北京市西郊雨洪調(diào)蓄工程高水位運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)分析及對策措施

劉 琦，張文陽，何沛洋，張 瑞

(北京市城市河湖管理處，北京 100144)

1 基本情況

北京市西郊雨洪調(diào)蓄工程(簡稱西蓄工程)位于北京市海淀區(qū)西五環(huán)與阜石路交叉口東南。主要包括永引渠杏石路分洪樞紐、阜石路砂石坑分洪暗涵，阜石路砂石坑等內(nèi)容。其中主體工程阜石路砂石坑占地面積約66.7hm2，設(shè)計(jì)蓄洪庫容680萬/m3，有效避免北京西部八大處溝流域及北八排溝、瑯璜溝流域27km2的100年一遇洪水下泄至中心城區(qū)，是北京“西蓄、東排、南北分洪”的城市防洪體系中的重要組成部分。

西蓄工程于2014年2月開工，2017年4月25日順利通過北京市水務(wù)局組織的竣工驗(yàn)收，工程主要承擔(dān)了防洪、回補(bǔ)地下水、改善生態(tài)環(huán)境3大功能。西蓄工程內(nèi)坡面防護(hù)采取工程護(hù)坡與植物護(hù)坡相結(jié)合的方式，工程護(hù)坡以漿砌石、干砌石、混凝土框架梁為主；植物護(hù)坡針對陰坡、陽坡選擇了適宜植物種類，以密林、宿根地被+灌木組合、濕生植物+灌木組合的形式，做到了喬灌草有機(jī)結(jié)合、科學(xué)搭配，在形成綠化景觀的同時(shí)又防止了水土流失。

2019年9月24日西蓄工程正式向市民開放，成為首個(gè)向市民開放的水利工程，每年接待市民超過100萬人次，目前已經(jīng)累計(jì)超過300萬人次。西蓄已經(jīng)成為最佳的宣傳水務(wù)文化、水務(wù)科技、水務(wù)政策的窗口，并以最適宜的方式秉承了北京水務(wù)“安全、潔凈、生態(tài)、優(yōu)美、為民”的發(fā)展目標(biāo)。

2 高水位成因

2.1 地表水補(bǔ)水

西蓄工程水源主要為地表水和雨洪水。為開展地下水回補(bǔ)工作，自2021年9月起，通過永引渠杏石口閘分洪樞紐向阜石路砂石坑內(nèi)補(bǔ)給地表水，2022年3月補(bǔ)水工作結(jié)束。期間，2021年10月的補(bǔ)水量到達(dá)最高值497.06萬m3，2021年11月水位達(dá)到最高值50.66/m，水面面積達(dá)到40.60萬m2，庫容量410.8萬m3。為保障西蓄工程進(jìn)入汛期后仍然能夠發(fā)揮蓄滯洪水的功能，2022年4月起停止了補(bǔ)給地表水，隨后，阜石路砂石坑在持續(xù)回補(bǔ)地下水與水面蒸發(fā)的作用下，2022年5月水位下降至本年度最低值45.03m，水面面積下降至32.58萬m2，庫容量201.6萬m3，具體補(bǔ)水量見表1。

表1 西蓄工程2021年9月—2022年5月期地表水補(bǔ)給量統(tǒng)計(jì)

2.2 汛期內(nèi)降雨

2022年6月1日，北京進(jìn)入汛期，截至9月30日，北京降雨量為393mm，汛期內(nèi)北京西部地區(qū)共經(jīng)歷42次降雨過程，其中暴雨3次、大雨2

次、中雨8次、小雨29次，最大降雨出現(xiàn)在7月3日，降雨量為93mm[1]。汛期內(nèi)西蓄工程承接永定河引水渠分洪6.05萬m3，通過排水集團(tuán)雨水管網(wǎng)收集雨水超過120萬m3，2022年9月下旬阜石路砂石坑水位基本保持在46.6m左右，水面面積為36.27萬m2，庫容量為257.10萬m3，由于阜石路砂石坑退水閘的作用僅為超高洪水的下泄，同時(shí)該區(qū)域地下水經(jīng)長期回補(bǔ)，地下水水位已回升至45m水位線。因此，阜石路砂石坑最低運(yùn)行水位將長與地下水位基本持平。今后西蓄工程將長期保持水位45m以上的高水位運(yùn)行狀態(tài)。

3 高水位運(yùn)行管理存在的風(fēng)險(xiǎn)

3.1 邊坡土體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性存在風(fēng)險(xiǎn)

阜石路砂石坑建設(shè)時(shí)大致為東開挖，西填筑，通過開挖擴(kuò)大開口面積，填筑降低坡度。坡面使用500mm厚石籠及500mm厚種植土經(jīng)綠化固坡，下設(shè)置防水毯防滲，坡比在1∶3～1∶5之間。柴學(xué)銳[2]等研究分析水位上升對邊坡穩(wěn)定性的影響，結(jié)果表明隨著水位上升，孔隙氣壓力、孔隙水壓力、毛細(xì)壓力和水飽和度均逐漸增加，土坡的安全系數(shù)先呈現(xiàn)輕微減少趨勢后開始逐漸增加，當(dāng)水位穩(wěn)定后，土坡安全系數(shù)逐漸降低。同時(shí)由于此處地質(zhì)條件較為特殊，建設(shè)初期的地質(zhì)勘探測量至西坡基底下127m沒有穿越卵礫石層，所以西蓄工程持續(xù)高水位運(yùn)行會(huì)給岸坡及土體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。

3.2 水體存在爆發(fā)藻類水華的風(fēng)險(xiǎn)

西蓄工程在降雨過程中發(fā)揮了蓄滯洪水的功能，但雨水匯流過程中會(huì)攜帶大量污染物，并且當(dāng)降雨量達(dá)到中到大雨時(shí)，城市排水管網(wǎng)會(huì)出現(xiàn)雨污水混流入阜石路砂石坑內(nèi)的問題，導(dǎo)致水體質(zhì)量明顯下降，由于工程蓄滯的特殊性，水體匯入砂石坑后，無法流出，形成了以蒸發(fā)滲透為主的相對封閉緩流水體。經(jīng)過2022年4—9月期間對西蓄工程水質(zhì)的檢測，4—6月水體質(zhì)量為Ⅳ類，7—9月水體質(zhì)量為劣Ⅴ類，高錳酸鹽指數(shù)、總磷、總氮數(shù)值顯著上升，水質(zhì)監(jiān)測數(shù)值見表2[3]。曹江兵[4]研究表明，藻類水華爆發(fā)機(jī)理主要受水體中營養(yǎng)鹽含量過高、水體流動(dòng)緩慢、光照強(qiáng)度和適宜水溫4個(gè)方面的影響。根據(jù)目前西蓄工程水體質(zhì)量情況，以及水體缺乏流動(dòng)性現(xiàn)狀，預(yù)測當(dāng)光照強(qiáng)度增加，水溫處于25～35℃區(qū)間時(shí)，存在爆發(fā)水華的風(fēng)險(xiǎn)。

表2 2022年4—9月西蓄工程水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù) 單位：mg/L

3.3 水面作業(yè)存在安全隱患風(fēng)險(xiǎn)。

阜石路砂石坑水位由37.5m的低水位上升至46.6m的高水位，水深增加了9m，同時(shí)水面面積由7.7萬m2增長至36萬m2，當(dāng)作業(yè)人員開船進(jìn)行打撈作業(yè)時(shí)，如突遇強(qiáng)陣風(fēng)，不易及時(shí)靠岸停船，如人員落水，雖穿著救生衣，但水面寬廣，很難自救，如未及時(shí)發(fā)現(xiàn)人員落水，易形成安全事故。

4 高水位運(yùn)行管理對策

4.1 提高人員應(yīng)對險(xiǎn)情能力

全面總結(jié)2021—2022年高水位運(yùn)行的工作經(jīng)驗(yàn)與不足，進(jìn)一步完善西蓄工程保障運(yùn)行方案，細(xì)化責(zé)任清單，明確日常巡查頻次、路線、內(nèi)容及要求。組織管理人員開展專業(yè)技術(shù)培訓(xùn)工作，使全體人員認(rèn)識西蓄工程高水位運(yùn)行的新常態(tài)、新形勢、新要求，提升對險(xiǎn)情的認(rèn)識，熟悉險(xiǎn)情應(yīng)對工作流程，并且開展險(xiǎn)情的處置演練，確保每名工作人員掌握每個(gè)環(huán)節(jié)的具體要求，可沉著、科學(xué)、有序應(yīng)對險(xiǎn)情。

4.2 增加土體結(jié)構(gòu)與浮游藻類的監(jiān)測

4.2.1岸坡土體結(jié)構(gòu)監(jiān)測

西蓄工程已對外開放，由于景色優(yōu)美，節(jié)假日期間每天吸引近萬名市民進(jìn)入工程內(nèi)賞景游玩，所以邊坡的穩(wěn)定性直接關(guān)系著工程效益和廣大市民的人身安全。目前西蓄工程內(nèi)多處臺(tái)階、步道出現(xiàn)了一定程度裂縫和塌陷，建議今后的日常管理工作中可增加邊坡穩(wěn)定性的自動(dòng)化監(jiān)測和風(fēng)險(xiǎn)警報(bào)系統(tǒng)，可選擇線型檢測的Gnss定位、線式絕對值位移、土壓力集成檢測系統(tǒng)，和面型檢測的insar干涉雷達(dá)監(jiān)測系統(tǒng)，對地質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行全面、有效的分析，掌控風(fēng)險(xiǎn)趨勢，確保在塌坡、滑坡等地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生前進(jìn)行預(yù)警并采取有效防護(hù)措施，提高西蓄工程安全保障性。

4.2.2水體中浮游藻類監(jiān)測

浮游藻類個(gè)體微小、種類繁多，是生態(tài)系統(tǒng)的基礎(chǔ)和初級生產(chǎn)力的代表，對水生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)平衡起著重要作用，淡水水體中常見藻類大致分為：藍(lán)藻門、裸藻門、金藻門、甲藻門、隱藻門、硅藻門、綠藻門、黃藻門等。當(dāng)某一藻門在水體中過量繁殖，會(huì)對水體產(chǎn)生不同影響，如綠藻門成為水體中優(yōu)勢種群后會(huì)導(dǎo)致水綿問題的出現(xiàn)，由于其以絲狀體斷裂再生或行接后生殖，繁殖速度迅速，使水體透明度下降，水質(zhì)惡化；如藍(lán)藻門成為水體優(yōu)勢種群后，會(huì)消耗水體中大量溶解氧，其死亡后會(huì)在水體表面或水體中凝聚形成一層藍(lán)綠色懸浮物，即出現(xiàn)較為常見的水華問題。所以應(yīng)在現(xiàn)有水質(zhì)監(jiān)測的基礎(chǔ)上，增加水體中浮游藻類的監(jiān)測工作，掌握不同時(shí)期水體中優(yōu)勢藻門以及藻類密度值，當(dāng)藻類呈現(xiàn)快速增長趨勢時(shí)，能夠及時(shí)進(jìn)行預(yù)警，避免水華問題爆發(fā)后進(jìn)行被動(dòng)治理。

4.3 加強(qiáng)水質(zhì)治理工作

4.3.1利用水生植物凈化水質(zhì)

水生植物可以通過自身的新陳代謝改變水體的透明度、PH和堿度，調(diào)節(jié)水生生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，起到凈化水質(zhì)的作用。根據(jù)目前西蓄工程水面面積及水深的現(xiàn)狀，可采用生態(tài)浮島形勢，增加水生植物的種植量，水生植物的品種可混合搭配，例如千屈菜、香蒲具有廣泛氮磷濃度的適應(yīng)性，旱傘草、美人蕉、蘆葦、鳳眼蓮在北方地區(qū)應(yīng)用較多，對各種水體均有較好的凈化功能[5]。并且不同類型的水生植物根莖長度也有所差異，在生態(tài)浮島下可形成分層分布的根系，能從不同深度對水體中懸浮物及污染物起到過濾和吸附作業(yè)，擴(kuò)大凈化范圍。生態(tài)浮島的設(shè)立不僅起到水質(zhì)凈化的作業(yè)，還為鳥類提供了棲息地，構(gòu)建良性循環(huán)的生態(tài)圈。同時(shí)不同類型的水生植物形成優(yōu)美的景觀帶，也起到了美化環(huán)境的作用。

4.3.2利用生物制劑改善水體質(zhì)量

西蓄工程水體質(zhì)量的高低，直接影響了市民進(jìn)入工程內(nèi)游玩的感受，以及對工程效果的評價(jià)，針對水體質(zhì)量的改善工作，可以借鑒目前較為成熟的生物治理措施，王敏等人研究表明[6]利用微生物控制途徑可對藻類起到明顯抑制作用，例如利用芽孢桿菌、酵母菌等益生菌的溶藻作用可以直接殺滅藻細(xì)胞，降低藻類密度，降低水華問題的發(fā)生，生物復(fù)合酶可促進(jìn)水中的大分子化合物分解成小分子化合物，同時(shí)釋放出結(jié)合氧，增強(qiáng)水體復(fù)氧功能。今后水體治理過程中結(jié)合水質(zhì)監(jiān)測數(shù)值，多種微生物混合使用，改善水體的微生態(tài)系統(tǒng)，提高水體自凈能力，并且此方法簡單易行，不會(huì)對水體產(chǎn)生二次污染問題。

4.4 推進(jìn)智能化設(shè)備的應(yīng)用

西蓄工程水面情況區(qū)別于城市河道，由于沒有開放水上娛樂項(xiàng)目，同時(shí)市民無法進(jìn)行垂釣活動(dòng)，所以水面作業(yè)過程中如使用無人智能保潔船進(jìn)行作業(yè)，不會(huì)有外界因素對設(shè)備進(jìn)行干擾，同時(shí)船體搭載高清攝像頭系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測水面漂浮物，進(jìn)行自主作業(yè)打撈，作業(yè)時(shí)長與作業(yè)效率均比人工作業(yè)有大幅度提高，在節(jié)約人工成本的同時(shí)能夠避免水面作業(yè)事故的發(fā)生。

5 結(jié)語

本次是西郊雨洪調(diào)蓄工程首次經(jīng)歷長時(shí)間高水位運(yùn)行，既是一次考驗(yàn)，也是一次積累寶貴管理經(jīng)驗(yàn)的歷程，在今后的的管理工作中要充分認(rèn)識工作任務(wù)的艱巨性和工程安全運(yùn)行的重要性，強(qiáng)化責(zé)任意識，抓好工作落實(shí)，做好高水位期間西調(diào)蓄工程的運(yùn)行管理，最大化的實(shí)現(xiàn)工程的多重社會(huì)效益和生態(tài)效益。