永定河（北京段）河道生态补水效益分析与方案评估

孙 冉，潘兴瑶，王俊文，任 宇，杜 鹏，马 尧，邢 渊

（1.北京市水科学技术研究院，北京100048；2.北京市非常规水资源开发利用与节水工程技术中心，北京100048；3.北京市水资源调度中心，北京100038；4.北京市京密引水管理处，北京101400）

0 引 言

流域水循环过程改变一方面受气候变化等自然节律影响，同时还受水库、堤坝工程建设和水资源利用等人为因素影响，使得河道下游水量、水质、泥沙等过程发生改变［1］。进入21世纪以来，我国北方很多流域气象、水文要素变化显著，降雨量明显减少、上游来水也持续减少，导致下游河道出现断流引发系列生态环境问题，如河道生态流量缺失、平原荒漠化、地表水与地下水补排关系失衡、甚至有些河道由于常年干枯断流，河床、河漫滩土壤干化、沙化，有些已经形成“沙龙”，生物环境遭到破坏，众多本底水生物种消失［2，3］。

生态补水是解决断流河道水资源短缺的有效途径，科学的生态补水需要针对性的结合河道水文地理条件和水文地质条件，制定科学有效的补水方案［4］。一般认为对断流河道进行生态补水需要科学确定断流河道所需的生态补水总量，通过补水过程分析，量化补水过程的主要损耗（包括蒸发量和渠道入渗量等）［5，6］，以确保补水的生态效益最优。最终实现加强水资源节约、水环境保护和水生态修复的目标。

永定河是北京市重要的水源地，同时也是全国四大重点防洪江河之一，永定河作为“京西绿色生态走廊与城市西南的生态屏障”，对北京的生态环境品质提升和区域可持续发展意义重大。当前永定河河道生态用水长期得不到保障，地表干枯、河床沙化、植被退化，河流水陆生态系统严重退化，已严重影响了永定河生态服务功能的发挥，通过生态补水进行生态修复刻不容缓。水利部分别于2019 和2020年启动了永定河生态补水工作，有效缓解了永定河流域缺水的紧张局面。

1 数据与方法

1.1 研究区概况

永定河上游是阴山和太行山支脉所包围的高原，有桑干河、洋河两大支流［7］，总流域面积4.7 万km2，永定河流域多年平均降水量在370～650 mm 之间。其中，永定河北京段全长169.7 km（官厅水库坝下至梁各庄出境），高程介于22.3～425 m 之间。永定河北京段通常分为三段，其中从官厅水库至三家店为官厅山峡段，长度92 km［8］，高差340 m。三家店至南六环定水桥为平原城市河段，河道长37 km；南六环至梁各庄出境段为平原郊野河段，长度为41 km。沿程主要建有：珠窝水库、落坡岭水库、三家店拦河闸、卢沟桥拦河闸、滞洪水库等（如图1所示）。

图1 永定河流域研究区示意图Fig.1 Study area of Yongding River Basin

1.2 研究数据

本研究通过构建永定河一维河道模型定量模拟河道生态补水过程及其影响。模型覆盖清水河、永定河干流，模型构建所需数据主要包括空间地理基础数据和补水过程监测数据，其中空间地理基础数据包括：永定河北京段流域边界、数字高程图（DEM，Digital Elevation Model）、土壤类型图、土地利用图、河网图等（如表1所示）。补水过程监测数据主要结合永定河生态补水，选取沿线5 个关键断面进行过程监测：官厅水库（坝下）、雁翅站、陇驾庄站、三家店拦河闸和卢沟桥拦河闸，监测指标主要包括水位、流量过程数据，以进行生态补水过程与效益分析。

表1 数据来源Tab.1 Data sources

1.3 模型构建

本研究通过构建永定河一维河道水动力学模型来模拟河道水流过程，一维水动力学模型可以快速、准确地模拟复杂河网的水位、流量过程，模型在无支流交汇河段采用圣维南方程组的动力波演算方法［9］，基于垂向积分的水量和动量守恒方程［10，11］。

质量守恒方程（连续方程）：

动量方程：

式中：A为过水断面面积，m2；Q为流量，m3/s；x为距离坐标，m；t为时间坐标，s；h为水位，m；q为旁侧入流流量，m3/s，；c为谢才系数；n为河床糙率系数，R为水力半径，m；g为重力加速度，m/s2。

时光飞逝，2018年也迈入了最后一个月份。好在元旦的钟声敲响前，还有一个温暖的圣诞节——这个来自西方的节日同样受到国人的欢迎，大概是因为它让我们可以与相爱的人相聚在一起，彼此交换礼物，回顾这一年携手共度的点点滴滴。

本研究以实测2019年和2020年两次生态补水流量过程为模型输入。具体生态补水流量过程线如图2所示。

图2 生态补水流量过程线（官厅水库断面）Fig.2 Process line of ecological replenishment flow（Guanting Reservoir section）

1.4 模型率定与验证

为了提升模型模拟精度，利用2019年（3月13日至6月16日）生态补水监测数据进行参数率定，利用2020年（4月20日至5月20日）生态补水数据进行模型验证，主要率定的参数为：河道入渗系数、河道糙率系数。

山峡段河道渗漏主要集中在下落坡岭水库至三家店段［12］，河道入渗试验结果表明落坡岭至三家店河道平均入渗强度约0.2 m/d。根据水量平衡原理，基于河道监测断面实测的流量数据，逐段计算河道入渗能力，设置河道渗漏参数。根据永定河防洪规划的糙率取值，主河槽糙率n＝0.035，有杂草的滩地n=0.045，有树林滩地n=0.06，结合实测水位流量数据，采用试错法设置和率定糙率值。

本研究选取4个判断指标来量化模拟精度：绝对误差（用于表示模拟值和实测值的差值，该值越小表示模拟精度越高），相对误差（绝对误差与实测值的比值），纳什效率系数（NSE，Nash Sutcliffe Efficiency，取值范围为负无穷至1，值接近于1 表示模拟精度越高；值接近于0 表示模拟结果接近观测值的平均值），均方根误差（RMSE，root-mean-square error，也称作标准误差，用来衡量观测值同真值之间的偏差，能够很好地反映出测量的精密度）。

（1）参数率定。参数率定过程中，三家店实测水位波动较大，这是由于人为调度闸门所致。三家店拦河闸通过拦蓄上游来水形成一定的河道调蓄容积（设计水位107.51 m、校核水位109.35 m），调蓄能力最大为200 万m3。三家店拦河闸位于永定河出山口附近，具有重要的拦蓄洪水的作用。拦河闸上游左岸的进水闸就是永定河引水渠的起点，三家店拦河闸蓄水后可通过永定河引水渠向城区河湖生态供水，2019年生态补水期选取时段为3月13日至6月20日（图3），历时100 d，期间向城区补水4 726 万m3，最大补水量为10 m3/s。综合受到2019年生态补水期间上游来水量小（官厅出库最大仅为40 m3/s），同时兼顾三家店水库要维持一定水面面积、确保下泄量和为城区河湖生态供水等目标，管理单位对三家店拦河闸进行频繁调度，水位波动受人为影响波动相对明显，介于106.66～108.19 m之间。三家店断面是山峡段的下游出口边界，且山峡段地形落差高达336.2 m，因此，三家店断面水位波动对山峡段整体计算的水位、流量结果影响都较小。经过参数率定，模拟水位和实测水位一致性较好，模型可以用于补水过程分析。

图3 2019年生态补水模拟水位定结果Fig.3 Simulation results of water level for ecological replenishment in 2019

永定河（北京段）自1993年来基本没有洪水，河床沙粒径变化不大，河床质为砂卵石，跟永定河目前河床形态及植被状况，糙率介于0.03 左右。构建的山峡段河道模型为一维河道模型，糙率系数在合理取值范围内主要通过影响河水流速进而影响流量，入渗系数主要影响河道渗漏补给量。参数率定结果表明，2个参数分别在合理取值范围时对模拟结果相对敏感，当取值超出合理范围后模拟结果变化不大。基于2019年生态补水过程数据，率定的河道综合糙率系数在合理取值范围内，介于0.015～0.05 之间，并分段确定了河道的入渗系数（如表3所示）。

表2 2019年生态补水模型计算水位与实测对比Tab.2 Comparison between calculated water level and measured water level of ecological replenishment model in 2019

表3 河道分段糙率赋值表Tab.3 Roughness assignment of channel segments

图4 2020年生态补水模型水位验证Fig.4 Water level verification of ecological replenishment model in 2020

表4 2020年生态补水模型计算水位与实测对比Tab.4 Comparison between calculated water level and measured water level of ecological replenishment model in 2020

2 结果分析

2.1 2019年生态补水过程及其水量平衡分析

模拟结果表明2019年3月14日至6月6日永定河山峡区间春季补水总量为2.2 亿m3。官厅水库至雁翅段长度为59 km，损失水量是1 313.21 万m3，雁翅至陇驾庄段长度为30 km，损失水量737.05 万m3，陇驾庄至三家店拦河闸段长度为11.5 km，损失水量2 025.46 万m3，合计渗漏损失水量为4 075.72 万m3，河段综合损失率为18.5%。与实测渗漏损失水量4 399.7 万m3相差323.98万m3，则山峡段补水损失相对误差为7.4%。

模型计算各关键断面的流量过程如图5所示，官厅、雁翅、陇驾庄和三家店峰值流量分别为40、37.13、34.44 和35.80 m3/s，官厅至雁翅、雁翅至陇驾庄、陇驾庄至三家店峰值削减率分别为7.2%、7.3%、9.2%，峰现时间雁翅、陇驾庄、三家店分别比官厅水库延迟36、42、54 h。

图5 2019年各监测断面流量过程Fig.5 Flow process of each monitored section in 2019

2.2 2020年生态补水过程及其水量平衡分析

模拟结果表明2020年4月20日至5月15日永定河山峡区间春季补水总量1 6264.28 万m3。官厅水库至雁翅、雁翅至陇驾庄、陇驾庄至三家店拦河闸的损失水量分别为349.35 万、630.38 万和2 176.9 万m3。模型计算得出官厅水库至三家店拦河闸渗漏水量为3 156.63 万m3，河段综合损失率为19.4%。与实测渗漏水量3 630.01 万m3相差473.4 万m3，则山峡段补水损失相对误差为13%。

模型计算各关键断面的流量过程如图6所示，官厅、雁翅、陇驾庄和三家店峰值流量分别为100、96.26、94.23 和79.89 m3/s，官厅至雁翅、雁翅至陇驾庄、陇驾庄至三家店峰值削减率分别为3.74%，2.11%，15.2%，峰现时间雁翅、陇驾庄、三家店分别比官厅水库延迟28、40、45 h。

图6 2020年各监测断面流量过程Fig.6 Flow process of each monitored section in 2020

2.3 不同生态补水效益对比分析

基于模型分别模拟官厅水库分别以5，10，20，40，80，100，120 和150 m3/s 等8 种出库情景，对比分析下游各断面峰值流量和和达到峰值所需时间（图7，图8）。

图7 不同官厅水库补水情景下游各断面峰值流量Fig.7 Peak flow of each section downstream of different Guanting reservoirs under different water replenishment scenarios

图8 不同情景下游各断面达到峰值流量所需时间Fig.8 The time required for each section downstream of different scenarios to reach the peak flow

官厅水库补水流量越大，下游各断面峰值流量的削减率越小。当补水量为5 m3/s 时，三家店断面峰值流量为2.18 m3/s，流量削减率达到56%。当补水量达到150 m3/s 时，三家店断面峰值流量为130.1 m3/s，流量削减率达到13%。在情景5 当官厅水库补水流量为80 m3/s时，下游断面流量削减率也维持在较低水平达到15%，因此，在水量水源相对充足的条件下，为了减少沿途流量损失补水流量适宜维持在80 m3/s。

官厅水库下游各断面流量达到峰值流量所需时间随着补水流量的增大而缩短，不同官厅水库生态补水情景下三家店达到峰值流量所需时间介于33～261 h 之间。水量传输主要受传输距离和高程落差影响，雁翅、陇驾庄、三家店与官厅水库之间的距离分别为63、97.4 和108.3 km，高差分别为205.6、305.2 和336.2 m。在情景1 补水量为5 m3/s 时，官厅水库到三家店的水量传输时间主要消耗在官厅水库到雁翅之间约占60%。当补水流量大于10 m3/s时，传输时间主要消耗在陇驾庄至三家店之间。当补水流量介于5～40 m3/s之间，陇驾庄至三家店之间随着流量增加水量传输时间显著减少。当流量大于80 m3/s 时，3 处断面达到峰值流量所需时间相近。因此，从水量传输时间效率分析，在水源相对充足的条件下，补水流量介于40～80 m3/s之间效率最高。

2.4 补水方案优化与建议

根据情景1 模拟结果，当官厅水库补水量为5 m3/s 时，三家店断面峰值流量为2.18 m3/s，则官厅水库至三家店河道入渗能力约为3 m3/s，进一步模拟结果表明当官厅水库以3 m3/s下泄进行为期20 d 的生态补水时，恰好无水量到达三家店，生态补水全部用于官厅水库至三家店全段渠道渗漏损失。表明在补水期官厅水库下泄流量保持不小于10 m3/s、非补水期官厅水库下泄流量保持不小于3 m3/s 进行精准补水，这是恢复流域水生态的最低补水阈值。

生态补水流量越小，流量损失率越大，且随着补水流量的减小，流量损失率的增幅越大。因此，生态补水时，为减小流量损失，提高补水流量利用率，在水源相对充足的条件下，建议补水流量介于40～80 m3/s 之间。在水源有限条件下，可适当考虑大流量补水和小流量补水交替进行，可实现减少过程损失，同时还能实现全线贯通的目的。

此外，干旱断流地区蒸发量较大，可以考虑中水回用、人工补水等非常规水源。通过景观营造强化河流的节水和保水措施，降低补水用水过程中的消耗，也是维系河流水文平衡的重要方法，如永定河的“五湖一线”工程［15］等，如对河床采用防渗膜或防渗墙等做防渗处理，尽量减少渗透量，达到蓄存河道水量的效果。

3 结 语

北方地区河道断流现象普遍，带来一系列生态环境问题，实施生态补水是恢复河道基本生态功能的有效途径。本研究永定河流域北京段为研究区，通过构建河道一维水动力学模型，基于实测2019年和2020年生态补水数据资料，对模型进行验证，并基于模型分析了永定河两次生态补水的过程和实际效益。

结果表明生态补水是解决断流河道水资源短缺的有效途径，补水过程中蒸发和渗漏损失量约占20%。官厅水库补水流量越大，下游各断面峰值流量的削减率越小，当官厅水库补水量为5 m3/s时，三家店峰值流量削减率为56%，如果补水量小于3 m3/s时，则三家店流量为0。生态补水时，若水源相对充足，建议补水流量介于40～80 m3/s之间；若水源有限时，可适当考虑大流量补水和小流量补水交替进行。

河道的生态环境恢复难度大影响因素复杂，需要合理采取科学的补水措施进行生态修复，逐步恢复河流自然的水文过程和自然功能，形成自然的河漫滩和河岸系统，改善断流河道地区常年缺水、河道萎缩的现状。