基于水質(zhì)達(dá)標(biāo)的派河生態(tài)流量分析

朱昊彧， 隗嵐琳， 林妙麗， 杜云彬

(1.重慶交通大學(xué)河海學(xué)院， 重慶 400074； 2.南京水利科學(xué)研究院生態(tài)環(huán)境研究所， 江蘇 南京 210098)

生態(tài)流量是維持河流生態(tài)系統(tǒng)健康可持續(xù)發(fā)展的基本要素，保障河流生態(tài)流量是落實五大發(fā)展理念、推進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)、保障區(qū)域水安全和生態(tài)安全的基本要求?！吨腥A人民共和國水法》《中華人民共和國水污染防治法》《關(guān)于實行最嚴(yán)格水資源管理制度的意見》(國發(fā)〔2012〕3號)等法規(guī)政策均明確規(guī)定，國務(wù)院有關(guān)部門和縣級以上地方人民政府在開發(fā)、利用和調(diào)節(jié)、調(diào)度水資源時，應(yīng)當(dāng)注意維持江河的合理流量和湖泊、水庫以及地下水的合理水位，維護(hù)水體的自然凈化能力。2015年4月國務(wù)院印發(fā)的《水污染防治行動計劃》明確要求“完善水量調(diào)度方案，合理安排閘壩下泄水量和泄流時段，維持河湖基本生態(tài)用水需求，重點保障枯水期生態(tài)基流”；2019年水利部明確了21條中等開發(fā)利用強度的河流開展生態(tài)流量保障試點工作，并將生態(tài)流量保障工作作為“水利工程補短板、水利行業(yè)強監(jiān)管”的重點優(yōu)先突破領(lǐng)域。

近年來，隨著派河中下游地區(qū)社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人口膨脹，排入派河中下游干流的污染物增多[1]，水體水質(zhì)持續(xù)惡化，導(dǎo)致干流水體富營養(yǎng)化加劇，水華現(xiàn)象頻發(fā)，嚴(yán)重威脅了區(qū)域水安全和生態(tài)安全，對河流健康構(gòu)成嚴(yán)重威脅，給巢湖流域生態(tài)文明建設(shè)帶來了新的挑戰(zhàn)。盡管在《巢湖綜合治理綠色發(fā)展總體規(guī)劃》等相關(guān)規(guī)劃中，對派河干流的水環(huán)境進(jìn)行過分析，但受歷史原因影響，過去派河流域的水資源開發(fā)利用規(guī)劃，對中下游干流生態(tài)需水考慮的不夠深入。派河水生態(tài)系統(tǒng)不斷退化，引發(fā)了一系列生態(tài)環(huán)境問題，引起了社會的廣泛關(guān)注。

為貫徹落實十八大提出的關(guān)于加強生態(tài)文明建設(shè)的重要精神，促進(jìn)派河中下游地區(qū)經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展與水資源、水環(huán)境承載能力相協(xié)調(diào)，開展派河中下游干流河道內(nèi)生態(tài)需水研究十分必要，也非常緊迫。本研究以期為保障派河干流及其主要基流生態(tài)基流量、改善派河中下游地區(qū)河道水質(zhì)、維系區(qū)域生物多樣性和生態(tài)系統(tǒng)健康提供支撐，為后期水利工程的規(guī)劃建設(shè)的生態(tài)流量保障提供依據(jù)。

1 派河水環(huán)境現(xiàn)狀

派河是巢湖主要入湖支流，發(fā)源于江淮分水嶺周公山，干流經(jīng)城西橋、上派、中派、下派進(jìn)入巢湖，全長60 km，流域面積584.6 km[2]。河道上游彎窄流急，下游寬直流緩，枯水季節(jié)水深約1 m。根據(jù)派河中下游干流面臨的主要生態(tài)環(huán)境問題，確定派河干流為研究對象，全長48.9 km，綜合考慮基礎(chǔ)資料系列長度及完整性，關(guān)鍵斷面選取派河入巢湖口處(國控斷面)作為關(guān)鍵控制斷面。

表1為國控斷面2016—2018年3年月平均水質(zhì)指標(biāo)，其中流量由逐日平均流量計算獲得。由表中可以看出，各水質(zhì)指標(biāo)含量在1—6月較高，主要原因可能在于1—3月流量較低且冬季水體營養(yǎng)物消耗較低，而4—7月降雨帶來部分面源污染引起水質(zhì)惡化[3]，COD的增加也印證了這一點。8—12月水質(zhì)有轉(zhuǎn)好趨勢，主要原因在于該時期水體交換能力增加，自凈能力增強。

表1 2017年月平均水量水質(zhì)指標(biāo)

根據(jù)中華人民共和國地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB3838-2002)，對派河3種主要污染物指標(biāo)進(jìn)行評價，評價結(jié)果如表2。派河3種單體指標(biāo)大多處于Ⅳ～劣Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)之間，綜合評價多處于Ⅴ和劣Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)，其中COD基本處于Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn)，TP處于Ⅳ類和Ⅴ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，而NH3-N多處于Ⅴ和劣Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)。河道水質(zhì)在1—7月為劣Ⅴ類、8—12月多為Ⅴ類水質(zhì)，主要污染物為NH3-N[1]。

表2 平均水質(zhì)年內(nèi)變化情況

2 研究方法

2.1 研究現(xiàn)狀

2018年布里斯班的宣言對生態(tài)需水定義進(jìn)行修訂：“維持水生生態(tài)系統(tǒng)所必需的淡水水量、時間、水質(zhì)以及水位，進(jìn)而支持人類文化、經(jīng)濟(jì)、可持續(xù)的發(fā)展”。經(jīng)修訂后定義涵蓋了流水，靜水和依賴于地下水的生態(tài)系統(tǒng)以及可能在這些狀態(tài)之間交替的水生生態(tài)系統(tǒng)。根據(jù)研究目的和保護(hù)目標(biāo)，國外發(fā)展了多種確定河流環(huán)境流量的方法，從單純的水文學(xué)法，發(fā)展到水力學(xué)法，進(jìn)一步發(fā)展到整體性方法。水文學(xué)法假定生物與流量變化之間存在響應(yīng)關(guān)系，保護(hù)水平直接和流量相關(guān)，并且隨著流量的增加保護(hù)水平提高。水力學(xué)和生境方法則假設(shè)生物的響應(yīng)或者與濕周有關(guān)、或者與生境有關(guān)，而且隨著流量的增加，這種響應(yīng)關(guān)系呈現(xiàn)非線性。

我國自20世紀(jì)70年代開始探索生態(tài)需水研究，包括概念、計算方法等，主要以借鑒國外為主。2000年以后，生態(tài)需水的相關(guān)概念如最小生態(tài)需水、適宜生態(tài)需水等被不斷提出，計算方法也多種多樣。該階段不僅關(guān)注生態(tài)需水量，還開始關(guān)注生態(tài)流量過程、發(fā)生時間和頻率等更多的水文要素。2011年至今，更加注重生態(tài)用水與河流治理開發(fā)、修復(fù)等方面的結(jié)合，開始強調(diào)生態(tài)用水調(diào)度等方面的實踐管理工作。在2018年修改的《中華人民共和國水污染防治法》第二十七條明確“國務(wù)院有關(guān)部門和縣級以上地方人民政府開發(fā)、利用和調(diào)節(jié)、調(diào)度水資源時，應(yīng)當(dāng)統(tǒng)籌兼顧，維持江河的合理流量和湖泊、水庫以及地下水體的合理水位，保障基本生態(tài)用水，維護(hù)水體的生態(tài)功能”。社會開始關(guān)注河湖生態(tài)需水，各地針對自身情況，也積極開展了一些實踐管理的探索。目前，國內(nèi)外對如何確定適宜的環(huán)境流量進(jìn)行了大量研究，這些研究方法根據(jù)原理的不同大致可以分為4類[4]：

(1)水文學(xué)法：主要基于歷史數(shù)據(jù)，很少考慮河流或其生物群落的特殊性。

(2)水力學(xué)法：主要利用流量和河流形態(tài)的關(guān)系，例如水深、流速、濕周計算出河流的生態(tài)流量。

(3)生境模擬法[5]：利用水生生物和河道水力參數(shù)來共同確定河道內(nèi)所需要的合理生態(tài)流量。

(4)綜合法：需要收集待研究河流的各種數(shù)據(jù)，并且需要建立河流流量特征與主要生態(tài)需水之間的結(jié)構(gòu)聯(lián)系。

2.2 研究方法

目前我國不同領(lǐng)域提出了不同環(huán)境流量計算方法，這些方法大多是借鑒國外的方法，方法的合理性和機理值得進(jìn)一步探討?？紤]到國內(nèi)大量現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù)缺乏的情況，實際分析河流環(huán)境流量時，應(yīng)結(jié)合研究區(qū)域的實際情況采用不同的計算方法，分析不同環(huán)境流量計算方法的優(yōu)缺點，對比已有的基礎(chǔ)資料，選擇出適合的計算方法。由于派河缺乏長時間、長序列的水文、水質(zhì)、生物監(jiān)測資料，難以對派河環(huán)境流量進(jìn)行水文學(xué)和綜合法進(jìn)行研究。目前，派河生態(tài)流量以控制環(huán)境污染物為主要目標(biāo)，以模型計算法為主要計算方法，在研究斷面處，針對斷面特征，組合不同的水動力條件和污染輸入負(fù)荷，設(shè)置多情景模擬，根據(jù)規(guī)劃水質(zhì)達(dá)標(biāo)要求，推求不同條件下滿足水質(zhì)達(dá)標(biāo)的斷面生態(tài)流量。該方法作為派河污染物控制的依據(jù)可行，方法較為合理。

本研究通過對基礎(chǔ)資料的系統(tǒng)整理分析，摸清派河干流水質(zhì)、生態(tài)流量等方面的基本特征和演變規(guī)律。以關(guān)鍵斷面(國控斷面)為水質(zhì)控制的重點對象，分析派河中下游河道內(nèi)天然徑流和實測徑流的時間變化特征；重點分析關(guān)鍵斷面生態(tài)環(huán)境用水、水污染等時空演變情況。通過構(gòu)建水質(zhì)數(shù)學(xué)模型并與水動力模型耦合，根據(jù)歷史資料和水環(huán)境達(dá)標(biāo)要求，選定NH3-N、TP模擬其時空變化特征，推求關(guān)鍵斷面水質(zhì)變化情況下的環(huán)境需水量。針對目標(biāo)在計算過程中的分析單元、時間尺度及過程等進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，統(tǒng)一時間尺度(日、月、年)、空間尺度(以控制斷面為主要依據(jù))、計算情景(不同來水量)等各種輸入條件、計算情景、輸出成果等進(jìn)行統(tǒng)一設(shè)定，確保NH3-N、TP指標(biāo)環(huán)境需水的統(tǒng)一融合。其中，模型選取與水質(zhì)資料對應(yīng)的2017年1月1日至2017年12月31日水文、水質(zhì)資料作為模型邊界，在該時期的水動力模型基礎(chǔ)上進(jìn)行水環(huán)境模型計算。

3 計算結(jié)果

本研究污染負(fù)荷采用日平均值，代入模型校驗派河國控斷面環(huán)境調(diào)水流量結(jié)果見表3。NH3-N環(huán)境調(diào)水量均高于TP環(huán)境調(diào)水流量，因此環(huán)境調(diào)水量以NH3-N環(huán)境調(diào)水量為主，結(jié)果如圖1。結(jié)果表明，派河干流(國控斷面)水質(zhì)達(dá)到Ⅳ類水標(biāo)準(zhǔn)時，年平均環(huán)境調(diào)水流量為3.39 m3/s，派河干流(國控斷面)水質(zhì)達(dá)到Ⅴ類水標(biāo)準(zhǔn)時，年平均環(huán)境調(diào)水流量為1.45 m3/s。

圖1 派河(國控斷面)水質(zhì)達(dá)標(biāo)后生態(tài)流量對比分析

表3 派河各月份對應(yīng)水質(zhì)指標(biāo)環(huán)境調(diào)水量計算結(jié)果

派河干流(國控斷面)水質(zhì)達(dá)到Ⅳ類、Ⅴ類水標(biāo)準(zhǔn)時，環(huán)境調(diào)水量見圖2。可以看出，在單一年度內(nèi)，派河水質(zhì)達(dá)標(biāo)需要調(diào)水量在年內(nèi)變化較大，在水質(zhì)達(dá)到Ⅳ類水標(biāo)準(zhǔn)時，春夏秋冬四季調(diào)水量分別需要6.06 m3/s、4.08 m3/s、0.98 m3/s、2.42 m3/s；水質(zhì)達(dá)到Ⅴ類水標(biāo)準(zhǔn)時，春夏秋冬四季調(diào)水量分別需要3.58 m3/s、1.88 m3/s、-0.40 m3/s、0.76 m3/s。

圖2 派河(國控斷面)水質(zhì)達(dá)標(biāo)后環(huán)境調(diào)水量對比分析

根據(jù)模型計算法計算結(jié)果，派河干流春夏季(2—7月)需要調(diào)較多外來水量，消減派河污染程度，秋冬季(8月—次年1月)需要調(diào)水水量較少。

這與肥西縣多年平均降水量變化過程基本呈相反趨勢(圖3)?？梢酝茰y，派河上游水質(zhì)較差，因此在枯水期，派河水質(zhì)改善需要調(diào)集更多外部水源；在豐水期，受降雨補給稀釋的影響，派河水質(zhì)有所改善。

圖3 肥西縣多年平均年內(nèi)降雨分配過程

4 結(jié) 論

近年，派河總體水質(zhì)略有好轉(zhuǎn)，但水體污染覆蓋面仍較大，主要污染指標(biāo)有NH3-N、TP等。為改善派河水質(zhì)，派河流域內(nèi)近年來修建了3座比較大型的污水處理廠，監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，西部組團(tuán)、中派污水處理廠處理效率較高，出水水質(zhì)均達(dá)到Ⅲ類，一定程度改善了派河水質(zhì)。為更好改善派河水質(zhì)，考慮對沿程點源、非點源進(jìn)行截污、提高污水處理廠處理能力的同時，可通過引入潔凈水源，尤其在枯水期流量較小時可有效改善河道水環(huán)境質(zhì)量，增強水體流動性與自凈能力，進(jìn)而提升河網(wǎng)的水環(huán)境容量。