基于多源互濟(jì)的永定河泛區(qū)生態(tài)補(bǔ)水可行性研究

董 琳，王白陸，劉江俠，景文洲

(水利部海河水利委員會科技咨詢中心，天津 300170)

1 研究背景

經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展要同時(shí)受資源和環(huán)境承載力的制約[1]，水資源短缺是影響我國北方地區(qū)發(fā)展的關(guān)鍵因素，20世紀(jì)80年代以后，北方地區(qū)河川徑流量呈減少趨勢，且隨著經(jīng)濟(jì)社會的快速發(fā)展，區(qū)域需水大幅增加，城市水資源供需矛盾加劇[2]，嚴(yán)重制約了區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展和生態(tài)環(huán)境質(zhì)量。為此，許多學(xué)者探討基于水資源循環(huán)利用，節(jié)水開源、非常規(guī)水利用、外調(diào)水等不同策略組合的區(qū)域水資源短缺解決思路，為緩解水資源短缺起到積極促進(jìn)作用[3]。許多國家把城市污水再生利用作為解決水資源短缺的重要措施之一[4]。荊平基于循環(huán)經(jīng)濟(jì)3R原則對雨水、生活污水、工業(yè)污水的循環(huán)經(jīng)濟(jì)利用模式進(jìn)行分析，提出循環(huán)利用的方法和途徑。胥衛(wèi)平[5]等分析梳理了雨水徑流模型、降雨量分析、雨洪資源利用等方面研究成果，提出了缺水城市雨洪資源利用技術(shù)經(jīng)濟(jì)評價(jià)方法。同時(shí)，引入外調(diào)水也成為當(dāng)前彌補(bǔ)區(qū)域水資源短缺的重要舉措。杜勇[6]等提出永定河流域?qū)崿F(xiàn)地表、地下立體修復(fù)并全線通水的各河段生態(tài)需水量，當(dāng)山區(qū)段當(dāng)?shù)貜搅骱鸵S水不能滿足生態(tài)用水需求，需進(jìn)一步挖掘再生水、南水北調(diào)中線水進(jìn)行生態(tài)補(bǔ)水。酈建強(qiáng)[7]等提出當(dāng)?shù)厮Y源適度開發(fā)、非常規(guī)水源最大限度利用、外調(diào)水嚴(yán)格按照“三先三后”科學(xué)謀劃。趙鐘楠[8]等認(rèn)為通過連通的多水源聯(lián)合調(diào)度，互調(diào)互濟(jì)，可提高區(qū)域供水保障水平。

基于以上理論和實(shí)踐基礎(chǔ)，本文提出了以“多水源互濟(jì)、多時(shí)空調(diào)控、多點(diǎn)入泛區(qū)”為主線，以實(shí)現(xiàn)永定河泛區(qū)年收水量不少于2000萬m3為目標(biāo)的多水源補(bǔ)水可行性研究。在廊坊市水資源匱乏、生態(tài)用水不足的現(xiàn)實(shí)條件下，研究永定河泛區(qū)的不同水源入泛區(qū)的可行性及可排入量，并提出保障措施，為實(shí)現(xiàn)京津冀協(xié)同發(fā)展，構(gòu)建永定河綠色生態(tài)廊道提供支撐。

2 永定河泛區(qū)概況

永定河泛區(qū)位于永定河下游，上起廊坊市固安縣梁各莊，下至廊坊-天津界(屈家店)，由左右大堤及屈家店樞紐組成。泛區(qū)總長度73km，總面積為523km2，是永定河流域防洪體系的重要組成部分，承擔(dān)著“緩洪、沉沙、削峰”和保護(hù)京山鐵路及天津市防洪安全的任務(wù)[9]。廊坊市境內(nèi)的永定河泛區(qū)跨永清縣、廣陽區(qū)和安次區(qū)3個(gè)區(qū)縣，占泛區(qū)總面積的71%，泛區(qū)左岸有永興河、龍河支流入泛區(qū)，區(qū)內(nèi)河道常年干涸沙化，加上地表裸露、植被覆蓋度低，生態(tài)系統(tǒng)十分脆弱。永定河泛區(qū)位置如圖1所示。

圖1 永定河泛區(qū)位置圖

根據(jù)《河北省水資源評價(jià)》《廊坊市水資源評價(jià)》等成果，廊坊市1956—2016年多年平均降水量為540.53mm，根據(jù)不同時(shí)間系列對比分析，1980—2000年、2001—2016年平均降水量與多年平均相比分別減少35.61、28.67mm，偏少6.59%、5.30%。廊坊市1980—2016年平均地表水資源量為3399.51萬m3，2001—2016年平均地表水資源量1845.25萬m3，與多年平均相比減少61.47%。

受降雨量減少、人類活動、土地利用變化、閘壩工程建設(shè)以及地下水利用等活動改變了流域下墊面條件[10]，河道徑流量大幅度衰減，泛區(qū)周邊僅有永興河、龍河有少量地表徑流，1996年以后永定河平原段河道完全斷流，地下水位下降，地面沉降，河流生態(tài)退化[11]，嚴(yán)重破壞了泛區(qū)內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)。

3 泛區(qū)補(bǔ)水水源及補(bǔ)水控制斷面

目前，可向泛區(qū)補(bǔ)水的主要河流包括永興河、龍河、永定河，主要渠道包括豐收渠、勝天渠。廊坊市區(qū)環(huán)城水系作為入泛區(qū)水源的補(bǔ)充，可通過環(huán)城水系閘壩調(diào)度，間接排入永定河泛區(qū)。豐收渠、勝天渠均為從龍河取水的灌溉渠道，非灌溉時(shí)期渠道內(nèi)無水，且閘門關(guān)閉，可簡化處理，認(rèn)為渠道向泛區(qū)補(bǔ)水量已包含在龍河補(bǔ)水量中。永定河泛區(qū)主要河道、渠道及控制工程如圖2所示。

圖2 永定河泛區(qū)主要河道(渠道)及控制工程分布圖

對永定河泛區(qū)內(nèi)河流流勢走向、水閘工程控制調(diào)度方式等要素進(jìn)行分析。

(1)永興河于更生閘下1km處匯流入永定河，全部徑流均可作為補(bǔ)水水量，水源主要為瀝澇水、再生水廠和大興機(jī)場排水。

(2)龍河于東張務(wù)入永定河泛區(qū)，由于近年來干旱少雨，龍河水源主要為污水處理廠的再生水、沿線瀝水及南水北調(diào)的生態(tài)補(bǔ)水。

(3)永定河河道常年干涸無水。

(4)環(huán)城水系由大皮營引渠、五干渠、六干渠、八干渠、九干渠等組成[12]，其中大皮營引渠、五干渠與龍河交匯處分別由祖各莊閘、岳莊子閘作為控制工程，可相機(jī)進(jìn)行水量調(diào)度。環(huán)城水系水源為上游生態(tài)補(bǔ)水和城鎮(zhèn)再生水排水，作為城市景觀水使用。主要河道補(bǔ)水水源類型見表1。

表1 主要河道補(bǔ)水水源類型

河流向泛區(qū)補(bǔ)水?dāng)嗝娣謩e為，永定河固安站、永興河更生閘、龍河?xùn)|張務(wù)閘作為3條河道向泛區(qū)補(bǔ)水的收水?dāng)嗝?。參與調(diào)度控制的工程為大伍龍閘、東張務(wù)閘、岳莊子閘、更生閘。重要工程節(jié)點(diǎn)見表2。

表2 泛區(qū)主要節(jié)點(diǎn)控制工程情況表

4 泛區(qū)補(bǔ)水可行性分析

通過對廊坊市現(xiàn)狀供水工程和供用水構(gòu)成進(jìn)行研究，泛區(qū)補(bǔ)水按照不同水源可分為當(dāng)?shù)厮⒃偕?、外調(diào)水，其中當(dāng)?shù)厮饕獮橛琅d河、龍河、永定河自產(chǎn)水和上游入境水，再生水主要來自市區(qū)污水處理廠外排水，外調(diào)水主要包括萬家寨引黃、南水北調(diào)中線補(bǔ)水。

4.1 當(dāng)?shù)厮?/h3>

本次采用1980—2016系列廊坊市降雨量進(jìn)行頻率計(jì)算，結(jié)合北昌站(國家站，有長期數(shù)據(jù))實(shí)測徑流，確定典型年份，參考2000年以后龍河(北昌站)、永興河(更生閘)實(shí)測徑流量資料，確定控制斷面的徑流量。

4.1.1龍河

將龍河?xùn)|張務(wù)閘作為入泛區(qū)水量控制節(jié)點(diǎn)，由于東張務(wù)閘沒有實(shí)測數(shù)據(jù)，依據(jù)其上游北昌站徑流量考慮河道水面蒸發(fā)、滲漏，對東張務(wù)斷面水量進(jìn)行推算[13]。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，2001—2017年多年平均徑流量789萬m3，徑流年內(nèi)分布不均勻，主要集中在汛期6—9月份，偏豐水年(P=37%)1332.9萬m3，平水年(P=50%)1012.8萬m3，枯水年(P=75%)流量為333.6萬m3，特枯年(P=95%)為0，如圖3、表3所示。

圖3 北昌站徑流量趨勢變化圖

表3 龍河(東張務(wù))典型年徑流統(tǒng)計(jì)表

東張務(wù)斷面多年平均入泛區(qū)水量670.7萬m3，偏豐水年(P=37%)徑流量為1052萬m3，平水年(P=50%)徑流量為747萬m3，枯水年(P=75%)徑流量為119萬m3，偏特枯年(P=95%)徑流量為205.3萬m3，(不包括北昌到東張務(wù)區(qū)間再生水入河量和排出量)。

4.1.2永興河

永興河原名天堂河，是排澇河道，主要承接天堂河再生水廠和龐各莊再生水廠排放再生水，2014年北京大興國際機(jī)場興建后，承接新機(jī)場建設(shè)排水，2019年機(jī)場正式啟用后，承接運(yùn)營期部分排水。由于再生水和機(jī)場排水的水量受豐枯影響較小，預(yù)計(jì)除受降雨影響外，未來永興河入泛區(qū)水量較為穩(wěn)定。根據(jù)更生閘(上)實(shí)測流量資料，針對入泛區(qū)水量進(jìn)行分析。2001—2010年更生閘上無徑流，2011—2015年河道徑流量基本穩(wěn)定保持在200萬m3左右，2015年以后徑流量自291.78萬m3陡增至1742.91萬m3，2017年下降至1240萬m3。

考慮到永興河上游北京新機(jī)場建設(shè)期和運(yùn)營初期排水，對徑流量進(jìn)行修正。將更生閘多年實(shí)測月過程中非汛期(1—5月、10—12月)實(shí)測徑流量全部做為新機(jī)場外排水量，計(jì)算月平均排水量，測算得到新機(jī)場年平均外排水量為761萬m3，永興河現(xiàn)狀基準(zhǔn)年徑流量修正后多年平均徑流量337.4萬m3，偏豐水年(P=37%)982.9萬m3，平水年(P=50%)479.9萬m3，枯水年(P=75%)182.3萬m3，特枯年份(P=95%)為0，如圖4、表4所示。

圖4 更生閘徑流量趨勢變化圖

表4 永興河(更生閘)典型年徑流統(tǒng)計(jì)表

4.1.3永定河

永定河干流上的入泛區(qū)控制節(jié)點(diǎn)斷面為固安水文站，根據(jù)實(shí)測流量統(tǒng)計(jì)，1997年以來河道處于常年斷流狀態(tài)，永定河現(xiàn)狀年(2017年)入泛區(qū)水量為0。2020年永定河實(shí)施生態(tài)補(bǔ)水期間，水頭進(jìn)入天津境內(nèi)15km，但后續(xù)河道內(nèi)水量情況尚不確定，若未來永定河補(bǔ)水成為常規(guī)調(diào)度水量，可作為穩(wěn)定補(bǔ)水水源。結(jié)合杜勇等人提出的生態(tài)水量保障方案中規(guī)定的永定河河道基流量，

4.2 環(huán)城水系

環(huán)城水系主要水源為廊坊市區(qū)再生水，通過調(diào)查廊坊市城鎮(zhèn)廢污水處理與回用現(xiàn)狀，分析未來再生水利用潛力，在保障當(dāng)?shù)赜盟那疤嵯拢治隼美确皇协h(huán)城水系，通過廊坊市內(nèi)的連通干渠，向龍河補(bǔ)給再生水的可行性，確定再生水的補(bǔ)水量、以及補(bǔ)水渠道。

4.2.1再生水現(xiàn)狀

排入永定河泛區(qū)的再生水主要來源于廊坊市中心城區(qū)及周邊城鎮(zhèn)工業(yè)和生活污水，據(jù)《廊坊市中心城區(qū)排水與污水治理專項(xiàng)規(guī)劃》，廊坊市中心城區(qū)供水廠現(xiàn)狀總供水量5419.64萬m3/a，估算污水產(chǎn)生量5067.36萬m3/a，根據(jù)日排放量計(jì)算，再生水入泛區(qū)水量約為390萬t。

4.2.2再生水可利用量

根據(jù)2020年廊坊市中心城區(qū)和永定河泛區(qū)周邊城鎮(zhèn)生產(chǎn)生活需水量預(yù)測結(jié)果，對再生水生產(chǎn)量進(jìn)行預(yù)測，考慮用水消耗、污水收集處理、再生水回用過程中的損失量，預(yù)測2020年再生水可排入泛區(qū)水量為1277.5萬m3。

分析認(rèn)為，廊坊市中心城區(qū)產(chǎn)生的污水經(jīng)處理后，扣除回用于工業(yè)、市政雜用、城市綠化等用途外，排入河道的再生水均可通過環(huán)城水系閘壩調(diào)度排入永定河泛區(qū)。則未來可排入環(huán)城水系、龍河、勝天渠、豐收渠等河道(渠道)的再生水量為理論上可入泛區(qū)水量。

4.3 外調(diào)水

4.3.1引黃水

2017年《永定河綜合治理與生態(tài)修復(fù)總體方案》獲批后，經(jīng)過多方協(xié)調(diào)統(tǒng)籌調(diào)度，利用萬家寨引黃北干線實(shí)施永定河生態(tài)補(bǔ)水，補(bǔ)水受益范圍至永定河官廳水庫。2020年，永定河實(shí)施春季補(bǔ)水，如能經(jīng)過統(tǒng)一調(diào)度管理，使之成常態(tài)化，可作為永定河泛區(qū)的穩(wěn)定補(bǔ)水水源。

4.3.2南水北調(diào)水

2019年，廊坊市啟動龍河生態(tài)補(bǔ)水工作，自廊涿干渠安次龍河退水口門將南水北調(diào)生態(tài)水引入龍河，引調(diào)生態(tài)水約160萬m3。這一補(bǔ)水路線和調(diào)度方式較為成熟，未來南水北調(diào)水相機(jī)向永定河泛區(qū)生態(tài)補(bǔ)水可通過此路線實(shí)施。

5 保障程度分析

5.1 基準(zhǔn)年補(bǔ)水量分析

結(jié)合以上分析和計(jì)算結(jié)果，考慮研究范圍內(nèi)河段在無其他引水情況下，基準(zhǔn)年入泛區(qū)水量多年平均1398.7萬m3，偏豐年份(P=37%)2425萬m3，平水年(P=50%)1617.1萬m3，枯水年(P=75%)691.8萬m3，特枯年(P=95%)390.6萬m3。對應(yīng)生態(tài)補(bǔ)水2000萬m3目標(biāo)，多年平均條件下缺水率30.07%，偏豐年份能夠滿足補(bǔ)水量目標(biāo)，平水年(P=50%)缺水382.9萬m3，缺水率19.15%，枯水年(P=75%)缺水1308.2萬m3，缺水率65.41%，特枯年不再考慮生態(tài)補(bǔ)水需求?，F(xiàn)狀基準(zhǔn)年各水源入泛區(qū)水量見表5。

表5 基準(zhǔn)年不同保證率泛區(qū)生態(tài)補(bǔ)水分析表 單位：萬m3

5.2 多源互濟(jì)補(bǔ)水量分析

根據(jù)2020年再生水可排入泛區(qū)水量預(yù)測結(jié)果，生態(tài)補(bǔ)水缺口可通過調(diào)度環(huán)城水系再生水進(jìn)入泛區(qū)的方式予以補(bǔ)充，還可通過永定河上游水量調(diào)度使用引黃水向永定河補(bǔ)水，當(dāng)以上水源均無法滿足泛區(qū)補(bǔ)水量需求時(shí)，可使用南水北調(diào)水通過廊涿干渠相泛區(qū)補(bǔ)水。

多水源補(bǔ)水優(yōu)先順序?yàn)椋簝?yōu)先使用地表水，充分使用再生水，適當(dāng)補(bǔ)充引黃水，應(yīng)急調(diào)度南水北調(diào)生態(tài)補(bǔ)水。

以下選取不同補(bǔ)水水源組合方式，對補(bǔ)水量進(jìn)行分析。

情景1：不同保證率下，在不引入外調(diào)水的情況下，僅靠泛區(qū)周邊河流渠道互濟(jì)作用，以當(dāng)?shù)厮驮偕畠深愃磳Ψ簠^(qū)生態(tài)補(bǔ)水。經(jīng)計(jì)算，偏豐年和平水年當(dāng)?shù)厮c再生水可滿足生態(tài)補(bǔ)水要求，枯水年(P=75%)缺水率21.07%，特枯年(P=95%)缺水率36.13%，分析認(rèn)為在特枯年份允許生態(tài)破壞。

情景2：枯水年當(dāng)?shù)厮?再生水+引黃水。經(jīng)計(jì)算，遇枯水年(P=75%)實(shí)施引黃補(bǔ)水達(dá)到421.3萬m3，可滿足泛區(qū)補(bǔ)水要求。

情景3：枯水年當(dāng)?shù)厮?再生水+引黃水+南水北調(diào)回補(bǔ)地下水。經(jīng)計(jì)算，遇枯水年(P=75%)，參考2017年南水北調(diào)為龍河生態(tài)補(bǔ)水水量，當(dāng)引江水達(dá)到160萬m3，引黃水達(dá)到261.3萬m3，可滿足泛區(qū)補(bǔ)水要求。

表6 多情景下泛區(qū)生態(tài)補(bǔ)水量分析表 單位：萬m3

6 泛區(qū)生態(tài)補(bǔ)水保障措施

6.1 堅(jiān)持節(jié)水優(yōu)先，促進(jìn)高效利用

在進(jìn)行多水源聯(lián)合調(diào)度之前，充分挖掘研究區(qū)內(nèi)節(jié)水潛力，提高水資源高效利用[14]，結(jié)合區(qū)內(nèi)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)部分特點(diǎn)，優(yōu)化調(diào)整農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)，提高工業(yè)用水重復(fù)利用率，抑制不合理用水需求。

6.2 強(qiáng)化河渠聯(lián)通，多源聯(lián)動配置

針對河道淤積、污染嚴(yán)重、閘壩老化的河段進(jìn)行綜合治理，改善河道內(nèi)水量與水動力循環(huán)條件，充分利用本地工程的調(diào)蓄能力。通過水系連通、水質(zhì)水量聯(lián)合調(diào)度等手段，實(shí)現(xiàn)龍河—環(huán)城水系—泛區(qū)之間的互聯(lián)互通，在保證城區(qū)河道(渠道)生態(tài)環(huán)境需求的前提下，充分使用再生水作為水源補(bǔ)充。

6.3 相機(jī)使用外調(diào)水

雖然未來南水北調(diào)中線可以為廊坊市補(bǔ)水，考慮到調(diào)水成本，還需適度使用，在特殊情況下，南水北調(diào)中線水可作為應(yīng)急補(bǔ)水水源。

6.4 涉水事務(wù)一體化，多部門協(xié)同管理

由于研究區(qū)內(nèi)河道治理、閘壩調(diào)度、水量分配分屬不同部門，需要強(qiáng)化區(qū)域協(xié)同治理體質(zhì)機(jī)制[15]，統(tǒng)籌協(xié)調(diào)水利、城建、環(huán)保等多部門，優(yōu)化區(qū)內(nèi)閘壩等調(diào)度管理手段，實(shí)施水質(zhì)水量聯(lián)合調(diào)度，對龍河、南水北調(diào)、城鎮(zhèn)再生水等多種水源在豐水期、平水期和枯水期進(jìn)行優(yōu)化調(diào)控。

7 結(jié)論

本文分析了地表水、再生水等常規(guī)補(bǔ)水水源下，永定河泛區(qū)生態(tài)補(bǔ)水量和缺水率，結(jié)合不同水源向泛區(qū)補(bǔ)水的可利用水量，在枯水年引入引江水、引黃水作為水源補(bǔ)充，通過對多種情景下的分析計(jì)算，得出以下結(jié)論：

(1)正常年份下，當(dāng)再生水入泛區(qū)達(dá)到1277.5萬m3時(shí)可滿足補(bǔ)水目標(biāo)。

(2)枯水年(P=75%)，當(dāng)引黃水向永定河補(bǔ)水，入泛區(qū)水量達(dá)到421.3萬m3時(shí)可滿足補(bǔ)水目標(biāo)。

(3)枯水年(P=75%)，當(dāng)引江水向龍河補(bǔ)水，入泛區(qū)水量達(dá)到160萬m3，引黃水向永定河補(bǔ)水，入泛區(qū)水量達(dá)到261.3萬m3時(shí)可滿足補(bǔ)水目標(biāo)。

為實(shí)現(xiàn)泛區(qū)補(bǔ)水目標(biāo)，需要提高當(dāng)?shù)卦偕寐剩y(tǒng)籌協(xié)調(diào)環(huán)保、水利、市政等相關(guān)部門，充分利用現(xiàn)有河道渠系進(jìn)行水量調(diào)度，在充分節(jié)水的前提下，用足用好引江水和引黃水。