基于多源互济的永定河泛区生态补水可行性研究

董 琳，王白陆，刘江侠，景文洲

(水利部海河水利委员会科技咨询中心，天津 300170)

1 研究背景

经济社会发展要同时受资源和环境承载力的制约[1]，水资源短缺是影响我国北方地区发展的关键因素，20世纪80年代以后，北方地区河川径流量呈减少趋势，且随着经济社会的快速发展，区域需水大幅增加，城市水资源供需矛盾加剧[2]，严重制约了区域经济社会发展和生态环境质量。为此，许多学者探讨基于水资源循环利用，节水开源、非常规水利用、外调水等不同策略组合的区域水资源短缺解决思路，为缓解水资源短缺起到积极促进作用[3]。许多国家把城市污水再生利用作为解决水资源短缺的重要措施之一[4]。荆平基于循环经济3R原则对雨水、生活污水、工业污水的循环经济利用模式进行分析，提出循环利用的方法和途径。胥卫平[5]等分析梳理了雨水径流模型、降雨量分析、雨洪资源利用等方面研究成果，提出了缺水城市雨洪资源利用技术经济评价方法。同时，引入外调水也成为当前弥补区域水资源短缺的重要举措。杜勇[6]等提出永定河流域实现地表、地下立体修复并全线通水的各河段生态需水量，当山区段当地径流和引黄水不能满足生态用水需求，需进一步挖掘再生水、南水北调中线水进行生态补水。郦建强[7]等提出当地水资源适度开发、非常规水源最大限度利用、外调水严格按照“三先三后”科学谋划。赵钟楠[8]等认为通过连通的多水源联合调度，互调互济，可提高区域供水保障水平。

基于以上理论和实践基础，本文提出了以“多水源互济、多时空调控、多点入泛区”为主线，以实现永定河泛区年收水量不少于2000万m3为目标的多水源补水可行性研究。在廊坊市水资源匮乏、生态用水不足的现实条件下，研究永定河泛区的不同水源入泛区的可行性及可排入量，并提出保障措施，为实现京津冀协同发展，构建永定河绿色生态廊道提供支撑。

2 永定河泛区概况

永定河泛区位于永定河下游，上起廊坊市固安县梁各庄，下至廊坊-天津界(屈家店)，由左右大堤及屈家店枢纽组成。泛区总长度73km，总面积为523km2，是永定河流域防洪体系的重要组成部分，承担着“缓洪、沉沙、削峰”和保护京山铁路及天津市防洪安全的任务[9]。廊坊市境内的永定河泛区跨永清县、广阳区和安次区3个区县，占泛区总面积的71%，泛区左岸有永兴河、龙河支流入泛区，区内河道常年干涸沙化，加上地表裸露、植被覆盖度低，生态系统十分脆弱。永定河泛区位置如图1所示。

图1 永定河泛区位置图

根据《河北省水资源评价》《廊坊市水资源评价》等成果，廊坊市1956—2016年多年平均降水量为540.53mm，根据不同时间系列对比分析，1980—2000年、2001—2016年平均降水量与多年平均相比分别减少35.61、28.67mm，偏少6.59%、5.30%。廊坊市1980—2016年平均地表水资源量为3399.51万m3，2001—2016年平均地表水资源量1845.25万m3，与多年平均相比减少61.47%。

受降雨量减少、人类活动、土地利用变化、闸坝工程建设以及地下水利用等活动改变了流域下垫面条件[10]，河道径流量大幅度衰减，泛区周边仅有永兴河、龙河有少量地表径流，1996年以后永定河平原段河道完全断流，地下水位下降，地面沉降，河流生态退化[11]，严重破坏了泛区内生态系统。

3 泛区补水水源及补水控制断面

目前，可向泛区补水的主要河流包括永兴河、龙河、永定河，主要渠道包括丰收渠、胜天渠。廊坊市区环城水系作为入泛区水源的补充，可通过环城水系闸坝调度，间接排入永定河泛区。丰收渠、胜天渠均为从龙河取水的灌溉渠道，非灌溉时期渠道内无水，且闸门关闭，可简化处理，认为渠道向泛区补水量已包含在龙河补水量中。永定河泛区主要河道、渠道及控制工程如图2所示。

图2 永定河泛区主要河道(渠道)及控制工程分布图

对永定河泛区内河流流势走向、水闸工程控制调度方式等要素进行分析。

(1)永兴河于更生闸下1km处汇流入永定河，全部径流均可作为补水水量，水源主要为沥涝水、再生水厂和大兴机场排水。

(2)龙河于东张务入永定河泛区，由于近年来干旱少雨，龙河水源主要为污水处理厂的再生水、沿线沥水及南水北调的生态补水。

(3)永定河河道常年干涸无水。

(4)环城水系由大皮营引渠、五干渠、六干渠、八干渠、九干渠等组成[12]，其中大皮营引渠、五干渠与龙河交汇处分别由祖各庄闸、岳庄子闸作为控制工程，可相机进行水量调度。环城水系水源为上游生态补水和城镇再生水排水，作为城市景观水使用。主要河道补水水源类型见表1。

表1 主要河道补水水源类型

河流向泛区补水断面分别为，永定河固安站、永兴河更生闸、龙河东张务闸作为3条河道向泛区补水的收水断面。参与调度控制的工程为大伍龙闸、东张务闸、岳庄子闸、更生闸。重要工程节点见表2。

表2 泛区主要节点控制工程情况表

4 泛区补水可行性分析

通过对廊坊市现状供水工程和供用水构成进行研究，泛区补水按照不同水源可分为当地水、再生水、外调水，其中当地水主要为永兴河、龙河、永定河自产水和上游入境水，再生水主要来自市区污水处理厂外排水，外调水主要包括万家寨引黄、南水北调中线补水。

4.1 当地水

本次采用1980—2016系列廊坊市降雨量进行频率计算，结合北昌站(国家站，有长期数据)实测径流，确定典型年份，参考2000年以后龙河(北昌站)、永兴河(更生闸)实测径流量资料，确定控制断面的径流量。

4.1.1龙河

将龙河东张务闸作为入泛区水量控制节点，由于东张务闸没有实测数据，依据其上游北昌站径流量考虑河道水面蒸发、渗漏，对东张务断面水量进行推算[13]。

据统计，2001—2017年多年平均径流量789万m3，径流年内分布不均匀，主要集中在汛期6—9月份，偏丰水年(P=37%)1332.9万m3，平水年(P=50%)1012.8万m3，枯水年(P=75%)流量为333.6万m3，特枯年(P=95%)为0，如图3、表3所示。

图3 北昌站径流量趋势变化图

表3 龙河(东张务)典型年径流统计表

东张务断面多年平均入泛区水量670.7万m3，偏丰水年(P=37%)径流量为1052万m3，平水年(P=50%)径流量为747万m3，枯水年(P=75%)径流量为119万m3，偏特枯年(P=95%)径流量为205.3万m3，(不包括北昌到东张务区间再生水入河量和排出量)。

4.1.2永兴河

永兴河原名天堂河，是排涝河道，主要承接天堂河再生水厂和庞各庄再生水厂排放再生水，2014年北京大兴国际机场兴建后，承接新机场建设排水，2019年机场正式启用后，承接运营期部分排水。由于再生水和机场排水的水量受丰枯影响较小，预计除受降雨影响外，未来永兴河入泛区水量较为稳定。根据更生闸(上)实测流量资料，针对入泛区水量进行分析。2001—2010年更生闸上无径流，2011—2015年河道径流量基本稳定保持在200万m3左右，2015年以后径流量自291.78万m3陡增至1742.91万m3，2017年下降至1240万m3。

考虑到永兴河上游北京新机场建设期和运营初期排水，对径流量进行修正。将更生闸多年实测月过程中非汛期(1—5月、10—12月)实测径流量全部做为新机场外排水量，计算月平均排水量，测算得到新机场年平均外排水量为761万m3，永兴河现状基准年径流量修正后多年平均径流量337.4万m3，偏丰水年(P=37%)982.9万m3，平水年(P=50%)479.9万m3，枯水年(P=75%)182.3万m3，特枯年份(P=95%)为0，如图4、表4所示。

图4 更生闸径流量趋势变化图

表4 永兴河(更生闸)典型年径流统计表

4.1.3永定河

永定河干流上的入泛区控制节点断面为固安水文站，根据实测流量统计，1997年以来河道处于常年断流状态，永定河现状年(2017年)入泛区水量为0。2020年永定河实施生态补水期间，水头进入天津境内15km，但后续河道内水量情况尚不确定，若未来永定河补水成为常规调度水量，可作为稳定补水水源。结合杜勇等人提出的生态水量保障方案中规定的永定河河道基流量，

4.2 环城水系

环城水系主要水源为廊坊市区再生水，通过调查廊坊市城镇废污水处理与回用现状，分析未来再生水利用潜力，在保障当地用水的前提下，分析利用廊坊市环城水系，通过廊坊市内的连通干渠，向龙河补给再生水的可行性，确定再生水的补水量、以及补水渠道。

4.2.1再生水现状

排入永定河泛区的再生水主要来源于廊坊市中心城区及周边城镇工业和生活污水，据《廊坊市中心城区排水与污水治理专项规划》，廊坊市中心城区供水厂现状总供水量5419.64万m3/a，估算污水产生量5067.36万m3/a，根据日排放量计算，再生水入泛区水量约为390万t。

4.2.2再生水可利用量

根据2020年廊坊市中心城区和永定河泛区周边城镇生产生活需水量预测结果，对再生水生产量进行预测，考虑用水消耗、污水收集处理、再生水回用过程中的损失量，预测2020年再生水可排入泛区水量为1277.5万m3。

分析认为，廊坊市中心城区产生的污水经处理后，扣除回用于工业、市政杂用、城市绿化等用途外，排入河道的再生水均可通过环城水系闸坝调度排入永定河泛区。则未来可排入环城水系、龙河、胜天渠、丰收渠等河道(渠道)的再生水量为理论上可入泛区水量。

4.3 外调水

4.3.1引黄水

2017年《永定河综合治理与生态修复总体方案》获批后，经过多方协调统筹调度，利用万家寨引黄北干线实施永定河生态补水，补水受益范围至永定河官厅水库。2020年，永定河实施春季补水，如能经过统一调度管理，使之成常态化，可作为永定河泛区的稳定补水水源。

4.3.2南水北调水

2019年，廊坊市启动龙河生态补水工作，自廊涿干渠安次龙河退水口门将南水北调生态水引入龙河，引调生态水约160万m3。这一补水路线和调度方式较为成熟，未来南水北调水相机向永定河泛区生态补水可通过此路线实施。

5 保障程度分析

5.1 基准年补水量分析

结合以上分析和计算结果，考虑研究范围内河段在无其他引水情况下，基准年入泛区水量多年平均1398.7万m3，偏丰年份(P=37%)2425万m3，平水年(P=50%)1617.1万m3，枯水年(P=75%)691.8万m3，特枯年(P=95%)390.6万m3。对应生态补水2000万m3目标，多年平均条件下缺水率30.07%，偏丰年份能够满足补水量目标，平水年(P=50%)缺水382.9万m3，缺水率19.15%，枯水年(P=75%)缺水1308.2万m3，缺水率65.41%，特枯年不再考虑生态补水需求。现状基准年各水源入泛区水量见表5。

表5 基准年不同保证率泛区生态补水分析表 单位：万m3

5.2 多源互济补水量分析

根据2020年再生水可排入泛区水量预测结果，生态补水缺口可通过调度环城水系再生水进入泛区的方式予以补充，还可通过永定河上游水量调度使用引黄水向永定河补水，当以上水源均无法满足泛区补水量需求时，可使用南水北调水通过廊涿干渠相泛区补水。

多水源补水优先顺序为：优先使用地表水，充分使用再生水，适当补充引黄水，应急调度南水北调生态补水。

以下选取不同补水水源组合方式，对补水量进行分析。

情景1：不同保证率下，在不引入外调水的情况下，仅靠泛区周边河流渠道互济作用，以当地水和再生水两类水源对泛区生态补水。经计算，偏丰年和平水年当地水与再生水可满足生态补水要求，枯水年(P=75%)缺水率21.07%，特枯年(P=95%)缺水率36.13%，分析认为在特枯年份允许生态破坏。

情景2：枯水年当地水+再生水+引黄水。经计算，遇枯水年(P=75%)实施引黄补水达到421.3万m3，可满足泛区补水要求。

情景3：枯水年当地水+再生水+引黄水+南水北调回补地下水。经计算，遇枯水年(P=75%)，参考2017年南水北调为龙河生态补水水量，当引江水达到160万m3，引黄水达到261.3万m3，可满足泛区补水要求。

表6 多情景下泛区生态补水量分析表 单位：万m3

6 泛区生态补水保障措施

6.1 坚持节水优先，促进高效利用

在进行多水源联合调度之前，充分挖掘研究区内节水潜力，提高水资源高效利用[14]，结合区内产业结构部分特点，优化调整农业种植结构，提高工业用水重复利用率，抑制不合理用水需求。

6.2 强化河渠联通，多源联动配置

针对河道淤积、污染严重、闸坝老化的河段进行综合治理，改善河道内水量与水动力循环条件，充分利用本地工程的调蓄能力。通过水系连通、水质水量联合调度等手段，实现龙河—环城水系—泛区之间的互联互通，在保证城区河道(渠道)生态环境需求的前提下，充分使用再生水作为水源补充。

6.3 相机使用外调水

虽然未来南水北调中线可以为廊坊市补水，考虑到调水成本，还需适度使用，在特殊情况下，南水北调中线水可作为应急补水水源。

6.4 涉水事务一体化，多部门协同管理

由于研究区内河道治理、闸坝调度、水量分配分属不同部门，需要强化区域协同治理体质机制[15]，统筹协调水利、城建、环保等多部门，优化区内闸坝等调度管理手段，实施水质水量联合调度，对龙河、南水北调、城镇再生水等多种水源在丰水期、平水期和枯水期进行优化调控。

7 结论

本文分析了地表水、再生水等常规补水水源下，永定河泛区生态补水量和缺水率，结合不同水源向泛区补水的可利用水量，在枯水年引入引江水、引黄水作为水源补充，通过对多种情景下的分析计算，得出以下结论：

(1)正常年份下，当再生水入泛区达到1277.5万m3时可满足补水目标。

(2)枯水年(P=75%)，当引黄水向永定河补水，入泛区水量达到421.3万m3时可满足补水目标。

(3)枯水年(P=75%)，当引江水向龙河补水，入泛区水量达到160万m3，引黄水向永定河补水，入泛区水量达到261.3万m3时可满足补水目标。

为实现泛区补水目标，需要提高当地再生水利用率，统筹协调环保、水利、市政等相关部门，充分利用现有河道渠系进行水量调度，在充分节水的前提下，用足用好引江水和引黄水。