十三陵水庫流域下墊面變化情況下降水來水分析

摘 要：十三陵水庫是一座庫容7 450萬m3的中型水庫，按照一百年一遇洪水設計，兩千年一遇洪水校核，壩體采用黏土斜墻壩形式，壩軸線長627 m，最大壩高29 m。而隨著社會的發展，流域范圍內下墊面情況發生了較大變化。基于此，介紹了十三陵水庫及其流域基本概況，選取1959—2018年水庫降水與天然來水觀測資料，分析了十三陵水庫流域降水及來水情況，并探索了來水量變化的原因和增加水庫來水量的保障措施。

關鍵詞：降水來水分析；下墊面變化；十三陵水庫

中圖分類號：P458.121.1 文獻標志碼：B 文章編號：2095–3305（2024）10–0-03

十三陵水庫位于北京市昌平區，十三陵盆地的東南部，距北京城區約40 km。該水庫作為北京市北部區域水系的重要節點，其水資源狀況及生態環境對周邊區域乃至整個北京市的水資源管理和生態保護具有重要意義。近年來，隨著氣候變化和人類活動的加劇，水庫流域的下墊面條件發生了顯著變化，如土地利用類型的改變、植被覆蓋度的變化等，這些變化直接影響了水庫流域的降水來水情況，進而對水庫的蓄水能力、水質及周邊生態環境產生了深遠影響。因此，對十三陵水庫流域降水和來水情況進行分析，不僅能深入了解水庫的水循環規律，為水庫的水資源管理和生態修復提供科學依據，還有助于推動流域內水資源的可持續利用和生態環境的持續改善。

1 十三陵水庫及其流域基本概況

十三陵水庫位于北運河水系溫榆河北支東沙河上游位置，水庫以上流域面積223 km2，控制東沙河84％的流域面積，占溫榆河上游山區流域面積1/4。流域形狀呈扇形，起于燕山山脈延慶區西二道河山區，止于昌平區城區東北約4.6 km的十三陵水庫大壩，下游連接溫榆河北支東沙河。水庫在規劃初期具備防洪排澇、發電灌溉供水等多重效益，部分承擔著北京市城市生活用水與工農業用水的任務，歷經60余年變遷，現在的主要功能為防洪和保障蓄能電廠發電用水。

水庫上游有德勝口、錐石口、上下口及老君堂4條溝道，平均坡降1.6%。4條溝道于十三陵七孔橋上游匯合后入十三陵水庫，其中主溝德勝口溝長30 km，平均坡降3.6%，為4條溝道中最長、最陡的一支；為觀測流域降水情況先后于果莊村、錐石口村、上口村、老君堂村及水庫水文站建有雨量觀測站。

2 十三陵水庫流域降水及來水情況

十三陵水庫流域多年平均降水量556 mm，多年平均徑流量2 900萬m3，流域面積較小。如圖1所示，1959—2018年，1973年十三陵水庫流域年降水量最大，為971.3 mm；1993年十三陵水庫流域年降水量最少，為295.1 mm。兩者相差3.29倍。1959—1968年十三陵水庫流域年平均降水量553.3 mm，1969—1978年十三陵水庫流域年平均降水量624.7 mm，1979—1988年十三陵水庫流域年平均降水量518.0 mm，1989—1998年十三陵水庫流域年平均降水量540.0 mm，1999—2008年十三陵水庫流域年平均降水量491.4 mm，2009—2018年十三陵水庫流域年平均降水量526.7 mm。

圖1" 1959—2018年十三陵水庫流域年度平均降水

對1959－2018年十三陵水庫流域降水量進行頻率適配計算，適配情況見圖2，計算結果見表1。由表1可知，降水偏多的年份年降水可達660.8 mm，降水極少的年份年降水僅331.5 mm。

圖2" 1959－2018年十三陵水庫流域平均降水量頻率適配曲線成果

表1" 1959—2018年十三陵水庫流域年均降水量頻率計算成果

平均降水量/mm 擬合曲線參數 不同頻率年均降水量計算成果/mm

變差系數 偏差系數 20% 50% 75% 95%

542.345 0.27 2.86 660.8 522.3 432.0 331.5

如圖3所示，1959—1968年十三陵水庫流域年平均來水量1 007萬m3，1969—1978年十三陵水庫流域年平均來水量971.8萬m3，1979—1988年十三陵水庫流域年平均來水量124.3萬m3，1989—1998年十三陵水庫流域年度平均來水量246.2萬m3，1999—2008年十三陵水庫流域年度平均來水量15.72萬m3，2009—2018年十三陵水庫流域年度平均來水量40.4萬m3。此外，1959—2018年，來水量最大的年份為1974年，天然來水量為

3 180萬m3。有30年間上游未產生來水入庫。

圖3" 1959—2018年十三陵水庫流域年度來水情況

對1959－2018年十三陵水庫流域年來水量進行頻率計算分析得出，來水量一般的年份年來水量可達56.2萬m3，來水量較多的年份年來水量可達578.7萬m3，

上游斷流的年份較為常見（圖4、表2）。

圖4" 1959－2018年十三陵水庫流域年度來水量頻率適配曲線成果

表2" 1959—2018年十三陵水庫流域年均來水量頻率計算成果

年均來水量/萬m3 擬合曲線參數 不同頻率年均來水量計算成果/萬m3

變差系數 偏差系數 20% 50% 75% 95%

400.9 2.09 1.95 578.7 56.2 0 0

3 降水來水情況分析

3.1 變化趨勢對比分析

由于年降水量在各年份間的時空分布存在一定的偶然性，為盡可能減小相關影響，按照步長為10年取平均值并對其進行分析，結合水庫多年平均降水量556 mm，水庫多年平均徑流量2 900萬m3可以得出：年度降水量與天然來水量在總體上均呈現逐年減少的趨勢，但降水量減少的幅度上并不十分明顯，按照降水最少的1999—2008年十三陵水庫流域年平均降水量491.4 mm計算，減少幅度僅為水庫多年平均降水量的11.62%；但反觀水庫流域天然來水情況，減少趨勢卻十分明顯，尤其從1979年起，甚至于1999—2008年十三陵水庫流域年平均來水量僅15.72萬m3，為水庫多年平均徑流量的0.5%。

3.2 相關性分析

利用統計學皮爾遜相關系數計算方法可以分析出數列的相關情況，一般認為可按三級劃分：相關系數＜0.4為低度線性相關；相關系數0.4～0.7，為顯著線性相關；相關系數＞0.7為高度線性相關。通過整理1959—2018年十三陵水庫年降水量與年來水量的觀測數據計算每個步長下的相關系數可以得到：1959—1968年，各年平均降水量與相應年份平均來水量之間的相關系數為0.918 4，呈現高度線性相關；1969—1978年，各年平均降水量與相應年份平均來水量之間的相關系數為0.692 0，呈現高度線性相關；1979—1988年，各年平均降水量與相應年份平均來水量之間的相關系數為0.455 5，呈現顯著線性相關；1989—1998年，各年平均降水量與相應年份平均來水量之間的相關系數為0.783 4，呈現高度線性相關；1999—2008年，各年平均降水量與相應年份平均來水量之間的相關系數為0.106 7，呈現低度線性相關；2009—2018年，各年平均降水量與相應年份平均來水量之間的相關系數為0.165 0，呈現低度線性相關。

通過對十三陵水庫全流域降水量和來水量的分析可以得出，建庫以來水庫流域徑流系數總體呈下降趨勢：從降水量和來水量的相關性來看，1959—1978年年降水量和來水量高度相關，1979—1998年年降水量和來水量中度相關，1999—2018年年降水量和來水量完全不相關。

4 來水量變化的原因及增加水庫來水量的保障措施

4.1 來水量變化的原因

從整體上看，十三陵水庫自建庫以來，流域年來水量均在不斷減少，而造成來水量減少的主要原因并不是自然氣候的變化。以水庫流域60年觀測年降水量平均值542.4 mm為標準，通過在各步長年中選取典型年進行同等降水量水庫來水對比分析發現：1959—1968年典型年年降水量552 mm，水庫來水量可達1346萬m3，

到1969—1978年水庫來水量減少21.1%，1979—1988年減少69.7%，1989—1998年減少82%，1999—2008年減少91.7%，2009—2018年更是出現了斷流情況。

由此可見，降水量差距不大的情況下，來水量整體呈現急劇縮減的趨勢，可見降水量不是影響十三陵水庫來水量減少的主要因素。十三陵水庫來水量急劇減少是水庫流域下墊面包括植被分布、土壤墑情、地下水深度的變化，水土保持工作的開展，社會經濟發展等因素的共同影響所致。

4.1.1 地下水埋藏深度、植被分布的變化

十三陵水庫流域地下水位埋藏普遍偏深，缺乏河道基流[1]。雖降水量年際變化不大，但因平原地區長期超采地下水，導致地表徑流補充地下水的程度明顯增大，土壤墑情急劇惡化，進而導致流域降水損失增加，甚至不足以產流。

此外，十三陵水庫來水情況發生急劇變化的時期與全市及水庫流域下墊面植被分布發生變化的階段重合，從開荒育田實行農村合作社制度到家庭承包最大限度發揮生產的積極性，無不都在植被分布、數量上對水庫流域的下墊面條件產生著深刻影響。

4.1.2 水土保持工作的開展

水庫所在地昌平區一直作為燕山國家級水土流失重點預防區之一，幾十年來開展了各種形式的治理工作，在獲得較好的經濟、社會和生態效益的同時，增加種植植被的用水量，增加植物截留量和土壤蓄水量，減少了上游地表徑流量和水庫來水量。

4.1.3 社會經濟發展等因素

改革開放以前，十三陵水庫流域主要以服務農業為主，灌溉面積增加、灌溉用水量大幅上升。改革開放初期，隨著社會的發展進步，流域內電力、旅游、制造等工業也得到發展，隨之鄉村城鎮化城市化也得到了發展。上游人口不斷增加，城鎮和農村人畜用水量逐步提升。近年來，隨著區域經濟的高質量發展，上游工業生產用水、城鎮生活用水的急劇增加，導致水資源開發利用過度，地下水位下降，形成惡性循環，造成十三陵水庫來水量大幅減少。

4.2 增加十三陵水庫來水量的保障措施

4.2.1 積極恢復上游白河堡水庫對十三陵水庫的生態補水

為減小十三陵水庫流域來水量減少影響，北京市水務局曾分別于1983、1986年分兩期興建了白河堡水庫補水工程，補水渠全長66 km，上段工程設計引水流量10～14 m3/s，中下段工程設計引水流量4.3 m3/s，年平均最大補水量為3 000萬m3。但至2005年，白河堡水庫因需向密云水庫調水，無法滿足繼續向十三陵水庫補水條件，遂停止向十三陵水庫補水。白河堡水庫補水工程期間共使用了21年，補水總計8 048萬m3[2]。

近年來，隨著北京地區水資源分布發生新的重大變化，積極恢復上游白河堡水庫對十三陵水庫的生態補水，對十三陵水庫的運行可以起到很大幫助。從工程效益上，充分利用已有工程并加以修繕進行調水，可以減少工程建設成本；從生態效益上，能夠有效解決流域內溝道多年干涸的狀態，并適當回補地下水，促進流域內部及流域與外界的地表、地下水循環，改善流域生態環境。

具體措施：統籌考慮流域水資源情況，可利用已有白河堡水庫補水工程，于每年3—5月、10—12月恢復向十三陵水庫補水工作。

4.2.2 繼續發揮南水北調及引黃進京等工程措施作用回補地下水

依托國家地下水監測工程（北京部分）選取代表站，根據監測資料顯示，2000—2011年，地下水埋深度下降約9 m；2011—2015年，下降趨勢明顯改善；2014年末南水入京后，地下水水位下降趨勢更是明顯放緩；2015年下半年地下水位開始回升，地下水位的抬升必然影響流域內土層內含水飽和區與不飽和區的分布狀況，對改善產流條件提供積極作用。

具體措施：應繼續實施南水北調及引黃進京等項目，將海河流域外的水調入北京，減少地區地下水資源的過度開采，提高地下水位，以增加水庫來水量。

4.2.3 提高水庫下游反向補水的保證水平

由于上游常年斷流，為保證水庫水量穩定，2004年6月修建了沙河應急補水工程?？紤]水質下降和水量供應能力，補水方案采用抽取井群地下水和沙河水庫地表水混合補給，后轉為引京密引水渠水補給的方式向上游的十三陵水庫反向輸水。補水工程設兩級泵站，一級泵站為位于沙河閘北部的原昌平區半壁街泵站，二級泵站設置位于京密引水渠東沙河倒虹吸處，輸水管道為玻璃鋼圓管。一級泵站至二級泵站長13.9 km，二級泵站至水庫大壩下游閘閥室長7.9 km，通過十三陵水庫輸水系統進入水庫，補水工程合計揚程83 m，設計補水流量0.5 m3/s，日補水量

4.32萬m3[3]。但經過多年運行，管道設備日趨老化，故障斷補情況時有發生，現狀補水能力已無法達到設計標準。

具體措施：可重新鋪設二級泵站至水庫大壩下游閘閥室管線，提高二級泵站輸水能力，確保各子系統具有更大的冗余保障能力。

5 結束語

面對不斷變化的環境條件，相關部門應持續關注變化，并積極采取措施應對變化，以確保水資源的安全、高效和可持續利用，為地區的社會經濟發展與水

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生態保護貢獻力量。

參考文獻

[1] 張國華，甕耐義，王麗娟，等.昌平區地下水位變化特征分析[J].北京水務，2021（2）：25-29.

[2] 王嘉航，楊啟濤，王萌，等.十三陵水庫水資源狀況分析及生態補水展望[J].中國水利，2018（7）：7，27-29.

[3] 李紅剛.十三陵水庫應急補水工程的建設與管理[J].北京水務，2009（3）：37-39.

收稿日期：2024-07-09

作者簡介：王萌（1989—），男，北京人，工程師，研究方向為水利工程與水文水資源管理。