新区建设背景下白洋淀及入淀河流生态需水评价和保障措施研究

杨泽凡，胡 鹏，赵 勇，曾庆慧

（中国水利水电科学研究院 流域水循环模拟与调控国家重点实验室，北京 100038）

1 研究背景

近50年来，由于上游水库拦蓄及巨大地下水漏斗的存在，白洋淀入淀水量急剧减少［1］，淀区面积严重萎缩［2］。2011—2015年平均淀区面积约为200 km2，大部分水域生态健康受损严重［3］。随着雄安新区的建设，白洋淀流域人口和产业必将发生跨越式增长，经济社会用水需求将明显增加，用水格局将发生巨大改变且以刚性生活用水为主，需要充足的水量、优良的水质和高保证率的水资源安全保障。在此背景下，白洋淀的生态地位和生态价值更加凸显，淀区生态修复在区域生态安全体系建立中具有非常重要的战略位置。

生态需水是白洋淀生态修复的核心问题，加强生态需水研究对涵养地下水源、维护流域水生态平衡、增强水资源调蓄能力具有至关重要的作用［4］，同时也是恢复白洋淀流域生态安全、提高雄安新区生态环境承载能力的关键保障。针对白洋淀生态水位及入淀河流生态流量的研究，国内学者已经从不同角度进行了探索。湖泊湿地生态需水研究主要分为统计经验法和生态水位法，衷平［5］首次提出适合于湿地生态环境需水量计算的生态水位法，该方法主要是从湿地的水文条件出发，建立生物栖息地与水位的相关关系，参照不同水位下生态环境状况确定湿地最小和理想生态水位，分别得出白洋淀最小生态水位7.32 m和理想生态水位8.56 m，并以此核算湿地的理想和最小生态环境需水量；王俊德等［6］利用经验统计公式，综合防洪、灌溉、植苇生长以及工业、渔业等用水需求，提出白洋淀所需的最低水位为7.3 m；赵翔等［7］在分析白洋淀生态系统功能的基础上，综合水量面积法、最低年平均水位法、年保证率设定法和功能法等4种方法对7.3 m的最低生态水位进行了验证和分析。阎新兴等［8］依据水位频率分析及水生动植物生长需求，确定白洋淀汛期和非汛期最佳水位为7.9 m。魏晓燕［9］采用定额法核算白洋淀流域水足迹，通过分析流域内三产水足迹结构，推算出现状节水潜力和节水空间，并相应提出生态需水的保障对策。在此基础上，本文基于最新测量的1∶2000地形数据，分析不同水位下的淹没面积，同时结合芦植生长、鱼类资源保护，以及防洪规划及城市水景观建设等需求，综合确定符合新区实际需求的白洋淀生态水位。

淀是生态恢复的核心，河是生态恢复的纽带，白洋淀水源主要来自8条呈树状分布的入淀河流，入淀河流生态流量满足状况直接关系着淀区补水及流域生态修复。然而已有研究中，入淀河流的生态需水及保障并未引起足够的关注，个别学者针对入淀水量的演变趋势及变异程度进行了探讨。由于长期地下水超采形成了巨大地下水漏斗［10］，地表-地下水转换关系紊乱，近期内入淀河流生态需水保障，需要根据各河流水资源基础条件和恢复能力，制定切实可行的生态恢复目标，确定适宜的生态补水需求。本研究主要针对保障河流生态基流对应的生态需水量进行核算，但从长远来看，河流生态流量需要全流域水资源节约利用和综合调配，逐步恢复合理的地下水位和健康的河流生态系统。

本文不同于已有研究单纯针对淀区生态水位或者入淀水量的分析，而是立足流域的本底条件，整合淀区蒸发下渗补偿、水质改善以及入淀河流生态基流保障的多维需求，全面分析淀区刚性需水量和弹性需水量，以及八条入淀河流的生态基流。并结合引黄入冀补淀工程、南水北调中线工程和东线工程，提出相应的保障措施。力求逐步增强流域调节能力，恢复八水汇淀的胜景，以白洋淀水生态改善带动整个流域生态修复，为雄安新区建设提供良好的生态本底和基础动力。

2 研究区域概况

2.1 白洋淀基本概况白洋淀是华北平原最大的淡水浅湖型湿地，具有完备的沼泽和水域生态系统，被誉为“华北之肾”，是华北地区的“空调器”和“晴雨表”，对调节区域气候、补充地下水、调蓄洪水以及保护生物多样性和珍稀物种资源等方面发挥着重要作用。白洋淀淀区总面积366.4 km2，多年平均水域面积约占41%，接纳大清河水系中的潴龙河、唐河、府河、漕河、瀑河、孝义河、拒马河等多条河流来水。

1960年代以前，白洋淀流域降水量丰沛，且上游河流无水库等拦蓄工程，汛期大量洪水下泄，使白洋淀年平均水位维持在8.5～9.5 m之间，水面多在300 km2左右。1960年代以来，白洋淀上游陆续修建5座大型水库和1座中型水库，流域水资源开发利用程度不断增加，导致入淀水量大幅减少，1980年代出现连续干淀现象。2000年后，白洋淀以上流域平均水资源总量23.16亿m3，地表、地下实际平均供水量为38.43亿m3，入淀水量已近枯竭。在此背景下，1980年代开始先后实施了“引岳济淀”、“引黄济淀”等应急补水工程，目前每年通过“引黄济淀”工程向淀区补水1.1亿m3，勉强维持了淀区10万人民生活、生产的基本需求，以及白洋淀不干淀的生态环境最低要求。

2.2 现状主要问题近年来相继实施的调水补淀工程勉强维持了淀区基本生态需求，但在新区建设的大背景下，白洋淀水环境整治和生态修复面临的问题依旧突出。

（1）流域水资源极为短缺。白洋淀流域1965—2012年平均降水量523.4 mm，比1956—1964年的均值减少了22%，流域径流量相应减少50%，入淀水量相应减少69%。1950年代末到1960年代初，白洋淀上游修建了大批大中小型水库，总库容36.19亿m3，使白洋淀流域丰水年地表水资源开发利用率超过60%，平枯水年高达95%。在流域天然降水减少和开发利用强度激增的双重胁迫下，流域内水资源短缺情势更为严重，生态用水被严重袭夺。

（2）河湖生态用水保障程度低。随着流域降水减少和上游水利工程的拦蓄，流域各条河流中仅府河承接保定市区排放污水，能保证常年有水进入淀区；白沟引河日常上游来水量极少、汛期有短促雨水汇入，不足以维持河道生态；其他几条入淀河流几乎常年干涸，河道生态已被完全破坏。伴随河道的干涸，白洋淀上游来水锐减，从1998年至今白洋淀水位几乎年年逼近干淀警戒水位。为维持白洋淀水生态功能开始跨流域调水补给，依靠“引黄济淀”工程，白洋淀从此进入频繁补水的低水量维持基本生态功能阶段。

（3）地下水超采问题突出。白洋淀新区范围内，2010—2014年平均年供水总量为3.06亿m3，其中地下水供给量为2.88亿m3，占总供水量的94%。从用水情况看，农业灌溉用水总量为2.16亿m3，其中2.09亿m3由地下水供给，占用水总量的97%。从白洋淀所处的大清河流域来看，大清河流域平原区年均超采地下水量为10.4亿m3，浅层地下水平均埋深从1970—1980年代的5 m下降到当前的24 m，局部地区地下水埋深超过40 m，全流域地下水超采问题严重，也是白洋淀难以修复的关键问题。

3 淀区生态需水研究

白洋淀生态需水与淀区水位密切相关，本文基于新区建设的实际背景，综合考虑防洪规划、水生生物需求以及新城水景观建设等多方面要素，确定生态水位目标。在此基础上，为了更好规划白洋淀生态需水及保障方案，结合相关规划要求，将白洋淀生态需水研究分为满足淀区水资源蒸发入渗消耗的刚性需求以及改善淀区水动力条件和水生态环境质量的弹性需求两个方面。

3.1 淀区生态水位确定淀区生态水位指维持白洋淀基本生态和环境功能所需的水位要求。首先根据淀区内淹没面积随水位的变化关系确定白洋淀生态水位初值。已有研究中白洋淀的水位—面积关系成果是根据1992年实测的1∶10000地形图核算而得，但由于近年来白洋淀受自然和人为因素等多方面影响，淀区内地形发生了较大变化。因此本文基于2017年最新测量的1∶2000地形数据，利用三角网格法，将白洋淀淀区分为122 447个网格单元，网格边长控制在30～60 m之间，沟渠再进行细部剖分，对于各网格单元根据本次新测的地形点数据进行插值，计算每个单元面积，及不同水位下水深分布，从而得到淀区水位—淹没面积变化曲线，结果如图1。在此基础上，计算拟合曲线的斜率变化趋势，7.02 m为水位—淹没面积拟合曲线二阶导数零点，即斜率拐点处，此时淹没面积为333 km2，占最大淹没面积的85%。因此，从水位—淹没面积关系的角度，初步将7 m作为白洋淀淀区生态水位的建议值。

图1 白洋淀淀区水位-淹没面积关系

为验证7 m生态水位的合理性，本文分别从防洪保障、水生态系统完整性及新城水景观建设的角度进行详细论证。表1和图2详细展示了7 m水位下的水深分布情况，图2中很直观地显示出不同水深覆盖范围和位置分布，绝大部分区域水深在3 m以下，淀区内部尚存有高程超过7 m的区域，需要注意的是，本次测量范围略大于大堤环围区域，研究区域总面积为393.1 km2。

（1）从防洪保障的角度，白洋淀历史（1950—1969）平均水位为7.01 m，防洪汛限水位为6.8 m、汛后高水位7.3 m，因此生态水位初值（7 m）的设定与防洪要求并不冲突，但考虑到雄安新区建设对白洋淀防洪提出了更高标准，建议汛前和汛期需满足汛限水位（6.8 m）要求［11］。

（2）从淀区内水生态完整性保护的角度，考虑水生植被和鱼类自然繁殖的空间需求［12］。0.5～2 m的水深覆盖最有利于芦苇、莲藕等水植生长［13］，同时为鱼类栖息产卵保留适宜空间，由表1可知，水位达到7 m时，接近一半的水域在0.5～2 m之间，浅滩湿地分布范围广，可认为7 m生态水位的设定对于水植生长、鱼类繁殖以及整个淀区生态系统的多样性维护，都具有积极影响。

（3）从新城水景观建设的角度，白洋淀位于雄安新区的核心区域，营造充足的水域空间有助于周边新城城市景观建设。而1～3 m则是景观水深的适宜范围［14］，由表1可知，水位达到7 m时，3 m以下水深占总面积近78%，1～3 m水深覆盖达到51%，能够为新城建设奠定良好的城市景观基础。同时结合滨水景观的建设，满足居民亲水、戏水需求，提升城市的宜居性和宜游性，有利于传承和挖掘白洋淀水文化内涵。

结合《白洋淀水域环境功能区划意见》规定，白洋淀满足最低水生生态系统功能要求的保证水位为6.9 m。综上所述，淀区水位达到7 m时，能够同时满足防洪、生态、景观建设及水环境等多方面需求，因此将白洋淀淀区生态水位设为7 m。

3.2 刚性生态需水白洋淀生态需水的刚性需求主要是淀区蒸发耗水量和下渗水量两个方面，其中蒸发又包括水面蒸发和陆面蒸发蒸腾。

蒸发量：白洋淀区域年水面蒸发能力约为1200 mm，年平均降雨量约为500 mm，则年水面净蒸发量未淹没0～0.5 m 0.5～1 m 1～2 m 2～3 m 3 m以上为700 mm。在7 m目标水位下，纯水面（水深超过1 m）面积比例约为57.7%，对应的水面面积约211 km2，按照年水面净蒸发能力700 mm计算，水面净蒸发消耗量为1.47亿m3。淀区沼泽湿地面积155 km2，按照年蒸发能力800 mm计算，年净蒸发蒸腾量为0.46亿m3。因此，淀区净蒸发消耗量合计为1.93亿m3。

表1 7m水位时淀区水深分布情况

图2 7 m水位时白洋淀淀区水深分布

渗漏量：渗漏损失包括侧渗和垂直渗漏两部分，侧渗主要指白洋淀堤防及周边排泄量之和；垂直渗漏指干淀后重新蓄水及地下水位持续下降情况下淀内水面的垂直下渗，本文不予考虑［15］。侧渗损失计算时参考已有研究成果，按照河北水科所模拟实验结论，根据7 m水位时0.5 m3/d的单宽渗漏量实验成果，估算年渗漏量约为0.41亿m3。

因此，白洋淀7 m水位对应的刚性蒸发渗漏损失量为2.3亿m3。

3.3 弹性生态需水白洋淀现状水质较差，主要监测断面水质为Ⅳ—Ⅴ类，甚至劣Ⅴ类，要实现淀区水质达到Ⅲ类的目标，除了开展流域污染源头控制与内源污染治理外，增强淀区水体的流动性和吞吐性，是提升淀区水环境容量、提高淀区水生态景观效果的重要措施［16］。

白洋淀6.8 m汛限水位对应的库容为3.2亿m3，7 m水位对应的库容为3.6亿m3，考虑到未来的清淤措施，目标水位下的库容可能进一步增加到4亿m3。按照每年换1次水的频率估计，则在刚性需水之外，至少还需要1.2亿～2亿m3的弹性生态需水。从最小生态流量的角度考虑，白洋淀流域多年平均径流量35.66亿m3，即使按照10%的最小生态基流标准，则白洋淀入淀水量也需达到3.6亿m3/年，即1.3亿m3的弹性生态需水。考虑到白洋淀生态修复的重要性，综合确定白洋淀弹性生态需水量为1.7亿m3。

综上，白洋淀恢复到7 m的目标水位，对应的生态需水量为4亿m3。其中刚性需水量为2.3亿m3，是必须要保障的部分；弹性生态需水1.7亿m3，具体由淀区水生态环境状态确定。鉴于现状白洋淀水体污染严重，建议2020年前保障生态需水4亿m3，之后逐步调减。

4 入淀河流生态需水研究

由于大规模的水库建设及取用水，上游八条入淀河流和新区范围内的大清河、赵王新河从1980年代开始出现大规模断流，因此，河流生态需水计算主要以1980年代之前的实测径流量作为依据。采用Tennent方法，以多年平均径流量的30%作为汛期（6—9月）生态基流标准，以10%作为非汛期生态基流标准。对于没有实测径流序列的河流，根据流域面积进行类比；大清河、赵王新河不设流量要求，仅考虑其蒸发、下渗的生态需水量，计算结果如表2所示。

表2 白洋淀入淀河流生态基流计算结果

八条入淀河流最小生态需水为3.38亿m3/a。除了入淀河流，新区还涉及大清河和赵王新河2条主要河流，大清河生态需水量约为0.1亿m3/a，赵王新河约为0.04亿m3/a。则白洋淀流域主要河流最小生态需水合计为3.52亿m3/a。

保障河流生态基流对应的生态需水量仅仅是理论计算结果，由于河床长期干涸和地下水超采造成的巨大地下水漏斗，造成河流地表-地下水转化关系的紊乱。因此，初步计算的河流最小生态需水量仅作为参考，在区域地下水位恢复之前不代表满足最小生态需水量就能恢复河流水生态系统，但可以作为河流生态逐步恢复的一个基本目标。

5 生态需水保障方案

5.1 淀区补水方案考虑2020年以前流域外源污染治理和淀区内源污染治理的时间滞后性，若要实现淀区水质全面达到国家地表水Ⅲ类标准，必须加大淀区生态补水量，既要保障维持蒸发入渗消耗的刚性用水需求，还要满足改善淀区水动力条件和水生态环境质量的弹性用水需求。近期白洋淀2.3亿m3刚性需水主要依靠引黄入冀补淀工程保障，1.7亿m3弹性需水主要依靠上游王快水库、西大洋水库、安各庄水库、南水北调中线、位山引黄等相机补水保障，维持白洋淀生态水量需求和良好的水动力条件。根据各个水源丰沛程度，确定近期相机补水优先次序为上游水库补水、南水北调中线补水、南水北调东线一期应急补水和位山引黄补水。随着流域和区污染治理目标逐步实现，在实现淀区水质全面达到国家地表水Ⅲ类标准的基础上，用于改善淀区水动力条件和水生态环境质量的弹性用水需求可适当调整。具体保障措施包括：

增大引黄入冀补淀水量。引黄入冀补淀工程规划年入淀水量1.1亿m3，若引水增大到2亿m3，需要在现有规划基础上进一步延长引黄入冀补淀时间35 d，同时采取工程措施，提水入淀，增加入淀能力。为了增强引黄补淀水量改善淀区水动力条件的效果，建议建设小白河-潴龙河连通工程，使得引黄水量从小白河、潴龙河双径入淀，改善淀区西南角马棚淀的水动力条件，避免西南角淀区形成死水区。

上游大型水库相机补水。1980年代白洋淀发生连续5年干淀以后，上游王快水库、安各庄水库和西大洋水库多次临时进行生态补水，对维持白洋淀生态湿地功能起到了重要作用。在南水北调中线通水后，上游大型水库进一步增强了相机向白洋淀补水的能力，可作为近期白洋淀补水重要水源。

①在20%保证率丰水年份下，白沟引河年入淀水量可达到1.6亿m3，加之府河、孝义河的入淀水量0.1亿m3，基本能够满足淀区1.7亿m3弹性生态需水要求，不需要通过3个水库向白洋淀补水。

②在多年平均情况下，白沟引河年入淀水量0.36亿m3，3大水库用于河淀生态补水的水量为1.42亿m3，考虑输水损失后的净入淀水量为0.78亿m3，加之府河、孝义河的入淀水量0.1亿m3，淀区的弹性生态水量达到1.24亿m3，基本满足了淀区的弹性生态需水要求。

③在80%保证率枯水年份，白沟引河无入淀水量，3大水库用于河淀生态补水的水量仅为0.32亿m3，考虑输水损失后的净入淀水量为0.18亿m3，加之府河、孝义河的入淀水量0.1亿m3，淀区的弹性生态水量仅为0.28亿m3，此时根据淀区水生态环境实际状况，适时启动南水北调中线、位山引黄补淀等工程相机补水。

南水北调中线相机补水。南水北调中线分配给河北省水量指标为30.4亿m3，由于配套工程建设滞后以及受水区生活和工业用水量远小于分配水量，截至2017年4月，河北省南水北调中线累计供水量仅为6.3亿m3。结合新城建设需要，在满足全省城市用水需求和水源区水量充足的基础上，建议近期实施南水北调中线相机向白洋淀补水措施，通过瀑河水库进行调蓄后，沿瀑河和萍河入淀。

位山引黄补淀相机补水。由于白洋淀流域上游水库与白洋淀均属于海河流域，基本同丰同枯，缺乏可靠的水源保证，很难向白洋淀长期补水。从2006年以来，实施了多次应急引黄济淀，大大改善了白洋淀生态环境。但是由于黄河调水调沙，刷深河床，位山引黄能力受限，建议恢复位山引黄能力，相机向白洋淀补水，补水路线如图3所示。

南水北调东线应急供水。南水北调东线一期工程已经通水到山东德州，具备向北方应急供水的能力，可作为向白洋淀相机补水的水源。

近期补淀水量若达到4亿m3，扣除淀区蒸发下渗消耗、环淀林带灌溉用水（约2000万m3/年）和部分近淀河流生态修复，将有超过1.5亿m3水量通过赵王新河下泄，一是补充文安洼生态用水需求，二是置换区域超采地下水量，促进流域整体水生态环境的改善。

5.2 入淀河流生态需水保障方案基于现状下垫面条件和过去10年保定市地表水资源来水条件，各入淀河流近期（2020年前）生态需水保障方案如表3所示。其中白沟引河以及萍河、瀑河部分时间和河段能够实现河道内水体流动、流量达到生态基流要求，府河、孝义河、漕河以及唐河、潴龙河近淀河段能够维持河流常年保持一定的水面，水质达到景观水体要求。

在20%保证率丰水年份，8条入淀河流当地地表水以及上游水库补水量合计达到4.94亿m3，满足河流最小生态需水量要求；并可保证有1.7亿m3的水量入淀，满足淀区弹性生态需水要求；同时通过唐河、潴龙河河道回补地下水2.55亿m3。

在多年平均来水条件下，8条入淀河流总的生态补水量约2.09亿m3，其中入淀约1.24亿m3，基本满足淀区弹性生态需水要求，但唐河、潴龙河等河流生态需水不能得到满足；通过安各庄、王快、西大洋向白洋淀补水的同时，通过沿途河道回补地下水0.65亿m3。

在80%保证率枯水年份下，流域当地地表水及水库补水能力基本枯竭，再利用南水北调中线、引黄入冀补淀分流保障白沟引河、瀑河、萍河以及潴龙河近淀河段基本生态用水的前提下，入淀河流补水量约1.41亿m3，对于淀区的弹性生态需水满足量只有0.28亿m3，需要充分利用各项引江、引黄工程开展河淀应急生态补水。赵王新河和大清河（新区段）分别由白洋淀下泄水量和新城再生水予以保障，在各种来水条件下，基本生态环境用水能够得到保障。

从长远角度来讲，入淀河流的生态需水保障依赖于流域地下水位的整体恢复，需要全流域层面的综合治理和修复。通过严格控制流域水资源开发利用程度，辅之以跨流域调水和水利工程生态调度，各条河流的生态流量过程方能得到满足，形成正常的河-淀汇流补给关系。

6 结论

图3 瀑河、萍河、小白河、潴龙河4条外调水补淀路径

表3 近期河流生态需水保障方案 （单位：亿m3）

本文立足于雄安新区建设的实际背景，核算了白洋淀及入淀河流生态需水，进而提出了具有可行性的补水方案。得到主要结论包括：（1）综合流域防洪安全、水环境改善、水生态修复及水景观建设等多维目标，依托于不同水位下淹没水深分布及目标需求，确定了7 m的白洋淀淀区生态水位；（2）核算了以淀区蒸发下渗耗水量为主的刚性生态需水和提升淀区水环境容量为目标的弹性生态需水，提出近期（2020年前）生态修复水量建议值4亿m3/年，其中白洋淀7 m水位对应的刚性生态需水量为2.3亿m3/a，弹性生态需水量为1.7亿m3/a；（3）考虑到地下水过度超采，入淀河流的地表-地下水转化和汇流关系已然紊乱，本文采用Tennent方法，提出了3.52亿m3/a的入淀河流最小生态需水量，作为河流生态逐步恢复的一个基本目标。（4）结合现状补水能力及水资源保障能力，分别针对平水年、枯水年和丰水年，结合王快、安各庄水库以及引黄、南水北调等调水工程，提出淀区及入淀河流补水保障方案，其中丰水年补水量为6.34亿m3/a、平水年补水量2.99亿m3/a、枯水年补水量为1.71亿m3/a。