永定河全线通水需水量及保障方案研究

杜 勇，万 超，杜国志，王立明，缪萍萍，贺 巍，高 远

(1.永定河流域投资有限公司，北京 100094；2.水利部海河水利委员会水资源保护科学研究所，天津 300170)

1 研究背景

永定河上游有桑干河、洋河两大支流，自河北怀来县朱官屯至天津市屈家店，长307km。永定河自朱官屯下行17km入官厅水库，官厅水库至三家店为山峡段，长109km，两岸有清水河、大西沟等支流汇入[1]。自三家店进入平原，流经北京、河北廊坊，至天津屈家店，长146km，其中梁各庄至屈家店为泛区段，长67km。泛区段有天堂河、龙河、北运河汇入。经屈家店枢纽入永定新河流注入渤海[2]。其中，三家店以上为山区段，三家店-屈家店枢纽为平原段。

长期的资源性缺水，使永定河生态功能受到严重影响，依靠自身生态系统难以恢复。山区段虽能维持一定基流，但水资源开发利用率高达97%，河道内生态水量各河段存在不同程度亏缺。同时，官厅水库-三家店区间河道渗漏较为严重，三家店断面生态水量亏缺最为严重[3]。平原段河道1996年后完全断流，平均干涸长度140km，局部河段河床沙化，地下水位下降，地面沉降，河流生态严重退化[4]。永定新河由于北运河、蓟运河、潮白河及区间涝水汇入，常年有水，暂不作为全线通水的制约条件。

2016年，国家发改委、水利部、原国家林业局印发《永定河综合治理与生态修复总体方案(发改农经办〔2016〕2842号)》(简称《总体方案》)，为实现“流动的河”目标[5]，提出三家店断面生态需水量2.6亿m3。自2017年通过水资源优化配置加大了上游向下游集中生态补水水量。2019年，首次开展了引黄水与永定河本地径流统筹调度、官厅水库上下游联合调度，官厅水库上游共向永定河生态补水3.31亿m3(其中引黄水1.94亿m3)，自引黄北干线1#隧洞出口至卢沟桥拦河闸下游河段形成持续有水河道约400km，沿线水生态环境明显好转。

为尽早实现永定河“流动的河”目标，基于河道“不防渗、低扰动、自然修复”的工程方案及河道渗漏情况，统筹考虑当地径流、再生水、引黄水、南水北调水等多水源，提出永定河实现全线通水的水资源配置方案[6]。

永定河流域水系及调水线路如图1所示。

图1 永定河流域水系及调水线路图

2 山区河道内生态水量配置

2.1 地表水资源状况

受气候和下垫面变化等因素影响，永定河山区地表径流量呈逐渐减少的趋势，天然径流量已从20世纪70年代前的19.71亿m3，减少到2001—2014年的8.39亿m3，与1956—2010年的14.43亿m3相比减少41.9%[7]。按现状下垫面修正后，永定河山区多年平均地表径流量仅9.78亿m3。

2.2 河道内生态水量配置

现状开发利用水平下，山区多年平均地表水供水量6.80亿m3，考虑河道蒸发下渗，洋河、桑干河汇合后河道仅留存2.23亿m3。按照2019年春季生态补水期间官厅水库-三家店区间蒸发渗漏损失，永定河山区出口三家店断面仅留存1.41亿m3。

万家寨引黄北干线是近期永定河生态补水水源。现阶段由于生态水量亏缺较为严重，可充分利用万家寨引黄北干线富裕水量向永定河生态补水，改善流域水生态状况。目前，引黄工程尚有2.64亿m3的供水能力可向永定河补水。

由于下游平原段实现通水所需的水资源缺口仍比较大，以尽量控制河道外农业用水、最大规模引黄河水为原则，提出永定河山区段河道内生态水量配置方案[8]。具体见表1。

表1 永定河山区生态水量配置方案 单位：亿m3

3 平原生态需水量分析及配置方案

3.1 平原生态需水量分段核算

2005～2014年的10年间，三家店至卢沟桥段基本处于长期断流状态，卢沟桥至屈家店段基本全年干涸。永定河卢沟桥段以下平原河段干涸断流、河床沙化，冬春季节，风沙弥漫，对于区域生态环境影响明显。永定河平原段常年干涸，已基本丧失自然河流特性[9]。

按照“以流域为整体、区域为单元、山区保护、平原修复”的总体原则，平原河段构建绿色生态走廊，需恢复水体连通和景观环境功能。按照“流动的河”的目标和“平原河段维持水面”的思路，采用生态环境功能需水法计算平原各段生态需水量[10]。水体连通功能和自净功能是永定河平原段的主要生态环境功能，受水源条件限制，仅将水体连通功能作为近期实现全线通水的主要生态环境功能。

随着永定河综合治理与生态修复河道生态治理工程的实施，平原北段、南段以及部分泛区段工程按照不采取防渗减渗措施、“地下+地表”同步立体修复的原则形成了初步设计方案，各段生态水面结合河道地形地质进行了优化布置[11]。根据2019年生态补水过程对河道水位、流量、入渗速率监测资料，结合历史径流数据和优化的工程方案，按水体连通功能所需的槽蓄量、蒸发量和渗漏量计算各河段的生态需水量[12]。

3.2 2019年生态补水情况

2019年3月至6月万家寨引黄北干线1#洞沿桑干河、经册田水库，向官厅水库实施春季补水。官厅水库下泄水量，经珠窝水库、落坡岭水库向三家店拦河闸和卢沟桥拦河闸下泄，一路南下，最终水头到达卢沟桥以下16km处。官厅水库共集中放水87d，累计下泄2.23亿m3，首次实现了自1996年后永定河干流官厅水库至黄良铁路段非汛期全线通水，为20多年来最大规模生态补水。

通过此次生态水量调度，官厅水库入库断面部分时段水质恢复至III类。永定河平原河道周边地下水位有较大幅度回升，其中三家店至卢沟桥两侧10km范围内地下水平均回升4.71m，卢沟桥以下两侧3km范围内地下水位平均回升0.4m，部分泉眼停喷30年后复涌。补水情况详见表2。

表2 永定河春季生态补水情况

表3 永定河全线基本生态需水量

平原北段。补水初期蒸发渗漏参数10～60cm/d，渗漏稳定后1.5～45cm/d，蒸发渗漏需水量约为1.74亿m3；考虑一次槽蓄量2268万m3，平原北段全年最小生态需水量1.97亿m3。

平原南段。补水初期9.5～45cm/d，渗漏稳定后7.5～27cm/d，蒸发下渗损失量1.12亿m3，每年最小生态需水量1.23亿m3；考虑一次槽蓄量1045万m3，全年最小生态需水量1.23亿m3。

泛区段。根据固安和天津武清区的降雨、蒸发及地下水位资料，廊坊段蒸发渗漏系数采用5.5～7.5cm/d，蒸发渗漏量800万m3，一次槽蓄量79万m3；天津市段地下水埋深为2.0m左右，蒸发渗漏系数为1～3mm/d，蒸发渗漏量为516万m3，一次槽蓄量611万m3。泛区段河道最小生态需水量2005万m3。

综上，永定河平原段实现全线通水目标的生态需水量为3.4亿m3。其中，平原北段1.97亿m3，平原南段1.23亿m3，泛区段0.20亿m3。详见表3。

3.3 平原生态水量保障方案

3.3.1总体思路

由于目前地下水亏空较为严重，实现地表、地下立体修复并全线通水的目标，平原段生态需水量3.4亿m3，远超三家店2.6亿m3的生态需水量外包值。山区段下泄的当地径流、引黄水仍然不满足生态用水需求，需进一步挖掘再生水、南水北调中线水进行生态补水。按照上下统筹、分区调配、多源互济的思路，充分利用当地径流、引黄水、再生水、南水北调中线水等多水源，以全线通水为目标，对永定河平原河段进行合理配置[13]。

3.3.2生态水量配置方案

多年平均。多年平均条件下，上游官厅入库生态水量3.49亿m3，山区段损失1.48亿m3后至三家店闸上2.01亿m3，三家店可下泄水量1.83亿m3供平原段河道内生态用水。平原北段通过再生水补给0.75亿m3，至平原北段末端卢沟桥0.61亿m3。平原北段通过南水北调中线补给0.76亿m3，至平原段末端梁各庄0.09亿m3，用于廊坊段的生态需水。天津段需水通过北运河调入0.11亿m3补给。生态水量配置方案如图2所示。

图2 多年平均条件下河道内生态水量配置方案

一般枯水年(P=75%)。官厅入库生态水量2.66亿m3，山区段损失1.48亿m3后至三家店闸上1.18亿m3，考虑引水损失，三家店可下泄0.68亿m3，供平原段河道内生态用水。平原南段通过再生水补给0.75亿m3和南水北调中线补水0.4亿m3，受可供水量限制仍亏缺0.14亿m3。平原北段通过南水北调中线补给1.31亿m3后，至平原南段末端梁各庄0.09亿m3，用于廊坊段的生态需水。天津段生态需水通过北运河补给0.11亿m3。生态水量配置方案如图3所示。

图3 75%条件下河道内生态水量配置方案

特枯年(P=95%)。官厅入库生态水量2.07亿m3，山区段损失1.48亿m3后至三家店闸上0.59亿m3，考虑引水损失，三家店可下泄生态水量仅0.09亿m3供平原段河道内生态用水。平原南段通过再生水补给0.75亿m3和南水北调中线补水0.4亿m3，受可供水量限制仍亏缺0.73亿m3。平原北段通过南水北调中线补给1.34亿m3，至平原南段末端梁各庄0.09亿m3，用于廊坊段生态需水。天津段生态需水通过北运河补给0.11亿m3。生态水量配置方案如图4所示。

图4 95%条件下河道内生态水量配置方案

4 措施与建议

4.1 建立上下游生态水量统一调度机制

永定河下游是永定河生态水量调度的重点河段，按照“统一分配水量、水量断面控制、省市负责用水配水”原则，将沿线控制性节点纳入流域生态水量统一调度。以全流域水安全和生态安全为目标，在生态用水配置和生态水量调度过程中，通过对永定河全线的控制性水利工程制定科学、统一的水位流量、径流过程、生态基流、水质水温、时序耦合等关键调控阈值，把节水优先这项“刚性约束”贯穿到“规划设计—建设管理—调度运行”的流域生态修复治理全过程、全生命周期中[14]。

4.2 实施南水北调中线向永定河生态补水工程

通过南水北调中线与永定河连通，以及支流间区域内连通互济，增强生态用水调配和保障能力。在保证正常供水目标的前提下，根据丹江口水库水资源条件，相机为永定河进行生态补水，有效推进平原段地下水超采综合治理，逐步实现地下水采补平衡[15]。同时，平原段沿线可根据南水北调来水优化中心城区环境用水配置，多用再生水，适当利用南水北调水。将永定河上游来水着力保障河道生态用水，为促进沿线经济社会可持续发展提供水安全保障。

4.3 构建流域横向水生态补偿机制

按照“谁受益，谁补偿”的原则，加快推进流域内上下游开发地区、受益地区与生态保护地区之间的横向生态补偿研究。根据各方利益诉求，制定符合流域特点和实际的生态补偿方案，促进上下游地区间生态治理保护效益合理分配，建立生态水量保障长效机制[16]。为永定河实现“流动的河，绿色的河，清洁的河，安全的河”治理目标提供制度支撑。