永定河全線通水需水量及保障方案研究

杜 勇，萬(wàn) 超，杜國(guó)志，王立明，繆萍萍，賀 巍，高 遠(yuǎn)

(1.永定河流域投資有限公司，北京 100094；2.水利部海河水利委員會(huì)水資源保護(hù)科學(xué)研究所，天津 300170)

1 研究背景

永定河上游有桑干河、洋河兩大支流，自河北懷來(lái)縣朱官屯至天津市屈家店，長(zhǎng)307km。永定河自朱官屯下行17km入官?gòu)d水庫(kù)，官?gòu)d水庫(kù)至三家店為山峽段，長(zhǎng)109km，兩岸有清水河、大西溝等支流匯入[1]。自三家店進(jìn)入平原，流經(jīng)北京、河北廊坊，至天津屈家店，長(zhǎng)146km，其中梁各莊至屈家店為泛區(qū)段，長(zhǎng)67km。泛區(qū)段有天堂河、龍河、北運(yùn)河匯入。經(jīng)屈家店樞紐入永定新河流注入渤海[2]。其中，三家店以上為山區(qū)段，三家店-屈家店樞紐為平原段。

長(zhǎng)期的資源性缺水，使永定河生態(tài)功能受到嚴(yán)重影響，依靠自身生態(tài)系統(tǒng)難以恢復(fù)。山區(qū)段雖能維持一定基流，但水資源開(kāi)發(fā)利用率高達(dá)97%，河道內(nèi)生態(tài)水量各河段存在不同程度虧缺。同時(shí)，官?gòu)d水庫(kù)-三家店區(qū)間河道滲漏較為嚴(yán)重，三家店斷面生態(tài)水量虧缺最為嚴(yán)重[3]。平原段河道1996年后完全斷流，平均干涸長(zhǎng)度140km，局部河段河床沙化，地下水位下降，地面沉降，河流生態(tài)嚴(yán)重退化[4]。永定新河由于北運(yùn)河、薊運(yùn)河、潮白河及區(qū)間澇水匯入，常年有水，暫不作為全線通水的制約條件。

2016年，國(guó)家發(fā)改委、水利部、原國(guó)家林業(yè)局印發(fā)《永定河綜合治理與生態(tài)修復(fù)總體方案(發(fā)改農(nóng)經(jīng)辦〔2016〕2842號(hào))》(簡(jiǎn)稱(chēng)《總體方案》)，為實(shí)現(xiàn)“流動(dòng)的河”目標(biāo)[5]，提出三家店斷面生態(tài)需水量2.6億m3。自2017年通過(guò)水資源優(yōu)化配置加大了上游向下游集中生態(tài)補(bǔ)水水量。2019年，首次開(kāi)展了引黃水與永定河本地徑流統(tǒng)籌調(diào)度、官?gòu)d水庫(kù)上下游聯(lián)合調(diào)度，官?gòu)d水庫(kù)上游共向永定河生態(tài)補(bǔ)水3.31億m3(其中引黃水1.94億m3)，自引黃北干線1#隧洞出口至盧溝橋攔河閘下游河段形成持續(xù)有水河道約400km，沿線水生態(tài)環(huán)境明顯好轉(zhuǎn)。

為盡早實(shí)現(xiàn)永定河“流動(dòng)的河”目標(biāo)，基于河道“不防滲、低擾動(dòng)、自然修復(fù)”的工程方案及河道滲漏情況，統(tǒng)籌考慮當(dāng)?shù)貜搅?、再生水、引黃水、南水北調(diào)水等多水源，提出永定河實(shí)現(xiàn)全線通水的水資源配置方案[6]。

永定河流域水系及調(diào)水線路如圖1所示。

圖1 永定河流域水系及調(diào)水線路圖

2 山區(qū)河道內(nèi)生態(tài)水量配置

2.1 地表水資源狀況

受氣候和下墊面變化等因素影響，永定河山區(qū)地表徑流量呈逐漸減少的趨勢(shì)，天然徑流量已從20世紀(jì)70年代前的19.71億m3，減少到2001—2014年的8.39億m3，與1956—2010年的14.43億m3相比減少41.9%[7]。按現(xiàn)狀下墊面修正后，永定河山區(qū)多年平均地表徑流量?jī)H9.78億m3。

2.2 河道內(nèi)生態(tài)水量配置

現(xiàn)狀開(kāi)發(fā)利用水平下，山區(qū)多年平均地表水供水量6.80億m3，考慮河道蒸發(fā)下滲，洋河、桑干河匯合后河道僅留存2.23億m3。按照2019年春季生態(tài)補(bǔ)水期間官?gòu)d水庫(kù)-三家店區(qū)間蒸發(fā)滲漏損失，永定河山區(qū)出口三家店斷面僅留存1.41億m3。

萬(wàn)家寨引黃北干線是近期永定河生態(tài)補(bǔ)水水源?，F(xiàn)階段由于生態(tài)水量虧缺較為嚴(yán)重，可充分利用萬(wàn)家寨引黃北干線富裕水量向永定河生態(tài)補(bǔ)水，改善流域水生態(tài)狀況。目前，引黃工程尚有2.64億m3的供水能力可向永定河補(bǔ)水。

由于下游平原段實(shí)現(xiàn)通水所需的水資源缺口仍比較大，以盡量控制河道外農(nóng)業(yè)用水、最大規(guī)模引黃河水為原則，提出永定河山區(qū)段河道內(nèi)生態(tài)水量配置方案[8]。具體見(jiàn)表1。

表1 永定河山區(qū)生態(tài)水量配置方案 單位：億m3

3 平原生態(tài)需水量分析及配置方案

3.1 平原生態(tài)需水量分段核算

2005～2014年的10年間，三家店至盧溝橋段基本處于長(zhǎng)期斷流狀態(tài)，盧溝橋至屈家店段基本全年干涸。永定河盧溝橋段以下平原河段干涸斷流、河床沙化，冬春季節(jié)，風(fēng)沙彌漫，對(duì)于區(qū)域生態(tài)環(huán)境影響明顯。永定河平原段常年干涸，已基本喪失自然河流特性[9]。

按照“以流域?yàn)檎w、區(qū)域?yàn)閱卧⑸絽^(qū)保護(hù)、平原修復(fù)”的總體原則，平原河段構(gòu)建綠色生態(tài)走廊，需恢復(fù)水體連通和景觀環(huán)境功能。按照“流動(dòng)的河”的目標(biāo)和“平原河段維持水面”的思路，采用生態(tài)環(huán)境功能需水法計(jì)算平原各段生態(tài)需水量[10]。水體連通功能和自?xún)艄δ苁怯蓝ê悠皆蔚闹饕鷳B(tài)環(huán)境功能，受水源條件限制，僅將水體連通功能作為近期實(shí)現(xiàn)全線通水的主要生態(tài)環(huán)境功能。

隨著永定河綜合治理與生態(tài)修復(fù)河道生態(tài)治理工程的實(shí)施，平原北段、南段以及部分泛區(qū)段工程按照不采取防滲減滲措施、“地下+地表”同步立體修復(fù)的原則形成了初步設(shè)計(jì)方案，各段生態(tài)水面結(jié)合河道地形地質(zhì)進(jìn)行了優(yōu)化布置[11]。根據(jù)2019年生態(tài)補(bǔ)水過(guò)程對(duì)河道水位、流量、入滲速率監(jiān)測(cè)資料，結(jié)合歷史徑流數(shù)據(jù)和優(yōu)化的工程方案，按水體連通功能所需的槽蓄量、蒸發(fā)量和滲漏量計(jì)算各河段的生態(tài)需水量[12]。

3.2 2019年生態(tài)補(bǔ)水情況

2019年3月至6月萬(wàn)家寨引黃北干線1#洞沿桑干河、經(jīng)冊(cè)田水庫(kù)，向官?gòu)d水庫(kù)實(shí)施春季補(bǔ)水。官?gòu)d水庫(kù)下泄水量，經(jīng)珠窩水庫(kù)、落坡嶺水庫(kù)向三家店攔河閘和盧溝橋攔河閘下泄，一路南下，最終水頭到達(dá)盧溝橋以下16km處。官?gòu)d水庫(kù)共集中放水87d，累計(jì)下泄2.23億m3，首次實(shí)現(xiàn)了自1996年后永定河干流官?gòu)d水庫(kù)至黃良鐵路段非汛期全線通水，為20多年來(lái)最大規(guī)模生態(tài)補(bǔ)水。

通過(guò)此次生態(tài)水量調(diào)度，官?gòu)d水庫(kù)入庫(kù)斷面部分時(shí)段水質(zhì)恢復(fù)至III類(lèi)。永定河平原河道周邊地下水位有較大幅度回升，其中三家店至盧溝橋兩側(cè)10km范圍內(nèi)地下水平均回升4.71m，盧溝橋以下兩側(cè)3km范圍內(nèi)地下水位平均回升0.4m，部分泉眼停噴30年后復(fù)涌。補(bǔ)水情況詳見(jiàn)表2。

表2 永定河春季生態(tài)補(bǔ)水情況

表3 永定河全線基本生態(tài)需水量

平原北段。補(bǔ)水初期蒸發(fā)滲漏參數(shù)10～60cm/d，滲漏穩(wěn)定后1.5～45cm/d，蒸發(fā)滲漏需水量約為1.74億m3；考慮一次槽蓄量2268萬(wàn)m3，平原北段全年最小生態(tài)需水量1.97億m3。

平原南段。補(bǔ)水初期9.5～45cm/d，滲漏穩(wěn)定后7.5～27cm/d，蒸發(fā)下滲損失量1.12億m3，每年最小生態(tài)需水量1.23億m3；考慮一次槽蓄量1045萬(wàn)m3，全年最小生態(tài)需水量1.23億m3。

泛區(qū)段。根據(jù)固安和天津武清區(qū)的降雨、蒸發(fā)及地下水位資料，廊坊段蒸發(fā)滲漏系數(shù)采用5.5～7.5cm/d，蒸發(fā)滲漏量800萬(wàn)m3，一次槽蓄量79萬(wàn)m3；天津市段地下水埋深為2.0m左右，蒸發(fā)滲漏系數(shù)為1～3mm/d，蒸發(fā)滲漏量為516萬(wàn)m3，一次槽蓄量611萬(wàn)m3。泛區(qū)段河道最小生態(tài)需水量2005萬(wàn)m3。

綜上，永定河平原段實(shí)現(xiàn)全線通水目標(biāo)的生態(tài)需水量為3.4億m3。其中，平原北段1.97億m3，平原南段1.23億m3，泛區(qū)段0.20億m3。詳見(jiàn)表3。

3.3 平原生態(tài)水量保障方案

3.3.1總體思路

由于目前地下水虧空較為嚴(yán)重，實(shí)現(xiàn)地表、地下立體修復(fù)并全線通水的目標(biāo)，平原段生態(tài)需水量3.4億m3，遠(yuǎn)超三家店2.6億m3的生態(tài)需水量外包值。山區(qū)段下泄的當(dāng)?shù)貜搅鳌⒁S水仍然不滿(mǎn)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。按照上下統(tǒng)籌、分區(qū)調(diào)配、多源互濟(jì)的思路，充分利用當(dāng)?shù)貜搅?、引黃水、再生水、南水北調(diào)中線水等多水源，以全線通水為目標(biāo)，對(duì)永定河平原河段進(jìn)行合理配置[13]。

3.3.2生態(tài)水量配置方案

多年平均。多年平均條件下，上游官?gòu)d入庫(kù)生態(tài)水量3.49億m3，山區(qū)段損失1.48億m3后至三家店閘上2.01億m3，三家店可下泄水量1.83億m3供平原段河道內(nèi)生態(tài)用水。平原北段通過(guò)再生水補(bǔ)給0.75億m3，至平原北段末端盧溝橋0.61億m3。平原北段通過(guò)南水北調(diào)中線補(bǔ)給0.76億m3，至平原段末端梁各莊0.09億m3，用于廊坊段的生態(tài)需水。天津段需水通過(guò)北運(yùn)河調(diào)入0.11億m3補(bǔ)給。生態(tài)水量配置方案如圖2所示。

圖2 多年平均條件下河道內(nèi)生態(tài)水量配置方案

一般枯水年(P=75%)。官?gòu)d入庫(kù)生態(tài)水量2.66億m3，山區(qū)段損失1.48億m3后至三家店閘上1.18億m3，考慮引水損失，三家店可下泄0.68億m3，供平原段河道內(nèi)生態(tài)用水。平原南段通過(guò)再生水補(bǔ)給0.75億m3和南水北調(diào)中線補(bǔ)水0.4億m3，受可供水量限制仍虧缺0.14億m3。平原北段通過(guò)南水北調(diào)中線補(bǔ)給1.31億m3后，至平原南段末端梁各莊0.09億m3，用于廊坊段的生態(tài)需水。天津段生態(tài)需水通過(guò)北運(yùn)河補(bǔ)給0.11億m3。生態(tài)水量配置方案如圖3所示。

圖3 75%條件下河道內(nèi)生態(tài)水量配置方案

特枯年(P=95%)。官?gòu)d入庫(kù)生態(tài)水量2.07億m3，山區(qū)段損失1.48億m3后至三家店閘上0.59億m3，考慮引水損失，三家店可下泄生態(tài)水量?jī)H0.09億m3供平原段河道內(nèi)生態(tài)用水。平原南段通過(guò)再生水補(bǔ)給0.75億m3和南水北調(diào)中線補(bǔ)水0.4億m3，受可供水量限制仍虧缺0.73億m3。平原北段通過(guò)南水北調(diào)中線補(bǔ)給1.34億m3，至平原南段末端梁各莊0.09億m3，用于廊坊段生態(tài)需水。天津段生態(tài)需水通過(guò)北運(yùn)河補(bǔ)給0.11億m3。生態(tài)水量配置方案如圖4所示。

圖4 95%條件下河道內(nèi)生態(tài)水量配置方案

4 措施與建議

4.1 建立上下游生態(tài)水量統(tǒng)一調(diào)度機(jī)制

永定河下游是永定河生態(tài)水量調(diào)度的重點(diǎn)河段，按照“統(tǒng)一分配水量、水量斷面控制、省市負(fù)責(zé)用水配水”原則，將沿線控制性節(jié)點(diǎn)納入流域生態(tài)水量統(tǒng)一調(diào)度。以全流域水安全和生態(tài)安全為目標(biāo)，在生態(tài)用水配置和生態(tài)水量調(diào)度過(guò)程中，通過(guò)對(duì)永定河全線的控制性水利工程制定科學(xué)、統(tǒng)一的水位流量、徑流過(guò)程、生態(tài)基流、水質(zhì)水溫、時(shí)序耦合等關(guān)鍵調(diào)控閾值，把節(jié)水優(yōu)先這項(xiàng)“剛性約束”貫穿到“規(guī)劃設(shè)計(jì)—建設(shè)管理—調(diào)度運(yùn)行”的流域生態(tài)修復(fù)治理全過(guò)程、全生命周期中[14]。

4.2 實(shí)施南水北調(diào)中線向永定河生態(tài)補(bǔ)水工程

通過(guò)南水北調(diào)中線與永定河連通，以及支流間區(qū)域內(nèi)連通互濟(jì)，增強(qiáng)生態(tài)用水調(diào)配和保障能力。在保證正常供水目標(biāo)的前提下，根據(jù)丹江口水庫(kù)水資源條件，相機(jī)為永定河進(jìn)行生態(tài)補(bǔ)水，有效推進(jìn)平原段地下水超采綜合治理，逐步實(shí)現(xiàn)地下水采補(bǔ)平衡[15]。同時(shí)，平原段沿線可根據(jù)南水北調(diào)來(lái)水優(yōu)化中心城區(qū)環(huán)境用水配置，多用再生水，適當(dāng)利用南水北調(diào)水。將永定河上游來(lái)水著力保障河道生態(tài)用水，為促進(jìn)沿線經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展提供水安全保障。

4.3 構(gòu)建流域橫向水生態(tài)補(bǔ)償機(jī)制

按照“誰(shuí)受益，誰(shuí)補(bǔ)償”的原則，加快推進(jìn)流域內(nèi)上下游開(kāi)發(fā)地區(qū)、受益地區(qū)與生態(tài)保護(hù)地區(qū)之間的橫向生態(tài)補(bǔ)償研究。根據(jù)各方利益訴求，制定符合流域特點(diǎn)和實(shí)際的生態(tài)補(bǔ)償方案，促進(jìn)上下游地區(qū)間生態(tài)治理保護(hù)效益合理分配，建立生態(tài)水量保障長(zhǎng)效機(jī)制[16]。為永定河實(shí)現(xiàn)“流動(dòng)的河，綠色的河，清潔的河，安全的河”治理目標(biāo)提供制度支撐。