永定河固安段生態(tài)補(bǔ)水水位及水面動(dòng)態(tài)響應(yīng)

湯萬(wàn)龍，趙國(guó)棟，胡慶芳，高銅祥，張 鵬，婁運(yùn)平

(1.北京市水利規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，北京 100048；2.河北省廊坊市固安縣水務(wù)局，河北 固安 065500；3.南京水利科學(xué)研究院水文水資源與水利工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210029)

1 概述

永定河發(fā)源于內(nèi)蒙古高原的南緣和山西高原的北部，是全國(guó)重點(diǎn)防洪河道之一，屬海河流域北系，是海河水系最大的一條河流，流域總面積4.7萬(wàn)km2。20世紀(jì)60年代末以后，永定河三家店以下河道逐漸斷流，河床干涸。遏制河道沙化，恢復(fù)河道生態(tài)環(huán)境，建立西南生態(tài)屏障和通道，成為永定河治理必須要解決的問(wèn)題。2020年春季永定河生態(tài)補(bǔ)水探索“用生態(tài)的辦法解決生態(tài)的問(wèn)題”“以水開(kāi)路，用水引路”實(shí)施官?gòu)d水庫(kù)向平原段集中生態(tài)補(bǔ)水。永定河2020年春季補(bǔ)水實(shí)現(xiàn)了25年首次永定河京津冀三地水流貫通，為永定河全流域協(xié)同治理、協(xié)同修復(fù)創(chuàng)立了一個(gè)良好的開(kāi)端。2020年10月14日，官?gòu)d水庫(kù)繼續(xù)提閘加大出庫(kù)流量，再次開(kāi)啟永定河秋季平原段集中生態(tài)補(bǔ)水工作。

永定河生態(tài)補(bǔ)水改善了流域水生態(tài)環(huán)境，針對(duì)2019—2020年永定河幾次較大規(guī)模的生態(tài)補(bǔ)水，馬堯等[1]研究了2019年永定河北京段生態(tài)補(bǔ)水情況，分析了地下水位變化及影響范圍。杜勇等[2]通過(guò)對(duì)永定河2019年春季生態(tài)補(bǔ)水河道水位、流量、入滲數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，提出了生態(tài)用水配置方案。胡立堂等[3]以2020年春季永定河生態(tài)補(bǔ)水實(shí)踐為研究基礎(chǔ)，揭示了地下水位恢復(fù)和動(dòng)態(tài)響應(yīng)機(jī)制。邸蘇闖等[4]通過(guò)應(yīng)用多源高分辨率遙感影像，分析了永定河水系補(bǔ)水前(2020年3月5日—4月18日)、補(bǔ)水高峰(2020年5月5日—13日)、補(bǔ)水后(2020年5月14—19日)水面面積和河勢(shì)變化。胡慶芳等[5]研究構(gòu)建了永定河生態(tài)水量精細(xì)化調(diào)度模型，為多水源配置調(diào)度方案提供了研判。由于人類(lèi)活動(dòng)導(dǎo)致下墊面因素變化，1975年以后海河流域上游地區(qū)徑流量遞減趨勢(shì)明顯，張利茹等[6]基于半分布式流域水文模型進(jìn)行了定量評(píng)估。永定河生態(tài)補(bǔ)水常態(tài)化涉及地下水回補(bǔ)、地表水生態(tài)環(huán)境、社會(huì)效益、成本效益等多方面的綜合考慮。對(duì)一次大流量生態(tài)補(bǔ)水后河道水面的變化進(jìn)行持續(xù)的觀測(cè)與分析，對(duì)后期開(kāi)展小流量河道補(bǔ)水以抵消河道水量損失、維持穩(wěn)定的水面面積、科學(xué)制定和實(shí)施永定河補(bǔ)水工作具有重要指導(dǎo)意義。

永定河平原南段多年斷流，對(duì)補(bǔ)水后期水位及水面的變化目前還少有研究。本研究以永定河河北省廊坊市固安段約22km河道為對(duì)象，對(duì)2020年5月14日盧溝橋攔河閘閉閘后河道水位進(jìn)行一段時(shí)間的持續(xù)觀測(cè)，定量分析水位下降情況。利用高分辨衛(wèi)星遙感圖對(duì)春季補(bǔ)水后秋季補(bǔ)水前5—10月逐月水面面積進(jìn)行宏觀定量分析。對(duì)2020年11月4日盧溝橋攔河閘閉閘后永定河秋季補(bǔ)水水頭末端水位變化情況再次進(jìn)行了觀測(cè)與分析，復(fù)核水位下降趨勢(shì)。

2 研究手段與方法

2.1 河道概況

永定河以三家店為界，以上為上游，以下為下游。三家店至梁各莊段屬平原區(qū)，河道漸寬。永定河盧溝橋至梁各莊段位于三家店以下廣闊的沖積平原。該段是永定河沖積扇淤積最為嚴(yán)重的地段，從上游至下游均為地上懸河。盧梁段河道長(zhǎng)約60km，右堤總長(zhǎng)63km，上段29km在北京市內(nèi)，下段長(zhǎng)34km左堤位于北京，右堤位于河北省境內(nèi)[7]。永定河固安段從北村至梁各莊長(zhǎng)22km，平均河寬1.2km，河底縱坡1/2600，北村東河道最窄處518m，龍王廟段678m，100年一遇河道行洪流量2500m3/s，廊坊市內(nèi)流域面積約934km2。本次研究河段永定河河北省固安段上游接永定河涿州段，下游接永定河永清泛區(qū)段。河道左堤位于北京市大興區(qū)，右堤位于河北省廊坊市固安縣。

永定河固安段工程區(qū)位于永定河沖洪積平原下部，場(chǎng)區(qū)地形開(kāi)闊平坦，總體地形表現(xiàn)為由北向南緩慢傾斜，場(chǎng)區(qū)微地貌類(lèi)型為河流侵蝕堆積地貌。永定河沿線發(fā)育有河床、河漫灘及階地，無(wú)定形的古河道，局部發(fā)育湖澤堆積。場(chǎng)地地層主要為永定河沖洪積物，主要由第四系全新統(tǒng)沖洪積層組成，巖性除表層為人工填土外，以砂土互層為主。受歷史上永定河改道的影響，第四系沉積層北薄南厚，東薄西厚，垂向呈現(xiàn)含水層隔水層交替的“多元結(jié)構(gòu)”。地下水主要接受大氣降水補(bǔ)給，其次為地表水入滲補(bǔ)給；地下水排泄以人工開(kāi)采為主，其次是側(cè)向徑流排泄。根據(jù)區(qū)域地層沉積規(guī)律及含水層特點(diǎn)，場(chǎng)區(qū)為永定河水文地質(zhì)單元，場(chǎng)區(qū)地質(zhì)結(jié)構(gòu)為砂-土-砂多元結(jié)構(gòu)，地下水類(lèi)型以孔隙潛水為主，含水層主要由第四系全新統(tǒng)沖洪積砂、粉土組成，相對(duì)隔水層主要為全新統(tǒng)沖洪積黏性土[8]。

2.2 基本原理

根據(jù)水量平衡原理，對(duì)于非閉合流域，流域地下分水線與地面分水線不相重合時(shí)水量平衡方程式[9]為：

P+E1+R表+R地+S1=E2+R表+R地+S2

(1)

式中，P—流域時(shí)段降水量；E1、E2—時(shí)段蒸騰蒸發(fā)水量；R表、R地—時(shí)段地表、地下徑流流入量；R表、R地—時(shí)段地面、地下徑流流出量；S1、S2—時(shí)段初、時(shí)段末蓄水量。

研究區(qū)段永定河河北省廊坊市固安段2020年5—10月地表徑流流入量、地表徑流流出量近似相當(dāng)，時(shí)段初、時(shí)段末蓄水變化量近似為：

ΔWt=PΔt-EΔt-RΔt

(2)

式中，ΔWt—時(shí)段蓄水變化量；PΔt—時(shí)段降水量；EΔt—時(shí)段蒸騰蒸發(fā)水量；RΔt—時(shí)段地下徑流變化量(河道滲漏水量)。

根據(jù)公式(2)，時(shí)段蓄水變化量反映在河道水面上表現(xiàn)為河道水位及水面面積的變化，主要與降雨、蒸騰蒸發(fā)、河道滲漏有關(guān)。通過(guò)觀測(cè)水位或者水面面積建立蓄水變化量隨時(shí)間的關(guān)系，進(jìn)而分析區(qū)域降雨、蒸騰蒸發(fā)、河道滲漏對(duì)生態(tài)補(bǔ)水后期河道蓄水的影響。

2.3 測(cè)點(diǎn)布置

研究區(qū)段起點(diǎn)位于固安縣北村，終點(diǎn)位于固安梁各莊村，河道全長(zhǎng)約22km。沿河跨越大廣高速、106國(guó)道、京九鐵路、廊涿高速。2020年春季補(bǔ)水水頭5月10日到達(dá)研究河段起點(diǎn)固安北村，5月12日到達(dá)研究河段終點(diǎn)固安梁各莊。為了觀測(cè)5月14日盧溝橋閘閉閘后春季補(bǔ)水水位變化情況，分別于大廣高速跨永定河橋上游(測(cè)點(diǎn)1)、106國(guó)道跨永定河橋上游(測(cè)點(diǎn)2)及廊涿高速跨永定河橋上游(測(cè)點(diǎn)3)布置水位測(cè)點(diǎn)。2020年秋季補(bǔ)水水頭10月29日到達(dá)固安北村，10月31日抵達(dá)并最終停留在106國(guó)道永定河跨河橋上游興安湖。為了觀測(cè)11月4日盧溝橋閘閉閘后秋季補(bǔ)水水位變化，在106國(guó)道跨永定河橋上游(測(cè)點(diǎn)2)布置一個(gè)水位測(cè)點(diǎn)。

3 數(shù)據(jù)獲取

3.1 數(shù)據(jù)測(cè)定

根據(jù)水量平衡原理，生態(tài)補(bǔ)水結(jié)束后，影響河道水位及面積變化的主要因素是降雨、蒸騰蒸發(fā)、河道滲漏。首先測(cè)定了春季補(bǔ)水盧溝橋閘閉閘后5月15—31日3個(gè)水位觀察站的水位高程數(shù)據(jù)，并記錄了同期日降雨量，如圖1所示。2020年12月7日后河道水面開(kāi)始結(jié)冰，測(cè)定了秋季補(bǔ)水盧溝橋閘閉閘后河道結(jié)冰前11月5日—12月7日106國(guó)道上游測(cè)站水位(測(cè)點(diǎn)2)高程數(shù)據(jù)，并記錄了同期日降雨量，如圖2所示。

圖1 2020年春季補(bǔ)水后期各測(cè)點(diǎn)水位及日降雨量統(tǒng)計(jì)圖

圖2 2020年秋季補(bǔ)水后測(cè)點(diǎn)2水位及日降雨量統(tǒng)計(jì)圖

3.2 水面面積遙測(cè)分析

利用衛(wèi)星遙感影像提取水面信息的方法有閾值分割法、分類(lèi)器模型法、基于“全域-局部”的提取法、光譜混合分析法等[10]。歸一化水體指數(shù)是閾值分割法中的一種，Mcfeeters于1996年提出，是一種根據(jù)波段間比值進(jìn)行分類(lèi)的方法，該方法算法簡(jiǎn)單、精度較高，應(yīng)用廣泛，計(jì)算公式為：

NDWI=(Green-NIR)/(Green+NIR)

(3)

式中，Green、NIR—綠波段、近紅外波段的反射率值。

為了從宏觀上定量分析補(bǔ)水后期河道水面面積變化，獲取了Sentinal- 2經(jīng)過(guò)輻射定標(biāo)和大氣校正后的L2A級(jí)數(shù)據(jù)6景分辨率10m成像衛(wèi)星遙感影像，時(shí)間從2020年5—10月。Sentinal- 2是歐洲航天局(ESA)哥白尼計(jì)劃中的極軌多光譜高分辨率成像衛(wèi)星，用于陸地監(jiān)測(cè)，以提供例如植被，土壤和水覆蓋，內(nèi)陸水道和沿海地區(qū)的圖像，其攜帶一枚多光譜成像儀(MSI)，高度為786km，可覆蓋13個(gè)光譜波段，幅寬達(dá)290km，地面分辨率分別為10、20、60m，由AB雙星構(gòu)成，一顆衛(wèi)星的重訪周期為10d，兩顆互補(bǔ)，重訪周期為5d。利用獲取的衛(wèi)星影像，通過(guò)歸一化水體指數(shù)分析方法分別提取了2020年5月22日、6月21日、7月23日、8月10日、9月19日、10月16日水面信息。根據(jù)提取的遙感水面信息，分析2020年春季補(bǔ)水后秋季補(bǔ)水前5—10月河道水面面積并記錄5月14日補(bǔ)水后同期累計(jì)降水量見(jiàn)表1。

表1 2020年5—10月水面面積及累計(jì)降雨量表

4 結(jié)果與分析

4.1 2020年春季補(bǔ)水后各測(cè)點(diǎn)水位降幅

2020年春季5月14日盧溝橋閘閉閘后，5月15—31日永定河平原南段固安段北村-梁各莊3個(gè)觀測(cè)站的水位高程隨時(shí)間的降落關(guān)系如圖3—5所示。3個(gè)測(cè)點(diǎn)水位降落趨勢(shì)整體一致，補(bǔ)水閉閘初期(5月15—20日)水位降落明顯，降幅6～30cm/d，之后趨于穩(wěn)定，水位逐漸衰減，降落至2～5cm/d。

圖3 測(cè)點(diǎn)1水位及降幅曲線圖

圖4 測(cè)點(diǎn)2水位及降幅曲線圖

圖5 測(cè)點(diǎn)3水位及降幅曲線圖

4.2 2020年春季補(bǔ)水后秋季補(bǔ)水前逐月水面面積降幅

2020年永定河秋季補(bǔ)水盧溝橋攔河閘10月21日開(kāi)閘泄水，通過(guò)衛(wèi)星遙感圖分析春季補(bǔ)水后，秋季補(bǔ)水前5月22日、6月21日、7月23日、8月10日、9月19日、10月16日研究區(qū)段河道水面面積變化情況，如圖6所示。補(bǔ)水后前2個(gè)月水面面積萎縮較快，5—6月水面萎縮112萬(wàn)m2，6—7月水面萎縮70萬(wàn)m2，8—10月水面萎縮趨于穩(wěn)定，每月降幅約11萬(wàn)m2。

圖6 研究區(qū)段河道水面面積及降幅曲線圖

4.3 2020年秋季補(bǔ)水末端水位變化趨勢(shì)

2020年永定河秋季補(bǔ)水，盧溝橋攔河閘10月21日開(kāi)閘泄水，11月4日閉閘。秋季補(bǔ)水水頭10月29日到達(dá)研究區(qū)段河道起點(diǎn)固安北村，10月31日抵達(dá)106國(guó)道永定河跨河橋上游興安湖(測(cè)點(diǎn)2位置)，并最終停留在106國(guó)道跨河橋上游。盧溝橋閉閘后補(bǔ)水水頭末端水位隨時(shí)間變化關(guān)系曲線如圖7所示。

圖7 2020年秋季補(bǔ)水水頭末端水位時(shí)間關(guān)系曲線圖

盧溝橋閘11月4日閉閘后，由于水頭末端仍有上游區(qū)間來(lái)水，至11月14日末端水頭呈上升趨勢(shì)，后逐漸開(kāi)始下降，日均降幅約3cm，水位下降幅度與春季補(bǔ)水后期下降幅度基本一致，12月7日后水面開(kāi)始結(jié)冰。

4.4 分析

根據(jù)公式(2)，上游補(bǔ)水?dāng)嗔骱?，水位變化及水面萎縮主要受降水量、蒸騰蒸發(fā)水量、河道滲漏水量3個(gè)因素影響。水位觀測(cè)期間僅有3次幾毫米的降雨量，對(duì)水位降落的影響很小，可忽略。分析補(bǔ)水后逐月同期累計(jì)降雨量，7—8月累計(jì)降雨量223mm，8—9月累計(jì)降雨量73.5mm，其余月份降雨量較少。逐月水面面積變化與降水量的關(guān)系曲線如圖8所示。從水面整體萎縮趨勢(shì)分析，降雨不是主要因素，影響水面萎縮的因子仍然是蒸騰蒸發(fā)及河道滲漏損失。

圖8 研究區(qū)段河道逐月水面面積與降水量關(guān)系曲線圖

表2 注水試驗(yàn)各土層滲透系數(shù)計(jì)算結(jié)果

注水實(shí)驗(yàn)計(jì)算上層粉細(xì)砂土滲透系數(shù)較大，平均達(dá)561.60cm/d，下層分布粉土、粉質(zhì)黏土滲透系數(shù)較小，分別為3.46、0.86cm/d。分析補(bǔ)水初期，由于上層不飽和粉細(xì)砂層滲透系數(shù)較大，造成初期水位下降較快，隨著上層粉細(xì)砂土體飽和而下層粉土、粉質(zhì)黏土的滲透系數(shù)較小，水量滲漏量減少，水位降幅減少，并隨地下水位不斷上升土體飽和，土層滲漏趨于穩(wěn)定。

5 結(jié)語(yǔ)

控制補(bǔ)水規(guī)模的同時(shí)營(yíng)造穩(wěn)定的地表徑流面積，對(duì)于通過(guò)外調(diào)水解決河道生態(tài)環(huán)境用水的北方資源性缺水地區(qū)具有生態(tài)環(huán)境及社會(huì)經(jīng)濟(jì)雙重效益。分析了永定河平原南段末端固安北村-梁各莊段22km河道2020年生態(tài)補(bǔ)水停水后水位及水面下降情況。測(cè)算此段河道補(bǔ)水初期綜合入滲強(qiáng)度15cm/d，水位穩(wěn)定期綜合入滲強(qiáng)度3cm/d。研究成果為永定河科學(xué)調(diào)水補(bǔ)水、合理制定生態(tài)補(bǔ)水水量提供了參考。

河道水量損失受土層入滲的影響較大，由于永定河流域河道線路長(zhǎng)，各段河道地質(zhì)條件不盡相同，維持永定河全線常年流動(dòng)的河，建議根據(jù)天然河道不同地層滲漏情況合理確定生態(tài)補(bǔ)水量。