北運河閘壩生態(tài)調(diào)度研究

谷紅梅，任 影，肖 芳，徐建新

(1.華北水利水電學(xué)院，河南鄭州 450011;2.山東聊城河務(wù)局，山東聊城 252000)

北運河閘壩生態(tài)調(diào)度研究

谷紅梅1，任 影1，肖 芳2，徐建新1

(1.華北水利水電學(xué)院，河南鄭州 450011;2.山東聊城河務(wù)局，山東聊城 252000)

現(xiàn)行的閘壩調(diào)度考慮防洪、排澇、灌溉等，沒有考慮生態(tài)調(diào)度，造成河流水資源嚴(yán)重短缺和水污染.通過分析北運河閘壩調(diào)度中存在的生態(tài)問題，考慮影響河段生態(tài)調(diào)度主要因素的基礎(chǔ)上，結(jié)合北運河現(xiàn)狀，提出了北運河閘壩生態(tài)調(diào)度目標(biāo)、準(zhǔn)則及方式，以期緩解北運河水質(zhì)的惡化，改善全流域水環(huán)境狀況，提高水資源利用率.

北運河;閘壩;生態(tài)調(diào)度

閘壩是水利工程中的主要工程建筑之一，具有流域防洪、外阻咸水、內(nèi)蓄淡水、農(nóng)業(yè)灌溉、城市供水、河道通航、魚蝦養(yǎng)殖、美化景觀等多種功能，帶來巨大的社會和經(jīng)濟(jì)效益.但由于調(diào)度失當(dāng)，對生態(tài)健康構(gòu)成了嚴(yán)重威脅.調(diào)整現(xiàn)有的閘壩調(diào)度方式，正確處理閘壩與生態(tài)的關(guān)系，爭取人與自然的最大和諧，有利于推進(jìn)當(dāng)前社會的可持續(xù)發(fā)展.

北運河是北京市最主要的泄洪和排污河道，集泄洪、引灤輸水、調(diào)水等多種功能為一體，承擔(dān)著京城近90%的泄洪和近80%的排污任務(wù)，對北京市東部的生態(tài)環(huán)境起著非常重要的作用［1］.然而，20世紀(jì)80年代以后，上游用水量大幅增加，產(chǎn)生的大量工業(yè)、農(nóng)業(yè)、生活廢污水排入下游北運河流域.生態(tài)環(huán)境的惡化使水質(zhì)污染，加上干旱、斷流，使北運河流域的水生態(tài)問題比較突出.通過分析北運河流域生態(tài)環(huán)境問題，考慮到京津冀地區(qū)經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的形勢，提出實施閘壩生態(tài)調(diào)度以控制和改善北運河流域水污染與水環(huán)境狀況.

1 北運河現(xiàn)行閘壩調(diào)度存在的問題

北運河自西北向東南流經(jīng)昌平、海淀、順義、朝陽、通州區(qū)出境，經(jīng)過河北省廊坊市香河縣和天津市武清區(qū)、北辰區(qū)和紅橋區(qū)入海河.

與歷史資料比較可以看出，北運河現(xiàn)行閘壩調(diào)度多集中在供水調(diào)度，力求經(jīng)濟(jì)效益的最大化，忽視了環(huán)境調(diào)度和生態(tài)調(diào)度，嚴(yán)重威脅著河流水生態(tài)系統(tǒng)的健康.主要問題分析如下.

1.1 河道斷流

自1999年以來，北運河流域連年遭遇干旱，年均降雨量僅為435 mm，比多年平均降雨量減少25%，部分河道斷流，變成垃圾坑［2］.多條河道面臨斷流危險，河流水質(zhì)差，水量小，自凈能力差，河道萎縮，喪失了運河基本功能.

選取2007年北運河典型閘壩的流量變化過程，如圖1所示.

圖1 典型閘壩測站2007年流量變化過程

由圖1可以看出，下游部分河段流量(土門樓、筐兒港觀測值)出現(xiàn)負(fù)值，說明在此時段河道斷流.導(dǎo)致河水?dāng)嗔鞯闹匾蚴呛拥揽刂菩越ㄖ锒?，閘壩攔蓄水量大;上下游河道引水量不均，上游過度引水，下游引水不足;人類活動耗水量劇增等.

1.2 水質(zhì)污染嚴(yán)重

北運河水體污染嚴(yán)重，主要有兩方面原因:一方面是連年干旱，北運河污水比例逐年加大，河流的稀釋和自然凈化作用降低，自凈能力不足;另一方面是北運河大多數(shù)閘壩在整個枯水期基本關(guān)閉，汛期首次開閘泄洪時，集聚在閘前的大量工業(yè)和生活污水集中下泄，造成河流突發(fā)性嚴(yán)重污染.

近年來實測資料表明，河道內(nèi)水質(zhì)基本上均為劣Ⅴ類.2008年北運河干流水域污染狀況見表1［3］.

表1 2008年北運河干流水域污染狀況

針對北運河調(diào)度存在的生態(tài)問題，應(yīng)積極開展相關(guān)生態(tài)調(diào)度措施方面的研究，在保證水庫防洪、發(fā)電和航運等經(jīng)濟(jì)效益的同時，盡量減少其對生態(tài)環(huán)境所造成的不利影響.

2 北運河閘壩生態(tài)調(diào)度

2.1 閘壩生態(tài)調(diào)度目標(biāo)

生態(tài)問題的調(diào)度目標(biāo)通常有最小生態(tài)流量調(diào)度、水質(zhì)調(diào)度、生態(tài)洪水調(diào)度、泥沙調(diào)度、生態(tài)因子調(diào)度等，北運河水環(huán)境的主要問題是水質(zhì)惡化與富營養(yǎng)化，因此其主要調(diào)度目標(biāo)是最小生態(tài)流量調(diào)度和水質(zhì)調(diào)度.

北運河流域的閘壩生態(tài)調(diào)度應(yīng)當(dāng)以河流生態(tài)需水為基礎(chǔ)，以水質(zhì)改善為控制指標(biāo)，以實現(xiàn)河流健康生命為最終目標(biāo).即從河流系統(tǒng)整體出發(fā)，充分考慮河流生態(tài)環(huán)境需水量要求，各梯級閘壩統(tǒng)一規(guī)劃、聯(lián)合調(diào)度，以流域水質(zhì)改善作為主要目標(biāo)，共同承擔(dān)河流系統(tǒng)生態(tài)需水量的釋放，以實現(xiàn)閘壩調(diào)度改善水質(zhì)的生態(tài)目標(biāo).

根據(jù)北京市和天津市環(huán)保局的地面水環(huán)境質(zhì)量功能區(qū)劃要求，北運河水系干流的水體功能和水質(zhì)要求見表2.

表2 北運河干流水功能區(qū)劃與水質(zhì)目標(biāo)

結(jié)合區(qū)劃要求，提出北運河流域生態(tài)調(diào)度目標(biāo)為:近期2012年，溫榆河段COD濃度低于40 mg/L，北京段出口斷面COD濃度低于50 mg/L，河北天津段COD濃度低于45 mg/L;流域內(nèi)主要河段實現(xiàn)“不黑、不臭、無水華”，可作為綠化和大田作物灌溉水;遠(yuǎn)期2015年，流域干流各監(jiān)測斷面COD濃度低于40 mg/L，全流域水質(zhì)基本保證滿足水體功能要求，魚蝦自然繁殖，水生態(tài)系統(tǒng)得到初步恢復(fù).

為實現(xiàn)北運河生態(tài)調(diào)度目標(biāo)，可以采取嚴(yán)格控制流域內(nèi)工業(yè)污染源，無害化處理垃圾，建立干支流斷面監(jiān)測點，確定COD考核斷面，定期檢測斷面水質(zhì)，流域內(nèi)水質(zhì)進(jìn)行達(dá)標(biāo)排放等措施.

2.2 北運河生態(tài)調(diào)度準(zhǔn)則

建立閘壩生態(tài)調(diào)度準(zhǔn)則的目的是緩解建庫后各種建筑物給河道下游生態(tài)環(huán)境帶來的不利影響，改善閘壩調(diào)度.其核心的理念是將生態(tài)環(huán)境保護(hù)目標(biāo)引入到閘壩調(diào)度中來，豐富、發(fā)展和完善閘壩現(xiàn)有的功能，提高閘壩調(diào)度的綜合效益.因此，充分結(jié)合閘壩生態(tài)調(diào)度和防洪調(diào)度，保障社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的同時，盡可能保護(hù)流域的生態(tài)完整性.

2.2.1 不同時期調(diào)度的影響和要求

1)非汛期或枯水年份.閘壩生態(tài)調(diào)度應(yīng)保證水庫下游維持河道基本功能的需水量，避免下游河道出現(xiàn)小于最小生態(tài)徑流量而嚴(yán)重干擾河流生態(tài)系統(tǒng)的事件出現(xiàn).

2)大洪水期.大洪水洪峰來臨之前，防洪任務(wù)極其重要，防洪調(diào)度優(yōu)于其他一切調(diào)度，以確保防洪安全.當(dāng)大洪水進(jìn)入退水階段，水位開始下降，洪水風(fēng)險變小，可適當(dāng)減弱防洪調(diào)度，利用閘壩的下泄流量，逐步進(jìn)行輸沙調(diào)度.

3)中小洪水期.洪水強(qiáng)度相對較弱，調(diào)控各泄洪閘的泄洪流量，在調(diào)蓄災(zāi)害洪水過程的同時，從控制下泄流量的角度，盡量延緩流量下泄過程，達(dá)到利用洪水沖污、控制水體富營養(yǎng)化的過程要求.盡量滿足下游河道的生態(tài)環(huán)境用水需求.

洪水期調(diào)度可通過提前調(diào)度下泄污染水量，緩解下游河道污染，也可采取干支流污水錯峰調(diào)度，防止干流、支流的污水疊加，具體視工程情況而定.

2.2.2 生態(tài)調(diào)度準(zhǔn)則

根據(jù)不同時期閘壩調(diào)度的影響和要求，結(jié)合北運河各閘壩實際運行情況以及北運河豐水期、平水期和枯水期不同階段閘壩調(diào)度要求，制定出各時期總的生態(tài)調(diào)度準(zhǔn)則，見表3.

表3 生態(tài)調(diào)度準(zhǔn)則

2.3 北運河閘壩生態(tài)調(diào)度方式

合理的閘壩調(diào)度方式是將生態(tài)目標(biāo)納入到閘壩調(diào)度，轉(zhuǎn)變常規(guī)調(diào)度方式為生態(tài)調(diào)度方式，結(jié)合閘壩調(diào)度影響區(qū)的生態(tài)需水規(guī)律，統(tǒng)籌協(xié)調(diào)防洪、興利、生態(tài)等各項功能，在滿足人類社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的同時，維持或修復(fù)河流生態(tài)健康，實現(xiàn)河流水資源的生態(tài)良性循環(huán).

確保閘壩建筑物和河道防洪安全的前提下，調(diào)整北運河閘壩的調(diào)度運行方式，可以降低閘壩分割干支流、阻隔河流的作用，恢復(fù)、增強(qiáng)干支流、河流湖泊等水系的連通性，增強(qiáng)河流的納污能力［4］.

根據(jù)北運河閘壩現(xiàn)行運作情況，提出如下生態(tài)調(diào)度方式.

1)控制閘壩水位，調(diào)整閘門開啟度.各閘壩上游汛期蓄水位不超過汛限水位，非汛期不超過正常蓄水位;當(dāng)上游水位超過汛限水位時，閘壩按最大泄流能力泄水;對條件適合的閘壩實施分期抬高汛限水位，在保證安全的前提下多蓄水.由于洪水具有不確定性，閘門調(diào)度一般不能將洪水全部放空或僅僅攔截尾水，而是當(dāng)閘上水位在退水段達(dá)到目標(biāo)蓄水位后，通過調(diào)整閘門不同開啟方式，維持閘上水位不變.例如京、冀地區(qū)水資源短缺，在洪水到來時，部分閘壩應(yīng)當(dāng)關(guān)閉，以保證水情預(yù)報的準(zhǔn)確性.此外，北運河涉及其他河道洼淀多，如潮白河、永定河等，這些河道同在一個雨區(qū)，同時降雨暴發(fā)洪水的機(jī)遇較多，調(diào)度時要綜合考慮相關(guān)河道洼淀的水情［5］.

2)結(jié)合流域水質(zhì)，適時適量泄水.北運河各閘壩泄量控制原則:①沙河閘:根據(jù)東沙河、南沙河及北沙河逐日徑流資料計算入庫流量，考慮沙河水庫的蒸發(fā)滲漏損失，并扣除上游灌溉引水需求后，以沙河水庫的最低運用水位和正常蓄水位作為控制指標(biāo)，以水位庫容曲線為依據(jù)，在逐日水量平衡分析的基礎(chǔ)上，制定出各種情景的逐日泄流量;②北關(guān)閘、楊洼閘、土門樓、筐兒港和屈家店各閘壩:根據(jù)上游來水量，考慮生態(tài)需水量和區(qū)間內(nèi)用水量需求以及汛期防洪控制水位，制定出各種情景的逐日泄流量;③優(yōu)化辛堡閘泄流方式，適當(dāng)增加非汛期的泄流量，減少汛期的泄流量.

3)保證一定的基流量和河道健康，滿足河流生物的基本需求.土門樓—筐兒港和筐兒港—屈家店河道的生態(tài)問題主要是水量短缺，河道斷流，需恢復(fù)河道的天然形態(tài)，保持河道儲水量;北關(guān)閘—牛牧屯河段的水污染嚴(yán)重，生態(tài)狀況最差，在該河段應(yīng)控制污染源，提高河流自凈能力;在生態(tài)敏感期，各閘壩下游最小流量不能低于生態(tài)最小需水閾值［6］.

4)綜合分析流域水情，初擬調(diào)度方案.根據(jù)北運河現(xiàn)有調(diào)度方式，考慮到下游生態(tài)，現(xiàn)擬定出2種生態(tài)調(diào)度方式:一是按各控制閘汛期采用汛前水位和非汛期采用正常高水位運行的方式、再考慮生態(tài)基流的要求后提出調(diào)度方案;二是考慮生態(tài)需水的水量平衡后提出各控制閘水位調(diào)度方案.這兩種調(diào)度方案都考慮生態(tài)基流的要求，生態(tài)基流取值一般采用90%或95%保證率的各個閘壩段最枯月河流平均流量.調(diào)度時，根據(jù)通縣站天然徑流頻率分析成果，選擇50%，75%，95%典型年天然徑流量，加上北京市當(dāng)年污水量，扣除通縣站以上農(nóng)業(yè)耗水量和北京市污水回用量，作為北運河水源當(dāng)年水資源總量，優(yōu)先滿足各節(jié)點及各河段引水量需求，再選取相應(yīng)生態(tài)調(diào)度方式.

3 結(jié)語

北運河流域的閘壩生態(tài)調(diào)度能夠推進(jìn)京津冀地區(qū)生態(tài)水利的順利進(jìn)展.筆者根據(jù)北運河流域存在的河流污染及河道斷流問題，指出北運河閘壩生態(tài)調(diào)度最終目標(biāo)是實現(xiàn)水生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù).結(jié)合北運河豐水期、平水期和枯水期不同調(diào)度要求，初步提出了閘壩生態(tài)調(diào)度方式是控制不同時期水位和泄水量，保證水庫和閘壩安全;在優(yōu)先滿足各河段引水量情況下，考慮水位調(diào)度或水量平衡調(diào)度.

然而筆者提供的只是一種設(shè)計思路，下一步將開展更細(xì)致的工作，構(gòu)建水動力－水質(zhì)模型，將河道斷面概化，率定與驗證模型參數(shù)，分析現(xiàn)狀年、平水年、枯水年等工況情景下北運河下游水動力學(xué)特性和水質(zhì)特性，實際檢驗北運河生態(tài)調(diào)度的合理性、實用性和正確性.

［1］周洪利.北運河榆林莊閘重建的生態(tài)水閘模式［J］.北京水務(wù)，2006(4):17－19.

［2］付春梅，吉利娜，白文榮.北運河安全度汛與突發(fā)事件應(yīng)急處理［J］.北京水務(wù)，2010(6):37－38.

［3］北京市環(huán)境保護(hù)局.北京市北運河流域污染狀況調(diào)研報告［R］.北京:北京市環(huán)境保護(hù)局，2008.

［4］曲樹國，劉洪霞，趙海軍.山東省河道閘壩生態(tài)調(diào)度原則和調(diào)度方式探討［J］.山東水利，2009(7):57－59.

［5］陳國樹.淺議北運河洪水調(diào)度［J］.河北水利，2003(5):17.

［6］張運鳳，徐建新，徐紅松，等.基于和諧理念水庫調(diào)度方式的研究［J］.人民黃河，2007(7):8－10.

Ecological Regulation of Gate Dam in North Canal

GU Hong-mei1，REN Ying1，XIAO Fang2，XU Jian-xin1
(1.North China Institute of Water Conservancy and Hydroelectric Power，Zhengzhou 450011，China;2.Liaocheng River Engineering Bureau of Shandong Province，Liaocheng 252000，China)

The existing gate dam regulation usually considers flood control，drainage，irrigation，etc.，while neglects the ecological regulation.This will result in the river water shortage and water pollution.By analyzing the ecological problems in the gate dam regulation of the North Canal，considering the main related factors，and combined with the current situation of the North Canal，the objectives，standards and methods of gate dam regulation of North Canal are put forward in order to alleviate the deterioration of the water quality of North Canal，improve the water environmental conditions of the basin-wide and improve water utilization rate.

North Canal;gate dam;ecological regulation

1002－5634(2012)03－0030－04

2012－03－27

國家水體污染控制與治理科技重大專項項目(2008ZX07209);華北水利水電學(xué)院研究生教育創(chuàng)新計劃基金(YK2010－12).

谷紅梅(1974—)，女，河南鄭州人，副教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事水利工程及農(nóng)田水利方面的研究.

徐建新(1954—)，男，遼寧沈陽人，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事區(qū)域水資源高效利用及灌排發(fā)展戰(zhàn)略方面的研究.

(責(zé)任編輯:喬翠平)