十三陵水库流域下垫面变化情况下降水来水分析

摘 要：十三陵水库是一座库容7 450万m3的中型水库，按照一百年一遇洪水设计，两千年一遇洪水校核，坝体采用黏土斜墙坝形式，坝轴线长627 m，最大坝高29 m。而随着社会的发展，流域范围内下垫面情况发生了较大变化。基于此，介绍了十三陵水库及其流域基本概况，选取1959—2018年水库降水与天然来水观测资料，分析了十三陵水库流域降水及来水情况，并探索了来水量变化的原因和增加水库来水量的保障措施。

关键词：降水来水分析；下垫面变化；十三陵水库

中图分类号：P458.121.1 文献标志码：B 文章编号：2095–3305（2024）10–0-03

十三陵水库位于北京市昌平区，十三陵盆地的东南部，距北京城区约40 km。该水库作为北京市北部区域水系的重要节点，其水资源状况及生态环境对周边区域乃至整个北京市的水资源管理和生态保护具有重要意义。近年来，随着气候变化和人类活动的加剧，水库流域的下垫面条件发生了显著变化，如土地利用类型的改变、植被覆盖度的变化等，这些变化直接影响了水库流域的降水来水情况，进而对水库的蓄水能力、水质及周边生态环境产生了深远影响。因此，对十三陵水库流域降水和来水情况进行分析，不仅能深入了解水库的水循环规律，为水库的水资源管理和生态修复提供科学依据，还有助于推动流域内水资源的可持续利用和生态环境的持续改善。

1 十三陵水库及其流域基本概况

十三陵水库位于北运河水系温榆河北支东沙河上游位置，水库以上流域面积223 km2，控制东沙河84％的流域面积，占温榆河上游山区流域面积1/4。流域形状呈扇形，起于燕山山脉延庆区西二道河山区，止于昌平区城区东北约4.6 km的十三陵水库大坝，下游连接温榆河北支东沙河。水库在规划初期具备防洪排涝、发电灌溉供水等多重效益，部分承担着北京市城市生活用水与工农业用水的任务，历经60余年变迁，现在的主要功能为防洪和保障蓄能电厂发电用水。

水库上游有德胜口、锥石口、上下口及老君堂4条沟道，平均坡降1.6%。4条沟道于十三陵七孔桥上游汇合后入十三陵水库，其中主沟德胜口沟长30 km，平均坡降3.6%，为4条沟道中最长、最陡的一支；为观测流域降水情况先后于果庄村、锥石口村、上口村、老君堂村及水库水文站建有雨量观测站。

2 十三陵水库流域降水及来水情况

十三陵水库流域多年平均降水量556 mm，多年平均径流量2 900万m3，流域面积较小。如图1所示，1959—2018年，1973年十三陵水库流域年降水量最大，为971.3 mm；1993年十三陵水库流域年降水量最少，为295.1 mm。两者相差3.29倍。1959—1968年十三陵水库流域年平均降水量553.3 mm，1969—1978年十三陵水库流域年平均降水量624.7 mm，1979—1988年十三陵水库流域年平均降水量518.0 mm，1989—1998年十三陵水库流域年平均降水量540.0 mm，1999—2008年十三陵水库流域年平均降水量491.4 mm，2009—2018年十三陵水库流域年平均降水量526.7 mm。

图1" 1959—2018年十三陵水库流域年度平均降水

对1959－2018年十三陵水库流域降水量进行频率适配计算，适配情况见图2，计算结果见表1。由表1可知，降水偏多的年份年降水可达660.8 mm，降水极少的年份年降水仅331.5 mm。

图2" 1959－2018年十三陵水库流域平均降水量频率适配曲线成果

表1" 1959—2018年十三陵水库流域年均降水量频率计算成果

平均降水量/mm 拟合曲线参数 不同频率年均降水量计算成果/mm

变差系数 偏差系数 20% 50% 75% 95%

542.345 0.27 2.86 660.8 522.3 432.0 331.5

如图3所示，1959—1968年十三陵水库流域年平均来水量1 007万m3，1969—1978年十三陵水库流域年平均来水量971.8万m3，1979—1988年十三陵水库流域年平均来水量124.3万m3，1989—1998年十三陵水库流域年度平均来水量246.2万m3，1999—2008年十三陵水库流域年度平均来水量15.72万m3，2009—2018年十三陵水库流域年度平均来水量40.4万m3。此外，1959—2018年，来水量最大的年份为1974年，天然来水量为

3 180万m3。有30年间上游未产生来水入库。

图3" 1959—2018年十三陵水库流域年度来水情况

对1959－2018年十三陵水库流域年来水量进行频率计算分析得出，来水量一般的年份年来水量可达56.2万m3，来水量较多的年份年来水量可达578.7万m3，

上游断流的年份较为常见（图4、表2）。

图4" 1959－2018年十三陵水库流域年度来水量频率适配曲线成果

表2" 1959—2018年十三陵水库流域年均来水量频率计算成果

年均来水量/万m3 拟合曲线参数 不同频率年均来水量计算成果/万m3

变差系数 偏差系数 20% 50% 75% 95%

400.9 2.09 1.95 578.7 56.2 0 0

3 降水来水情况分析

3.1 变化趋势对比分析

由于年降水量在各年份间的时空分布存在一定的偶然性，为尽可能减小相关影响，按照步长为10年取平均值并对其进行分析，结合水库多年平均降水量556 mm，水库多年平均径流量2 900万m3可以得出：年度降水量与天然来水量在总体上均呈现逐年减少的趋势，但降水量减少的幅度上并不十分明显，按照降水最少的1999—2008年十三陵水库流域年平均降水量491.4 mm计算，减少幅度仅为水库多年平均降水量的11.62%；但反观水库流域天然来水情况，减少趋势却十分明显，尤其从1979年起，甚至于1999—2008年十三陵水库流域年平均来水量仅15.72万m3，为水库多年平均径流量的0.5%。

3.2 相关性分析

利用统计学皮尔逊相关系数计算方法可以分析出数列的相关情况，一般认为可按三级划分：相关系数＜0.4为低度线性相关；相关系数0.4～0.7，为显著线性相关；相关系数＞0.7为高度线性相关。通过整理1959—2018年十三陵水库年降水量与年来水量的观测数据计算每个步长下的相关系数可以得到：1959—1968年，各年平均降水量与相应年份平均来水量之间的相关系数为0.918 4，呈现高度线性相关；1969—1978年，各年平均降水量与相应年份平均来水量之间的相关系数为0.692 0，呈现高度线性相关；1979—1988年，各年平均降水量与相应年份平均来水量之间的相关系数为0.455 5，呈现显著线性相关；1989—1998年，各年平均降水量与相应年份平均来水量之间的相关系数为0.783 4，呈现高度线性相关；1999—2008年，各年平均降水量与相应年份平均来水量之间的相关系数为0.106 7，呈现低度线性相关；2009—2018年，各年平均降水量与相应年份平均来水量之间的相关系数为0.165 0，呈现低度线性相关。

通过对十三陵水库全流域降水量和来水量的分析可以得出，建库以来水库流域径流系数总体呈下降趋势：从降水量和来水量的相关性来看，1959—1978年年降水量和来水量高度相关，1979—1998年年降水量和来水量中度相关，1999—2018年年降水量和来水量完全不相关。

4 来水量变化的原因及增加水库来水量的保障措施

4.1 来水量变化的原因

从整体上看，十三陵水库自建库以来，流域年来水量均在不断减少，而造成来水量减少的主要原因并不是自然气候的变化。以水库流域60年观测年降水量平均值542.4 mm为标准，通过在各步长年中选取典型年进行同等降水量水库来水对比分析发现：1959—1968年典型年年降水量552 mm，水库来水量可达1346万m3，

到1969—1978年水库来水量减少21.1%，1979—1988年减少69.7%，1989—1998年减少82%，1999—2008年减少91.7%，2009—2018年更是出现了断流情况。

由此可见，降水量差距不大的情况下，来水量整体呈现急剧缩减的趋势，可见降水量不是影响十三陵水库来水量减少的主要因素。十三陵水库来水量急剧减少是水库流域下垫面包括植被分布、土壤墒情、地下水深度的变化，水土保持工作的开展，社会经济发展等因素的共同影响所致。

4.1.1 地下水埋藏深度、植被分布的变化

十三陵水库流域地下水位埋藏普遍偏深，缺乏河道基流[1]。虽降水量年际变化不大，但因平原地区长期超采地下水，导致地表径流补充地下水的程度明显增大，土壤墒情急剧恶化，进而导致流域降水损失增加，甚至不足以产流。

此外，十三陵水库来水情况发生急剧变化的时期与全市及水库流域下垫面植被分布发生变化的阶段重合，从开荒育田实行农村合作社制度到家庭承包最大限度发挥生产的积极性，无不都在植被分布、数量上对水库流域的下垫面条件产生着深刻影响。

4.1.2 水土保持工作的开展

水库所在地昌平区一直作为燕山国家级水土流失重点预防区之一，几十年来开展了各种形式的治理工作，在获得较好的经济、社会和生态效益的同时，增加种植植被的用水量，增加植物截留量和土壤蓄水量，减少了上游地表径流量和水库来水量。

4.1.3 社会经济发展等因素

改革开放以前，十三陵水库流域主要以服务农业为主，灌溉面积增加、灌溉用水量大幅上升。改革开放初期，随着社会的发展进步，流域内电力、旅游、制造等工业也得到发展，随之乡村城镇化城市化也得到了发展。上游人口不断增加，城镇和农村人畜用水量逐步提升。近年来，随着区域经济的高质量发展，上游工业生产用水、城镇生活用水的急剧增加，导致水资源开发利用过度，地下水位下降，形成恶性循环，造成十三陵水库来水量大幅减少。

4.2 增加十三陵水库来水量的保障措施

4.2.1 积极恢复上游白河堡水库对十三陵水库的生态补水

为减小十三陵水库流域来水量减少影响，北京市水务局曾分别于1983、1986年分两期兴建了白河堡水库补水工程，补水渠全长66 km，上段工程设计引水流量10～14 m3/s，中下段工程设计引水流量4.3 m3/s，年平均最大补水量为3 000万m3。但至2005年，白河堡水库因需向密云水库调水，无法满足继续向十三陵水库补水条件，遂停止向十三陵水库补水。白河堡水库补水工程期间共使用了21年，补水总计8 048万m3[2]。

近年来，随着北京地区水资源分布发生新的重大变化，积极恢复上游白河堡水库对十三陵水库的生态补水，对十三陵水库的运行可以起到很大帮助。从工程效益上，充分利用已有工程并加以修缮进行调水，可以减少工程建设成本；从生态效益上，能够有效解决流域内沟道多年干涸的状态，并适当回补地下水，促进流域内部及流域与外界的地表、地下水循环，改善流域生态环境。

具体措施：统筹考虑流域水资源情况，可利用已有白河堡水库补水工程，于每年3—5月、10—12月恢复向十三陵水库补水工作。

4.2.2 继续发挥南水北调及引黄进京等工程措施作用回补地下水

依托国家地下水监测工程（北京部分）选取代表站，根据监测资料显示，2000—2011年，地下水埋深度下降约9 m；2011—2015年，下降趋势明显改善；2014年末南水入京后，地下水水位下降趋势更是明显放缓；2015年下半年地下水位开始回升，地下水位的抬升必然影响流域内土层内含水饱和区与不饱和区的分布状况，对改善产流条件提供积极作用。

具体措施：应继续实施南水北调及引黄进京等项目，将海河流域外的水调入北京，减少地区地下水资源的过度开采，提高地下水位，以增加水库来水量。

4.2.3 提高水库下游反向补水的保证水平

由于上游常年断流，为保证水库水量稳定，2004年6月修建了沙河应急补水工程。考虑水质下降和水量供应能力，补水方案采用抽取井群地下水和沙河水库地表水混合补给，后转为引京密引水渠水补给的方式向上游的十三陵水库反向输水。补水工程设两级泵站，一级泵站为位于沙河闸北部的原昌平区半壁街泵站，二级泵站设置位于京密引水渠东沙河倒虹吸处，输水管道为玻璃钢圆管。一级泵站至二级泵站长13.9 km，二级泵站至水库大坝下游闸阀室长7.9 km，通过十三陵水库输水系统进入水库，补水工程合计扬程83 m，设计补水流量0.5 m3/s，日补水量

4.32万m3[3]。但经过多年运行，管道设备日趋老化，故障断补情况时有发生，现状补水能力已无法达到设计标准。

具体措施：可重新铺设二级泵站至水库大坝下游闸阀室管线，提高二级泵站输水能力，确保各子系统具有更大的冗余保障能力。

5 结束语

面对不断变化的环境条件，相关部门应持续关注变化，并积极采取措施应对变化，以确保水资源的安全、高效和可持续利用，为地区的社会经济发展与水

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生态保护贡献力量。

参考文献

[1] 张国华，瓮耐义，王丽娟，等.昌平区地下水位变化特征分析[J].北京水务，2021（2）：25-29.

[2] 王嘉航，杨启涛，王萌，等.十三陵水库水资源状况分析及生态补水展望[J].中国水利，2018（7）：7，27-29.

[3] 李红刚.十三陵水库应急补水工程的建设与管理[J].北京水务，2009（3）：37-39.

收稿日期：2024-07-09

作者简介：王萌（1989—），男，北京人，工程师，研究方向为水利工程与水文水资源管理。