天津市段永定河生态需水量分析

2022-10-27王书凤高树晗李泽军

海河水利 2022年5期

陈敏，王书凤，高树晗，李泽军

（1.天津市水务规划勘测设计有限公司，天津 300204；2.天津市灌溉排水中心，天津 300074；3.天津市水务工程运行调度中心，天津 300074；4.天津市水文水资源管理中心，天津 300061）

推动京津冀协同发展是党中央国务院作出的一项重大战略决策，京津冀地区水资源短缺、水资源开发利用程度过高使得水生态损害、水环境污染等问题较为突出。在《京津冀协同发展规划纲要》中明确指出，要推动“六河五湖”生态治理与生态修复［1］，永定河是“六河五湖”中的重要河流之一，是京津冀区域重要水源涵养区、生态屏障和生态廊道。先行开展永定河综合治理与生态修复，打造绿色生态河流廊道，逐步将永定河恢复为“流动、绿色、清洁、安全”的河，是京津冀协同发展在生态领域率先实现突破的着力点，对改善区域生态环境具有重要的引领示范作用。近年来，永定河京津冀晋四省市积极开展了生态建设实践，已实现清污分流和污水集中收集处理，重点河段生态环境得到了显著改善。2021 年9 月，经上游水库及中游三家店、卢沟桥枢纽等工程联合调度，利用当地地表水、引黄水、南水北调中线水、再生水等多种水源，实现了永定河生态补水入永定新河后入海，永定河865 km河道全线通水。

1 河湖生态环境需水量概念和类型

河湖生态环境需水是维系河流、湖泊、沼泽水生态系统的结构与功能，需要保留在河流、湖泊、沼泽内符合水质要求的流量（水量、水位、水深）及其过程。

河流的自然和生态环境功能，包括以下3 个方面：①水文功能。河流是全球水文循环过程中液态水在陆地表面流动的主要通道。②地质功能。河流动力是塑造全球地形地貌的一个重要因素。③栖息地功能、自净功能等。河流是形成和支持地球上许多生态系统的重要因素，提供各种形态栖息地，为多种生态系统生存和演化提供基本条件。

河湖生态环境需水量分为基本生态需水量和目标生态需水量。基本生态需水量是维持河流、湖泊、沼泽给定的生态保护目标所对应的生态环境功能不丧失，需要保留的基本水流过程；目标生态需水量是维持河流、湖泊、沼泽良好生态状况或维持给定生态保护目标，需要保留的水流过程。河湖生态需水量根据需要可用流量、水量、水位、水深、水面面积等指标表示。

对水资源开发利用程度高、常年断流的北方平原河流，河流控制断面生态需水量的计算可按照给定的生态修复治理目标，分析确定不同时段或全年的水量［2］。

2 永定河生态需水量概况

2.1 河道概况

永定河位于海河流域北部地区，上游桑干河、洋河两大支流在河北省怀来县朱官屯汇合后称永定河，注入官厅水库，在库区纳妫水河，经官厅山峡，于三家店进入平原。三家店以下河道分为四段，即三家店至卢沟桥段、卢沟桥至梁各庄段、永定河泛区和永定新河。

2.2 永定河生态演变概况

永定河是京津冀地区重要的水源地。20 世纪50 年代，永定河水量充沛，洪灾严重，相继在上中游修建了水库等水利枢纽工程，下游兴建了堤防；60年代后，上游来水减少，永定河段出现不同程度的干涸断流；特别是80 年代以后，随着工农业生产用水的增加，永定河缺水状况日趋严重，平原地区河道出现连续断流；90 年代，出现全年断流现象，河道干涸，河床裸露，周边地区地下水位持续下降，流域下游生态环境逐渐恶化。

2005—2014 年的10 a 间，永定河主要河段年最大干涸365 d，年最大断流365 d。其中，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，河流生态严重退化；永定河已无水入天津市境内。天津市段处于长期断流状态，水质恶化，水环境容量已降至低点，从北运河等其他河道引蓄水以供区域农业用水需求。永定河主要河段干涸及断流情况，详见表1。

表1 永定河主要河段干涸及断流情况

2.3 永定河生态修复主要目标和需水量

根据《永定河综合治理与生态修复总体方案》（以下简称《总体方案》），永定河山区段（桑干河、洋河、官厅水库—三家店）以保障河道生态基流为主要目标；平原段（三家店—屈家店）以保障一定河道内生态水面为主要目标，按照溪流贯穿与河道湿地相间的理念，将水体联通功能和自净能力作为主要目标，其中维持水体联通功能需水量主要考虑河流水面的蒸发渗漏损失量、自净功能需水量按4—10 月期间维持河道水体最低流速考虑；滨海段（屈家店—防潮闸）以维持一定槽蓄水面及保障一定入海水量为主要目标，计算维持河道水面及入海水量的生态环境需水量。

按照基本生态环境需水配置，永定河若水量达到2.60 亿m3，则丰水期和枯水期流量过程均能得到有效满足，生态环境得到有效恢复，三家店至屈家店形成长145 km、宽10～30 m 的溪流与湿地相间的水体景观，屈家店以下河段形成长62 km、宽150 m 左右的生态水面并维持入海水量1.10 亿m3，同时回补平原地下水0.69亿m3［3］。

3 天津市段永定河生态需水量计算及成果分析

3.1 永定河分水方案

《总体方案》中指出，按照1956—2010 年水文系列，现状基准年（2014年）正常年份（保证率50%），入津水量为2.09 亿m3；一般枯水年份（保证率75%），入津水量为1.45 亿m3；特殊枯水年份（保证率95%），入津水量为0.90 亿m3。规划2020 年平水年，入津水量为3.01 亿m3；一般枯水年份，入津水量为2.32亿m3；特殊枯水年份，入津水量为1.57亿m3。

3.2 生态需水量分析计算

天津市段永定河处于永定河泛区下段，常年断流，已丧失自然河流特性，《总体方案》中将水体联通功能作为该段的主要生态环境功能。

天津市水资源紧张，地表水资源开发利用程度高达87%［4］，在上游无分水的情况下缺水量较大，无法完全满足永定河的生态用水需求；在上游分水情况下，即2020年特殊枯水年份入津水量为1.57亿m3条件下，维持水体联通功能主要考虑河道内水面的蒸发渗漏损失量。

3.2.1 蒸发损失量

根据水量平衡原理，当水面蒸发量大于降水时，蒸发量为水面蒸发与降水量的差值，计算公式为：

式中：W蒸发为多年年均水面蒸发量（mm）；A为水面面积（m2）；E为多年年均蒸发量（mm）；P为多年年均降水量（mm）。

根据河段所在武清区气象站降雨及蒸发资料统计，多年年均水面蒸发量为1 084 mm，多年年均降雨量为557 mm，因此年蒸发损失量为527 mm。

3.2.2 渗漏损失量

当河道水位高于两岸地下水位时，河道水位在重力的作用下，以渗流的形式补给地下水即为河道渗漏，影响河道渗漏的主要因素有河床地质情况、地下水位埋深等。

河床地质岩性决定入渗能力，当河床岩性为砂性土时，河流渗漏量较大；当河床岩性为黏性土时，河流渗漏量较小。当地下水位埋深较深时，渗流可自由入渗，渗漏量大；当地下水位埋深较浅时，地下水位顶托入渗，渗漏量减小，渗漏量与渗漏强度呈线性关系［5］。

河道渗漏损失一般按经验公式进行计算，公式为：

式中：W渗漏为渗漏水量（m3）；A为水面面积（m2）；K为河道渗漏强度（m/a）。

天津市段永定河河床范围内地层主要由第四系全新统第Ⅰ陆相冲积层、第四系全新统中部冲湖积层及第四系全新统第Ⅰ海相沉积层组成，主要为黏土、粉土和粉质黏土，局部夹粉砂薄层，各土体渗透系数大多在1×10-7～1×10-6cm/s之间，属极微—微透水性［6］。

河道渗漏强度是计算河流入渗补给量的重要参数，一般通过入渗试验获取。2000 年天津市水资源调查评价期间，利用非农灌期间及引黄期间河流上、下游断面测流资料分析计算河道渗漏强度，渗漏强度一般为1～2.6 mm/d［7］。

天津市段永定河位于武清区、北辰区，该区域属北四河下游平原，浅层地下水为全淡水区，易于接受大气降水补给、山前侧向补给、地表水体入渗补给，补给量大，地下水位埋藏浅，虽然多年被大量开采用于农业灌溉和人畜引用，但水位基本没有大的波动［8］。根据天津市水资源公报，天津市段永定河地下水埋深为2.0 m 左右［9］，地下水埋深较浅，平水年地下水埋深等值线如图1所示。

图1 平水年天津市段永定河地下水埋深等值线

河床范围土层属极微—微透水性，地下水埋深约2.0 m，参考附近河道实验数据，永定河渗漏强度系数取2 mm/d，折合为730 mm/a。

3.2.3 生态需水量计算成果

天津市段永定河河道全长36.3 km，河道蜿蜒曲折、滩地宽阔，自然条件有利于生态修复。河道主槽疏挖后水面宽度为70～115 m，水面面积合计222 万m2；局部低洼地区建造湿地工程，利用水生植物净化水质，建设湿地面积共273 万m2。河道堤岸绿色植物形成绿色生态廊道，修复河道自然生态系统，同时形成良好的生态景观效果［10］。

天津市段永定河合计水面面积为495 万m2，蒸发损失量为527 mm/a，渗漏损失量为730 mm/a。经计算，生态需水量为0.07亿m3，计算成果详见表2。

表2 永定河天津段生态环境需水量计算成果

3.3 成果的合理性分析

天津市段永定河河道内土层的透水性为极微—微透水性，且地下水埋深浅，属于地下水补给型河道，渗漏系数参考较近的其他河道的分析成果，采用的渗漏系数是合理的。

天津市蒸发渗漏损失折合水深年均为745～1 270 mm，其中河道蒸发渗漏损失考虑到其边界条件更易于损失水按1 100 mm 计算、湖泊湿地按1 000 mm 计算［11］。本次分析天津市永定河段生态需水量蒸发渗漏损失合计为1 257 mm，与蒸发渗漏损失折合水深年均成果基本相同。因此，本次分析成果是合理的。