孫 冉，潘興瑤，王俊文，任 宇，杜 鵬，馬 堯，邢 淵

（1.北京市水科學(xué)技術(shù)研究院，北京100048；2.北京市非常規(guī)水資源開(kāi)發(fā)利用與節(jié)水工程技術(shù)中心，北京100048；3.北京市水資源調(diào)度中心，北京100038；4.北京市京密引水管理處，北京101400）

0 引 言

流域水循環(huán)過(guò)程改變一方面受氣候變化等自然節(jié)律影響，同時(shí)還受水庫(kù)、堤壩工程建設(shè)和水資源利用等人為因素影響，使得河道下游水量、水質(zhì)、泥沙等過(guò)程發(fā)生改變［1］。進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，我國(guó)北方很多流域氣象、水文要素變化顯著，降雨量明顯減少、上游來(lái)水也持續(xù)減少，導(dǎo)致下游河道出現(xiàn)斷流引發(fā)系列生態(tài)環(huán)境問(wèn)題，如河道生態(tài)流量缺失、平原荒漠化、地表水與地下水補(bǔ)排關(guān)系失衡、甚至有些河道由于常年干枯斷流，河床、河漫灘土壤干化、沙化，有些已經(jīng)形成“沙龍”，生物環(huán)境遭到破壞，眾多本底水生物種消失［2，3］。

生態(tài)補(bǔ)水是解決斷流河道水資源短缺的有效途徑，科學(xué)的生態(tài)補(bǔ)水需要針對(duì)性的結(jié)合河道水文地理?xiàng)l件和水文地質(zhì)條件，制定科學(xué)有效的補(bǔ)水方案［4］。一般認(rèn)為對(duì)斷流河道進(jìn)行生態(tài)補(bǔ)水需要科學(xué)確定斷流河道所需的生態(tài)補(bǔ)水總量，通過(guò)補(bǔ)水過(guò)程分析，量化補(bǔ)水過(guò)程的主要損耗（包括蒸發(fā)量和渠道入滲量等）［5，6］，以確保補(bǔ)水的生態(tài)效益最優(yōu)。最終實(shí)現(xiàn)加強(qiáng)水資源節(jié)約、水環(huán)境保護(hù)和水生態(tài)修復(fù)的目標(biāo)。

永定河是北京市重要的水源地，同時(shí)也是全國(guó)四大重點(diǎn)防洪江河之一，永定河作為“京西綠色生態(tài)走廊與城市西南的生態(tài)屏障”，對(duì)北京的生態(tài)環(huán)境品質(zhì)提升和區(qū)域可持續(xù)發(fā)展意義重大。當(dāng)前永定河河道生態(tài)用水長(zhǎng)期得不到保障，地表干枯、河床沙化、植被退化，河流水陸生態(tài)系統(tǒng)嚴(yán)重退化，已嚴(yán)重影響了永定河生態(tài)服務(wù)功能的發(fā)揮，通過(guò)生態(tài)補(bǔ)水進(jìn)行生態(tài)修復(fù)刻不容緩。水利部分別于2019 和2020年啟動(dòng)了永定河生態(tài)補(bǔ)水工作，有效緩解了永定河流域缺水的緊張局面。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)概況

永定河上游是陰山和太行山支脈所包圍的高原，有桑干河、洋河兩大支流［7］，總流域面積4.7 萬(wàn)km2，永定河流域多年平均降水量在370～650 mm 之間。其中，永定河北京段全長(zhǎng)169.7 km（官?gòu)d水庫(kù)壩下至梁各莊出境），高程介于22.3～425 m 之間。永定河北京段通常分為三段，其中從官?gòu)d水庫(kù)至三家店為官?gòu)d山峽段，長(zhǎng)度92 km［8］，高差340 m。三家店至南六環(huán)定水橋?yàn)槠皆鞘泻佣?，河道長(zhǎng)37 km；南六環(huán)至梁各莊出境段為平原郊野河段，長(zhǎng)度為41 km。沿程主要建有：珠窩水庫(kù)、落坡嶺水庫(kù)、三家店攔河閘、盧溝橋攔河閘、滯洪水庫(kù)等（如圖1所示）。

圖1 永定河流域研究區(qū)示意圖Fig.1 Study area of Yongding River Basin

1.2 研究數(shù)據(jù)

本研究通過(guò)構(gòu)建永定河一維河道模型定量模擬河道生態(tài)補(bǔ)水過(guò)程及其影響。模型覆蓋清水河、永定河干流，模型構(gòu)建所需數(shù)據(jù)主要包括空間地理基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和補(bǔ)水過(guò)程監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，其中空間地理基礎(chǔ)數(shù)據(jù)包括：永定河北京段流域邊界、數(shù)字高程圖（DEM，Digital Elevation Model）、土壤類(lèi)型圖、土地利用圖、河網(wǎng)圖等（如表1所示）。補(bǔ)水過(guò)程監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)主要結(jié)合永定河生態(tài)補(bǔ)水，選取沿線5 個(gè)關(guān)鍵斷面進(jìn)行過(guò)程監(jiān)測(cè)：官?gòu)d水庫(kù)（壩下）、雁翅站、隴駕莊站、三家店攔河閘和盧溝橋攔河閘，監(jiān)測(cè)指標(biāo)主要包括水位、流量過(guò)程數(shù)據(jù)，以進(jìn)行生態(tài)補(bǔ)水過(guò)程與效益分析。

表1 數(shù)據(jù)來(lái)源Tab.1 Data sources

1.3 模型構(gòu)建

本研究通過(guò)構(gòu)建永定河一維河道水動(dòng)力學(xué)模型來(lái)模擬河道水流過(guò)程，一維水動(dòng)力學(xué)模型可以快速、準(zhǔn)確地模擬復(fù)雜河網(wǎng)的水位、流量過(guò)程，模型在無(wú)支流交匯河段采用圣維南方程組的動(dòng)力波演算方法［9］，基于垂向積分的水量和動(dòng)量守恒方程［10，11］。

質(zhì)量守恒方程（連續(xù)方程）：

動(dòng)量方程：

式中：A為過(guò)水?dāng)嗝婷娣e，m2；Q為流量，m3/s；x為距離坐標(biāo)，m；t為時(shí)間坐標(biāo)，s；h為水位，m；q為旁側(cè)入流流量，m3/s，；c為謝才系數(shù)；n為河床糙率系數(shù)，R為水力半徑，m；g為重力加速度，m/s2。

時(shí)光飛逝，2018年也邁入了最后一個(gè)月份。好在元旦的鐘聲敲響前，還有一個(gè)溫暖的圣誕節(jié)——這個(gè)來(lái)自西方的節(jié)日同樣受到國(guó)人的歡迎，大概是因?yàn)樗屛覀兛梢耘c相愛(ài)的人相聚在一起，彼此交換禮物，回顧這一年攜手共度的點(diǎn)點(diǎn)滴滴。

本研究以實(shí)測(cè)2019年和2020年兩次生態(tài)補(bǔ)水流量過(guò)程為模型輸入。具體生態(tài)補(bǔ)水流量過(guò)程線如圖2所示。

圖2 生態(tài)補(bǔ)水流量過(guò)程線（官?gòu)d水庫(kù)斷面）Fig.2 Process line of ecological replenishment flow（Guanting Reservoir section）

1.4 模型率定與驗(yàn)證

為了提升模型模擬精度，利用2019年（3月13日至6月16日）生態(tài)補(bǔ)水監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行參數(shù)率定，利用2020年（4月20日至5月20日）生態(tài)補(bǔ)水?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行模型驗(yàn)證，主要率定的參數(shù)為：河道入滲系數(shù)、河道糙率系數(shù)。

山峽段河道滲漏主要集中在下落坡嶺水庫(kù)至三家店段［12］，河道入滲試驗(yàn)結(jié)果表明落坡嶺至三家店河道平均入滲強(qiáng)度約0.2 m/d。根據(jù)水量平衡原理，基于河道監(jiān)測(cè)斷面實(shí)測(cè)的流量數(shù)據(jù)，逐段計(jì)算河道入滲能力，設(shè)置河道滲漏參數(shù)。根據(jù)永定河防洪規(guī)劃的糙率取值，主河槽糙率n＝0.035，有雜草的灘地n=0.045，有樹(shù)林灘地n=0.06，結(jié)合實(shí)測(cè)水位流量數(shù)據(jù)，采用試錯(cuò)法設(shè)置和率定糙率值。

本研究選取4個(gè)判斷指標(biāo)來(lái)量化模擬精度：絕對(duì)誤差（用于表示模擬值和實(shí)測(cè)值的差值，該值越小表示模擬精度越高），相對(duì)誤差（絕對(duì)誤差與實(shí)測(cè)值的比值），納什效率系數(shù)（NSE，Nash Sutcliffe Efficiency，取值范圍為負(fù)無(wú)窮至1，值接近于1 表示模擬精度越高；值接近于0 表示模擬結(jié)果接近觀測(cè)值的平均值），均方根誤差（RMSE，root-mean-square error，也稱(chēng)作標(biāo)準(zhǔn)誤差，用來(lái)衡量觀測(cè)值同真值之間的偏差，能夠很好地反映出測(cè)量的精密度）。

（1）參數(shù)率定。參數(shù)率定過(guò)程中，三家店實(shí)測(cè)水位波動(dòng)較大，這是由于人為調(diào)度閘門(mén)所致。三家店攔河閘通過(guò)攔蓄上游來(lái)水形成一定的河道調(diào)蓄容積（設(shè)計(jì)水位107.51 m、校核水位109.35 m），調(diào)蓄能力最大為200 萬(wàn)m3。三家店攔河閘位于永定河出山口附近，具有重要的攔蓄洪水的作用。攔河閘上游左岸的進(jìn)水閘就是永定河引水渠的起點(diǎn)，三家店攔河閘蓄水后可通過(guò)永定河引水渠向城區(qū)河湖生態(tài)供水，2019年生態(tài)補(bǔ)水期選取時(shí)段為3月13日至6月20日（圖3），歷時(shí)100 d，期間向城區(qū)補(bǔ)水4 726 萬(wàn)m3，最大補(bǔ)水量為10 m3/s。綜合受到2019年生態(tài)補(bǔ)水期間上游來(lái)水量小（官?gòu)d出庫(kù)最大僅為40 m3/s），同時(shí)兼顧三家店水庫(kù)要維持一定水面面積、確保下泄量和為城區(qū)河湖生態(tài)供水等目標(biāo)，管理單位對(duì)三家店攔河閘進(jìn)行頻繁調(diào)度，水位波動(dòng)受人為影響波動(dòng)相對(duì)明顯，介于106.66～108.19 m之間。三家店斷面是山峽段的下游出口邊界，且山峽段地形落差高達(dá)336.2 m，因此，三家店斷面水位波動(dòng)對(duì)山峽段整體計(jì)算的水位、流量結(jié)果影響都較小。經(jīng)過(guò)參數(shù)率定，模擬水位和實(shí)測(cè)水位一致性較好，模型可以用于補(bǔ)水過(guò)程分析。

圖3 2019年生態(tài)補(bǔ)水模擬水位定結(jié)果Fig.3 Simulation results of water level for ecological replenishment in 2019

永定河（北京段）自1993年來(lái)基本沒(méi)有洪水，河床沙粒徑變化不大，河床質(zhì)為砂卵石，跟永定河目前河床形態(tài)及植被狀況，糙率介于0.03 左右。構(gòu)建的山峽段河道模型為一維河道模型，糙率系數(shù)在合理取值范圍內(nèi)主要通過(guò)影響河水流速進(jìn)而影響流量，入滲系數(shù)主要影響河道滲漏補(bǔ)給量。參數(shù)率定結(jié)果表明，2個(gè)參數(shù)分別在合理取值范圍時(shí)對(duì)模擬結(jié)果相對(duì)敏感，當(dāng)取值超出合理范圍后模擬結(jié)果變化不大?；?019年生態(tài)補(bǔ)水過(guò)程數(shù)據(jù)，率定的河道綜合糙率系數(shù)在合理取值范圍內(nèi)，介于0.015～0.05 之間，并分段確定了河道的入滲系數(shù)（如表3所示）。

表2 2019年生態(tài)補(bǔ)水模型計(jì)算水位與實(shí)測(cè)對(duì)比Tab.2 Comparison between calculated water level and measured water level of ecological replenishment model in 2019

表3 河道分段糙率賦值表Tab.3 Roughness assignment of channel segments

圖4 2020年生態(tài)補(bǔ)水模型水位驗(yàn)證Fig.4 Water level verification of ecological replenishment model in 2020

表4 2020年生態(tài)補(bǔ)水模型計(jì)算水位與實(shí)測(cè)對(duì)比Tab.4 Comparison between calculated water level and measured water level of ecological replenishment model in 2020

2 結(jié)果分析

2.1 2019年生態(tài)補(bǔ)水過(guò)程及其水量平衡分析

模擬結(jié)果表明2019年3月14日至6月6日永定河山峽區(qū)間春季補(bǔ)水總量為2.2 億m3。官?gòu)d水庫(kù)至雁翅段長(zhǎng)度為59 km，損失水量是1 313.21 萬(wàn)m3，雁翅至隴駕莊段長(zhǎng)度為30 km，損失水量737.05 萬(wàn)m3，隴駕莊至三家店攔河閘段長(zhǎng)度為11.5 km，損失水量2 025.46 萬(wàn)m3，合計(jì)滲漏損失水量為4 075.72 萬(wàn)m3，河段綜合損失率為18.5%。與實(shí)測(cè)滲漏損失水量4 399.7 萬(wàn)m3相差323.98萬(wàn)m3，則山峽段補(bǔ)水損失相對(duì)誤差為7.4%。

模型計(jì)算各關(guān)鍵斷面的流量過(guò)程如圖5所示，官?gòu)d、雁翅、隴駕莊和三家店峰值流量分別為40、37.13、34.44 和35.80 m3/s，官?gòu)d至雁翅、雁翅至隴駕莊、隴駕莊至三家店峰值削減率分別為7.2%、7.3%、9.2%，峰現(xiàn)時(shí)間雁翅、隴駕莊、三家店分別比官?gòu)d水庫(kù)延遲36、42、54 h。

圖5 2019年各監(jiān)測(cè)斷面流量過(guò)程Fig.5 Flow process of each monitored section in 2019

2.2 2020年生態(tài)補(bǔ)水過(guò)程及其水量平衡分析

模擬結(jié)果表明2020年4月20日至5月15日永定河山峽區(qū)間春季補(bǔ)水總量1 6264.28 萬(wàn)m3。官?gòu)d水庫(kù)至雁翅、雁翅至隴駕莊、隴駕莊至三家店攔河閘的損失水量分別為349.35 萬(wàn)、630.38 萬(wàn)和2 176.9 萬(wàn)m3。模型計(jì)算得出官?gòu)d水庫(kù)至三家店攔河閘滲漏水量為3 156.63 萬(wàn)m3，河段綜合損失率為19.4%。與實(shí)測(cè)滲漏水量3 630.01 萬(wàn)m3相差473.4 萬(wàn)m3，則山峽段補(bǔ)水損失相對(duì)誤差為13%。

模型計(jì)算各關(guān)鍵斷面的流量過(guò)程如圖6所示，官?gòu)d、雁翅、隴駕莊和三家店峰值流量分別為100、96.26、94.23 和79.89 m3/s，官?gòu)d至雁翅、雁翅至隴駕莊、隴駕莊至三家店峰值削減率分別為3.74%，2.11%，15.2%，峰現(xiàn)時(shí)間雁翅、隴駕莊、三家店分別比官?gòu)d水庫(kù)延遲28、40、45 h。

圖6 2020年各監(jiān)測(cè)斷面流量過(guò)程Fig.6 Flow process of each monitored section in 2020

2.3 不同生態(tài)補(bǔ)水效益對(duì)比分析

基于模型分別模擬官?gòu)d水庫(kù)分別以5，10，20，40，80，100，120 和150 m3/s 等8 種出庫(kù)情景，對(duì)比分析下游各斷面峰值流量和和達(dá)到峰值所需時(shí)間（圖7，圖8）。

圖7 不同官?gòu)d水庫(kù)補(bǔ)水情景下游各斷面峰值流量Fig.7 Peak flow of each section downstream of different Guanting reservoirs under different water replenishment scenarios

圖8 不同情景下游各斷面達(dá)到峰值流量所需時(shí)間Fig.8 The time required for each section downstream of different scenarios to reach the peak flow

官?gòu)d水庫(kù)補(bǔ)水流量越大，下游各斷面峰值流量的削減率越小。當(dāng)補(bǔ)水量為5 m3/s 時(shí)，三家店斷面峰值流量為2.18 m3/s，流量削減率達(dá)到56%。當(dāng)補(bǔ)水量達(dá)到150 m3/s 時(shí)，三家店斷面峰值流量為130.1 m3/s，流量削減率達(dá)到13%。在情景5 當(dāng)官?gòu)d水庫(kù)補(bǔ)水流量為80 m3/s時(shí)，下游斷面流量削減率也維持在較低水平達(dá)到15%，因此，在水量水源相對(duì)充足的條件下，為了減少沿途流量損失補(bǔ)水流量適宜維持在80 m3/s。

官?gòu)d水庫(kù)下游各斷面流量達(dá)到峰值流量所需時(shí)間隨著補(bǔ)水流量的增大而縮短，不同官?gòu)d水庫(kù)生態(tài)補(bǔ)水情景下三家店達(dá)到峰值流量所需時(shí)間介于33～261 h 之間。水量傳輸主要受傳輸距離和高程落差影響，雁翅、隴駕莊、三家店與官?gòu)d水庫(kù)之間的距離分別為63、97.4 和108.3 km，高差分別為205.6、305.2 和336.2 m。在情景1 補(bǔ)水量為5 m3/s 時(shí)，官?gòu)d水庫(kù)到三家店的水量傳輸時(shí)間主要消耗在官?gòu)d水庫(kù)到雁翅之間約占60%。當(dāng)補(bǔ)水流量大于10 m3/s時(shí)，傳輸時(shí)間主要消耗在隴駕莊至三家店之間。當(dāng)補(bǔ)水流量介于5～40 m3/s之間，隴駕莊至三家店之間隨著流量增加水量傳輸時(shí)間顯著減少。當(dāng)流量大于80 m3/s 時(shí)，3 處斷面達(dá)到峰值流量所需時(shí)間相近。因此，從水量傳輸時(shí)間效率分析，在水源相對(duì)充足的條件下，補(bǔ)水流量介于40～80 m3/s之間效率最高。

2.4 補(bǔ)水方案優(yōu)化與建議

根據(jù)情景1 模擬結(jié)果，當(dāng)官?gòu)d水庫(kù)補(bǔ)水量為5 m3/s 時(shí)，三家店斷面峰值流量為2.18 m3/s，則官?gòu)d水庫(kù)至三家店河道入滲能力約為3 m3/s，進(jìn)一步模擬結(jié)果表明當(dāng)官?gòu)d水庫(kù)以3 m3/s下泄進(jìn)行為期20 d 的生態(tài)補(bǔ)水時(shí)，恰好無(wú)水量到達(dá)三家店，生態(tài)補(bǔ)水全部用于官?gòu)d水庫(kù)至三家店全段渠道滲漏損失。表明在補(bǔ)水期官?gòu)d水庫(kù)下泄流量保持不小于10 m3/s、非補(bǔ)水期官?gòu)d水庫(kù)下泄流量保持不小于3 m3/s 進(jìn)行精準(zhǔn)補(bǔ)水，這是恢復(fù)流域水生態(tài)的最低補(bǔ)水閾值。

生態(tài)補(bǔ)水流量越小，流量損失率越大，且隨著補(bǔ)水流量的減小，流量損失率的增幅越大。因此，生態(tài)補(bǔ)水時(shí)，為減小流量損失，提高補(bǔ)水流量利用率，在水源相對(duì)充足的條件下，建議補(bǔ)水流量介于40～80 m3/s 之間。在水源有限條件下，可適當(dāng)考慮大流量補(bǔ)水和小流量補(bǔ)水交替進(jìn)行，可實(shí)現(xiàn)減少過(guò)程損失，同時(shí)還能實(shí)現(xiàn)全線貫通的目的。

此外，干旱斷流地區(qū)蒸發(fā)量較大，可以考慮中水回用、人工補(bǔ)水等非常規(guī)水源。通過(guò)景觀營(yíng)造強(qiáng)化河流的節(jié)水和保水措施，降低補(bǔ)水用水過(guò)程中的消耗，也是維系河流水文平衡的重要方法，如永定河的“五湖一線”工程［15］等，如對(duì)河床采用防滲膜或防滲墻等做防滲處理，盡量減少滲透量，達(dá)到蓄存河道水量的效果。

3 結(jié) 語(yǔ)

北方地區(qū)河道斷流現(xiàn)象普遍，帶來(lái)一系列生態(tài)環(huán)境問(wèn)題，實(shí)施生態(tài)補(bǔ)水是恢復(fù)河道基本生態(tài)功能的有效途徑。本研究永定河流域北京段為研究區(qū)，通過(guò)構(gòu)建河道一維水動(dòng)力學(xué)模型，基于實(shí)測(cè)2019年和2020年生態(tài)補(bǔ)水?dāng)?shù)據(jù)資料，對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證，并基于模型分析了永定河兩次生態(tài)補(bǔ)水的過(guò)程和實(shí)際效益。

結(jié)果表明生態(tài)補(bǔ)水是解決斷流河道水資源短缺的有效途徑，補(bǔ)水過(guò)程中蒸發(fā)和滲漏損失量約占20%。官?gòu)d水庫(kù)補(bǔ)水流量越大，下游各斷面峰值流量的削減率越小，當(dāng)官?gòu)d水庫(kù)補(bǔ)水量為5 m3/s時(shí)，三家店峰值流量削減率為56%，如果補(bǔ)水量小于3 m3/s時(shí)，則三家店流量為0。生態(tài)補(bǔ)水時(shí)，若水源相對(duì)充足，建議補(bǔ)水流量介于40～80 m3/s之間；若水源有限時(shí)，可適當(dāng)考慮大流量補(bǔ)水和小流量補(bǔ)水交替進(jìn)行。

河道的生態(tài)環(huán)境恢復(fù)難度大影響因素復(fù)雜，需要合理采取科學(xué)的補(bǔ)水措施進(jìn)行生態(tài)修復(fù)，逐步恢復(fù)河流自然的水文過(guò)程和自然功能，形成自然的河漫灘和河岸系統(tǒng)，改善斷流河道地區(qū)常年缺水、河道萎縮的現(xiàn)狀。