北京地区主要河流水沙量变化分析

何 耘 林 林 王学凤

(中国水利水电科学研究院，北京 100038)

1 研究背景

河流水沙量是水利工程、桥涵建设、临水各类基础设施设计及施工的重要基础数据，服务于社会经济的可持续发展和生态文明建设，其大小和变化对于水资源开发与利用、河道治理、防汛抗旱、水利工程建设与管理、流域规划等意义重大。受人类活动和全球气候变化的影响，全球河流的水沙量变化明显，河流水沙量的变化吸引着全球科研工作者的关注。据估计，全球河流入海径流量约为3.9万km3，人类活动影响导致进入河流的沙量增加215，同时入海输沙量减少49[1]。全球入海河流的径流量基本无趋势性变化的占大多数(69)，但输沙量呈明显下降趋势的河流约占半数(48)，入海输沙量由人类活动影响前的约190亿t/a降至现在的约130亿t/a[2]。

近些我国江河水沙量及其演变的研究丰富，多集中在长江、黄河、淮河和珠江等[3-5]。我国江河入海径流量总量无明显变化趋势，但淮河及其以北河流径流量呈下降趋势；入海输沙量总量及大多数河流输沙量呈明显下降趋势。大坝建设、水土保持措施、流域扰动、河道采砂和气候变化是输沙量变化的主要驱动因素[3]。海河流域特别是北京地区河流水沙演变的文献较少，个别文献研究了永定河下游的水沙变化情况[6]。收集、汇总并分析北京地区主要河流13个水文站径流量和输沙量数据，对其水沙变化的历史演变过程进行分析，为水资源开发与利用、基础设施建设和生态环境保护等提供参考。

2 北京地区水系概况

北京地区的河流共有160多条，其中骨干河道有潮白河、永定河、北运河、大清河支流拒马河和蓟运河支流泃河，均属海河流域。这些河流发源于西北山地乃至蒙古高原。其中泃河、永定河分别经蓟运河、潮白新河、永定新河直接入海，拒马河、北运河经海河注入渤海。

潮白河发源于燕山北部山区，流经河北、北京、天津三省市，流域面积1.94万 km2。北京市境内主河道长118 km，流域面积为5688 km2。潮白河上游分潮河、白河两大支流。潮河自密云县古北口入境，长约200 km，流域面积6870 km2。白河于延庆县白河堡入境，长约250 km，流域面积约9100 km2。潮、白两河于密云县河槽村附近汇合后称潮白河。潮白河水系同时开展河流流量和悬移质泥沙测量的水文站有白河的下堡站和张家坟站、潮河的下会站、潮白河的苏庄站、怀河北支的前辛庄站与怀河南支的口头站。

永定河位于海河流域西北部，有桑干河和洋河两大支流，永定河在门头沟区檀木沟附近入北京市界，全长747 km，流域面积为4.70 万km2，流经官厅山峡段于三家店进入平原，于屈家店入永定新河后汇入渤海。北京市境内全长170 km，流域面积3168 km2。永定河水系同时开展河流流量和悬移质泥沙测量的水文站有永定河的雁翅站、三家店站、卢沟桥站和清水河的青白口站。

北运河以北关闸为界，上游为温榆河，主要发源于昌平、海淀山丘及丘陵区，向南流入通州区，流经河北省香河县、天津市武清区，在天津市大红桥汇入海河。河道干流长142.7 km，流域面积为6051 km2。北京市界内主河长89.4 km，流域面积为4250 km2，占总面积70。北运河水系同时开展河流流量和悬移质泥沙测量的水文站为北运河的通县站。

大清河水系在北京市境内只是其北支，有拒马河、大石河和小清河3条支流。拒马河发源于河北省涞源县，河流全长238 km，市界内流域面积为2219 km2。大石河发源于房山区，北京市境内河道长121 km，流域面积1243 km2。小清河流域面积436 km2。大清河水系同时开展河流流量和悬移质泥沙测量的水文站有大石河的漫水河站和拒马河的张坊站。

蓟运河支流泃河发源于河北省兴隆县，于偏桥子西北入市境，在马坊乡出市境汇入蓟运河。全长206 km，流域面积1712 km2。市境内总长66 km，流域面积952 km2。泃河没有同时开展河流流量和悬移质泥沙测量的水文站。

3 北京地区主要河流水沙变化

数据主要来源于每出版的《中国河流泥沙公报》[7]和每发布的《北京市河流泥沙公报》，并参考《中华人民共和国水文鉴》等数据予以校核。北京主要河流13个水文站的水沙统计情况如表1所示，其中多均值采用自开展水沙实测(或1950)至2020数据，21世纪均值根据2001—2022数据计算。

表1 北京地区主要河流主要水文站实测水沙统计

3.1 潮白河水系潮白河干流及密云水库以上选取下堡、张家坟、下会、苏庄水文站，支流上选取前辛庄、口头水文站为代表站。各站实测径流量与输沙量统计值见表1。

3.1.1白河下堡站 下堡站为白河入境北京前的水文站，也是白河堡水库的入库控制站，其集水面积4015 km2。下堡站多平均径流量为1.476亿m3(1957—2020)，最大和最小径流量分别为4.833亿m3(1959)和0.538亿m3(2014)。图1可见，径流量在1990前呈波动下降趋势，之后基本无明显变化趋势状态。2001—2022的径流量均值为0.830亿m3，为多均值的56.2(表1)。

图1 白河下堡站历径流量与输沙量变化Fig.1 Changes in annual runoff and sediment loads of the Xiabao Station on the Baihe River

下堡站多平均输沙量为76.2万t(1957—2020)，最大和最小输沙量分别为462.0万t(1974)和0(2014)。输沙量变化过程与径流量变化过程基本一致，1975—1983输沙量明显下降，应与1970代修建一系列水库有关。2005后输沙量下降更为明显，多为0(2014和2018)或接近0。2001—2022的输沙量均值为14.436万t，为多均值的18.9(表1)。

3.1.2 白河张家坟站 张家坟站是密云水库白河流域唯一的入库水文站，集水面积8506 km2。张家坟站多平均径流量为4.695亿m3(1954—2020)，最大和最小径流量分别为20.10亿m3(1956)和0.575亿m3(2001)。图2可见，径流量基本呈四个梯级下降，即1950—1960代、1970—1980代、1990代、以及2000后。2021北京市平均降水量(924 mm)较多平均降水量(585 mm)偏多57.9，受局部暴雨影响，当径流量高。2001—2022的径流量均值为2.209亿m3，为多均值的47.0(表1)。

图2 白河张家坟站历径流量与输沙量变化Fig.2 Changes in annual runoff and sediment loads of the Zhangjiafen Station on the Baihe River

张家坟站多平均输沙量为108万t(1954—2000)，最大和最小输沙量分别为964万t(1959)和0(2007)。输沙量变化过程与径流量变化过程基本一致，2000后输沙量下降更为明显，输沙量为0的份有9。2001—2022的输沙量均值为2.107万t，仅为多均值的2.0(表1)。

3.1.3 潮河下会站 下会站是潮河流域的出口控制水文站，为密云水库的入库站，集水面积5340 km2。下会站多平均径流量为2.294亿m3(1961—2020)，最大和最小径流量分别为8.867亿m3(1973)和0.573亿m3(2009)。图3可见，2000后径流量明显下降，在低值波动。受2021北京市降水量偏高和局部暴雨影响，当径流量偏高。2001—2022的径流量均值为1.289亿m3，为多均值的56.2(表1)。

图3 潮河下会站历径流量与输沙量变化Fig.3 Changes in annual runoff and sediment loads of the Xiahui Station on the Chaohe River

下会站多平均输沙量为67.8万t(1961—2020)，最大和最小输沙量分别为497.0万t(1974)和0(2002)。输沙量变化过程与径流量变化过程基本一致。2000后输沙量下降明显，输沙量为0的份有12。2001—2022的输沙量均值为4.040万t，仅为多均值的6.0(表1)。

3.1.4 潮白河苏庄站水沙演变 苏庄站位于潮白河下游，集水面积17627 km2。苏庄站2000之后多河干断流，至2012才首次恢复流量，本文数据至2000。苏庄站多平均径流量为9.211亿m3(1950—2000)，最大和最小径流量分别为43.050亿m3(1956)和0(2000)。图4可见，径流量呈三个梯级下降，即1950代、1960—1970代、1980代及之后。

图4 潮河苏庄站历径流量与输沙量变化Fig.4 Changes in annual runoff and sediment loads of the Suzhuang Station on the Chaohe River

苏庄站多平均输沙量为149.6万t(1950—2000)，最大和最小输沙量分别为1540万t(1958)和0(1986)。输沙量变化过程与径流量变化过程基本一致，也呈三个梯级下降，1981后输沙量基本为0。

3.1.5 潮白河支流怀河前辛庄站和口头站 潮白河支流怀河前辛庄站和口头站分别位于怀河南北两支流，是怀柔水库的入库水文站。南支流域面积332 km2，北支流域面积155 km2。

(1)前辛庄站。前辛庄站多平均径流量为0.326亿m3(1959—2020)，最大和最小径流量分别为1.123亿m3(1959)和0.048亿m3(2010)。图5可见，径流量在2000后明显下降，在低值波动。受2021北京市降水量偏高和局部暴雨影响，当径流量偏高。2001—2022的径流量均值为0.167亿m3，为多均值的51.2(表1)。

图5 怀河南支前辛庄站历径流量与输沙量变化Fig.5 Changes in annual runoff and sediment loads of the Qianxinzhuang Station on the Huaihe River

前辛庄站多平均输沙量为1.13万t(1959—2020)，最大和最小输沙量分别为12.10万t(1973)和0(1980)。输沙量变化过程与径流量变化过程基本一致。2000后输沙量下降明显，有输沙量数据的份仅有3(2008、2016和2021)。2001—2022的输沙量均值为0.064万t，仅为多均值的5.7(表1)。

(2)口头站。口头站多平均径流量为0.306亿m3(1959—2020)，最大和最小径流量分别为0.980亿m3(1969)和0.074亿m3(2010)。径流量在2000后明显下降，在低值波动。受2021北京市降水量偏高和局部暴雨影响，当径流量偏高。2001—2022的径流量均值为0.171亿m3，为多均值的55.9(表1)。

口头站多平均输沙量为0.545万t(1959—2020)，最大和最小输沙量分别为9.540万t(1974)和0(1980)。输沙量变化过程与径流量变化过程基本一致。2000后输沙量下降明显，有输沙量数据的份仅有3(2005、2021和2022)。2001—2022的输沙量均值为0.071万t，为多均值的12.9(表1)。

3.2 永定河水系永定河水系选取雁翅、三家店、卢沟桥、青白口四个水文站为代表站。各站实测径流量与输沙量统计值见表1。

3.2.1 永定河雁翅站 雁翅站是为永定河干流在官厅水库下游入京后的首个水文站，集水面积4.37万 km2。雁翅站多平均径流量为5.224亿m3(1963—2020)，最大径流量和最小分别为16.230亿m3(1967)和0.622亿m3(2012)。图6可见，径流量呈明显下降趋势，2000后径流量较低，2017后略有抬升。2001—2022的径流量均值为1.561亿m3，为多均值的29.9(表1)。

图6 永定河雁翅站历径流量与输沙量变化Fig.6 Changes in annual runoff and sediment loads of the Yanchi Station on the Yongding River

雁翅站多平均输沙量为10.1万t(1963—2020)，最大和最小输沙量分别为381万t(1967)和0(1977)。输沙量明显下降，由1963—1979的平均输沙量34万t至其后的几乎为0。其中输沙量在1967和1974剧增，主要是受到“1967.8”和“1974.7”暴雨影响造成的。2001—2022仅有2016—2020输沙量不为0，输沙量均值为0.031万t，仅为多均值的0.3(表1)。

3.2.2 永定河三家店站 三家店水文站位于永定河干流永定河引水渠的上游，集水面积4.42万 km2。三家店站多平均径流量为4.484亿m3(1950—2020)，最大和最小径流量分别为35.550亿m3(1950)和0(1989)。图7可见，1970代前径流量呈明显下降趋势，之后一直处于低值，多的径流量为0。2000后有径流量数据的份有6(2003、2016、2019—2022)。2001—2022的径流量均值为0.310亿m3，仅为多均值的6.9(表1)。

图7 永定河三家店站历径流量与输沙量变化Fig.7 Changes in annual runoff and sediment loads of the Sanjiadian Station on the Yongding River

三家店站多平均输沙量为741万t(1950—2020)，最大和最小输沙量分别为1.55亿t(1950)和0(1976)。1950—1956输沙量高，均值约达0.66亿t，之后除个别份外(1967、2021)输沙量一直为0。

3.2.3 永定河卢沟桥站 卢沟桥水文站建站于1921，集水面积4.44万 km2。卢沟桥站2000后多的水沙量均为0，本文数据分析至2000。卢沟桥站多平均径流量为4.755亿m3(1953—2000)，最大和最小径流量分别为27.730亿m3(1954)和0(1986)。图8可见，径流量在1980代前呈明显趋势性下降，1953—1960多均值约为16.7亿m3，1961—1980多均值约为4.32亿m3，其后除个别份外径流量多基本为0。

图8 永定河卢沟桥站历径流量与输沙量变化Fig.8 Changes in annual runoff and sediment loads of the Lugouqiao Station on the Yongding River

卢沟桥站多平均输沙量为361.5万t(1953—2000)，最大和最小输沙量分别为6740万t(1953)和0(1986)。输沙量变化也呈现明显的下降趋势，1953—1960的多均值约2045万t，1961—1980的多均值下降至约为48万t，其后输沙量多基本为0。

3.2.4 清水河青白口站 清水河是永定河的支流，位于门头沟区境内，在青白口汇入永定河，全长48 km。青白口站为清水河汇入永定河前的水文站，流域面积550 km2。青白口站自1980代至2006有输沙量数据的份仅有2(1994和2000)，本文数据分析至2006。青白口站多平均径流量为0.190亿m3(1958—2005)，最大和最小径流量分别为1.547亿m3(1959)和0(1972)。总体上看，1958—1972的径流量较高，并呈明显下降趋势；其后径流量较低，多为0；1989—2000的径流量略有增加。

青白口站多平均输沙量为0.820万t(1958—2005)，最大和最小输沙量分别为18.6万t(1958)和0(1972)。1958、1959、1962—1964的输沙量较高，其余份输沙量基本为0。

3.3 北运河水系北运河选取通县站为代表站，通县上游为温榆河。通县站集水面积2478 km2(至2009)、2775 km2(自2010)。通县站多平均径流量为4.998亿m3(1956—2020)，最大和最小径流量分别为16.290亿m3(1956)和0.757亿m3(1981)。2001—2022的径流量均值为6.757亿m3，为多均值的135.2(表1和图9)。通县站多平均输沙量为9.61万t(1956—2020)，最大和最小输沙量分别为74.400万t(1959)和0(1980)。2001—2022有输沙量数据的份仅有5(2012、2016、2019—2021)，输沙量均值为3.228万t，为多均值的33.6(表1和图9)。

图9 北运河通县站历径流量与输沙量变化Fig.9 Changes in annual runoff and sediment loads of the Tongxian Station on the Beiyun River

鉴于通县站分别于1975、2010站点迁移，水文站控制面积增大，不分析水沙变化趋势。

3.4 大清河水系大清河水系选取大石河的漫水河站和拒马河的张坊站两个水文站为代表站。各站实测径流量与输沙量统计值见表1。

3.4.1 大石河漫水河站 大石河漫水河站控制流域面积653 km2。漫水河站多平均径流量为0.721亿m3(1954—2020)，最大和最小径流量分别为5.399亿m3(1956)0(1984)。图10可见，1954—1964的径流量较高，并呈明显下降趋势；1965—2000径流量在较低水平波动；2000以后漫水河站大多数份河干，径流量基本为0。仅部分份径流量较大(2012、2016、2018、2021和2022)，是受局部暴雨的影响而产生的径流。2001—2022的径流量均值为0.163亿m3，为多均值的22.6(表1)。

漫水河站多平均输沙量为3.01万t(1954—2020)，最大和最小输沙量分别为46.9万t(1963)和0(1980)。图10可见，1954—1964的输沙量较高，呈明显下降趋势，1963的最大输沙量应是8月份极端暴雨引起的；1965—2000输沙量在较低水平波动，多为0。2001—2022大多份输沙量基本为0，个别份(2004、2012、2016、2018和2021)受局部暴雨的影响输沙量较高。2001—2022的输沙量均值为2.154万t，为多均值的71.6(表1)。

3.4.2 拒马河张坊站 拒马河张坊水文站至源头控制河长190 km，控制上游流域面积4810 km2。张坊站多平均径流量为4.533亿m3(1952—2000)，最大和最小径流量分别为23.2亿m3(1952)和0.031亿m3(2007)。图11可见，1954—1964的径流量较高，基本呈三级台阶式下降(1954—1964、1965—2000和2001—2022)。2001—2022的径流量均值为1.056亿m3，为多均值的23.3(表1)。

图11 拒马河张坊站历径流量与输沙量变化Fig.11 Changes in annual runoff and sediment loads of the Zhangfang Station on the Juma River

张坊站多平均输沙量为52.0万t(1952—2000)，最大和最小输沙量分别为849.0万t(1963)和0(1984)。图11可见，1954—1964的输沙量较高，1963的最大输沙量应是8月份极端暴雨引起的；1965—2022输沙量较低，多输沙量基本为0。2001—2022的输沙量均值为8.883万t，为多均值的17.1(表1)。

4 影响河流水沙演变的主要原因分析

4.1 水沙演变的总体情况北京地区河流的水沙量内分布不均，际变幅大，水沙变化基本同步。径流量和输沙量的绝大部分均产生于汛，汛暴雨对水沙量的大小影响较大。永定河的输沙量最大(三家店水文站1939输沙量高达54 209万t)，其它河流沙量不大。本文分析的主要河流中，几乎所有站点(北运河通县站除外)水沙变化呈下降趋势，2000后水沙量锐减，不少河流多断流。

潮白河水系河流含沙量不高，但因水量充沛，输沙量较大。干支流的下堡站、张家坟站、下会站、前辛庄站和口头站2001—2022的径流量均值约为多均值的1/2，2001—2022的输沙量均值为多均值的2～19；苏庄站2000之后多河干断流。

永定河历史上素有“小黄河”之称，具有水少沙多、输沙量的时程分布极不均匀的特点。永定河干流雁翅站、三家店站、卢沟桥站的水量和沙量在二十世纪总体呈减少趋势。1980代后，三家店站、卢沟桥站除个别份外，径流量基本为0；三站的输沙量基本为0。雁翅站2001—2022的径流量均值为多均值的30，2001—2022的输沙量均值接近0；三家店站、卢沟桥站除个别份外，2000后径流量和输沙量基本为0。

北运河水系具有水多沙少、水沙变化同步的特点。北运河通县站2次迁移站点位置，2010后纳入通惠河汇入的径流量，因此不分析该站的水沙变化。文献[8]认为北运河径流量呈上升趋势值得商榷。

大清河水系具有水多沙少、水沙变化同步的特点。漫水河站和张坊站2001—2022的径流量均值约为多均值的20，2001—2022的输沙量均值分别为多均值的72和17。实际上2000以后漫水河站大多数份河干，较高的输沙量均值是受个别份局部暴雨造成输沙量激增的影响。

4.2 水沙演变的驱动因素

4.2.1 人类活动影响 海河流域主要河流水沙量的大幅度下降主要受人类活动影响，包括水库拦沙、上游引水、水土保持措施等[9]，这些因素改变了水沙的时空分布。

潮白河水系自1950代以来，已建水库8座，其中白河堡水库对水沙的调节作用显著。文献[10]认为怀柔水库(潮白河支流怀河南北支)径流量降低的影响因素有两个方面，一是流域植被变化引起径流减少，主要1960—1970代兴修水利工程、1980代的小流域治理、水库塘坝和灌区的增加、山区果树林木增加等造成的。二是拦蓄工程增多影响径流规律，流域内有小型水库3 座、截流工程及蓄水闸坝共100多处，蓄水能力达850多万m3；2000 后，河道内陆续建起钢拱闸和小型塘坝，蓄水能力达390多m3。

永定河自从1954官厅水库建成后，拦截了上游大量泥沙，至今水库泥沙淤积量已达6.51亿m3。雁翅站1952—1954的径流量为17亿～29亿m3，1952和1954的输沙量高达8010万t和7730万t[9]，而1963—2000径流量和输沙量均值只有5.224亿m3和10.1万t。文献[11]分析永定河上游流域径流量认为，1981以后人类活动干扰显现，并于1999以后加剧，气候变化和人类活动对径流量的影响占比分别为20和80左右。文献[12]指出永定河流域径流减少的决定性因素为人类活动，主要包括人口的不断扩张、土地利用和下垫面的改变、水利工程的调节用水量和地下水开采的增加等，人类活动对永定河径流减少的贡献率约为95。文献[6]认为永定河流域人类活动影响因素包括水利工程的减沙作用和水土保持工作的效果等，官厅以上已建大型水库2座和中小型水库273座，总淤积量5.89亿m3，占总库容量的42.1。三家店拦河闸的建设进一步加剧了下游三家店站和卢沟桥站减沙幅度。自1983，永定河上游被列为水土流失重点治理区，近几又相继实施了多项水土保持项目等国家重点工程，已治理水土流失面积1.1万m2。

北运河水系1963修建运潮减河向潮白河分洪，致使北远河水沙量变化显著。

大清河水系影响水沙变化的人类活动如河北省保定地区在紫荆关建有拦河低坝，1973建成五一渠引水工程，设计引水流量20 m3/s，引水至安各庄水库，灌溉农田。文献[13]分析提出大清河流域山区径流量锐减在1980 及2000出现拐点，重要原因是取用水量的增加。前阶段主要是小型水利工程、城市化或经济增速的影响，增加了上游拦、蓄、引水量；2000 后，由于调整种植结构、植树造林，增大了山区土壤含水量，减少了径流的产生。文献[14]认为大清河流域山区径流量的减少的人类活动因素主要为梯田面积大幅增加、植被质量提高等。文献[15]提出大清河流下垫面要素中的草地、耕地和建设用地对径流系数的变化具有一定的影响。

4.2.2 气候影响 海河流域近些来持续干旱，降水量减少引起径流量的降低。

文献[11]通过对永定河上游1960—2012的气象数据分析，提出永定河上游流域降水量的减少量为8.21 mm/10 a。文献[16]提出1961—2010海河流域降水量每10 a约降低18 mm。文献[6]认为2001—2005永定河雁翅、三家店、卢沟桥站的均降雨量较多平均分别减少21.6、20.3、18.7。

文献[8]对北运河流域1970—2020的降水量进行分析，提出多平均降水量为544.33 mm，基本无明显趋势性变化，1999出现降水量最小值339.03 mm，1999—2012 波动增加。

文献[15]提出大清河流域降雨因素是河流径流系数变化的主导因素。文献[14]分析认为大清河流域1961—1982、1983—1996、1997—20163个时段的降水量分别为548 mm、524 mm和467 mm，在统计意义上并未发生显著性变化，但3个时段汛降水量分别为439 mm、424 mm和349 mm，汛降水减少是导致径流减少的重要原因之一。

5 结论

对北京地区主要河流13个水文站自开展水沙实测(或1950)至2022的水沙演变过程进行分析，得出如下认识：

(1)北京地区的河流的水沙量内分布不均，际变幅大，水沙变化基本同步。径流量和输沙量的绝大部分均产生于汛，汛暴雨对水沙量的大小影响较大。永定河的输沙量最大，其它河流沙量较小。几乎所有河流的水沙变化呈下降趋势，2000后水沙量锐减，不少河流多断流。

(2)潮白河水系干支流的下堡站、张家坟站、下会站、前辛庄站和口头站2001—2022的径流量均值约为多均值的1/2，2001—2022的输沙量均值为多均值的2～19；苏庄站2000之后多河干断流。永定河水系雁翅站2001—2022的径流量均值为多均值的30，2001—2022的输沙量均值接近0；三家店站和卢沟桥站除个别份外，2000后径流量和输沙量基本为0。大清河水系漫水河站和张坊站2001—2022的径流量均值约为多均值的20，2001—2022的输沙量均值分别为多均值的72和17。漫水河站2000以后大多数份河干，较高的输沙量均值是受个别份局部暴雨造成输沙量激增的影响。

(3)北京地区主要河流水沙量大幅降低，与上游人类活动和气候变化密切相关。人类活动是河流水沙量降低的主要驱动因素，气候变化引起降水量(尤其是汛降水量)的减少对河流水沙量有一定的影响。