永定河（北京段）河道生態(tài)補水效益分析與方案評估

孫 冉，潘興瑤，王俊文，任 宇，杜 鵬，馬 堯，邢 淵

（1.北京市水科學技術(shù)研究院，北京100048；2.北京市非常規(guī)水資源開發(fā)利用與節(jié)水工程技術(shù)中心，北京100048；3.北京市水資源調(diào)度中心，北京100038；4.北京市京密引水管理處，北京101400）

0 引 言

流域水循環(huán)過程改變一方面受氣候變化等自然節(jié)律影響，同時還受水庫、堤壩工程建設(shè)和水資源利用等人為因素影響，使得河道下游水量、水質(zhì)、泥沙等過程發(fā)生改變［1］。進入21世紀以來，我國北方很多流域氣象、水文要素變化顯著，降雨量明顯減少、上游來水也持續(xù)減少，導致下游河道出現(xiàn)斷流引發(fā)系列生態(tài)環(huán)境問題，如河道生態(tài)流量缺失、平原荒漠化、地表水與地下水補排關(guān)系失衡、甚至有些河道由于常年干枯斷流，河床、河漫灘土壤干化、沙化，有些已經(jīng)形成“沙龍”，生物環(huán)境遭到破壞，眾多本底水生物種消失［2，3］。

生態(tài)補水是解決斷流河道水資源短缺的有效途徑，科學的生態(tài)補水需要針對性的結(jié)合河道水文地理條件和水文地質(zhì)條件，制定科學有效的補水方案［4］。一般認為對斷流河道進行生態(tài)補水需要科學確定斷流河道所需的生態(tài)補水總量，通過補水過程分析，量化補水過程的主要損耗（包括蒸發(fā)量和渠道入滲量等）［5，6］，以確保補水的生態(tài)效益最優(yōu)。最終實現(xiàn)加強水資源節(jié)約、水環(huán)境保護和水生態(tài)修復的目標。

永定河是北京市重要的水源地，同時也是全國四大重點防洪江河之一，永定河作為“京西綠色生態(tài)走廊與城市西南的生態(tài)屏障”，對北京的生態(tài)環(huán)境品質(zhì)提升和區(qū)域可持續(xù)發(fā)展意義重大。當前永定河河道生態(tài)用水長期得不到保障，地表干枯、河床沙化、植被退化，河流水陸生態(tài)系統(tǒng)嚴重退化，已嚴重影響了永定河生態(tài)服務(wù)功能的發(fā)揮，通過生態(tài)補水進行生態(tài)修復刻不容緩。水利部分別于2019 和2020年啟動了永定河生態(tài)補水工作，有效緩解了永定河流域缺水的緊張局面。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)概況

永定河上游是陰山和太行山支脈所包圍的高原，有桑干河、洋河兩大支流［7］，總流域面積4.7 萬km2，永定河流域多年平均降水量在370～650 mm 之間。其中，永定河北京段全長169.7 km（官廳水庫壩下至梁各莊出境），高程介于22.3～425 m 之間。永定河北京段通常分為三段，其中從官廳水庫至三家店為官廳山峽段，長度92 km［8］，高差340 m。三家店至南六環(huán)定水橋為平原城市河段，河道長37 km；南六環(huán)至梁各莊出境段為平原郊野河段，長度為41 km。沿程主要建有：珠窩水庫、落坡嶺水庫、三家店攔河閘、盧溝橋攔河閘、滯洪水庫等（如圖1所示）。

圖1 永定河流域研究區(qū)示意圖Fig.1 Study area of Yongding River Basin

1.2 研究數(shù)據(jù)

本研究通過構(gòu)建永定河一維河道模型定量模擬河道生態(tài)補水過程及其影響。模型覆蓋清水河、永定河干流，模型構(gòu)建所需數(shù)據(jù)主要包括空間地理基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和補水過程監(jiān)測數(shù)據(jù)，其中空間地理基礎(chǔ)數(shù)據(jù)包括：永定河北京段流域邊界、數(shù)字高程圖（DEM，Digital Elevation Model）、土壤類型圖、土地利用圖、河網(wǎng)圖等（如表1所示）。補水過程監(jiān)測數(shù)據(jù)主要結(jié)合永定河生態(tài)補水，選取沿線5 個關(guān)鍵斷面進行過程監(jiān)測：官廳水庫（壩下）、雁翅站、隴駕莊站、三家店攔河閘和盧溝橋攔河閘，監(jiān)測指標主要包括水位、流量過程數(shù)據(jù)，以進行生態(tài)補水過程與效益分析。

表1 數(shù)據(jù)來源Tab.1 Data sources

1.3 模型構(gòu)建

本研究通過構(gòu)建永定河一維河道水動力學模型來模擬河道水流過程，一維水動力學模型可以快速、準確地模擬復雜河網(wǎng)的水位、流量過程，模型在無支流交匯河段采用圣維南方程組的動力波演算方法［9］，基于垂向積分的水量和動量守恒方程［10，11］。

質(zhì)量守恒方程（連續(xù)方程）：

動量方程：

式中：A為過水斷面面積，m2；Q為流量，m3/s；x為距離坐標，m；t為時間坐標，s；h為水位，m；q為旁側(cè)入流流量，m3/s，；c為謝才系數(shù)；n為河床糙率系數(shù)，R為水力半徑，m；g為重力加速度，m/s2。

時光飛逝，2018年也邁入了最后一個月份。好在元旦的鐘聲敲響前，還有一個溫暖的圣誕節(jié)——這個來自西方的節(jié)日同樣受到國人的歡迎，大概是因為它讓我們可以與相愛的人相聚在一起，彼此交換禮物，回顧這一年攜手共度的點點滴滴。

本研究以實測2019年和2020年兩次生態(tài)補水流量過程為模型輸入。具體生態(tài)補水流量過程線如圖2所示。

圖2 生態(tài)補水流量過程線（官廳水庫斷面）Fig.2 Process line of ecological replenishment flow（Guanting Reservoir section）

1.4 模型率定與驗證

為了提升模型模擬精度，利用2019年（3月13日至6月16日）生態(tài)補水監(jiān)測數(shù)據(jù)進行參數(shù)率定，利用2020年（4月20日至5月20日）生態(tài)補水數(shù)據(jù)進行模型驗證，主要率定的參數(shù)為：河道入滲系數(shù)、河道糙率系數(shù)。

山峽段河道滲漏主要集中在下落坡嶺水庫至三家店段［12］，河道入滲試驗結(jié)果表明落坡嶺至三家店河道平均入滲強度約0.2 m/d。根據(jù)水量平衡原理，基于河道監(jiān)測斷面實測的流量數(shù)據(jù)，逐段計算河道入滲能力，設(shè)置河道滲漏參數(shù)。根據(jù)永定河防洪規(guī)劃的糙率取值，主河槽糙率n＝0.035，有雜草的灘地n=0.045，有樹林灘地n=0.06，結(jié)合實測水位流量數(shù)據(jù)，采用試錯法設(shè)置和率定糙率值。

本研究選取4個判斷指標來量化模擬精度：絕對誤差（用于表示模擬值和實測值的差值，該值越小表示模擬精度越高），相對誤差（絕對誤差與實測值的比值），納什效率系數(shù)（NSE，Nash Sutcliffe Efficiency，取值范圍為負無窮至1，值接近于1 表示模擬精度越高；值接近于0 表示模擬結(jié)果接近觀測值的平均值），均方根誤差（RMSE，root-mean-square error，也稱作標準誤差，用來衡量觀測值同真值之間的偏差，能夠很好地反映出測量的精密度）。

（1）參數(shù)率定。參數(shù)率定過程中，三家店實測水位波動較大，這是由于人為調(diào)度閘門所致。三家店攔河閘通過攔蓄上游來水形成一定的河道調(diào)蓄容積（設(shè)計水位107.51 m、校核水位109.35 m），調(diào)蓄能力最大為200 萬m3。三家店攔河閘位于永定河出山口附近，具有重要的攔蓄洪水的作用。攔河閘上游左岸的進水閘就是永定河引水渠的起點，三家店攔河閘蓄水后可通過永定河引水渠向城區(qū)河湖生態(tài)供水，2019年生態(tài)補水期選取時段為3月13日至6月20日（圖3），歷時100 d，期間向城區(qū)補水4 726 萬m3，最大補水量為10 m3/s。綜合受到2019年生態(tài)補水期間上游來水量小（官廳出庫最大僅為40 m3/s），同時兼顧三家店水庫要維持一定水面面積、確保下泄量和為城區(qū)河湖生態(tài)供水等目標，管理單位對三家店攔河閘進行頻繁調(diào)度，水位波動受人為影響波動相對明顯，介于106.66～108.19 m之間。三家店斷面是山峽段的下游出口邊界，且山峽段地形落差高達336.2 m，因此，三家店斷面水位波動對山峽段整體計算的水位、流量結(jié)果影響都較小。經(jīng)過參數(shù)率定，模擬水位和實測水位一致性較好，模型可以用于補水過程分析。

圖3 2019年生態(tài)補水模擬水位定結(jié)果Fig.3 Simulation results of water level for ecological replenishment in 2019

永定河（北京段）自1993年來基本沒有洪水，河床沙粒徑變化不大，河床質(zhì)為砂卵石，跟永定河目前河床形態(tài)及植被狀況，糙率介于0.03 左右。構(gòu)建的山峽段河道模型為一維河道模型，糙率系數(shù)在合理取值范圍內(nèi)主要通過影響河水流速進而影響流量，入滲系數(shù)主要影響河道滲漏補給量。參數(shù)率定結(jié)果表明，2個參數(shù)分別在合理取值范圍時對模擬結(jié)果相對敏感，當取值超出合理范圍后模擬結(jié)果變化不大?；?019年生態(tài)補水過程數(shù)據(jù)，率定的河道綜合糙率系數(shù)在合理取值范圍內(nèi)，介于0.015～0.05 之間，并分段確定了河道的入滲系數(shù)（如表3所示）。

表2 2019年生態(tài)補水模型計算水位與實測對比Tab.2 Comparison between calculated water level and measured water level of ecological replenishment model in 2019

表3 河道分段糙率賦值表Tab.3 Roughness assignment of channel segments

圖4 2020年生態(tài)補水模型水位驗證Fig.4 Water level verification of ecological replenishment model in 2020

表4 2020年生態(tài)補水模型計算水位與實測對比Tab.4 Comparison between calculated water level and measured water level of ecological replenishment model in 2020

2 結(jié)果分析

2.1 2019年生態(tài)補水過程及其水量平衡分析

模擬結(jié)果表明2019年3月14日至6月6日永定河山峽區(qū)間春季補水總量為2.2 億m3。官廳水庫至雁翅段長度為59 km，損失水量是1 313.21 萬m3，雁翅至隴駕莊段長度為30 km，損失水量737.05 萬m3，隴駕莊至三家店攔河閘段長度為11.5 km，損失水量2 025.46 萬m3，合計滲漏損失水量為4 075.72 萬m3，河段綜合損失率為18.5%。與實測滲漏損失水量4 399.7 萬m3相差323.98萬m3，則山峽段補水損失相對誤差為7.4%。

模型計算各關(guān)鍵斷面的流量過程如圖5所示，官廳、雁翅、隴駕莊和三家店峰值流量分別為40、37.13、34.44 和35.80 m3/s，官廳至雁翅、雁翅至隴駕莊、隴駕莊至三家店峰值削減率分別為7.2%、7.3%、9.2%，峰現(xiàn)時間雁翅、隴駕莊、三家店分別比官廳水庫延遲36、42、54 h。

圖5 2019年各監(jiān)測斷面流量過程Fig.5 Flow process of each monitored section in 2019

2.2 2020年生態(tài)補水過程及其水量平衡分析

模擬結(jié)果表明2020年4月20日至5月15日永定河山峽區(qū)間春季補水總量1 6264.28 萬m3。官廳水庫至雁翅、雁翅至隴駕莊、隴駕莊至三家店攔河閘的損失水量分別為349.35 萬、630.38 萬和2 176.9 萬m3。模型計算得出官廳水庫至三家店攔河閘滲漏水量為3 156.63 萬m3，河段綜合損失率為19.4%。與實測滲漏水量3 630.01 萬m3相差473.4 萬m3，則山峽段補水損失相對誤差為13%。

模型計算各關(guān)鍵斷面的流量過程如圖6所示，官廳、雁翅、隴駕莊和三家店峰值流量分別為100、96.26、94.23 和79.89 m3/s，官廳至雁翅、雁翅至隴駕莊、隴駕莊至三家店峰值削減率分別為3.74%，2.11%，15.2%，峰現(xiàn)時間雁翅、隴駕莊、三家店分別比官廳水庫延遲28、40、45 h。

圖6 2020年各監(jiān)測斷面流量過程Fig.6 Flow process of each monitored section in 2020

2.3 不同生態(tài)補水效益對比分析

基于模型分別模擬官廳水庫分別以5，10，20，40，80，100，120 和150 m3/s 等8 種出庫情景，對比分析下游各斷面峰值流量和和達到峰值所需時間（圖7，圖8）。

圖7 不同官廳水庫補水情景下游各斷面峰值流量Fig.7 Peak flow of each section downstream of different Guanting reservoirs under different water replenishment scenarios

圖8 不同情景下游各斷面達到峰值流量所需時間Fig.8 The time required for each section downstream of different scenarios to reach the peak flow

官廳水庫補水流量越大，下游各斷面峰值流量的削減率越小。當補水量為5 m3/s 時，三家店斷面峰值流量為2.18 m3/s，流量削減率達到56%。當補水量達到150 m3/s 時，三家店斷面峰值流量為130.1 m3/s，流量削減率達到13%。在情景5 當官廳水庫補水流量為80 m3/s時，下游斷面流量削減率也維持在較低水平達到15%，因此，在水量水源相對充足的條件下，為了減少沿途流量損失補水流量適宜維持在80 m3/s。

官廳水庫下游各斷面流量達到峰值流量所需時間隨著補水流量的增大而縮短，不同官廳水庫生態(tài)補水情景下三家店達到峰值流量所需時間介于33～261 h 之間。水量傳輸主要受傳輸距離和高程落差影響，雁翅、隴駕莊、三家店與官廳水庫之間的距離分別為63、97.4 和108.3 km，高差分別為205.6、305.2 和336.2 m。在情景1 補水量為5 m3/s 時，官廳水庫到三家店的水量傳輸時間主要消耗在官廳水庫到雁翅之間約占60%。當補水流量大于10 m3/s時，傳輸時間主要消耗在隴駕莊至三家店之間。當補水流量介于5～40 m3/s之間，隴駕莊至三家店之間隨著流量增加水量傳輸時間顯著減少。當流量大于80 m3/s 時，3 處斷面達到峰值流量所需時間相近。因此，從水量傳輸時間效率分析，在水源相對充足的條件下，補水流量介于40～80 m3/s之間效率最高。

2.4 補水方案優(yōu)化與建議

根據(jù)情景1 模擬結(jié)果，當官廳水庫補水量為5 m3/s 時，三家店斷面峰值流量為2.18 m3/s，則官廳水庫至三家店河道入滲能力約為3 m3/s，進一步模擬結(jié)果表明當官廳水庫以3 m3/s下泄進行為期20 d 的生態(tài)補水時，恰好無水量到達三家店，生態(tài)補水全部用于官廳水庫至三家店全段渠道滲漏損失。表明在補水期官廳水庫下泄流量保持不小于10 m3/s、非補水期官廳水庫下泄流量保持不小于3 m3/s 進行精準補水，這是恢復流域水生態(tài)的最低補水閾值。

生態(tài)補水流量越小，流量損失率越大，且隨著補水流量的減小，流量損失率的增幅越大。因此，生態(tài)補水時，為減小流量損失，提高補水流量利用率，在水源相對充足的條件下，建議補水流量介于40～80 m3/s 之間。在水源有限條件下，可適當考慮大流量補水和小流量補水交替進行，可實現(xiàn)減少過程損失，同時還能實現(xiàn)全線貫通的目的。

此外，干旱斷流地區(qū)蒸發(fā)量較大，可以考慮中水回用、人工補水等非常規(guī)水源。通過景觀營造強化河流的節(jié)水和保水措施，降低補水用水過程中的消耗，也是維系河流水文平衡的重要方法，如永定河的“五湖一線”工程［15］等，如對河床采用防滲膜或防滲墻等做防滲處理，盡量減少滲透量，達到蓄存河道水量的效果。

3 結(jié) 語

北方地區(qū)河道斷流現(xiàn)象普遍，帶來一系列生態(tài)環(huán)境問題，實施生態(tài)補水是恢復河道基本生態(tài)功能的有效途徑。本研究永定河流域北京段為研究區(qū)，通過構(gòu)建河道一維水動力學模型，基于實測2019年和2020年生態(tài)補水數(shù)據(jù)資料，對模型進行驗證，并基于模型分析了永定河兩次生態(tài)補水的過程和實際效益。

結(jié)果表明生態(tài)補水是解決斷流河道水資源短缺的有效途徑，補水過程中蒸發(fā)和滲漏損失量約占20%。官廳水庫補水流量越大，下游各斷面峰值流量的削減率越小，當官廳水庫補水量為5 m3/s時，三家店峰值流量削減率為56%，如果補水量小于3 m3/s時，則三家店流量為0。生態(tài)補水時，若水源相對充足，建議補水流量介于40～80 m3/s之間；若水源有限時，可適當考慮大流量補水和小流量補水交替進行。

河道的生態(tài)環(huán)境恢復難度大影響因素復雜，需要合理采取科學的補水措施進行生態(tài)修復，逐步恢復河流自然的水文過程和自然功能，形成自然的河漫灘和河岸系統(tǒng)，改善斷流河道地區(qū)常年缺水、河道萎縮的現(xiàn)狀。