永定河“引黄济京”生态补水对流域地表水环境的影响

高园园，郭 悦，段茂庆，苑飞燕，王乙震，刘振环*

(1.生态环境部海河流域北海海域生态环境监督管理局生态环境监测与科学研究中心，300170，天津； 2.水利部发展研究中心，100038，北京)

0 引言

近年来，永定河流域水生态环境质量修复逐步受到关注。2014年3月，习近平总书记在中央财经领导小组第五次会议上提出：“要统筹永定河、潮白河上下游用水，进行中小河流综合治理。”2015年4月30日，中央政治局会议审议通过的《京津冀协同发展规划纲要》也指出要推进包括永定河在内的“六河五湖”生态治理与修复[1]。2021年3月11日，十三届全国人大四次会议表决通过的《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》第十一篇第十九章“专栏15”环境保护和资源节约工程中明确提出“实施永定河、木兰溪等综合治理，加快华北地区及其他重点区域地下水超采综合治理和黄河河口综合治理”。由此可见，永定河在保障与维持区域生态安全中的地位越来越重要。

目前随着永定河生态补水工程的有效落实，其功能性与服务性日渐凸显。根据《永定河生态用水保障合作协议》，2020年年底实现了永定河水到大兴国际机场的通水目标，计划于2022年实现永定河全线通水。与此同时，永定河生态水量调度也为2022年北京冬奥会水资源、水生态环境需求提供重要水资源支撑。本文基于永定河流域国控断面水质与调水信息溯清了永定河流域引黄补水存在的主要问题，对指导流域进一步优化调水方案，改善永定河水生态环境质量具有一定的实践意义。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

永定河是海河流域七大水系之一，流经内蒙古、山西、河北3省、北京、天津2个直辖市。流域总面积4.7 万km2，上游分别由桑干河与洋河两大支流组成，以桑干河为正源，其上源为源子河与恢河，两河于朔州附近汇合后入东榆林水库，下始称桑干河，全长约506 km[2-3]，流域河流全长约747 km(图1)[4-5]。

图1 永定河流域水系关系概化图

永定河是“六河五湖”中的重要河流之一，是京津冀区域重要的水源涵养区、生态屏障和生态廊道，长期以来存在水资源过度开发、环境承载力差、污染严重、生态系统退化、防洪隐患等突出问题[6-9]。为解决永定河上游来水减少，持续干旱等系列问题，2019年自首次“引黄入京”，对永定河进行生态补水(自引黄隧洞由七里河进入太平窑水库，沿桑干河调水)。截至2020年10月27日，累计向官厅水库以上永定河生态补水约5.36 亿m3，官厅水库累计向下游永定河补水5.32 亿m3。2021年官厅水库以上各类工程累计补水7 833 万m3，官厅水库向下游补水2 140 万m3，小红门再生水厂向永定河生态补水63 万m3。

1.2 数据与方法

本文以永定河流域14个水质监测断面2016—2020年逐月水质监测数据为基础，其中桑干河及其支流7个，洋河及其支流3个，永定河4个，如图2所示。主要监测指标为溶解氧、高锰酸盐指数、生化需氧量、氨氮、石油类、挥发酚、汞、铅、化学需氧量、总磷、总氮、铜、锌、氟化物、硒、砷、镉、六价铬、氰化物、硫化物以及叶绿素a等21个指标。

以单因子评价法对流域地表水环境质量进行分析评价，该方法是目前我国水环境管理部分主要的水质评价方法[10-12]，依据《地表水环境质量标准》(GB3838—2002)对监测值进行等级分类，以所有参评指标最差水质类别作为水质评价结果，其方法简单易行且直观。评价结果对指标的选取较为敏感，其数学表达方式为：

Gi(c)=c∈G(I-劣V)，

G=max(Gi),i=1,2,…n,

其中，G为水质类别，c为指标监测浓度值，i为某一水质指标，n为水质指标个数。

图2 “十三五”期间永定河流域水质断面分布概化图

2 结果与讨论

2.1 流域整体水环境质量变化情况

2.1.1 水质类别 “十三五”期间永定河流域14个地表水国控断面共计监测731次，各类水质占比分别为Ⅰ类：0.5%，Ⅱ类：11.2%，Ⅲ类：32.8%，Ⅳ类：34.1%，Ⅴ类8.5%，劣Ⅴ类：12.9%。从时间变化趋势来看，永定河流域水质总体向好发展，Ⅰ～Ⅲ类水质整体呈现逐年上升趋势，由2016年的42.5%上升至2020年的55.4%；劣Ⅴ类占比呈现逐年下降趋势，由2016年的42.5%上升至2020年的55.4%(图3)。“十三五”期间优Ⅲ类占比由2016年的42.5%上升至2020年的50.6%；劣Ⅴ类占比由2016年的18.7%下降至2020年的2.5%，主要污染指标为COD、生化需氧量、氟化物、高锰酸盐指数、TP以及NH3-N。

图3 “十三五”期间永定河流域水质类别占比逐年变化情况

2.1.2 主要污染指标 “十三五”期间永定河流域国控断面主要污染指标浓度年均值整体上呈现下降趋势，尽管个别断面呈现上升趋势，但上升程度不高，基本保持在Ⅲ类水质标准限值范围内。主要污染指标超标率分别为：COD 35.2%、BOD525.6%、氟化物22.8%、高锰酸盐指数17.0%、TP 16.0%、NH3-N 15.0%。相比于2016年均值，14个地表水国控断面中东榆林水库出口与沿河城断面COD的2020年均值有所上升，其中沿河城断面为15.6 mg/L，仅高出Ⅲ类水标准限值0.6 mg/L；2020年均值5个断面BOD5浓度有所上升，但5个断面年均浓度值均小于Ⅲ类水质标准限值(BOD5≤4 mg/L)；同样，氟化物4个断面，高锰酸盐指数3个断面浓度有所上升，且均小于Ⅲ类水质标准限值(氟化物≤1 mg/L；高锰酸盐指数≤6 mg/L)；TP 3个断面浓度有所上升，其中宣家塔断面浓度超Ⅲ类标准限值，为0.21 mg/L(TP≤0.2 mg/L)；NH3-N 5个断面浓度有所上升，但均小于Ⅲ类水质标准限值(NH3-N≤1.0 mg/L)。除上述断面外，其余断面各指标2020年浓度均值均呈现出不同程度的下降趋势，如图4所示。

2.1.3 调水期指标浓度变化特征 2020年永定河秋季补水期间，对引黄调水河段(桑干河上游)沿线进行布点监测，主要监测指标为化学需氧量、生化需氧量以及氟化物。监测结果显示，引黄北干线1#隧洞水质稳定在Ⅱ类，靠近1#隧洞的4个断面(太平窑水库出库、东榆林水库出库、新桥、固定桥)随着调水时间的延续，主要监测指标浓度呈现持续下降趋势。而下游册田水库出库与石匣里2个断面受支流汇入以及册田水库本底环境影响，水质变化对调水过程时间响应不明显，如图5。

图4 永定河流域国控断面主要污染指标2020年均浓度变化特征(以2016年均值为基准值)

图5 永定河2020年秋季调水期间主要污染指标浓度变化特征

2.2 永定河(北京段)水环境质量状况

“十三五”期间永定河北京段共布设2个国控断面(沿河城与南大荒桥断面)，从水质类别占比变化情况来看，劣Ⅴ类水质目前已消除，Ⅰ～Ⅲ类水质占比变化趋势与流域整体水质类别变化趋势有一定差异性，2020年Ⅰ～Ⅲ类水质相比2019年有所下降(图6)，主要污染指标为COD和氟化物。

图6 “十三五”期间永定河(北京段)国控断面水质类别占比逐年变化情况

“十三五”期间沿河城和南大荒桥2个国控断面COD、氟化物超标率分别为38.8%、21.6%。由图7与图8可知，自2019年春季永定河流域实施“引黄济京”生态补水后，官厅水库下泄水量时期，受库区水质影响，两断面氟化物浓度有所上升，沿河城断面COD浓度由泄水前的14.9 mg/L上升到泄水后的16.2 mg/L，氟化物浓度由泄水前的0.83 mg/L上升到泄水后的1.0 mg/L；南大荒桥断面氟化物浓度由泄水前的0.45 mg/L上升到泄水后的0.91 mg/L，而COD浓度则有所下降。这主要是由于南大荒桥断面位置距官厅水库出口较远，且位于人类活动密集区域，影响COD浓度的主要因素并非单一的上游来水。

图7 沿河城断面主要污染指标浓度逐月变化趋势

图8 南大荒桥断面主要污染指标浓度逐月变化趋势

2.3 水环境质量问题与成因

由2.1与2.2节可知，永定河“引黄济京”生态补水过程对流域整体地表水环境质量起到改善作用，Ⅰ～Ⅲ类水质占比明显上升，劣Ⅴ类占比明显下降，各断面主要污染指标浓度总体呈现下降趋势。而流域下游区域永定河北京段由于受官厅水库库区水质的影响，COD与氟化物指标超标现象频出。主要原因有以下两点。

2.3.1 上游农业用水需求大，引黄水入官厅水库水量低 截止2021年4月1日，官厅水库以上各类工程累计补水7 833 万m3，但永定河上八号桥断面累计过水3 970 万m3，仅占上游补水的50.1%。除此之外，对调水沿线进行了现场调研，发现沿河存在大范围的耕地面积(图9)，且根据全国重要江河湖泊水功能区划(2011—2030年)结果(图10)，桑干河及其上游共划有3个水功能区，分别为桑干河山西山阴应县农业用水区与桑干河河北张家口农业用水区，占整个河段的2/3。引黄补水部分水源用于农业灌溉，加之灌溉方式基本为漫灌，导致引黄水消耗量与蒸发损失量较大，上游补水入官厅水库水量减小。

图9 永定河流域土地利用分布图

图10 桑干河与洋河农业用水功能区分布图

2.3.2 上游来水入官厅水库水环境容量低，对库区水质改善不明显 流域内点源面源污染影响上游来水水质，入库水体对库区COD与氟化物浓度改善效果不明显。“引黄入京”工程自2019年实施，截止2020年底累计补水量约9 亿m3，洋河年平均径流量4.62 亿m3，官厅水库总库容为41.6 亿m3。目前，尽管八号桥断面(入官厅水库前永定河上游代表断面)水质为Ⅲ类，但上游来水量未完成一个换水周期。

除补水量的问题外，上游来水水环境容量问题也是改善官厅水库水环境质量的关键。官厅水库主要污染指标为氟化物与COD，而上游桑干河与洋河入官厅水库水质尽管为Ⅲ类，但氟化物与COD指标浓度几乎接近Ⅳ类标准范围值，由2020年均值来看，桑干河入官厅水库代表断面温泉屯氟化物与COD指标平均浓度距Ⅲ类标准限值分别为15%与23%，洋河入官厅水库代表断面八号桥为24.5%与21.5%，而其余指标则为40%以上。加之累积补水量小的问题，较低的水环境容量使得上游补水对官厅水库库区本身的氟化物与COD浓度稀释效果不明显。

3 结论

通过分析“十三五”期间永定河流域水质，结合沿线自上而下的溯源调研结果，明确了永定河水环境质量变化情况、现存问题以及成因。“十三五”期间永定河流域水质总体向好发展，主要污染指标浓度基本维持在Ⅲ类。现存问题主要体现为：自1#引黄隧洞沿桑干河向下游补水，实际入官厅水库水量远小于调水水量，加之来水水环境容量低，影响了补水对官厅水库水环境质量的改善效果。主要原因如下：调水期间桑干河与洋河沿岸农业取用水问题严重，影响了引黄入京补水成效，此外，流域农业污染源范围大，工业、企业污水排放方式不明确，可能成为官厅水库上游来水水环境容量低的重要因素。

建议严控桑干河与洋河流域农业取用水数量，加快区域农业粗放型灌排方式向节水灌排方式转型，减小农业面源污染威胁，同时，保障上游引黄水入官厅水库补给量；除此之外，加大流域入河排污口排除力度，溯清点源污染分布情况，提高上游补水水环境容量，做到“保障水源，控制面源，整治点源”，“十四五”期间永定河流域水生态环境质量将有望得到持续且明显的改善。