永定河泛區(qū)生態(tài)廊道多水源保障格局構(gòu)建研究

劉江俠，王白陸，董 琳

(水利部海河水利委員會科技咨詢中心，天津 300170)

1 研究背景

永定河泛區(qū)作為永定河生態(tài)廊道[1-2]下游的重要紐帶區(qū)域，既是永定河下游的重要蓄滯洪區(qū)，也是廊坊生態(tài)水網(wǎng)構(gòu)建的重要組成部分。為治理永定河泛區(qū)，諸多學(xué)者針對泛區(qū)洪水模擬和防洪治理進行了研究[3-4]。如1996年郭璞[5]等人對永定河泛區(qū)治理的思考，主要針對防洪工程措施。

隨著生態(tài)文明建設(shè)的推進，我國提出了多種思路和措施，進行了水資源配置研究[6-10]；2016年，國家發(fā)改委、水利部和國家林業(yè)局聯(lián)合印發(fā)的《永定河綜合治理與生態(tài)修復(fù)總體方案》[11]，明確了永定河泛區(qū)的生態(tài)需水量及治理工程；2019年2月，劉江俠等人[12]進行永定河生態(tài)廊道構(gòu)建的水量調(diào)配研究，提出了滿足主要控制斷面生態(tài)水量的措施；杜勇等人[13-14]對永定河生態(tài)綜合治理與生態(tài)修復(fù)方案進行了研究；王立發(fā)[15]等人對永定河地下水庫水資源儲蓄能力做了相應(yīng)研究；韓琪[16]等人對永定河泛區(qū)生態(tài)廊道寬度的界定進行了研究。上述措施和思路對永定河泛區(qū)生態(tài)水量保障的研究較少。

近年來受經(jīng)濟社會發(fā)展[17]和下墊面[18]的影響，永定河泛區(qū)來水量逐漸減少，要恢復(fù)永定河泛區(qū)的生態(tài)功能，必須解決泛區(qū)的水源問題，同時如何調(diào)配水源來保障生態(tài)水量更是重中之重。為此，本文在深入分析永定河泛區(qū)主要水源的基礎(chǔ)上，建立不同水源入永定河泛區(qū)的模擬模型，對不同水源進行模擬分析，研究確定不同水源的調(diào)度方式，以實現(xiàn)構(gòu)建永定河綠色廊道、保障永定河泛區(qū)生態(tài)水量的目標。

2 基本情況

永定河泛區(qū)位于永定河中下游，始于梁各莊，至屈家店樞紐結(jié)束。泛區(qū)內(nèi)河道總長度為67km，左右大堤間的距離為6～7km，總面積為523km2，主要涉及北京市、河北省和天津市3個行政區(qū)。永定河主槽自梁各莊進入泛區(qū)后基本呈西東方向貫穿整個泛區(qū)，并通過屈家店樞紐與永定新河及北運河相接。泛區(qū)內(nèi)永定河左岸有天堂河、龍河匯入。永定河泛區(qū)示意圖如圖1所示。

圖1 永定河泛區(qū)示意圖

3 生態(tài)需水目標

3.1 生態(tài)定位

按照國家治理永定河的目標[15]，平原段是恢復(fù)水體連通和景觀環(huán)境功能，以保障一定河道內(nèi)生態(tài)水面為主要目標。按照維持水面的思路，永定河泛區(qū)從梁各莊到屈家店區(qū)間僅維持一定的水面即可。

3.2 生態(tài)環(huán)境需水量

永定河泛區(qū)段，在永定河實施治理以前常年干涸，已喪失自然河流特性。根據(jù)SL/Z 712—2014《河湖生態(tài)環(huán)境需水計算規(guī)范》(以下簡稱《規(guī)范》)[19]，計算維持水體連通功能主要考慮河流溪流及河道內(nèi)濕地水面的蒸發(fā)滲漏損失量[20]。

依據(jù)《永定河綜合治理與生態(tài)修復(fù)總體規(guī)劃》，永定河泛區(qū)段自梁各莊至屈家店，生態(tài)治理主要是開挖主河槽，采取減滲措施，維持一定的水面，恢復(fù)到上游北京市現(xiàn)有的狀況。按照水面寬度10m計算基本生態(tài)需水量為0.13億m3；水面寬度30m計算目標生態(tài)需水量為0.39億m3。見表1。

表1 永定河泛區(qū)段生態(tài)需水量成果

4 不同水源入泛區(qū)模擬模型的構(gòu)建

4.1 永定河泛區(qū)的主要水源

經(jīng)實地調(diào)查永定河泛區(qū)的實際情況，可入永定河泛區(qū)的水源主要包括上游和區(qū)間河道即永定河、天堂河和龍河的直接入流以及廊坊市環(huán)城水系再生水的間接入流。受氣候變化和人類活動等影響，永定河固安站在實施永定河綜合治理與生態(tài)修復(fù)前沒有地表徑流；治理后，2019年無地表徑流，2020年過水304萬m3，天堂河和龍河有少量地表徑流入泛區(qū)。

4.2 模型的構(gòu)建

4.2.1模型的計算原理

本文水資源調(diào)配模型是以“中國水利科學(xué)院在全國水資源綜合規(guī)劃中開發(fā)的基于規(guī)則的面向?qū)ο笏Y源配置模型(簡稱ROWAS模型[21-22])”為基礎(chǔ)，同時結(jié)合基于公共屬性的水資源配置方法[27]進行細化的。模型計算基于水量平衡：

Wrasin+Wbasin+Wdin-Wconv-Wspl-Wvl=0

(1)

Wconv=Wevp+Wdisp

(2)

Wspl=Wapply*R

(3)

式中，Wrasin—單元入流水量，萬m3；Wbasin—地表天然入流量，萬m3；Wdin—外調(diào)水量，萬m3；Wevp—蒸騰蒸散發(fā)水量，萬m3；Wdisp—滲漏損失水量，萬m3；Wspl—耗水量，萬m3；Wapply—供水水量，萬m3；R—耗水率；Wvl—系統(tǒng)蓄變量，萬m3。

通過建立永定河上游、天堂河和龍河的水資源調(diào)配模擬模型，模擬不同水源入泛區(qū)的水量。依據(jù)模擬結(jié)果，通過合理調(diào)度來滿足永定河泛區(qū)的生態(tài)需水目標。

4.2.2模型構(gòu)建

根據(jù)永定河和永定河泛區(qū)廊坊周邊上下游拓撲關(guān)系，考慮到區(qū)域的尺度和模擬對象的特點，對永定河梁各莊上游永定河大尺度區(qū)域，采用水資源三級區(qū)套地級行政區(qū)為計算單元。對于天堂河有更生閘作為控制，且有實測數(shù)據(jù)，直接根據(jù)實測數(shù)據(jù)，考慮上游耗水量的增加，測算天堂河入泛區(qū)的水量。龍河流域的水從東張務(wù)閘入永定河泛區(qū)；廊坊環(huán)城水系的再生水小部分入龍河，大部門經(jīng)廊坊的五干渠入老龍河?？紤]到龍河和環(huán)城水系的水之間的循環(huán)利用，同時可通過調(diào)度將入老龍河的環(huán)城水系的水通過勝利支渠經(jīng)豐收閘入泛區(qū)，故在永定河區(qū)域模型的基礎(chǔ)上，將龍河、鳳河和廊坊市永定河泛區(qū)以北區(qū)域作為一個局部區(qū)域，以鄉(xiāng)鎮(zhèn)為供水單元進行水循環(huán)體系模擬計算。水資源調(diào)配概化網(wǎng)絡(luò)圖如圖2所示。

圖2 水源調(diào)配概化網(wǎng)絡(luò)圖

5 模型參數(shù)率定及水資源模擬

5.1 參數(shù)的率定

模型確定后，需以主要控制斷面的實測流量為依據(jù)，率定不同用戶和不同水源之間的供用水及上下游之間的關(guān)系合理性，以率定好的參數(shù)進行水資源模擬計算。天堂河入泛區(qū)有更生閘控制，直接采用更生閘的實測水量作為模型的邊界條件，僅率定永定河流域和龍河流域。永定河流域以官廳水庫站為控制斷面，龍河流域以北昌站為控制斷面；官廳水庫站和北昌站，以各控制斷面上游2001—2016年的耗水水平為基礎(chǔ)，以該控制站的實測水量為依據(jù)，對模型耗水率、蒸發(fā)滲漏損失量率等參數(shù)進行率定；通過不斷的調(diào)整參數(shù)，使得兩個斷面的模擬下泄水量與實際下泄水量的平均誤差控制在10%以內(nèi)，模型模擬結(jié)果符合實際。模擬結(jié)果見表2。模擬結(jié)果顯示，模擬誤差在10%以內(nèi)，模型可用于水資源模擬。

表2 2001—2016年現(xiàn)狀基準年主要控制斷面模擬計算成果 單位：億m3

5.2 生態(tài)廊道構(gòu)建的水源格局

5.2.1模擬結(jié)果

利用率定好的模型，采用經(jīng)水利部印發(fā)的全國第三次水資源調(diào)查評價細則[23]的代表系列1956—2016年，對入泛區(qū)的上游水量調(diào)配進行模擬，見表3。根據(jù)模擬結(jié)果可以看出，在2035年用水水平情況下，永定河、天堂河和龍河入泛區(qū)的水量遇75%枯水年及更枯的年份永定河泛區(qū)的基本生態(tài)用水難以滿足；一般年份及豐水年，基本生態(tài)能夠保障，但是距目標生態(tài)數(shù)量還有一定的差距；因此需要合理調(diào)度其他水源來保障永定河泛區(qū)的生態(tài)用水需求。

表3 2035年主要斷面徑流數(shù)據(jù) 單位：萬m3

5.2.2供水水源格局

考慮永定河泛區(qū)的實際情況，按照一般年份和75%年份達到目標生態(tài)水量、95%年份達到基本生態(tài)水量的目標考慮，需要采取合理調(diào)度和構(gòu)建多水源才能實現(xiàn)。首先，通過合理調(diào)度廊坊環(huán)城水系入老龍河的再生水，即關(guān)閉南官村閘，將水通過廊坊市的五一渠雍水，通過勝利支渠經(jīng)豐收渠入永定河泛區(qū)，多年平均可調(diào)度1534萬m3水量；第二，利用南水北調(diào)中線的富余水量，通過龍河上游的大伍龍閘，改善龍河生態(tài)的同時，經(jīng)東張務(wù)閘入永定河泛區(qū)。據(jù)2019年的實測資料，南水北調(diào)向龍河生態(tài)補水約2000萬m3，規(guī)劃年可考慮調(diào)入1500萬m3的水量；第三，考慮控制永定河上游的耗水、減少河道的滲漏量，增加永定河入泛區(qū)水量。

6 結(jié)論

為構(gòu)建永定河泛區(qū)生態(tài)廊道，按照正常年份和75%年份保障永定河泛區(qū)的目標生態(tài)水量、95%以上的枯水年份保障基本生態(tài)水量的目標的原則，需采取合理調(diào)度廊坊環(huán)城水系的再生水，充分利用南水北調(diào)富余水量，減少永定河上游的耗水量和河道滲漏量等措施。從而形成永定河、天堂河、龍河和南水北調(diào)多水源入泛區(qū)，同時環(huán)城水系的再生水作為補充的多水源供水格局，達到有效改善永定河泛區(qū)生態(tài)的目標。