永定河水生态修复与生态水量精细化调度

胡庆芳，王磊之，万 超，王银堂，杜 勇，武笑影

（1.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，210029，南京；2.永定河流域投资有限公司，100193，北京；3.中咨海外咨询有限公司，100048，北京）

永定河是海河流域七大水系之一，是贯穿京津冀生态功能区的天然走廊、京津冀主要功能区的主轴和传承京津冀晋深厚历史文化的载体，与北京、天津等城市的发展息息相关。因此，维护永定河的生命健康、实现永定河流域水资源可持续利用是推动京津冀地区协同发展的重要基础，对于保障首都水安全至关重要。

20世纪以来，由于降水持续减少和经济社会用水持续增长，永定河水文情势发生了显著变化，水生态、水环境状况不断恶化，平原区河道出现连续断流，与其作为绿色生态廊道的功能定位十分不符。为将永定河恢复成“流动的河、绿色的河、清洁的河、安全的河”，必须在流域可用水量十分有限的情况下，有效保障永定河生态水量。为此，本文剖析了永定河流域治理的形势和需求，阐明永定河治理的要点和难点，提出流域多水源配置的基本思路以及生态水量精细化调度的主要框架。

一、永定河治理形势与需求

永定河发源于内蒙古高原南缘和山西省北部，流经河北省，经官厅山峡于北京市三家店进入华北平原，最后于天津市经永定新河注入渤海，流域集水面积4.7万km2。永定河上游有桑干河、洋河两大支流，在河北省怀来县汇合后称永定河，在官厅水库以下、三家店以上为山峡段，在三家店后进入平原段。永定河上游的晋、冀、内蒙古地区是我国重要能源基地和区域重要农业产区；中部的北京市延庆、门头沟、丰台等五区是首都西南门户，是未来高端服务业和现代制造业发展聚集区；下段天津市滨海新区是未来北方航运物流中心和京津冀地区重要经济发展带。

20世纪60年代以来，永定河流域平原区河道开始频繁断流，卢沟桥以下河道断流天数从60年代的197天增加到80年代的361天，90年代曾全年断流、河道完全干涸，同时流域地下水严重超采。21世纪以来，我国制订了《21世纪初期首都水资源可持续利用规划》和《永定河干流水量分配方案》，实施工农业节水、水土保持和水污染治理等一系列措施，并取得了一定成效。然而，永定河水资源过度开发、水环境污染、水生态退化的问题依然突出。根据第三次水资源调查评价结果，永定河山区2001—2016年水资源开发利用率高达88%（其中地表水开发利用率高达81%）；2016年，京津冀晋四省市水功能区主要污染物COD和氨氮入河量分别超过纳污能力1.5倍和7.6倍，劣Ⅴ类水质河段占评价河段长度的40%，水功能区水质达标率仅26.8%；2005—2014年间，主要河段年均干涸121天，断流316天，三家店至卢沟桥段处于长期断流状态，卢沟桥至屈家店段基本全年干涸，官厅水库和三家店年基本生态环境需水量满足程度仅为32%和6.8%，南六环路至梁各庄等河段由于沙化，河流廊道生态功能已基本丧失。

中央高度重视永定河生态环境综合治理，习近平总书记多次做出重要指示。中共中央政治局审议通过的《京津冀协同发展规划纲要》把推进永定河等“六河五湖”生态治理与修复作为一项重要内容。为贯彻落实中央决策部署，2016年国家发改委会同水利部、国家林业局组织编制了《永定河综合治理与生态修复总体方案》（以下简称《总体方案》），提出按照“山区节点保障基流、平原河段维持水面、保障一定入海水量”的思路，实施永定河综合治理与生态修复，以保障河湖生态用水为核心，以打造绿色生态河流廊道为主线，通过加大节水力度、遏制地下水超采、合理调配水资源，提升水源涵养能力和生态容量，将永定河打造为贯穿京津冀晋的绿色生态河流廊道，恢复成为“流动的河、绿色的河、清洁的河、安全的河”。《总体方案》确定了2020年初步形成永定河绿色生态廊道的目标，永定河基本生态需水量2.6亿m3，满足河道内基本生态用水需求保证率达到95%；到2025年，基本建成永定河绿色生态河流廊道。

二、永定河治理要点和难点

水资源是维系生态空间、促进生态要素健康流动、恢复生态环境功能，重建绿色生态廊道的关键性要素和最核心因素。永定河治理面临的最根本问题是水资源短缺。保障永定河生态环境水量是确保永定河到2020年初步形成、2025年基本建成绿色生态河流廊道的基本前提和核心任务。

永定河流域属于半干旱地区，水资源十分有限且时空分布极不均匀。据统计，永定河官厅水库以上山区多年平均水资源总量为26.61亿m3，人均水资源量276 m3，仅为全国的9.8%。永定河本地产水主要来自上游山区，官厅水库以上的山西、河北所属地区总体上处于工业化和城镇化中期阶段，经济社会用水需求比较旺盛，地表和地下水资源长期处于超载状态。2001—2016年，永定河流域地表水资源开发利用率达到88%，远超国际公认的40%警戒线。山区浅层地下水实际开采量占可开采量的94%，开采总量接近上限。山西大同、朔州，河北张家口等城市区域超采严重，超采量约1.4亿m3；永定河平原区北京市范围内地下水累计超采量已达20亿m3。

更为严峻的是，受气候及下垫面变化影响，近年永定河流域耗水量不断增加，天然水资源量呈明显衰减态势。据流域水资源调查评价结果，1956—1979年永定河流域地表水资源量为15.07亿m3，1980—2000年降低至10.73亿m3，而2001—2016年进一步衰减至8.83亿m3，相对前两个阶段减少幅度分别达41.4%和17.7%。通过水文变异诊断法对册田水库、响水堡水库、官厅水库1956—2016年径流量的变异性诊断发现，各代表站年径流均表现为显著的强变异特征，三站的变异年份分别为1982年、1983年、1983年，且在变异年份前后均表现为显著下降趋势。图1进一步给出了永定河山区册田水库、响水堡水库、官厅水库3个代表站1961—2016年天然年径流的年际变化，由该图可知，3站天然年径流量均呈显著下降趋势，下降率分别为0.89亿m3/10a、1.24亿m3/10a和2.98亿m3/10a。

因此，永定河流域综合治理和生态修复面临极为严苛紧缺的水资源条件，这大大增加了流域综合治理和水生态修复的艰巨性和复杂性。永定河综合治理和水生态修复的难点是在当地可利用水量十分有限、河道内外和上下游以及不同地区间用水矛盾十分尖锐的情况下保障河道生态水量，其要点在于统筹河道内外和山区、平原区用水需求，充分利用流域一切可供利用水量，依托官厅水库等调蓄性工程以及引黄供水、南水北调供水以及再生水供水等配水工程，进行多水源的统一配置和精细化调度。《总体方案》明确提出：加强永定河生态水量统一调度和管理，通过科学调度水库、闸坝，节约利用当地水，统筹利用跨流域调水、再生水等措施，强化经济社会发展各部分之间、区域之间用水协调，切实保障河道内基本生态需水。

三、永定河生态水量精细化调度框架

为满足永定河生态水量保障要求，在北京市科技计划项目支持下，南京水利科学研究院、永定河流域投资有限公司等单位联合开展了“永定河多水源联合调控及优化调度技术研究及应用”课题研究。该课题的主要目标是解决在紧缺严苛的水资源条件下有效保障和精细配置河道生态水量两个基本问题，为实现永定河控制断面（三家店）基本生态水量保证率达到95%、三家店至梁各庄区间河段维持贯穿溪流及适宜水面提供科学依据和技术手段。

课题按“水源条件-生态水量目标核定-多水源精细调度模型构建-调度方案编制-调控平台开发”思路开展研究。综合分析永定河山区水库来水、引黄调水、南水北调水和再生水利用潜力，阐明永定河多水源联合调控及河道生态补水水源条件；针对不同河段生态修复目标要求，复核河道主要控制断面基本生态水量，细化生态水量过程和关键指标，评价生态水量满足程度；建立多水源优化配置模型，提出水资源总体配置方案，构建精细化调度模型，研究满足生态用水保障目标的补水工程优化调度方式；分析不同生态补水水源协同方式，提出多种情景下水库来水、南水北调水、再生水等多水源的生态水量调度方案；提出面向生态用水的多水源联合调控平台架构，开发基于以上研究内容的核心业务功能模块并开展应用平台示范。

图1 永定河山区代表性控制站天然年径流量及变化趋势

为实现课题核心目标，需构建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研判工具，使水库、闸坝等各种配水设施更好地服务于永定河流域综合治理。该调度模型在结构上分为两部分：①水量模拟模型。在山区（三家店以上）建立考虑灌区取用水的分布式水文模型，模拟不同水平年的流域山区来水过程；在平原区（三家店至屈家店）则构建考虑河道下渗的水动力学模拟模型，模拟水头从三家店断面以下河道中的演进情形；②水量调度模型。该调度模型综合考虑永定河沿线水库、闸坝以及南水北调水、再生水输配设施，可预测不同调度方案对流域生态流量的影响，为评估重要断面的生态水量满足程度提供支撑。将永定河水量模拟模型和调度模型相耦合，形成永定河生态水量精细化调度模型，其精细化主要体现在两个方面：一是在山区分布式水文模型中综合考虑下垫面的不均匀性和用水耗水过程；二是在平原区水动力学模型中则分别考虑不同河段的渗漏特征。

四、总 结

20世纪60年代以来，永定河流域受气候变化和人类活动双重影响，气象水文情势发生了显著变化，流域水资源过度开发、水环境污染、水生态退化的问题突出。加之永定河流域综合治理和生态修复面临极为严苛紧缺的水资源条件，河道内外、上下游和不同地区间用水矛盾十分尖锐，这大大增加了流域生态水量保障工作的艰巨性和复杂性。

为实现紧缺严苛的水资源条件下永定河河道生态水量的有效保障和精细配置，必须在强化节水的前提下，考虑未来上游山区来水条件的变化，充分利用流域一切可供利用的水量，依托官厅水库等调蓄性工程以及引黄供水、南水北调供水以及再生水供水等配水工程，进行多水源的统一配置和精细化调度。