流域下墊面變化對永定河官廳水庫徑流影響分析

張建中，劉江俠，任涵路

（海河水利委員會科技咨詢中心，天津300170）

流域下墊面變化對永定河官廳水庫徑流影響分析

張建中，劉江俠，任涵路

（海河水利委員會科技咨詢中心，天津300170）

官廳水庫是北京市的兩大地表水源地之一，特別是2000年以來，水庫的入庫徑流量呈明顯衰減趨勢。為此，亟需摸清水庫上游下墊面變化情況，甄別影響徑流減小的主要因素，以優化水資源配置和保障供水安全。

官廳水庫；徑流量；下墊面

1 引言

官廳水庫位于永定河干流官廳山峽入口處，控制流域面積43 402 km2。永定河流域地形為山地高原及山間盆地，地勢西北高東南低，西部是陰山和太行山支脈恒山所包圍的高原，北部為蒙古高原，東南方為恒山及八達嶺高原。永定河上游分桑干河和洋河兩大支流，南部桑干河區域北接蒙古高原，西鄰管涔山和洪濤山，南屏海拔2 000 m以上的恒山和太行山，地勢西高東低，平均高程約1 000 m，大同盆地、蔚陽盆地和涿懷盆地分布其間；北部洋河區域，北接壩上高原內陸河流域，地勢西北高東南低，在尚義縣、張北縣一帶是壩上高原和壩下盆地的分界線，壩下山巒起伏，群山之間多串珠狀山間盆地，較大的有張宣盆地、涿懷盆地。

永定河流域是我國重要的能源基地，大同煤炭集團和平朔煤炭工業公司是年產原煤千萬噸以上的特大型煤炭生產企業，大同二電廠，神頭一、二電廠是裝機容量100萬kW以上的大型坑口電廠，生產的煤、電大部分輸送京津唐地區。流域現有人口929.51萬人，其中城鎮人口456.29萬人，城鎮化率為49%。

2 流域下墊面變化

流域下墊面是指影響流域產流及匯流的多種因素的綜合體，地形及地表附著物為其主要表征，同時還包括地表以下產流影響巖層，它是地球表層的水循環界質。人類的生活及其經濟活動無時不對地球表面產生影響。永定河流域是海河流域山區人類活動比較劇烈的地區，建設及居住用地增加、水土保持工程及水利工程建設以及水資源開發利用使得該流域下墊面發生了巨大變化。

2.1 土地利用變化

根據1980年以來衛星遙感資料分析，官廳水庫上游流域的土地利用組成發生了較大變化。其中，居民居住及建設用地變化最大，從1980年的828 km2增加到2010年的1 812 km2，上升了119%；林草面積變化的絕對數量最大，30年來增加2 362 km2，上升了10.2%；耕地面積1980年為17 428 km2，2010年減少到15 759 km2，下降了9.6%。不同年代各類土地利用類型變化情況，如圖1所示。

圖1 永定河流域土地利用變化情況

經統計，官廳水庫上游地區自20世紀80年代以來有效灌溉面積呈現先減后增的情況。1980年有效灌溉面積為35.33萬hm2，到1985年減小到33.07萬hm2，隨后灌溉面積逐漸增加，到2012年達到45.33萬hm2，耕地有效灌溉率達到38.3%。

2.2 植被變化

官廳水庫上游地區林草覆蓋度總體呈增加趨勢。經用遙感數據提出的歸一化植被指數NDVI這一反映地表植被覆蓋狀態和植物量指數分析，流域內1980、1990年植被覆蓋變化不大，NDVI基本維持在0.20左右；2000年以來，植被覆蓋逐漸加大，從1999年的0.19增加到2012年的0.28，上升了47%（見表1），2002年以來冊田水庫至三家店區間NDVI分布及變化情況如圖2所示。

表1 官廳水庫上游區域NDVI變化情況

圖2 冊田水庫至三家店區間NDVI分布及變化趨勢

2.3 盆地地下水埋深狀況

20世紀70年代以前，永定河上游盆地地下水開采量較少，一般區域的地下水埋深在1.5～3.0 m，汛期暴雨很容易蓄滿地下包氣帶產生徑流。20世紀70年代以來，隨著地下取水技術提高和經濟社會的發展，地下水取水量逐步增加，盆地地區地下水位逐漸下降，最大地下水埋深達60 m以上，在大同、張家口市區以及一些縣城的周邊地區均存在不同程度的地下水超采現象。山西省大同山間盆地地下水漏斗主要分布在朔城區、山陰縣、懷仁縣、大同城郊超采區，超采區面積498 km2，漏斗中心大同城區和懷仁縣地下水位埋深達53.7和50 m。張家口市的張宣盆地、涿懷盆地和蔚陽盆地地下水位呈逐年下降趨勢，其中張宣盆地地下水最大埋深61.7 m、涿懷盆地地下水最大埋深40.9 m、蔚陽盆地地下水最大埋深31.4 m。官廳水庫上游地區地下水埋深分布情況，如圖3所示。

3 流域下墊面變化對地表徑流影響

3.1 地表徑流變化趨勢

為了分析官廳水庫以上流域下墊面變化對徑流影響趨勢，甄別影響徑流衰減的關鍵因素，對官廳水庫以上流域1956—2010年55年流域平均年降水量和天然年徑流進行了統計分析。永定河官廳站降水量見表2，天然徑流量隨年際變化趨勢如圖4所示。

圖3 官廳水庫上游地區地下水埋深分布情況

表2 永定河官廳站不同年代降水量、徑流量對比

圖4 永定河官廳站降水徑流變化趨勢

從表2可以看出，永定河天然年徑流隨年代逐漸遞減的趨勢是相當明顯的，1981—1990年與1956—1980年比較，流域平均年降水量下降了11.9%，天然年徑流下降了34.5%；1991—2000年與1956—1980年比較，流域平均年降水量下降了9.3%，天然年徑流下降了36.3%；2001—2010年與1956—1980年比較，流域平均年降水量下降了11.8%，天然年徑流下降了60.5%。2001—2010年與1981—1990年年均降水量基本相等，但年徑流量卻減少了39.6%。可見，永定河流域徑流減少的原因，除降雨減少的因素外，還有下墊面變化的影響。

為了分析下墊面變化對徑流的影響，針對不同等級的的降水量分1956—1980、1981—2000、2001—2010年3個時期對比相同等級的降水量在不同時期產生的自然消耗量（不含地表水供水產生的消耗量）和地表徑流量的變化。永定河官廳站不同年代降雨徑流對比，如圖5所示。

1981—2000年與1956—1980年比較，300、375、425、575 mm 4個降水等級產生的徑流量（以徑流深度表示）分別減少了10.2、11.3、15.1、22.3 mm，減少相對幅度從31%上升到38%，按年次加權平均后年均徑流深減少值為13 mm左右。2001—2010年與1956—1980年比較，300、375、425、475 mm 4個降水等級產生的徑流量分別減少了16.9、23.1、28.2、29.7mm，減少相對幅度從51%上升到63%，按年次加權平均后年均徑流深減少值為23 mm左右。

圖5 永定河官廳站不同年代降雨徑流對比

3.2 下墊面要素變化影響徑流程度解析

永定河官廳水庫以上流域20世紀80年代后與80年代前狀況比較，下墊面變化對年徑流的影響量達到10億m3左右。下墊面變化對徑流的影響，主要涉及3個方面：一是地下水開發利用，二是水土保持，三是流域植被覆蓋度及植物量變化。以下對這3個方面因素對官廳水庫以上流域的徑流影響幅度進行解析。

（1）地下水開發利用對徑流影響。地下水開采利用是影響永定河流域徑流減少的主要因素。1970年以前，對地下水的利用主要是人工鑿井取水，1970年官廳水庫以上流域地下水開采利用量估計在2.0億m3以下，區域內地下水基本處于自然狀態；1970年以來，隨著機械鉆井和提水工程的使用，地下水開采利用量逐步增加，1980年地下水開采利用量達到7.1億m3，1990年達到12.0億m3；1990年后，地下水開采增長幅度有所減緩，至2012年波動增長至13.6億m3左右。隨著地下水開采量的增加，流域天然徑流量從1956—1980年的19.7億m3減少至1981—2010年的10.7億m3。按現狀地下水埋深及開采狀況分析，由于地下水開采造成的年徑流減少量為6億～8億m3，占徑流減少幅度的2/3左右，是徑流減少的主要因素。

（2）水土保持及植被變化對徑流的影響。永定河官廳水庫上游流域為我國水土流失重點治理區，新中國成立以來建設了大量的水土保持工程。根據第一次全國水利普查成果，目前水土保持治理存量達到了21 423 km2，其中對降雨產流有直接影響的梯田、溝壩地等基本農田建設存量和經濟林存量為4 905 km2，其他對降雨產流有間接影響的治理措施如喬木林、灌木林等林草種植與維護和封禁治理等保有面積16 518 km2。

梯田、溝壩地和果樹坪等治理措施，直接存蓄當地地表產流，其畦埂攔蓄產流標準一般達到5年一遇以上降雨標準，治理區域的地表產流量幾乎可全部攔截，按治理存量面積4 905 km2所產天然徑流量的70%作為影響量估算，基本農田和經濟林等治理措施對徑流的影響總量約為1.5億m3。

喬木林、灌木林等林草種植與維護以及封禁治理等措施，通過增加地表植被來保持水土，其對徑流的影響是間接的。水土保持措施實施后，由于植被覆蓋度以及地表植物量的增加，植被蒸散發量增加，使地表產流有所減少。根據遙感資料分析結果，1980—2010年流域植被覆蓋率由53%上升到59%。經有關文獻研究表明，流域蒸散發量與植被指數參數和植被蓋度均呈現正相關關系，隨著植被指數提高和蒸散發量逐步提高，按官廳水庫上游植被增加數據分析，現狀流域植被條件與1980—1990年相比，在土壤充分供水的條件下，汛期日蒸散能力將增加0.3～0.5 mm。連同前述基本農田建設存量和經濟林存量影響，水土保持及植被變化對徑流的影響總量在3億～4億m3。

4 結論

（1）永定河官廳水庫以上流域下墊面發生了較大變化，主要表現為植被覆蓋度增加、地下水開采引起的包氣帶增加、水土保持工程造成地表表層地形地貌特征改變以及人類開發引起的土地利用類型變化，如居民居住及建設用地大幅度增加、耕地減少和林草地增加等。

（2）下墊面變化對永定河官廳水庫以上流域地表徑流產生了顯著影響。由于下墊面變化和水資源開發利用影響，天然地表徑流呈現隨年代逐步衰減的趨勢。1981—2000年與1956—1980年比較，300、375、425、575 mm 4個降水等別徑流衰減幅度在31%～38%；2001—2010年與1956—1980年比較，300、375、425、475 mm 4個降水等別徑流衰減幅度上升到51%～63%。

（3）對永定河官廳水庫上游下墊面要素變化對徑流影響貢獻度進行了解析發現，地下水開采導致的包氣帶儲水能力增加是徑流衰減的主要影響因素，與天然條件比較，其對官廳水庫天然年徑流的年均影響量為6億～7億m3，對徑流影響的貢獻度為60%～70%；水土保持及植被變化對徑流的影響量為3億～4億m3，對徑流影響的貢獻度為30%～40%，其中水土保持工程中基本農田建設和經濟林建設對徑流影響量為1.5億m3左右。

官廳水庫為首都北京的兩大地表水源地之一，其入庫徑流的變化直接影響到未來北京市乃至海河流域的水資源配置。從分析成果看，現狀下墊面條件下徑流的衰減幅度已達到50%以上，與永定河現有水資源評價成果產生了很大差異，建議盡快設立專項開展永定河流域水資源評價工作，以合理確定水資源量，為京津冀協同發展水資源配置提供科學依據。

TV121+2

A

1004-7328（2016）06-0007-04

10.3969/j.issn.1004-7328.2016.06.002

2016—07—25

張建中（1962—），男，教授級高級工程師，主要從事水利科技咨詢管理工作。