永定河全線通水需水量及保障方案研究

杜 勇，萬 超，杜國志，王立明，繆萍萍，賀 巍，高 遠

(1.永定河流域投資有限公司，北京 100094；2.水利部海河水利委員會水資源保護科學研究所，天津 300170)

1 研究背景

永定河上游有桑干河、洋河兩大支流，自河北懷來縣朱官屯至天津市屈家店，長307km。永定河自朱官屯下行17km入官廳水庫，官廳水庫至三家店為山峽段，長109km，兩岸有清水河、大西溝等支流匯入[1]。自三家店進入平原，流經北京、河北廊坊，至天津屈家店，長146km，其中梁各莊至屈家店為泛區段，長67km。泛區段有天堂河、龍河、北運河匯入。經屈家店樞紐入永定新河流注入渤海[2]。其中，三家店以上為山區段，三家店-屈家店樞紐為平原段。

長期的資源性缺水，使永定河生態功能受到嚴重影響，依靠自身生態系統難以恢復。山區段雖能維持一定基流，但水資源開發利用率高達97%，河道內生態水量各河段存在不同程度虧缺。同時，官廳水庫-三家店區間河道滲漏較為嚴重，三家店斷面生態水量虧缺最為嚴重[3]。平原段河道1996年后完全斷流，平均干涸長度140km，局部河段河床沙化，地下水位下降，地面沉降，河流生態嚴重退化[4]。永定新河由于北運河、薊運河、潮白河及區間澇水匯入，常年有水，暫不作為全線通水的制約條件。

2016年，國家發改委、水利部、原國家林業局印發《永定河綜合治理與生態修復總體方案(發改農經辦〔2016〕2842號)》(簡稱《總體方案》)，為實現“流動的河”目標[5]，提出三家店斷面生態需水量2.6億m3。自2017年通過水資源優化配置加大了上游向下游集中生態補水水量。2019年，首次開展了引黃水與永定河本地徑流統籌調度、官廳水庫上下游聯合調度，官廳水庫上游共向永定河生態補水3.31億m3(其中引黃水1.94億m3)，自引黃北干線1#隧洞出口至盧溝橋攔河閘下游河段形成持續有水河道約400km，沿線水生態環境明顯好轉。

為盡早實現永定河“流動的河”目標，基于河道“不防滲、低擾動、自然修復”的工程方案及河道滲漏情況，統籌考慮當地徑流、再生水、引黃水、南水北調水等多水源，提出永定河實現全線通水的水資源配置方案[6]。

永定河流域水系及調水線路如圖1所示。

圖1 永定河流域水系及調水線路圖

2 山區河道內生態水量配置

2.1 地表水資源狀況

受氣候和下墊面變化等因素影響，永定河山區地表徑流量呈逐漸減少的趨勢，天然徑流量已從20世紀70年代前的19.71億m3，減少到2001—2014年的8.39億m3，與1956—2010年的14.43億m3相比減少41.9%[7]。按現狀下墊面修正后，永定河山區多年平均地表徑流量僅9.78億m3。

2.2 河道內生態水量配置

現狀開發利用水平下，山區多年平均地表水供水量6.80億m3，考慮河道蒸發下滲，洋河、桑干河匯合后河道僅留存2.23億m3。按照2019年春季生態補水期間官廳水庫-三家店區間蒸發滲漏損失，永定河山區出口三家店斷面僅留存1.41億m3。

萬家寨引黃北干線是近期永定河生態補水水源。現階段由于生態水量虧缺較為嚴重，可充分利用萬家寨引黃北干線富裕水量向永定河生態補水，改善流域水生態狀況。目前，引黃工程尚有2.64億m3的供水能力可向永定河補水。

由于下游平原段實現通水所需的水資源缺口仍比較大，以盡量控制河道外農業用水、最大規模引黃河水為原則，提出永定河山區段河道內生態水量配置方案[8]。具體見表1。

表1 永定河山區生態水量配置方案 單位：億m3

3 平原生態需水量分析及配置方案

3.1 平原生態需水量分段核算

2005～2014年的10年間，三家店至盧溝橋段基本處于長期斷流狀態，盧溝橋至屈家店段基本全年干涸。永定河盧溝橋段以下平原河段干涸斷流、河床沙化，冬春季節，風沙彌漫，對于區域生態環境影響明顯。永定河平原段常年干涸，已基本喪失自然河流特性[9]。

按照“以流域為整體、區域為單元、山區保護、平原修復”的總體原則，平原河段構建綠色生態走廊，需恢復水體連通和景觀環境功能。按照“流動的河”的目標和“平原河段維持水面”的思路，采用生態環境功能需水法計算平原各段生態需水量[10]。水體連通功能和自凈功能是永定河平原段的主要生態環境功能，受水源條件限制，僅將水體連通功能作為近期實現全線通水的主要生態環境功能。

隨著永定河綜合治理與生態修復河道生態治理工程的實施，平原北段、南段以及部分泛區段工程按照不采取防滲減滲措施、“地下+地表”同步立體修復的原則形成了初步設計方案，各段生態水面結合河道地形地質進行了優化布置[11]。根據2019年生態補水過程對河道水位、流量、入滲速率監測資料，結合歷史徑流數據和優化的工程方案，按水體連通功能所需的槽蓄量、蒸發量和滲漏量計算各河段的生態需水量[12]。

3.2 2019年生態補水情況

2019年3月至6月萬家寨引黃北干線1#洞沿桑干河、經冊田水庫，向官廳水庫實施春季補水。官廳水庫下泄水量，經珠窩水庫、落坡嶺水庫向三家店攔河閘和盧溝橋攔河閘下泄，一路南下，最終水頭到達盧溝橋以下16km處。官廳水庫共集中放水87d，累計下泄2.23億m3，首次實現了自1996年后永定河干流官廳水庫至黃良鐵路段非汛期全線通水，為20多年來最大規模生態補水。

通過此次生態水量調度，官廳水庫入庫斷面部分時段水質恢復至III類。永定河平原河道周邊地下水位有較大幅度回升，其中三家店至盧溝橋兩側10km范圍內地下水平均回升4.71m，盧溝橋以下兩側3km范圍內地下水位平均回升0.4m，部分泉眼停噴30年后復涌。補水情況詳見表2。

表2 永定河春季生態補水情況

表3 永定河全線基本生態需水量

平原北段。補水初期蒸發滲漏參數10～60cm/d，滲漏穩定后1.5～45cm/d，蒸發滲漏需水量約為1.74億m3；考慮一次槽蓄量2268萬m3，平原北段全年最小生態需水量1.97億m3。

平原南段。補水初期9.5～45cm/d，滲漏穩定后7.5～27cm/d，蒸發下滲損失量1.12億m3，每年最小生態需水量1.23億m3；考慮一次槽蓄量1045萬m3，全年最小生態需水量1.23億m3。

泛區段。根據固安和天津武清區的降雨、蒸發及地下水位資料，廊坊段蒸發滲漏系數采用5.5～7.5cm/d，蒸發滲漏量800萬m3，一次槽蓄量79萬m3；天津市段地下水埋深為2.0m左右，蒸發滲漏系數為1～3mm/d，蒸發滲漏量為516萬m3，一次槽蓄量611萬m3。泛區段河道最小生態需水量2005萬m3。

綜上，永定河平原段實現全線通水目標的生態需水量為3.4億m3。其中，平原北段1.97億m3，平原南段1.23億m3，泛區段0.20億m3。詳見表3。

3.3 平原生態水量保障方案

3.3.1總體思路

由于目前地下水虧空較為嚴重，實現地表、地下立體修復并全線通水的目標，平原段生態需水量3.4億m3，遠超三家店2.6億m3的生態需水量外包值。山區段下泄的當地徑流、引黃水仍然不滿足生態用水需求，需進一步挖掘再生水、南水北調中線水進行生態補水。按照上下統籌、分區調配、多源互濟的思路，充分利用當地徑流、引黃水、再生水、南水北調中線水等多水源，以全線通水為目標，對永定河平原河段進行合理配置[13]。

3.3.2生態水量配置方案

多年平均。多年平均條件下，上游官廳入庫生態水量3.49億m3，山區段損失1.48億m3后至三家店閘上2.01億m3，三家店可下泄水量1.83億m3供平原段河道內生態用水。平原北段通過再生水補給0.75億m3，至平原北段末端盧溝橋0.61億m3。平原北段通過南水北調中線補給0.76億m3，至平原段末端梁各莊0.09億m3，用于廊坊段的生態需水。天津段需水通過北運河調入0.11億m3補給。生態水量配置方案如圖2所示。

圖2 多年平均條件下河道內生態水量配置方案

一般枯水年(P=75%)。官廳入庫生態水量2.66億m3，山區段損失1.48億m3后至三家店閘上1.18億m3，考慮引水損失，三家店可下泄0.68億m3，供平原段河道內生態用水。平原南段通過再生水補給0.75億m3和南水北調中線補水0.4億m3，受可供水量限制仍虧缺0.14億m3。平原北段通過南水北調中線補給1.31億m3后，至平原南段末端梁各莊0.09億m3，用于廊坊段的生態需水。天津段生態需水通過北運河補給0.11億m3。生態水量配置方案如圖3所示。

圖3 75%條件下河道內生態水量配置方案

特枯年(P=95%)。官廳入庫生態水量2.07億m3，山區段損失1.48億m3后至三家店閘上0.59億m3，考慮引水損失，三家店可下泄生態水量僅0.09億m3供平原段河道內生態用水。平原南段通過再生水補給0.75億m3和南水北調中線補水0.4億m3，受可供水量限制仍虧缺0.73億m3。平原北段通過南水北調中線補給1.34億m3，至平原南段末端梁各莊0.09億m3，用于廊坊段生態需水。天津段生態需水通過北運河補給0.11億m3。生態水量配置方案如圖4所示。

圖4 95%條件下河道內生態水量配置方案

4 措施與建議

4.1 建立上下游生態水量統一調度機制

永定河下游是永定河生態水量調度的重點河段，按照“統一分配水量、水量斷面控制、省市負責用水配水”原則，將沿線控制性節點納入流域生態水量統一調度。以全流域水安全和生態安全為目標，在生態用水配置和生態水量調度過程中，通過對永定河全線的控制性水利工程制定科學、統一的水位流量、徑流過程、生態基流、水質水溫、時序耦合等關鍵調控閾值，把節水優先這項“剛性約束”貫穿到“規劃設計—建設管理—調度運行”的流域生態修復治理全過程、全生命周期中[14]。

4.2 實施南水北調中線向永定河生態補水工程

通過南水北調中線與永定河連通，以及支流間區域內連通互濟，增強生態用水調配和保障能力。在保證正常供水目標的前提下，根據丹江口水庫水資源條件，相機為永定河進行生態補水，有效推進平原段地下水超采綜合治理，逐步實現地下水采補平衡[15]。同時，平原段沿線可根據南水北調來水優化中心城區環境用水配置，多用再生水，適當利用南水北調水。將永定河上游來水著力保障河道生態用水，為促進沿線經濟社會可持續發展提供水安全保障。

4.3 構建流域橫向水生態補償機制

按照“誰受益，誰補償”的原則，加快推進流域內上下游開發地區、受益地區與生態保護地區之間的橫向生態補償研究。根據各方利益訴求，制定符合流域特點和實際的生態補償方案，促進上下游地區間生態治理保護效益合理分配，建立生態水量保障長效機制[16]。為永定河實現“流動的河，綠色的河，清潔的河，安全的河”治理目標提供制度支撐。