天津市段永定河生態(tài)需水量分析

陳 敏，王書鳳，高樹晗，李澤軍

（1.天津市水務(wù)規(guī)劃勘測設(shè)計有限公司，天津 300204；2.天津市灌溉排水中心，天津 300074；3.天津市水務(wù)工程運行調(diào)度中心，天津 300074；4.天津市水文水資源管理中心，天津 300061）

推動京津冀協(xié)同發(fā)展是黨中央國務(wù)院作出的一項重大戰(zhàn)略決策，京津冀地區(qū)水資源短缺、水資源開發(fā)利用程度過高使得水生態(tài)損害、水環(huán)境污染等問題較為突出。在《京津冀協(xié)同發(fā)展規(guī)劃綱要》中明確指出，要推動“六河五湖”生態(tài)治理與生態(tài)修復(fù)［1］，永定河是“六河五湖”中的重要河流之一，是京津冀區(qū)域重要水源涵養(yǎng)區(qū)、生態(tài)屏障和生態(tài)廊道。先行開展永定河綜合治理與生態(tài)修復(fù)，打造綠色生態(tài)河流廊道，逐步將永定河恢復(fù)為“流動、綠色、清潔、安全”的河，是京津冀協(xié)同發(fā)展在生態(tài)領(lǐng)域率先實現(xiàn)突破的著力點，對改善區(qū)域生態(tài)環(huán)境具有重要的引領(lǐng)示范作用。近年來，永定河京津冀晉四省市積極開展了生態(tài)建設(shè)實踐，已實現(xiàn)清污分流和污水集中收集處理，重點河段生態(tài)環(huán)境得到了顯著改善。2021 年9 月，經(jīng)上游水庫及中游三家店、盧溝橋樞紐等工程聯(lián)合調(diào)度，利用當(dāng)?shù)氐乇硭?、引黃水、南水北調(diào)中線水、再生水等多種水源，實現(xiàn)了永定河生態(tài)補水入永定新河后入海，永定河865 km河道全線通水。

1 河湖生態(tài)環(huán)境需水量概念和類型

河湖生態(tài)環(huán)境需水是維系河流、湖泊、沼澤水生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能，需要保留在河流、湖泊、沼澤內(nèi)符合水質(zhì)要求的流量（水量、水位、水深）及其過程。

河流的自然和生態(tài)環(huán)境功能，包括以下3 個方面：①水文功能。河流是全球水文循環(huán)過程中液態(tài)水在陸地表面流動的主要通道。②地質(zhì)功能。河流動力是塑造全球地形地貌的一個重要因素。③棲息地功能、自凈功能等。河流是形成和支持地球上許多生態(tài)系統(tǒng)的重要因素，提供各種形態(tài)棲息地，為多種生態(tài)系統(tǒng)生存和演化提供基本條件。

河湖生態(tài)環(huán)境需水量分為基本生態(tài)需水量和目標(biāo)生態(tài)需水量?；旧鷳B(tài)需水量是維持河流、湖泊、沼澤給定的生態(tài)保護目標(biāo)所對應(yīng)的生態(tài)環(huán)境功能不喪失，需要保留的基本水流過程；目標(biāo)生態(tài)需水量是維持河流、湖泊、沼澤良好生態(tài)狀況或維持給定生態(tài)保護目標(biāo)，需要保留的水流過程。河湖生態(tài)需水量根據(jù)需要可用流量、水量、水位、水深、水面面積等指標(biāo)表示。

對水資源開發(fā)利用程度高、常年斷流的北方平原河流，河流控制斷面生態(tài)需水量的計算可按照給定的生態(tài)修復(fù)治理目標(biāo)，分析確定不同時段或全年的水量［2］。

2 永定河生態(tài)需水量概況

2.1 河道概況

永定河位于海河流域北部地區(qū)，上游桑干河、洋河兩大支流在河北省懷來縣朱官屯匯合后稱永定河，注入官廳水庫，在庫區(qū)納媯水河，經(jīng)官廳山峽，于三家店進入平原。三家店以下河道分為四段，即三家店至盧溝橋段、盧溝橋至梁各莊段、永定河泛區(qū)和永定新河。

2.2 永定河生態(tài)演變概況

永定河是京津冀地區(qū)重要的水源地。20 世紀(jì)50 年代，永定河水量充沛，洪災(zāi)嚴(yán)重，相繼在上中游修建了水庫等水利樞紐工程，下游興建了堤防；60年代后，上游來水減少，永定河段出現(xiàn)不同程度的干涸斷流；特別是80 年代以后，隨著工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用水的增加，永定河缺水狀況日趨嚴(yán)重，平原地區(qū)河道出現(xiàn)連續(xù)斷流；90 年代，出現(xiàn)全年斷流現(xiàn)象，河道干涸，河床裸露，周邊地區(qū)地下水位持續(xù)下降，流域下游生態(tài)環(huán)境逐漸惡化。

2005—2014 年的10 a 間，永定河主要河段年最大干涸365 d，年最大斷流365 d。其中，三家店至盧溝橋段處于長期斷流狀態(tài)；盧溝橋至屈家店段基本全年干涸，河流生態(tài)嚴(yán)重退化；永定河已無水入天津市境內(nèi)。天津市段處于長期斷流狀態(tài)，水質(zhì)惡化，水環(huán)境容量已降至低點，從北運河等其他河道引蓄水以供區(qū)域農(nóng)業(yè)用水需求。永定河主要河段干涸及斷流情況，詳見表1。

表1 永定河主要河段干涸及斷流情況

2.3 永定河生態(tài)修復(fù)主要目標(biāo)和需水量

根據(jù)《永定河綜合治理與生態(tài)修復(fù)總體方案》（以下簡稱《總體方案》），永定河山區(qū)段（桑干河、洋河、官廳水庫—三家店）以保障河道生態(tài)基流為主要目標(biāo)；平原段（三家店—屈家店）以保障一定河道內(nèi)生態(tài)水面為主要目標(biāo)，按照溪流貫穿與河道濕地相間的理念，將水體聯(lián)通功能和自凈能力作為主要目標(biāo)，其中維持水體聯(lián)通功能需水量主要考慮河流水面的蒸發(fā)滲漏損失量、自凈功能需水量按4—10 月期間維持河道水體最低流速考慮；濱海段（屈家店—防潮閘）以維持一定槽蓄水面及保障一定入海水量為主要目標(biāo)，計算維持河道水面及入海水量的生態(tài)環(huán)境需水量。

按照基本生態(tài)環(huán)境需水配置，永定河若水量達到2.60 億m3，則豐水期和枯水期流量過程均能得到有效滿足，生態(tài)環(huán)境得到有效恢復(fù)，三家店至屈家店形成長145 km、寬10～30 m 的溪流與濕地相間的水體景觀，屈家店以下河段形成長62 km、寬150 m 左右的生態(tài)水面并維持入海水量1.10 億m3，同時回補平原地下水0.69億m3［3］。

3 天津市段永定河生態(tài)需水量計算及成果分析

3.1 永定河分水方案

《總體方案》中指出，按照1956—2010 年水文系列，現(xiàn)狀基準(zhǔn)年（2014年）正常年份（保證率50%），入津水量為2.09 億m3；一般枯水年份（保證率75%），入津水量為1.45 億m3；特殊枯水年份（保證率95%），入津水量為0.90 億m3。規(guī)劃2020 年平水年，入津水量為3.01 億m3；一般枯水年份，入津水量為2.32億m3；特殊枯水年份，入津水量為1.57億m3。

3.2 生態(tài)需水量分析計算

天津市段永定河處于永定河泛區(qū)下段，常年斷流，已喪失自然河流特性，《總體方案》中將水體聯(lián)通功能作為該段的主要生態(tài)環(huán)境功能。

天津市水資源緊張，地表水資源開發(fā)利用程度高達87%［4］，在上游無分水的情況下缺水量較大，無法完全滿足永定河的生態(tài)用水需求；在上游分水情況下，即2020年特殊枯水年份入津水量為1.57億m3條件下，維持水體聯(lián)通功能主要考慮河道內(nèi)水面的蒸發(fā)滲漏損失量。

3.2.1 蒸發(fā)損失量

根據(jù)水量平衡原理，當(dāng)水面蒸發(fā)量大于降水時，蒸發(fā)量為水面蒸發(fā)與降水量的差值，計算公式為：

式中：W蒸發(fā)為多年年均水面蒸發(fā)量（mm）；A為水面面積（m2）；E為多年年均蒸發(fā)量（mm）；P為多年年均降水量（mm）。

根據(jù)河段所在武清區(qū)氣象站降雨及蒸發(fā)資料統(tǒng)計，多年年均水面蒸發(fā)量為1 084 mm，多年年均降雨量為557 mm，因此年蒸發(fā)損失量為527 mm。

3.2.2 滲漏損失量

當(dāng)河道水位高于兩岸地下水位時，河道水位在重力的作用下，以滲流的形式補給地下水即為河道滲漏，影響河道滲漏的主要因素有河床地質(zhì)情況、地下水位埋深等。

河床地質(zhì)巖性決定入滲能力，當(dāng)河床巖性為砂性土?xí)r，河流滲漏量較大；當(dāng)河床巖性為黏性土?xí)r，河流滲漏量較小。當(dāng)?shù)叵滤宦裆钶^深時，滲流可自由入滲，滲漏量大；當(dāng)?shù)叵滤宦裆钶^淺時，地下水位頂托入滲，滲漏量減小，滲漏量與滲漏強度呈線性關(guān)系［5］。

河道滲漏損失一般按經(jīng)驗公式進行計算，公式為：

式中：W滲漏為滲漏水量（m3）；A為水面面積（m2）；K為河道滲漏強度（m/a）。

天津市段永定河河床范圍內(nèi)地層主要由第四系全新統(tǒng)第Ⅰ陸相沖積層、第四系全新統(tǒng)中部沖湖積層及第四系全新統(tǒng)第Ⅰ海相沉積層組成，主要為黏土、粉土和粉質(zhì)黏土，局部夾粉砂薄層，各土體滲透系數(shù)大多在1×10-7～1×10-6cm/s之間，屬極微—微透水性［6］。

河道滲漏強度是計算河流入滲補給量的重要參數(shù)，一般通過入滲試驗獲取。2000 年天津市水資源調(diào)查評價期間，利用非農(nóng)灌期間及引黃期間河流上、下游斷面測流資料分析計算河道滲漏強度，滲漏強度一般為1～2.6 mm/d［7］。

天津市段永定河位于武清區(qū)、北辰區(qū)，該區(qū)域?qū)俦彼暮酉掠纹皆?，淺層地下水為全淡水區(qū)，易于接受大氣降水補給、山前側(cè)向補給、地表水體入滲補給，補給量大，地下水位埋藏淺，雖然多年被大量開采用于農(nóng)業(yè)灌溉和人畜引用，但水位基本沒有大的波動［8］。根據(jù)天津市水資源公報，天津市段永定河地下水埋深為2.0 m 左右［9］，地下水埋深較淺，平水年地下水埋深等值線如圖1所示。

圖1 平水年天津市段永定河地下水埋深等值線

河床范圍土層屬極微—微透水性，地下水埋深約2.0 m，參考附近河道實驗數(shù)據(jù)，永定河滲漏強度系數(shù)取2 mm/d，折合為730 mm/a。

3.2.3 生態(tài)需水量計算成果

天津市段永定河河道全長36.3 km，河道蜿蜒曲折、灘地寬闊，自然條件有利于生態(tài)修復(fù)。河道主槽疏挖后水面寬度為70～115 m，水面面積合計222 萬m2；局部低洼地區(qū)建造濕地工程，利用水生植物凈化水質(zhì)，建設(shè)濕地面積共273 萬m2。河道堤岸綠色植物形成綠色生態(tài)廊道，修復(fù)河道自然生態(tài)系統(tǒng)，同時形成良好的生態(tài)景觀效果［10］。

天津市段永定河合計水面面積為495 萬m2，蒸發(fā)損失量為527 mm/a，滲漏損失量為730 mm/a。經(jīng)計算，生態(tài)需水量為0.07億m3，計算成果詳見表2。

表2 永定河天津段生態(tài)環(huán)境需水量計算成果

3.3 成果的合理性分析

天津市段永定河河道內(nèi)土層的透水性為極微—微透水性，且地下水埋深淺，屬于地下水補給型河道，滲漏系數(shù)參考較近的其他河道的分析成果，采用的滲漏系數(shù)是合理的。

天津市蒸發(fā)滲漏損失折合水深年均為745～1 270 mm，其中河道蒸發(fā)滲漏損失考慮到其邊界條件更易于損失水按1 100 mm 計算、湖泊濕地按1 000 mm 計算［11］。本次分析天津市永定河段生態(tài)需水量蒸發(fā)滲漏損失合計為1 257 mm，與蒸發(fā)滲漏損失折合水深年均成果基本相同。因此，本次分析成果是合理的。

4 結(jié)語

天津市段永定河所處區(qū)域地下水位埋深淺，河床為黏性土，不易滲漏，維持水體聯(lián)通功能所需生態(tài)需水量理論計算值僅為0.07 億m3，水量不多，但在實際生態(tài)補水過程中情況多變，應(yīng)結(jié)合實際情況，分析確定生態(tài)補水量。

天津市通過區(qū)域調(diào)度，采用北運河來水補充永定河生態(tài)用水，隨著永定河生態(tài)治理后水質(zhì)逐漸轉(zhuǎn)好，補水水質(zhì)不應(yīng)劣于永定河水質(zhì)。同時，應(yīng)加強河道兩岸節(jié)水、用水管理，不擠占河道生態(tài)用水。