永定河固安段生态补水水位及水面动态响应

汤万龙，赵国栋，胡庆芳，高铜祥，张 鹏，娄运平

(1.北京市水利规划设计研究院，北京 100048；2.河北省廊坊市固安县水务局，河北 固安 065500；3.南京水利科学研究院水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，江苏 南京 210029)

1 概述

永定河发源于内蒙古高原的南缘和山西高原的北部，是全国重点防洪河道之一，属海河流域北系，是海河水系最大的一条河流，流域总面积4.7万km2。20世纪60年代末以后，永定河三家店以下河道逐渐断流，河床干涸。遏制河道沙化，恢复河道生态环境，建立西南生态屏障和通道，成为永定河治理必须要解决的问题。2020年春季永定河生态补水探索“用生态的办法解决生态的问题”“以水开路，用水引路”实施官厅水库向平原段集中生态补水。永定河2020年春季补水实现了25年首次永定河京津冀三地水流贯通，为永定河全流域协同治理、协同修复创立了一个良好的开端。2020年10月14日，官厅水库继续提闸加大出库流量，再次开启永定河秋季平原段集中生态补水工作。

永定河生态补水改善了流域水生态环境，针对2019—2020年永定河几次较大规模的生态补水，马尧等[1]研究了2019年永定河北京段生态补水情况，分析了地下水位变化及影响范围。杜勇等[2]通过对永定河2019年春季生态补水河道水位、流量、入渗数据监测，提出了生态用水配置方案。胡立堂等[3]以2020年春季永定河生态补水实践为研究基础，揭示了地下水位恢复和动态响应机制。邸苏闯等[4]通过应用多源高分辨率遥感影像，分析了永定河水系补水前(2020年3月5日—4月18日)、补水高峰(2020年5月5日—13日)、补水后(2020年5月14—19日)水面面积和河势变化。胡庆芳等[5]研究构建了永定河生态水量精细化调度模型，为多水源配置调度方案提供了研判。由于人类活动导致下垫面因素变化，1975年以后海河流域上游地区径流量递减趋势明显，张利茹等[6]基于半分布式流域水文模型进行了定量评估。永定河生态补水常态化涉及地下水回补、地表水生态环境、社会效益、成本效益等多方面的综合考虑。对一次大流量生态补水后河道水面的变化进行持续的观测与分析，对后期开展小流量河道补水以抵消河道水量损失、维持稳定的水面面积、科学制定和实施永定河补水工作具有重要指导意义。

永定河平原南段多年断流，对补水后期水位及水面的变化目前还少有研究。本研究以永定河河北省廊坊市固安段约22km河道为对象，对2020年5月14日卢沟桥拦河闸闭闸后河道水位进行一段时间的持续观测，定量分析水位下降情况。利用高分辨卫星遥感图对春季补水后秋季补水前5—10月逐月水面面积进行宏观定量分析。对2020年11月4日卢沟桥拦河闸闭闸后永定河秋季补水水头末端水位变化情况再次进行了观测与分析，复核水位下降趋势。

2 研究手段与方法

2.1 河道概况

永定河以三家店为界，以上为上游，以下为下游。三家店至梁各庄段属平原区，河道渐宽。永定河卢沟桥至梁各庄段位于三家店以下广阔的冲积平原。该段是永定河冲积扇淤积最为严重的地段，从上游至下游均为地上悬河。卢梁段河道长约60km，右堤总长63km，上段29km在北京市内，下段长34km左堤位于北京，右堤位于河北省境内[7]。永定河固安段从北村至梁各庄长22km，平均河宽1.2km，河底纵坡1/2600，北村东河道最窄处518m，龙王庙段678m，100年一遇河道行洪流量2500m3/s，廊坊市内流域面积约934km2。本次研究河段永定河河北省固安段上游接永定河涿州段，下游接永定河永清泛区段。河道左堤位于北京市大兴区，右堤位于河北省廊坊市固安县。

永定河固安段工程区位于永定河冲洪积平原下部，场区地形开阔平坦，总体地形表现为由北向南缓慢倾斜，场区微地貌类型为河流侵蚀堆积地貌。永定河沿线发育有河床、河漫滩及阶地，无定形的古河道，局部发育湖泽堆积。场地地层主要为永定河冲洪积物，主要由第四系全新统冲洪积层组成，岩性除表层为人工填土外，以砂土互层为主。受历史上永定河改道的影响，第四系沉积层北薄南厚，东薄西厚，垂向呈现含水层隔水层交替的“多元结构”。地下水主要接受大气降水补给，其次为地表水入渗补给；地下水排泄以人工开采为主，其次是侧向径流排泄。根据区域地层沉积规律及含水层特点，场区为永定河水文地质单元，场区地质结构为砂-土-砂多元结构，地下水类型以孔隙潜水为主，含水层主要由第四系全新统冲洪积砂、粉土组成，相对隔水层主要为全新统冲洪积黏性土[8]。

2.2 基本原理

根据水量平衡原理，对于非闭合流域，流域地下分水线与地面分水线不相重合时水量平衡方程式[9]为：

P+E1+R表+R地+S1=E2+R表+R地+S2

(1)

式中，P—流域时段降水量；E1、E2—时段蒸腾蒸发水量；R表、R地—时段地表、地下径流流入量；R表、R地—时段地面、地下径流流出量；S1、S2—时段初、时段末蓄水量。

研究区段永定河河北省廊坊市固安段2020年5—10月地表径流流入量、地表径流流出量近似相当，时段初、时段末蓄水变化量近似为：

ΔWt=PΔt-EΔt-RΔt

(2)

式中，ΔWt—时段蓄水变化量；PΔt—时段降水量；EΔt—时段蒸腾蒸发水量；RΔt—时段地下径流变化量(河道渗漏水量)。

根据公式(2)，时段蓄水变化量反映在河道水面上表现为河道水位及水面面积的变化，主要与降雨、蒸腾蒸发、河道渗漏有关。通过观测水位或者水面面积建立蓄水变化量随时间的关系，进而分析区域降雨、蒸腾蒸发、河道渗漏对生态补水后期河道蓄水的影响。

2.3 测点布置

研究区段起点位于固安县北村，终点位于固安梁各庄村，河道全长约22km。沿河跨越大广高速、106国道、京九铁路、廊涿高速。2020年春季补水水头5月10日到达研究河段起点固安北村，5月12日到达研究河段终点固安梁各庄。为了观测5月14日卢沟桥闸闭闸后春季补水水位变化情况，分别于大广高速跨永定河桥上游(测点1)、106国道跨永定河桥上游(测点2)及廊涿高速跨永定河桥上游(测点3)布置水位测点。2020年秋季补水水头10月29日到达固安北村，10月31日抵达并最终停留在106国道永定河跨河桥上游兴安湖。为了观测11月4日卢沟桥闸闭闸后秋季补水水位变化，在106国道跨永定河桥上游(测点2)布置一个水位测点。

3 数据获取

3.1 数据测定

根据水量平衡原理，生态补水结束后，影响河道水位及面积变化的主要因素是降雨、蒸腾蒸发、河道渗漏。首先测定了春季补水卢沟桥闸闭闸后5月15—31日3个水位观察站的水位高程数据，并记录了同期日降雨量，如图1所示。2020年12月7日后河道水面开始结冰，测定了秋季补水卢沟桥闸闭闸后河道结冰前11月5日—12月7日106国道上游测站水位(测点2)高程数据，并记录了同期日降雨量，如图2所示。

图1 2020年春季补水后期各测点水位及日降雨量统计图

图2 2020年秋季补水后测点2水位及日降雨量统计图

3.2 水面面积遥测分析

利用卫星遥感影像提取水面信息的方法有阈值分割法、分类器模型法、基于“全域-局部”的提取法、光谱混合分析法等[10]。归一化水体指数是阈值分割法中的一种，Mcfeeters于1996年提出，是一种根据波段间比值进行分类的方法，该方法算法简单、精度较高，应用广泛，计算公式为：

NDWI=(Green-NIR)/(Green+NIR)

(3)

式中，Green、NIR—绿波段、近红外波段的反射率值。

为了从宏观上定量分析补水后期河道水面面积变化，获取了Sentinal- 2经过辐射定标和大气校正后的L2A级数据6景分辨率10m成像卫星遥感影像，时间从2020年5—10月。Sentinal- 2是欧洲航天局(ESA)哥白尼计划中的极轨多光谱高分辨率成像卫星，用于陆地监测，以提供例如植被，土壤和水覆盖，内陆水道和沿海地区的图像，其携带一枚多光谱成像仪(MSI)，高度为786km，可覆盖13个光谱波段，幅宽达290km，地面分辨率分别为10、20、60m，由AB双星构成，一颗卫星的重访周期为10d，两颗互补，重访周期为5d。利用获取的卫星影像，通过归一化水体指数分析方法分别提取了2020年5月22日、6月21日、7月23日、8月10日、9月19日、10月16日水面信息。根据提取的遥感水面信息，分析2020年春季补水后秋季补水前5—10月河道水面面积并记录5月14日补水后同期累计降水量见表1。

表1 2020年5—10月水面面积及累计降雨量表

4 结果与分析

4.1 2020年春季补水后各测点水位降幅

2020年春季5月14日卢沟桥闸闭闸后，5月15—31日永定河平原南段固安段北村-梁各庄3个观测站的水位高程随时间的降落关系如图3—5所示。3个测点水位降落趋势整体一致，补水闭闸初期(5月15—20日)水位降落明显，降幅6～30cm/d，之后趋于稳定，水位逐渐衰减，降落至2～5cm/d。

图3 测点1水位及降幅曲线图

图4 测点2水位及降幅曲线图

图5 测点3水位及降幅曲线图

4.2 2020年春季补水后秋季补水前逐月水面面积降幅

2020年永定河秋季补水卢沟桥拦河闸10月21日开闸泄水，通过卫星遥感图分析春季补水后，秋季补水前5月22日、6月21日、7月23日、8月10日、9月19日、10月16日研究区段河道水面面积变化情况，如图6所示。补水后前2个月水面面积萎缩较快，5—6月水面萎缩112万m2，6—7月水面萎缩70万m2，8—10月水面萎缩趋于稳定，每月降幅约11万m2。

图6 研究区段河道水面面积及降幅曲线图

4.3 2020年秋季补水末端水位变化趋势

2020年永定河秋季补水，卢沟桥拦河闸10月21日开闸泄水，11月4日闭闸。秋季补水水头10月29日到达研究区段河道起点固安北村，10月31日抵达106国道永定河跨河桥上游兴安湖(测点2位置)，并最终停留在106国道跨河桥上游。卢沟桥闭闸后补水水头末端水位随时间变化关系曲线如图7所示。

图7 2020年秋季补水水头末端水位时间关系曲线图

卢沟桥闸11月4日闭闸后，由于水头末端仍有上游区间来水，至11月14日末端水头呈上升趋势，后逐渐开始下降，日均降幅约3cm，水位下降幅度与春季补水后期下降幅度基本一致，12月7日后水面开始结冰。

4.4 分析

根据公式(2)，上游补水断流后，水位变化及水面萎缩主要受降水量、蒸腾蒸发水量、河道渗漏水量3个因素影响。水位观测期间仅有3次几毫米的降雨量，对水位降落的影响很小，可忽略。分析补水后逐月同期累计降雨量，7—8月累计降雨量223mm，8—9月累计降雨量73.5mm，其余月份降雨量较少。逐月水面面积变化与降水量的关系曲线如图8所示。从水面整体萎缩趋势分析，降雨不是主要因素，影响水面萎缩的因子仍然是蒸腾蒸发及河道渗漏损失。

图8 研究区段河道逐月水面面积与降水量关系曲线图

表2 注水试验各土层渗透系数计算结果

注水实验计算上层粉细砂土渗透系数较大，平均达561.60cm/d，下层分布粉土、粉质黏土渗透系数较小，分别为3.46、0.86cm/d。分析补水初期，由于上层不饱和粉细砂层渗透系数较大，造成初期水位下降较快，随着上层粉细砂土体饱和而下层粉土、粉质黏土的渗透系数较小，水量渗漏量减少，水位降幅减少，并随地下水位不断上升土体饱和，土层渗漏趋于稳定。

5 结语

控制补水规模的同时营造稳定的地表径流面积，对于通过外调水解决河道生态环境用水的北方资源性缺水地区具有生态环境及社会经济双重效益。分析了永定河平原南段末端固安北村-梁各庄段22km河道2020年生态补水停水后水位及水面下降情况。测算此段河道补水初期综合入渗强度15cm/d，水位稳定期综合入渗强度3cm/d。研究成果为永定河科学调水补水、合理制定生态补水水量提供了参考。

河道水量损失受土层入渗的影响较大，由于永定河流域河道线路长，各段河道地质条件不尽相同，维持永定河全线常年流动的河，建议根据天然河道不同地层渗漏情况合理确定生态补水量。