《Journal of Water Process Engineering》：Breaking the water quality management dilemma in water-scarce rivers: A modeling and empirical study of quantity-quality coordination in the Bu'erhatong River, China
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小中型河流水质协同调控与生态补水机制研究——以布尔哈通河流域为例，通过系统监测与QUAL2K模型模拟，提出污水处理强化（TN去除80%/TP去除85%）与生态补水（3-5m3/s）的协同方案，有效控制污染指数并保障流域生态安全。
Jingqi Zhang|Chengyong Li|Wei Wang|Wei Wang|Zhengyu Li|Yinhua Jin|Zhenhao Yin
吉林延边大学农业学院，中国吉林省延吉市，133002
摘要
保护河流水质对于维护流域生态系统的健康和实现区域可持续发展至关重要。然而，中小型河流的管理仍然存在认知瓶颈，例如污染物传输和转化的机制不明确，以及生态流量响应的问题。本研究以中国布尔哈通河流域为例，通过系统监测、模型模拟和多方法整合，建立了中小型河流生态修复的系统性方案。结果表明，布尔哈通河中下游BG8至BG10河段的污染指数（N值）超过了1.0，表明水质状况严重，其中总磷（TP）和总氮（TN）是主要超标因素。利用QUAL2K水质模型制定的水质管理方案，通过提高污水处理厂的TN（80%）和TP（85%）去除率，并在枯水期补充3–5立方米/秒的生态水量，使BG8河段的污染指数稳定降至1.0以下，达到了水质标准。本研究通过建立水量-水质协同调控系统，为全球中小型河流的综合管理提供了技术可行且生态安全的实践范例。
引言
确保河流水质安全是维持流域生态系统健康和实现区域可持续发展的基本前提[1]。随着城市化、工业化和农业集约化的持续推进，越来越多的河流面临严重的水环境问题。水污染已成为制约区域可持续发展的关键因素之一[2]、[3]、[4]。位于中国吉林省东部的布尔哈通河不仅是重要的生物饮用水和农业灌溉水源，还是保护图们河流域及东北亚地区跨界生态安全的重要生态屏障[5]、[6]。然而，近年来由于流域内的社会经济发展，各种点源（如城市生活污水、工业废水）和非点源（如农业径流、农村生活排放）的污染不断增加，导致布尔哈通河某些河段出现营养指标超标、有机污染加剧、水体透明度下降以及敏感水生生物种群减少等问题，对河流的生态健康构成了严重威胁[7]、[8]、[9]、[10]。特别是在中小型河流的管理中，有效识别关键污染因素、量化其对水质变化的贡献以及建立污染物减排与生态流量补充之间的定量响应关系，仍然是亟待解决的科学挑战。
目前，全球关于河流水质评估和管理的研究主要集中在长江、黄河和珠江等大型河流系统或关键跨界水体上，这些地区的政策和技术框架相对完善[11]、[12]。然而，像布尔哈通河这样位于关键生态区且具有重大功能意义的中小型河流的综合管理研究仍较为落后。由于其复杂的污染来源和时空动态特性，现有的大型河流修复技术无法直接应用[13]、[14]。此外，现有的水质评估方法主要依赖于单一指标评估或静态综合指数方法，难以在多污染物共存的情况下动态、系统地描述复杂的污染特征及其时空演变规律[6]、[15]、[16]。在治理策略方面，大多数研究侧重于末端处理或单一类型的水量调节措施，未能有效整合水质与水量之间的耦合关系，也未深入探索它们的协同调控潜力[17]、[18]、[19]。这些问题共同导致了中小型河流修复效率低下和治理效果不可持续的困境。因此，建立一种整合多源监测数据、污染机制分析和水质-水量耦合模拟的系统性研究框架，已成为这类河流系统污染控制的迫切需求。
在水量与水质协同管理方面，关键的科学问题在于彻底揭示水质指标与水文条件之间的内在关系，并根据水质目标合理确定生态补水等调控策略[20]。目前，国际上关于河流流量与水质关系的研究大多停留在经验统计或局部机制层面，尚未建立系统的、可推广的协同水质-水量调控理论框架[15]、[16]、[21]。在建模方法方面，尽管有一些研究尝试开发水质-水量耦合模型以支持综合管理，但大多数模型仍采用顺序模拟方法（“先模拟水动力，再模拟水质”），未能充分反映污染物传输/转化与水流运动之间的实时反馈机制[18]、[22]。此外，现有模型往往将水质目标简化为固定约束，忽视了水质响应与水资源调度中的动态协调和多目标优化。这导致提出的调控方案缺乏协同性，在实际应用中操作性有限[23]、[24]、[25]。因此，仍缺乏一种系统、定量的方法框架来科学确定所需的污染负荷减少量或实现特定水质目标所需的补充生态基流量[26]。基于此，我们开发了一个决策框架，能够精确量化污染控制措施与生态补水之间的协同效应，从而系统地设计修复路径。
本研究以中国布尔哈通河流域为案例，结合现场监测、数学统计和水环境建模方法，构建了适用于中小型河流的协同水量-水质调控方法框架。具体研究了三种代表性水文情景：枯水期（低流量条件）、正常雨季（中等流量条件）和雨季（高流量条件），这些情景代表了影响水质动态的主要水文状况。本研究旨在建立这些不同水文条件下污染物减排与生态流量补充之间的定量响应关系，同时提出技术可行、经济可行且生态可持续的综合管理路径。该框架旨在为全球具有相似水文特征的中小型河流提供系统的水质管理模型。通过这种方式，本研究旨在弥合理论方法与实际应用之间的差距，提高水质改善策略在不同水文条件和污染负荷下的动态适应性和操作效果。
研究区域和数据收集
布尔哈通河位于中国吉林省东部，发源于安图县，从西向东流经人口密集和经济活动活跃的主要县市（如龙井市和延吉市），最终在图们市与加雅河汇合后注入图们河。该流域包含广阔的农业灌溉区和多个城市建成区，频繁的人类活动对水质产生了显著影响
污染状况分析
基于2023年4月至2024年8月在布尔哈通河主干流及主要支流上的12个监测点（BG1至BG11）收集的水质监测数据，本研究使用Nemerow污染指数方法系统评估了该流域的水质现状。结果表明，布尔哈通河流域的水质存在明显的空间异质性，部分河段污染严重[36]
结论
本研究系统评估了布尔哈通河流域当前的水污染状况，确定了TN、TP和CODMn等关键驱动因素。提出了一种协同调控策略，结合“污水处理厂升级（TN去除80%，TP去除85%）”和“上游水库有针对性的补水（枯水期增加3–5立方米/秒的流量）”，为解决水质问题提供了系统方法
作者贡献声明
Jingqi Zhang：撰写——初稿，数据整理。Chengyong Li：撰写——审稿与编辑，方法论构建，概念化设计。Wei Wang：数据调查，数据整理。Zhengyu Li：数据验证。Yinhua Jin：撰写——审稿与编辑。Zhenhao Yin：资源协调，项目管理。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
本研究得到了吉林省自然科学基金（资助编号：YDZJ202401516ZYTS）和国家自然科学基金（资助编号：42061042）的支持。
