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)測與科學研究中心，300170，天津； 2.水利部發(fā)展研究中心，100038，北京)

0 引言

近年來，永定河流域水生態(tài)環(huán)境質(zhì)量修復逐步受到關(guān)注。2014年3月，習近平總書記在中央財經(jīng)領(lǐng)導小組第五次會議上提出：“要統(tǒng)籌永定河、潮白河上下游用水，進行中小河流綜合治理?！?015年4月30日，中央政治局會議審議通過的《京津冀協(xié)同發(fā)展規(guī)劃綱要》也指出要推進包括永定河在內(nèi)的“六河五湖”生態(tài)治理與修復[1]。2021年3月11日，十三屆全國人大四次會議表決通過的《中華人民共和國國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十四個五年規(guī)劃和2035年遠景目標綱要》第十一篇第十九章“專欄15”環(huán)境保護和資源節(jié)約工程中明確提出“實施永定河、木蘭溪等綜合治理，加快華北地區(qū)及其他重點區(qū)域地下水超采綜合治理和黃河河口綜合治理”。由此可見，永定河在保障與維持區(qū)域生態(tài)安全中的地位越來越重要。

目前隨著永定河生態(tài)補水工程的有效落實，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年年底實現(xiàn)了永定河水到大興國際機場的通水目標，計劃于2022年實現(xiàn)永定河全線通水。與此同時，永定河生態(tài)水量調(diào)度也為2022年北京冬奧會水資源、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控斷面水質(zhì)與調(diào)水信息溯清了永定河流域引黃補水存在的主要問題，對指導流域進一步優(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個直轄市。流域總面積4.7 萬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，下始稱桑干河，全長約506 km[2-3]，流域河流全長約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，長期以來存在水資源過度開發(fā)、環(huán)境承載力差、污染嚴重、生態(tài)系統(tǒng)退化、防洪隱患等突出問題[6-9]。為解決永定河上游來水減少，持續(xù)干旱等系列問題，2019年自首次“引黃入京”，對永定河進行生態(tài)補水(自引黃隧洞由七里河進入太平窯水庫，沿桑干河調(diào)水)。截至2020年10月27日，累計向官廳水庫以上永定河生態(tài)補水約5.36 億m3，官廳水庫累計向下游永定河補水5.32 億m3。2021年官廳水庫以上各類工程累計補水7 833 萬m3，官廳水庫向下游補水2 140 萬m3，小紅門再生水廠向永定河生態(tài)補水63 萬m3。

1.2 數(shù)據(jù)與方法

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

以單因子評價法對流域地表水環(huán)境質(zhì)量進行分析評價，該方法是目前我國水環(huán)境管理部分主要的水質(zhì)評價方法[10-12]，依據(jù)《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》(GB3838—2002)對監(jiān)測值進行等級分類，以所有參評指標最差水質(zhì)類別作為水質(zhì)評價結(jié)果，其方法簡單易行且直觀。評價結(jié)果對指標的選取較為敏感，其數(shù)學表達方式為：

Gi(c)=c∈G(I-劣V)，

G=max(Gi),i=1,2,…n,

其中，G為水質(zhì)類別，c為指標監(jiān)測濃度值，i為某一水質(zhì)指標，n為水質(zhì)指標個數(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個地表水國控斷面共計監(jiān)測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%。從時間變化趨勢來看，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，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，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 “十三五”期間永定河流域國控斷面主要污染指標濃度年均值整體上呈現(xiàn)下降趨勢，盡管個別斷面呈現(xiàn)上升趨勢，但上升程度不高，基本保持在Ⅲ類水質(zhì)標準限值范圍內(nèi)。主要污染指標超標率分別為：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個地表水國控斷面中東榆林水庫出口與沿河城斷面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類水標準限值0.6 mg/L；2020年均值5個斷面BOD5濃度有所上升，但5個斷面年均濃度值均小于Ⅲ類水質(zhì)標準限值(BOD5≤4 mg/L)；同樣，氟化物4個斷面，高錳酸鹽指數(shù)3個斷面濃度有所上升，且均小于Ⅲ類水質(zhì)標準限值(氟化物≤1 mg/L；高錳酸鹽指數(shù)≤6 mg/L)；TP 3個斷面濃度有所上升，其中宣家塔斷面濃度超Ⅲ類標準限值，為0.21 mg/L(TP≤0.2 mg/L)；NH3-N 5個斷面濃度有所上升，但均小于Ⅲ類水質(zhì)標準限值(NH3-N≤1.0 mg/L)。除上述斷面外，其余斷面各指標2020年濃度均值均呈現(xiàn)出不同程度的下降趨勢，如圖4所示。

2.1.3 調(diào)水期指標濃度變化特征 2020年永定河秋季補水期間，對引黃調(diào)水河段(桑干河上游)沿線進行布點監(jiān)測，主要監(jiān)測指標為化學需氧量、生化需氧量以及氟化物。監(jiān)測結(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個斷面(太平窯水庫出庫、東榆林水庫出庫、新橋、固定橋)隨著調(diào)水時間的延續(xù)，主要監(jiān)測指標濃度呈現(xiàn)持續(xù)下降趨勢。而下游冊田水庫出庫與石匣里2個斷面受支流匯入以及冊田水庫本底環(huán)境影響，水質(zhì)變化對調(diào)水過程時間響應(yīng)不明顯，如圖5。

圖4 永定河流域國控斷面主要污染指標2020年均濃度變化特征(以2016年均值為基準值)

圖5 永定河2020年秋季調(diào)水期間主要污染指標濃度變化特征

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個國控斷面(沿河城與南大荒橋斷面)，從水質(zhì)類別占比變化情況來看，劣Ⅴ類水質(zhì)目前已消除，Ⅰ～Ⅲ類水質(zhì)占比變化趨勢與流域整體水質(zhì)類別變化趨勢有一定差異性，2020年Ⅰ～Ⅲ類水質(zhì)相比2019年有所下降(圖6)，主要污染指標為COD和氟化物。

圖6 “十三五”期間永定河(北京段)國控斷面水質(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個國控斷面COD、氟化物超標率分別為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濟京”生態(tài)補水后，官廳水庫下泄水量時期，受庫區(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廳水庫出口較遠，且位于人類活動密集區(qū)域，影響COD濃度的主要因素并非單一的上游來水。

圖7 沿河城斷面主要污染指標濃度逐月變化趨勢

圖8 南大荒橋斷面主要污染指標濃度逐月變化趨勢

2.3 水環(huán)境質(zhì)量問題與成因

由2.1與2.2節(jié)可知，永定河“引黃濟京”生態(tài)補水過程對流域整體地表水環(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濃度總體呈現(xiàn)下降趨勢。而流域下游區(qū)域永定河北京段由于受官廳水庫庫區(qū)水質(zhì)的影響，COD與氟化物指標超標現(xiàn)象頻出。主要原因有以下兩點。

2.3.1 上游農(nóng)業(yè)用水需求大，引黃水入官廳水庫水量低 截止2021年4月1日，官廳水庫以上各類工程累計補水7 833 萬m3，但永定河上八號橋斷面累計過水3 970 萬m3，僅占上游補水的50.1%。除此之外，對調(diào)水沿線進行了現(xiàn)場調(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)，占整個河段的2/3。引黃補水部分水源用于農(nóng)業(yè)灌溉，加之灌溉方式基本為漫灌，導致引黃水消耗量與蒸發(fā)損失量較大，上游補水入官廳水庫水量減小。

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 上游來水入官廳水庫水環(huán)境容量低，對庫區(qū)水質(zhì)改善不明顯 流域內(nèi)點源面源污染影響上游來水水質(zhì)，入庫水體對庫區(qū)COD與氟化物濃度改善效果不明顯。“引黃入京”工程自2019年實施，截止2020年底累計補水量約9 億m3，洋河年平均徑流量4.62 億m3，官廳水庫總庫容為41.6 億m3。目前，盡管八號橋斷面(入官廳水庫前永定河上游代表斷面)水質(zhì)為Ⅲ類，但上游來水量未完成一個換水周期。

除補水量的問題外，上游來水水環(huán)境容量問題也是改善官廳水庫水環(huán)境質(zhì)量的關(guān)鍵。官廳水庫主要污染指標為氟化物與COD，而上游桑干河與洋河入官廳水庫水質(zhì)盡管為Ⅲ類，但氟化物與COD指標濃度幾乎接近Ⅳ類標準范圍值，由2020年均值來看，桑干河入官廳水庫代表斷面溫泉屯氟化物與COD指標平均濃度距Ⅲ類標準限值分別為15%與23%，洋河入官廳水庫代表斷面八號橋為24.5%與21.5%，而其余指標則為40%以上。加之累積補水量小的問題，較低的水環(huán)境容量使得上游補水對官廳水庫庫區(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，主要污染指標濃度基本維持在Ⅲ類?，F(xiàn)存問題主要體現(xiàn)為：自1#引黃隧洞沿桑干河向下游補水，實際入官廳水庫水量遠小于調(diào)水水量，加之來水水環(huán)境容量低，影響了補水對官廳水庫水環(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)取用水問題嚴重，影響了引黃入京補水成效，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，可能成為官廳水庫上游來水水環(huán)境容量低的重要因素。

建議嚴控桑干河與洋河流域農(nóng)業(yè)取用水數(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，保障上游引黃水入官廳水庫補給量；除此之外，加大流域入河排污口排除力度，溯清點源污染分布情況，提高上游補水水環(huán)境容量，做到“保障水源，控制面源，整治點源”，“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。