到嚴(yán)重破壞，枯水期及平水期多個(gè)河段存在斷流、脫流現(xiàn)象，水生生物合適的生境數(shù)量銳減、面積萎縮且片段化。

1.2 水生生物及生態(tài)習(xí)性

黃河水生生態(tài)系統(tǒng)中，魚類處于水生生物群落食物鏈的頂層，對(duì)其他類群的存在和豐度有著重要作用。伊洛河流域曾經(jīng)是我國(guó)著名經(jīng)濟(jì)魚類“洛鯉伊魴”的出產(chǎn)地，是多種地方土著魚類的重要分布區(qū)，共有魚類4目8科36種，其中鯉科魚類25種，占總數(shù)的69%；鰍科魚類4種，占總數(shù)的13%；鮠科、鲿科、鯰科、鰕虎魚科、合鰓魚科、攀鱸科、鱧科魚類各1種，各占3%[4]。鯉科魚類是伊洛河標(biāo)志性魚種群，具有重要遺傳與生態(tài)保護(hù)價(jià)值。

伊洛河入黃口河段由于水量充足、營(yíng)養(yǎng)豐富，一直是流域的魚類傳統(tǒng)產(chǎn)卵場(chǎng)，具有較佳的棲息生境，目前被劃為黃河鯉國(guó)家級(jí)水產(chǎn)種質(zhì)資源保護(hù)區(qū)，其中伊洛河核心區(qū)位于鞏義市境內(nèi)，保證黃河鯉繁殖生長(zhǎng)期的水量是該河段水生態(tài)保護(hù)的主要目標(biāo)。黃河鯉屬鯉形目鯉科鯉亞科，是黃河流域著名經(jīng)濟(jì)魚種之一，以洛河和黃河中下游最為盛產(chǎn)，洛河內(nèi)鯉魚又稱“洛鯉”，伊洛河口成為維持黃河鯉漁業(yè)資源的主要集中產(chǎn)卵場(chǎng)，也是黃河中下游其他魚類繁殖、育幼階段最為重要的棲息場(chǎng)所之一。鯉魚屬分批產(chǎn)卵魚類，繁殖期延續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，黃河鯉產(chǎn)卵時(shí)間為4—6月，要求有較為適宜的產(chǎn)卵條件(依據(jù)繁殖期黃河鯉棲息地適宜度曲線，黃河鯉產(chǎn)卵期適宜流速為0.15～0.4 m/s，適宜水深為0.8～1.5 m，并對(duì)水質(zhì)有較高要求)。

2 標(biāo)志性魚種群繁育對(duì)水質(zhì)的要求

水污染是黃河魚類保護(hù)面臨的主要威脅因子。自1980年起，由于經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，各種工業(yè)廢水及生活污水大量排放，黃河流域水質(zhì)總體呈現(xiàn)惡化的趨勢(shì)[6]。2000年前后是全流域水質(zhì)最差的時(shí)段，滿足Ⅲ類水的河長(zhǎng)比例僅占38.7%[6]。黃河魚類資源自20世紀(jì)80年代以來(lái)大幅度減少，魚類種質(zhì)資源數(shù)量減少約42%，魚類資源及種類減少除受不合理捕撈、大壩阻隔、氣候變化等因素影響外，河川徑流條件的變化和水質(zhì)惡化是導(dǎo)致黃河魚類資源減少的重要原因。

水質(zhì)直接影響著黃河水生生物的繁殖及棲息，水體污染造成魚類生長(zhǎng)發(fā)育滯緩、生殖能力減弱；同時(shí)污染造成水體富營(yíng)養(yǎng)化，引起水中藻類多樣性減少，優(yōu)勢(shì)度提高，魚類的可利用食料減少，影響到魚類的多樣性和數(shù)量。根據(jù)野外監(jiān)測(cè)結(jié)果和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，地表水Ⅲ類的標(biāo)準(zhǔn)可以滿足和保證魚類繁育，黃河水域的Ⅲ類水質(zhì)對(duì)于魚類胚胎發(fā)育的影響幾乎接近閾值，水質(zhì)惡化將影響魚類產(chǎn)卵和孵化。GB 11607—1989《漁業(yè)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》對(duì)魚類水質(zhì)要求是：淡水pH值為6.5～8.5，溶解氧質(zhì)量濃度連續(xù) 24 h 中16 h以上必須大于5 mg/L(對(duì)應(yīng)Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn))。GB 3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》依據(jù)地表水水域環(huán)境功能和保護(hù)目標(biāo)，規(guī)定Ⅱ類水適用于珍稀水生生物棲息地、魚蝦類產(chǎn)卵場(chǎng)、仔稚幼魚的索餌場(chǎng)等，Ⅲ類水適用于魚蝦類越冬場(chǎng)、洄游通道、水產(chǎn)養(yǎng)殖區(qū)等漁業(yè)水域及游泳區(qū)。

伊洛河入黃口河段分布有國(guó)家級(jí)水產(chǎn)種質(zhì)資源保護(hù)區(qū)，對(duì)水質(zhì)和水量過(guò)程的要求較高。筆者認(rèn)為維持伊洛河口水產(chǎn)種質(zhì)資源保護(hù)區(qū)核心區(qū)的黃河鯉正常繁育所需的水質(zhì)為Ⅲ類，維持魚類良好產(chǎn)卵生存狀態(tài)下所需的水質(zhì)為Ⅱ類。

3 自凈需水流量核算模型構(gòu)建

3.1 控制方程及求解方法

建立機(jī)理性水質(zhì)模型，根據(jù)質(zhì)量守恒定律、能量守恒定律與動(dòng)量守恒定律，應(yīng)用模型方法建立數(shù)學(xué)方程，通過(guò)實(shí)測(cè)資料確定相關(guān)參數(shù)，對(duì)水環(huán)境中污染物在時(shí)間和空間上的分布做定量的分析和預(yù)測(cè)。

采用數(shù)值模擬方法研究伊洛河流域自凈需水量。圣維南方程作為求解控制方程，由以下連續(xù)方程和運(yùn)動(dòng)方程聯(lián)立組成：

(1)

式中：x、t分別為計(jì)算點(diǎn)空間坐標(biāo)和時(shí)間坐標(biāo)；A為過(guò)水?dāng)嗝婷娣e；Q為過(guò)流流量；h為水位；q為旁側(cè)入流流量或排污口流量；c為謝才系數(shù)；R為水力半徑；α為動(dòng)量校正系數(shù)；g為重力加速度。

此外，水質(zhì)模型的控制方程為

(2)

式中：C為水質(zhì)濃度；ux為縱向流速；Ex為擴(kuò)散系數(shù)。

方程組利用Abbott-Ionescu六點(diǎn)隱式有限差分格式求解。該格式在每一個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)按順序交替計(jì)算水位和流量，分別稱為h點(diǎn)和Q點(diǎn)。離散后的線性方程組用追趕法求解[7-8]。

3.2 計(jì)算河段選取

研究范圍為伊洛河流域及小浪底以下黃河干流河段。小浪底以下黃河干流河段自小浪底至入海河口，全長(zhǎng)895.7 km。伊洛河為伊河陸渾水庫(kù)壩址斷面至洛河交匯處，洛河為故縣水庫(kù)壩址斷面至入黃口。伊洛河流域自凈需水流量研究范圍與河網(wǎng)構(gòu)建詳見(jiàn)圖1和圖2。

3.3 入河排污口調(diào)查與設(shè)置

伊洛河流域污染源達(dá)標(biāo)排放后黃河不得不接納的污染物量及其時(shí)空分布的量化標(biāo)準(zhǔn)，是計(jì)算伊洛河流域自凈需水流量的前提[9]。為準(zhǔn)確了解伊洛河納污現(xiàn)狀，調(diào)查流域入河排污口數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)伊洛河共接納廢污水2.8億m3/a，COD 1.8萬(wàn)t/a，氨氮0.1萬(wàn)t/a。其中洛河納污量占3/4，伊河占1/4。伊洛河的納污特點(diǎn)是：納污量80%以上集中在洛陽(yáng)、偃師及鞏義河段，超標(biāo)因子為COD、BOD5和氨氮等，主要來(lái)源于生活排污。因此，伊洛河水質(zhì)沿程變化趨勢(shì)是河流經(jīng)過(guò)城鎮(zhèn)后，受人為排污影響水質(zhì)變差。將調(diào)查到的37個(gè)入河排污口以點(diǎn)源形式設(shè)置于模型中，給定排污流量及濃度值。

圖2 伊洛河流域自凈需水流量模型河網(wǎng)構(gòu)建Fig.2 River network building of self-purificationwater demand flow model in the Yiluo River

4 結(jié)果與分析

4.1 水功能區(qū)環(huán)境目標(biāo)條件下的自凈需水流量

分別以現(xiàn)狀排污與控制排污兩種情景模式，推算主要控制斷面滿足水質(zhì)目標(biāo)所需的自凈需水流量，見(jiàn)表1?，F(xiàn)狀排污條件下，伊洛河入黃斷面黑石關(guān)要確保滿足汛期11.50 m3/s、非汛期 14.00 m3/s 的自凈需水流量，才能保證入黃水質(zhì)滿足Ⅳ類水質(zhì)目標(biāo)要求，即ρ(COD)≤30 mg/L，ρ(NH3-N)≤1.5 mg/L?？刂婆盼蹢l件下(入河情景模擬所有排污口滿足一級(jí)A達(dá)標(biāo)排放標(biāo)準(zhǔn)，該條件下，經(jīng)計(jì)算COD、氨氮入河控制量分別小于1.87萬(wàn)t、1 055 t，滿足限制排污總量控制要求[10])，伊洛河入黃斷面黑石關(guān)要確保滿足汛期6.6 m3/s、非汛期8.0 m3/s的自凈需水流量，才能保證入黃水質(zhì)滿足水質(zhì)目標(biāo)要求。

表1 現(xiàn)狀排污與控制排污條件下自凈需水流量Table 1 Self-purification water demand flow undercurrent and control of sewage conditions m3/s

4.2 生態(tài)功能性需水條件下的自凈需水流量

4.2.1基本維持魚類正常繁育的自凈需水流量

a. 模擬條件設(shè)置?，F(xiàn)狀洛河故縣、長(zhǎng)水和伊河陸渾水庫(kù)斷面水質(zhì)滿足Ⅱ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，背景濃度選取伊河、洛河Ⅱ類水質(zhì)目標(biāo)上限濃度，推算入河排污口達(dá)標(biāo)排放濃度下，黑石關(guān)能夠基本維持黃河鯉4—6月正常繁育期間，水質(zhì)目標(biāo)達(dá)到Ⅲ類(ρ(COD)= 20 mg/L、ρ(NH3-N)=1 mg/L)所需的自凈需水流量。

b. 預(yù)測(cè)結(jié)果。經(jīng)模擬預(yù)測(cè)，在達(dá)標(biāo)納污水平條件下，洛河故縣水庫(kù)壩址下泄斷面COD、氨氮自凈需水流量分別為4.62 m3/s、2.26 m3/s；伊河陸渾水庫(kù)壩址下泄斷面COD、氨氮自凈需水流量分別為 3.08 m3/s、1.52 m3/s；入黃口黑石關(guān)斷面COD、氨氮自凈需水流量為13.62 m3/s、9.60 m3/s。按照偏嚴(yán)格確定，在控制排污條件下，伊洛河入黃斷面黑石關(guān)4—6月應(yīng)滿足13.62 m3/s的自凈需水流量，才能基本維持魚類正常繁育需求所需的水質(zhì)要求。

4.2.2維持魚類良好生存狀態(tài)下的自凈需水流量

a. 模擬條件設(shè)置。背景濃度選取伊河、洛河Ⅱ類水質(zhì)目標(biāo)上限濃度，推算入河排污口達(dá)標(biāo)排放濃度下黑石關(guān)斷面維持黃河鯉等代表魚類良好生存狀態(tài)，4—6月正常繁育期間，水質(zhì)目標(biāo)達(dá)到Ⅱ類(ρ(COD)=15 mg/L、ρ(NH3-N)=0.5 mg/L)所需的自凈需水流量。

b. 預(yù)測(cè)結(jié)果。經(jīng)模擬預(yù)測(cè)，在達(dá)標(biāo)納污水平條件下，洛河故縣水庫(kù)壩址下泄斷面COD、氨氮自凈需水流量為10.20 m3/s、18.00 m3/s；伊河陸渾水庫(kù)壩址下泄斷面COD、氨氮自凈需水流量為6.80 m3/s、12.00 m3/s；入黃口黑石關(guān)斷面COD、氨氮自凈需水流量為22.70 m3/s、35.80 m3/s。按照偏嚴(yán)格確定，在控制排污條件下，伊洛河入黃斷面黑石關(guān)4—6月的自凈需水流量應(yīng)滿足35.80 m3/s，這是能夠維持魚類繁殖期良好生存狀態(tài)下的自凈需水流量。

4.3 自凈需水流量滿足程度與可實(shí)現(xiàn)性分析

伊洛河現(xiàn)狀入河排污口排污、滿足限排總量控制要求下，黑石關(guān)斷面達(dá)到水功能區(qū)水質(zhì)目標(biāo)Ⅳ類所需的自凈需水流量分別為14.0 m3/s、8.0 m3/s，占黑石關(guān)多年平均流量的10.70%、6.18%。從考慮伊洛河水生態(tài)功能角度出發(fā)，維持伊洛河口黃河鯉等土著代表魚類棲息生境對(duì)優(yōu)良水質(zhì)的需求，滿足4—6月基本維持魚類正常繁育水質(zhì)要求的自凈需水流量為13.62 m3/s，維持魚類良好繁育狀態(tài)下水質(zhì)要求的自凈需水流量為35.80 m3/s，分別占黑石關(guān)多年平均流量的10.79%、28.37%。

根據(jù)黑石關(guān)2009—2018年長(zhǎng)系列實(shí)測(cè)流量數(shù)據(jù)，開(kāi)展伊洛河自凈需水流量滿足程度與可實(shí)現(xiàn)性分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，與多年實(shí)測(cè)流量相比，伊洛河現(xiàn)狀入河排污狀態(tài)下滿足水功能目標(biāo)所需自凈需水流量滿足程度為88.89%，控制排污狀態(tài)下自凈需水流量滿足程度為96.80%。2009—2018年每年1月1日滿足水功能水質(zhì)目標(biāo)條件下自凈需水流量與實(shí)測(cè)流量對(duì)比見(jiàn)圖3。

圖3 滿足水功能水質(zhì)目標(biāo)條件下自凈需水流量與實(shí)測(cè)流量對(duì)比Fig.3 The comparison between self-purification andmeasured water flow under the condition ofmeeting water quality objectives

提取2009—2018年4—6月黑石關(guān)斷面實(shí)測(cè)流量數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)基本維持魚類正常繁育水質(zhì)要求的自凈需水流量滿足程度為94.11%，維持魚類良好繁育狀態(tài)下水質(zhì)要求的自凈需水流量滿足程度為61.28%(圖4)。因此，2009—2018年的黑石關(guān)斷面實(shí)際流量滿足魚類良好繁育狀態(tài)所需的滿足程度不高(特別是4月上旬至5月下旬春耕用水?dāng)D占了部分魚類產(chǎn)卵期滿足良好水質(zhì)要求的水量)，凸顯了人類用水與生態(tài)競(jìng)爭(zhēng)性用水之間的矛盾。

圖4 滿足魚類繁育水質(zhì)要求條件下4—6月自凈需水流量與實(shí)測(cè)流量對(duì)比Fig.4 The comparison between self-purification andmeasured water flow under the condition of meetingthe requirements of fish breeding water qualityfrom April to June

5 結(jié) 語(yǔ)

今后應(yīng)加強(qiáng)重要生態(tài)單元的水質(zhì)監(jiān)測(cè)，提高水質(zhì)生物監(jiān)測(cè)能力，逐步改善生態(tài)保護(hù)重點(diǎn)河段水環(huán)境質(zhì)量；實(shí)施流域多目標(biāo)生態(tài)調(diào)度，在確保防汛安全的前提下，將伊洛河河道內(nèi)滿足魚類生存的自凈水量需求納入黃河水資源統(tǒng)一調(diào)度體系，盡可能提高關(guān)鍵期黃河土著代表魚類繁育期對(duì)水質(zhì)的需求；把水資源作為最大的剛性約束，協(xié)調(diào)人類用水與生態(tài)競(jìng)爭(zhēng)性用水關(guān)系，完善伊洛河流域用水總量控制指標(biāo)，加大農(nóng)業(yè)節(jié)水力度，推動(dòng)用水方式從粗放向節(jié)約集約轉(zhuǎn)變。