生態(tài)流量調(diào)控與水資源保障集成技術(shù)
——算好“生態(tài)水賬” 復(fù)蘇美麗白洋淀

>白洋淀生態(tài)補(bǔ)水 本刊資料

夏日蟬鳴，滿塘荷開，白洋淀修復(fù)進(jìn)行時(shí)。

“建設(shè)雄安新區(qū)，一定要把白洋淀修復(fù)好、保護(hù)好。”2019 年1 月，在雄安新區(qū)規(guī)劃展示中心，習(xí)近平總書記殷殷囑托：“當(dāng)時(shí)選址在這，就是考慮要保護(hù)白洋淀，而非損害白洋淀?！?/p>

作為華北平原最大的淡水濕地生態(tài)系統(tǒng)，白洋淀構(gòu)筑了雄安藍(lán)綠之城最堅(jiān)實(shí)的底色。歷史上白洋淀水量豐沛，然而近年入淀河流幾近干涸，白洋淀一度陷入水源不足、水體污染、生態(tài)惡化等尷尬困境。復(fù)蘇白洋淀，讓“華北明珠”重現(xiàn)光彩，成為雄安新區(qū)這一千年大計(jì)、國家大事的關(guān)鍵之舉。

水，是白洋淀的靈氣所在，也是白洋淀生態(tài)修復(fù)的核心問題。修復(fù)好、保護(hù)好白洋淀，需要多少水？水從哪里來？如何補(bǔ)水？中國水利水電科學(xué)研究院水資源研究所牽頭承擔(dān)了國家水體污染控制與治理科技重大專項(xiàng)課題“白洋淀-大清河生態(tài)流量調(diào)控與水資源保障技術(shù)研究”（2018ZX07110001）。經(jīng)過4 年的科技攻關(guān)，課題組研究成果將為白洋淀修復(fù)與保護(hù)決策提供重要支撐。

>白洋淀流域河流水系圖

>白洋淀蘆葦蕩 攝/趙克琪

修復(fù)好、保護(hù)好白洋淀生態(tài)環(huán)境，需要多少水？

——探究水文-生態(tài)響應(yīng)規(guī)律，分時(shí)分段計(jì)算白洋淀及入淀河流生態(tài)需水

2019 年1 月，經(jīng)黨中央、國務(wù)院同意，河北省委、省政府正式印發(fā)《白洋淀生態(tài)環(huán)境治理和保護(hù)規(guī)劃（2018—2035 年）》。根據(jù)規(guī)劃，“白洋淀淀區(qū)面積應(yīng)達(dá)到360km2左右、正常水位保持在6.5 ～7.0m”。實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)要求，需要多少水？

河流下梢，華北之腎。除了淀區(qū)的水量補(bǔ)給與消耗，白洋淀上游有8 條入淀河流，這些河流的水量也決定了白洋淀豐枯變換。課題組對(duì)淀區(qū)和入淀河流分別進(jìn)行了生態(tài)需水計(jì)算。

每條河流都有自己的脾氣秉賦，一條河流流經(jīng)的不同河段也各有特點(diǎn)，從郊野到農(nóng)田再到人口密集區(qū)域，生態(tài)需水不盡相同。課題組根據(jù)干支流特點(diǎn)、上游水庫分布情況、山丘區(qū)-平原區(qū)分界線、水文站點(diǎn)分布、人口及城鎮(zhèn)分布等因素，將8 條河流細(xì)化為21 個(gè)河段，每個(gè)河段采取水文學(xué)法、水力學(xué)法和生境法三類9 種方法進(jìn)行計(jì)算，分別確定了生態(tài)流量的范圍、均值和中值，克服了單一方法計(jì)算結(jié)果差異較大的弊端，滿足了入淀河流生態(tài)需水精細(xì)化保障的需求。

>課題組開展了5 期全淀水生態(tài)調(diào)查，包括水深、水質(zhì)、浮游生物、水生植物、底棲生物及魚類等，采集樣本2300 多個(gè)，為白洋淀水文-生態(tài)響應(yīng)及生態(tài)需水核算提供了依據(jù)

隨著近年學(xué)術(shù)界對(duì)生態(tài)流量研究逐步深入，越來越多專家認(rèn)為，水文-生態(tài)響應(yīng)關(guān)系是揭示河湖生態(tài)需水的關(guān)鍵。

萬畝蘆葦蕩，見證了雁翎隊(duì)的傳奇，也是白洋淀重要的水生植物?？紤]蘆葦不同發(fā)育期對(duì)水的需求不同，課題組提出針對(duì)蘆葦生長全生命周期調(diào)控生態(tài)水位，比如萌芽期水深不宜過大，避免春季高水位影響蘆葦萌發(fā)，抽穗期是需水關(guān)鍵時(shí)期，耗水量最大，生長期水深在0.4 ～0.8m 時(shí)蘆葦長勢最佳。

聚焦于整個(gè)生態(tài)過程，以維持生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定為目標(biāo)，課題組構(gòu)建了白洋淀淀區(qū)食物網(wǎng)營養(yǎng)結(jié)構(gòu)模型，分析了食物網(wǎng)鏈接密度與連通度等指標(biāo)隨水位的變化情況，結(jié)果顯示，系統(tǒng)指標(biāo)隨著水位增加呈先增加趨于穩(wěn)定后急速下降的總體趨勢。選取滿足白洋淀食物網(wǎng)復(fù)雜性最大的水位閾值范圍，結(jié)合年內(nèi)水位波動(dòng)情勢，課題組提出了白洋淀低、中、高不同生態(tài)水量方案。

向內(nèi)挖潛，白洋淀流域有多少水可留給生態(tài)？

——從上游山區(qū)水源涵養(yǎng)到中游種植結(jié)構(gòu)優(yōu)化，既重清水產(chǎn)流，也重農(nóng)業(yè)節(jié)水，統(tǒng)籌核算流域“生態(tài)水”潛力

森林植被是“綠色水庫”，天然過濾，涵養(yǎng)水源。白洋淀入淀河流上游植被覆蓋度低且結(jié)構(gòu)不合理、涵養(yǎng)功能低，山區(qū)溝河壩阻擋物多，平原區(qū)河道破損嚴(yán)重，河流連通性差。

節(jié)水，從源頭第一滴水開始。為實(shí)現(xiàn)清水產(chǎn)流，課題組著眼強(qiáng)化水源涵養(yǎng)功能、提升入淀河道連通性，通過野外調(diào)查、模型模擬等，結(jié)合資料收集、無人機(jī)航拍、高分遙感解譯，提出了不同情景條件的水源涵養(yǎng)林結(jié)構(gòu)優(yōu)化提升以及白洋淀入淀河流連通性優(yōu)化方案。

“單一灌木對(duì)全氮的削減率最低，可達(dá)5%左右”“通過流域-小流域-坡面-群落四級(jí)水源林結(jié)構(gòu)優(yōu)化配置與植被群落營造技術(shù)，提高上游山區(qū)水源林覆蓋率。”一批研究結(jié)論，將為山區(qū)清潔小流域和水源涵養(yǎng)林建設(shè)等提供科技支撐。

白洋淀流域農(nóng)業(yè)用水占用水總量約70%,是用水大戶，也是節(jié)水潛力所在。其中高耗水的小麥-玉米一年兩季種植，占總播種面積70%以上。地處我國糧食主產(chǎn)區(qū)，肩負(fù)著糧食安全重任，糧食生產(chǎn)需要水，實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展、維護(hù)良好生態(tài)，也離不開水，平衡兩者的關(guān)系，種植結(jié)構(gòu)調(diào)整是不爭的抉擇。

為緩解地下水超采，河北被列入耕地季節(jié)性休耕制度試點(diǎn)。課題組研究高耗水作物的替代作物以及小麥休耕期保水措施的節(jié)水效果，提出了6 種種植制度替代模式，制定了白洋淀上游山區(qū)、平原區(qū)和雄安新區(qū)不同區(qū)域的用水優(yōu)化方案。

比如，在小麥休耕期，課題組建議開展黑膜覆蓋，減少由于地面裸露、雜草叢生導(dǎo)致的無效蒸散發(fā)消耗，或者輪作耐旱作物冬油菜，減少冬春季地面裸露，增加觀賞價(jià)值，在春季翻耕還可達(dá)到培肥地力的效果。

從山區(qū)水源涵養(yǎng)林構(gòu)建技術(shù)，到入淀河道河岸植被帶與物理連通技術(shù)，再到流域種植業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整與用水優(yōu)化方案……一系列科研成果支撐有限水資源的科學(xué)合理分配，既提升林業(yè)、農(nóng)業(yè)綜合效益，又能把更多節(jié)余的水量留給大自然，留給白洋淀的生態(tài)環(huán)境。

>課題組對(duì)上游山區(qū)林業(yè)覆蓋現(xiàn)狀開展了大規(guī)模外業(yè)調(diào)查，結(jié)合遙感解譯，對(duì)流域立地條件進(jìn)行劃分，研發(fā)了流域-小流域-坡面-群落四級(jí)水源林結(jié)構(gòu)優(yōu)化配置和營造技術(shù)

>課題組在望都灌溉試驗(yàn)站開展了3 年的不同休耕制度節(jié)水試驗(yàn)研究，提出了白洋淀上游流域不同區(qū)域不同用水目標(biāo)下種植業(yè)用水優(yōu)化方案。通過調(diào)整優(yōu)化種植結(jié)構(gòu)，對(duì)有限的水資源進(jìn)行合理的分配，提高農(nóng)業(yè)用水效率，提升區(qū)域種植業(yè)綜合效益

系統(tǒng)治理，白洋淀生態(tài)補(bǔ)水補(bǔ)多少，如何補(bǔ)？

——從優(yōu)化補(bǔ)水路徑到優(yōu)化水源配置，構(gòu)建生態(tài)補(bǔ)水新格局，提升生態(tài)補(bǔ)水綜合效益

279m3——這是白洋淀流域人均水資源量，遠(yuǎn)低于500m3的人均極度缺水紅線，也意味著雄安新區(qū)這一未來之城即便通過各種節(jié)水措施，地表水稀缺的現(xiàn)實(shí)、用水量增長的趨勢依舊難以改變。干渴的白洋淀需要新水源，也需要多水源的合理分配、補(bǔ)水路徑的優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)補(bǔ)水效益的最大化。

作為淀區(qū)物質(zhì)輸送、遷移和擴(kuò)散的主要驅(qū)動(dòng)力，水動(dòng)力過程對(duì)淀泊生態(tài)系統(tǒng)演變起著重要作用。尤其白洋淀水淺、圍埝眾多、溝壑分布復(fù)雜，多年來依賴補(bǔ)水維持淀區(qū)最小水位，基本無水下泄，因此，通過補(bǔ)水來提升水動(dòng)力過程十分關(guān)鍵。

>課題組研發(fā)的保障生態(tài)“多水源-多目標(biāo)-多情景”水資源優(yōu)化配置與綜合調(diào)控技術(shù)，入選《雄安新區(qū)水資源保障能力技術(shù)支撐推薦短名單》A 類（前沿領(lǐng)先）技術(shù)。圖為課題組成員在雄安新區(qū)進(jìn)行技術(shù)宣講和交流

引黃入冀補(bǔ)淀是目前白洋淀3 條主要生態(tài)補(bǔ)水路徑之一。課題組認(rèn)為，受地形、圍堤圍埝阻擋等因素影響，引黃水入淀后，在入淀口至采蒲臺(tái)南水域形成區(qū)域壅水，水流速度慢，難以向淀區(qū)西部、中部和北部區(qū)域流動(dòng)，淀區(qū)水動(dòng)力和水質(zhì)改善作用有待提升，生態(tài)補(bǔ)水的整體效果尚未得到充分發(fā)揮。

課題組開展多源補(bǔ)水下的淀區(qū)水動(dòng)力提升研究，以流場分布、連通強(qiáng)度、滯留時(shí)間等重要參數(shù)變化作為表征，探尋了水系連通演變過程及驅(qū)動(dòng)規(guī)律。比如模擬引黃入冀補(bǔ)淀向西部通道分水、白溝引河生態(tài)補(bǔ)水向萍河分水的情景：原引黃通道保留20%流量，分配潴龍河、孝義河、唐河、府河比例分別為原流量的30%、15%、20%、15%，白溝引河分水至萍河40%。結(jié)果顯示，淀區(qū)水動(dòng)力及水質(zhì)改善效果明顯。

綜合考慮地形、水動(dòng)力、水質(zhì)等多方面因素，課題組建議構(gòu)建以西部通道為主體的白洋淀生態(tài)補(bǔ)水大格局，全面改善淀區(qū)水動(dòng)力條件，提升水質(zhì)、恢復(fù)水生態(tài)。

解決“水調(diào)到哪里”才能發(fā)揮最大的效益，最重要的是考慮不同年份“水從哪里調(diào)”“調(diào)多少”的問題。

據(jù)課題組介紹，目前白洋淀流域生態(tài)補(bǔ)水水源主要有三類：一是流域上游水庫水，二是跨流域調(diào)水，包括引黃入冀補(bǔ)淀和南水北調(diào)中線生態(tài)補(bǔ)水，三是非常規(guī)水，如再生水、雨洪水等?？紤]白洋淀淀區(qū)不同生態(tài)水位目標(biāo)及入淀河流基本、適宜、良好不同生態(tài)流量需求，結(jié)合豐水年、平水年、枯水年不同來水情景，課題組構(gòu)建了“多水源-多目標(biāo)-多情景”的生態(tài)流量調(diào)控模型，實(shí)現(xiàn)了不同水平年、不同生態(tài)需水目標(biāo)、不同水源情景下白洋淀及入淀河流生態(tài)流量精細(xì)精準(zhǔn)調(diào)控。

>漁舟唱晚 攝/王鳳奎

>課題組開發(fā)了白洋淀—大清河流域生態(tài)流量調(diào)控與水資源保障軟件系統(tǒng)，以“多水源-多目標(biāo)-多情景”生態(tài)流量調(diào)控模型為核心，集成了生態(tài)需水計(jì)算、水源涵養(yǎng)與輸水河道連通、種植業(yè)用水優(yōu)化、淀區(qū)水動(dòng)力改善與水質(zhì)保障等模型

考慮白洋淀、黃河、漢江等流域的常態(tài)與極端、現(xiàn)狀與未來，重點(diǎn)研究了12 種8 類情景方案，選取斷面流量、有水長度、水面面積等指標(biāo)進(jìn)行了調(diào)控效果評(píng)價(jià)，提出了流域生態(tài)補(bǔ)水方案和長效保障機(jī)制。

課題組以“多水源-多目標(biāo)-多情景”生態(tài)流量調(diào)控模型為核心，集成了生態(tài)需水計(jì)算、水源涵養(yǎng)與輸水河道連通、種植業(yè)用水優(yōu)化、淀區(qū)水動(dòng)力改善與水質(zhì)保障等模型，開發(fā)了白洋淀—大清河流域生態(tài)流量調(diào)控與水資源保障軟件系統(tǒng)。通過對(duì)各種水資源優(yōu)化配置和調(diào)控方案作出科學(xué)直觀的評(píng)估和分析，為管理部門提供了切實(shí)可用的生態(tài)補(bǔ)水與水量調(diào)控管理工具。

淀闊水清憑魚躍，春暖葦綠任鳥飛。主動(dòng)對(duì)接白洋淀修復(fù)與保護(hù)的科技需求，始終以問題為導(dǎo)向，深入一線，派遣科研骨干入駐雄安新區(qū)開展駐點(diǎn)研究，邊研究、邊產(chǎn)出、邊支撐，水利科技工作者把論文寫在祖國的大地上，也寫在雄安新區(qū)千年大計(jì)的征程中。值得期待，“華北明珠”重綻風(fēng)采，城淀共生共融的盛景終將實(shí)現(xiàn)。