永定河“引黃濟京”生態補水對流域地表水環境的影響

高園園，郭 悅，段茂慶，苑飛燕，王乙震，劉振環*

(1.生態環境部海河流域北海海域生態環境監督管理局生態環境監測與科學研究中心，300170，天津； 2.水利部發展研究中心，100038，北京)

0 引言

近年來，永定河流域水生態環境質量修復逐步受到關注。2014年3月，習近平總書記在中央財經領導小組第五次會議上提出：“要統籌永定河、潮白河上下游用水，進行中小河流綜合治理。”2015年4月30日，中央政治局會議審議通過的《京津冀協同發展規劃綱要》也指出要推進包括永定河在內的“六河五湖”生態治理與修復[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濟和社會發展第十四個五年規劃和2035年遠景目標綱要》第十一篇第十九章“專欄15”環境保護和資源節約工程中明確提出“實施永定河、木蘭溪等綜合治理，加快華北地區及其他重點區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域生態安全中的地位越來越重要。

目前隨著永定河生態補水工程的有效落實，其功能性與服務性日漸凸顯。根據《永定河生態用水保障合作協議》，2020年年底實現了永定河水到大興國際機場的通水目標，計劃于2022年實現永定河全線通水。與此同時，永定河生態水量調度也為2022年北京冬奧會水資源、水生態環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與調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化調水方案，改善永定河水生態環境質量具有一定的實踐意義。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

永定河是海河流域七大水系之一，流經內蒙古、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，是京津冀區域重要的水源涵養區、生態屏障和生態廊道，長期以來存在水資源過度開發、環境承載力差、污染嚴重、生態系統退化、防洪隱患等突出問題[6-9]。為解決永定河上游來水減少，持續干旱等系列問題，2019年自首次“引黃入京”，對永定河進行生態補水(自引黃隧洞由七里河進入太平窯水庫，沿桑干河調水)。截至2020年10月27日，累計向官廳水庫以上永定河生態補水約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補水63 萬m3。

1.2 數據與方法

本文以永定河流域14個水質監測斷面2016—2020年逐月水質監測數據為基礎，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。主要監測指標為溶解氧、高錳酸鹽指數、生化需氧量、氨氮、石油類、揮發酚、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境質量進行分析評價，該方法是目前我國水環境管理部分主要的水質評價方法[10-12]，依據《地表水環境質量標準》(GB3838—2002)對監測值進行等級分類，以所有參評指標最差水質類別作為水質評價結果，其方法簡單易行且直觀。評價結果對指標的選取較為敏感，其數學表達方式為：

Gi(c)=c∈G(I-劣V)，

G=max(Gi),i=1,2,…n,

其中，G為水質類別，c為指標監測濃度值，i為某一水質指標，n為水質指標個數。

圖2 “十三五”期間永定河流域水質斷面分布概化圖

2 結果與討論

2.1 流域整體水環境質量變化情況

2.1.1 水質類別 “十三五”期間永定河流域14個地表水國控斷面共計監測731次，各類水質占比分別為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，永定河流域水質總體向好發展，Ⅰ～Ⅲ類水質整體呈現逐年上升趨勢，由2016年的42.5%上升至2020年的55.4%；劣Ⅴ類占比呈現逐年下降趨勢，由2016年的42.5%上升至2020年的55.4%(圖3)。“十三五”期間優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、TP以及NH3-N。

圖3 “十三五”期間永定河流域水質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下降趨勢，盡管個別斷面呈現上升趨勢，但上升程度不高，基本保持在Ⅲ類水質標準限值范圍內。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類水質標準限值(BOD5≤4 mg/L)；同樣，氟化物4個斷面，高錳酸鹽指數3個斷面濃度有所上升，且均小于Ⅲ類水質標準限值(氟化物≤1 mg/L；高錳酸鹽指數≤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年濃度均值均呈現出不同程度的下降趨勢，如圖4所示。

2.1.3 調水期指標濃度變化特征 2020年永定河秋季補水期間，對引黃調水河段(桑干河上游)沿線進行布點監測，主要監測指標為化學需氧量、生化需氧量以及氟化物。監測結果顯示，引黃北干線1#隧洞水質穩定在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)隨著調水時間的延續，主要監測指標濃度呈現持續下降趨勢。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境影響，水質變化對調水過程時間響應不明顯，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)水環境質量狀況

“十三五”期間永定河北京段共布設2個國控斷面(沿河城與南大荒橋斷面)，從水質類別占比變化情況來看，劣Ⅴ類水質目前已消除，Ⅰ～Ⅲ類水質占比變化趨勢與流域整體水質類別變化趨勢有一定差異性，2020年Ⅰ～Ⅲ類水質相比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年春季永定河流域實施“引黃濟京”生態補水后，官廳水庫下泄水量時期，受庫區水質影響，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 水環境質量問題與成因

由2.1與2.2節可知，永定河“引黃濟京”生態補水過程對流域整體地表水環境質量起到改善作用，Ⅰ～Ⅲ類水質占比明顯上升，劣Ⅴ類占比明顯下降，各斷面主要污染指標濃度總體呈現下降趨勢。而流域下游區域永定河北京段由于受官廳水庫庫區水質的影響，COD與氟化物指標超標現象頻出。主要原因有以下兩點。

2.3.1 上游農業用水需求大，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，對調水沿線進行了現場調研，發現沿河存在大范圍的耕地面積(圖9)，且根據全國重要江河湖泊水功能區劃(2011—2030年)結果(圖10)，桑干河及其上游共劃有3個水功能區，分別為桑干河山西山陰應縣農業用水區與桑干河河北張家口農業用水區，占整個河段的2/3。引黃補水部分水源用于農業灌溉，加之灌溉方式基本為漫灌，導致引黃水消耗量與蒸發損失量較大，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 桑干河與洋河農業用水功能區分布圖

2.3.2 上游來水入官廳水庫水環境容量低，對庫區水質改善不明顯 流域內點源面源污染影響上游來水水質，入庫水體對庫區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，上游來水水環境容量問題也是改善官廳水庫水環境質量的關鍵。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，較低的水環境容量使得上游補水對官廳水庫庫區本身的氟化物與COD濃度稀釋效果不明顯。

3 結論

通過分析“十三五”期間永定河流域水質，結合沿線自上而下的溯源調研結果，明確了永定河水環境質量變化情況、現存問題以及成因。“十三五”期間永定河流域水質總體向好發展，主要污染指標濃度基本維持在Ⅲ類。現存問題主要體現為：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水水量，加之來水水環境容量低，影響了補水對官廳水庫水環境質量的改善效果。主要原因如下：調水期間桑干河與洋河沿岸農業取用水問題嚴重，影響了引黃入京補水成效，此外，流域農業污染源范圍大，工業、企業污水排放方式不明確，可能成為官廳水庫上游來水水環境容量低的重要因素。

建議嚴控桑干河與洋河流域農業取用水數量，加快區域農業粗放型灌排方式向節水灌排方式轉型，減小農業面源污染威脅，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環境質量將有望得到持續且明顯的改善。