胡慶芳，王磊之，萬 超，王銀堂，杜 勇，武笑影

（1.南京水利科學(xué)研究院 水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，210029，南京；2.永定河流域投資有限公司，100193，北京；3.中咨海外咨詢有限公司，100048，北京）

永定河是海河流域七大水系之一，是貫穿京津冀生態(tài)功能區(qū)的天然走廊、京津冀主要功能區(qū)的主軸和傳承京津冀晉深厚歷史文化的載體，與北京、天津等城市的發(fā)展息息相關(guān)。因此，維護(hù)永定河的生命健康、實(shí)現(xiàn)永定河流域水資源可持續(xù)利用是推動(dòng)京津冀地區(qū)協(xié)同發(fā)展的重要基礎(chǔ)，對于保障首都水安全至關(guān)重要。

20世紀(jì)以來，由于降水持續(xù)減少和經(jīng)濟(jì)社會(huì)用水持續(xù)增長，永定河水文情勢發(fā)生了顯著變化，水生態(tài)、水環(huán)境狀況不斷惡化，平原區(qū)河道出現(xiàn)連續(xù)斷流，與其作為綠色生態(tài)廊道的功能定位十分不符。為將永定河恢復(fù)成“流動(dòng)的河、綠色的河、清潔的河、安全的河”，必須在流域可用水量十分有限的情況下，有效保障永定河生態(tài)水量。為此，本文剖析了永定河流域治理的形勢和需求，闡明永定河治理的要點(diǎn)和難點(diǎn)，提出流域多水源配置的基本思路以及生態(tài)水量精細(xì)化調(diào)度的主要框架。

一、永定河治理形勢與需求

永定河發(fā)源于內(nèi)蒙古高原南緣和山西省北部，流經(jīng)河北省，經(jīng)官廳山峽于北京市三家店進(jìn)入華北平原，最后于天津市經(jīng)永定新河注入渤海，流域集水面積4.7萬km2。永定河上游有桑干河、洋河兩大支流，在河北省懷來縣匯合后稱永定河，在官廳水庫以下、三家店以上為山峽段，在三家店后進(jìn)入平原段。永定河上游的晉、冀、內(nèi)蒙古地區(qū)是我國重要能源基地和區(qū)域重要農(nóng)業(yè)產(chǎn)區(qū)；中部的北京市延慶、門頭溝、豐臺等五區(qū)是首都西南門戶，是未來高端服務(wù)業(yè)和現(xiàn)代制造業(yè)發(fā)展聚集區(qū)；下段天津市濱海新區(qū)是未來北方航運(yùn)物流中心和京津冀地區(qū)重要經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶。

20世紀(jì)60年代以來，永定河流域平原區(qū)河道開始頻繁斷流，盧溝橋以下河道斷流天數(shù)從60年代的197天增加到80年代的361天，90年代曾全年斷流、河道完全干涸，同時(shí)流域地下水嚴(yán)重超采。21世紀(jì)以來，我國制訂了《21世紀(jì)初期首都水資源可持續(xù)利用規(guī)劃》和《永定河干流水量分配方案》，實(shí)施工農(nóng)業(yè)節(jié)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，永定河水資源過度開發(fā)、水環(huán)境污染、水生態(tài)退化的問題依然突出。根據(jù)第三次水資源調(diào)查評價(jià)結(jié)果，永定河山區(qū)2001—2016年水資源開發(fā)利用率高達(dá)88%（其中地表水開發(fā)利用率高達(dá)81%）；2016年，京津冀晉四省市水功能區(qū)主要污染物COD和氨氮入河量分別超過納污能力1.5倍和7.6倍，劣Ⅴ類水質(zhì)河段占評價(jià)河段長度的40%，水功能區(qū)水質(zhì)達(dá)標(biāo)率僅26.8%；2005—2014年間，主要河段年均干涸121天，斷流316天，三家店至盧溝橋段處于長期斷流狀態(tài)，盧溝橋至屈家店段基本全年干涸，官廳水庫和三家店年基本生態(tài)環(huán)境需水量滿足程度僅為32%和6.8%，南六環(huán)路至梁各莊等河段由于沙化，河流廊道生態(tài)功能已基本喪失。

中央高度重視永定河生態(tài)環(huán)境綜合治理，習(xí)近平總書記多次做出重要指示。中共中央政治局審議通過的《京津冀協(xié)同發(fā)展規(guī)劃綱要》把推進(jìn)永定河等“六河五湖”生態(tài)治理與修復(fù)作為一項(xiàng)重要內(nèi)容。為貫徹落實(shí)中央決策部署，2016年國家發(fā)改委會(huì)同水利部、國家林業(yè)局組織編制了《永定河綜合治理與生態(tài)修復(fù)總體方案》（以下簡稱《總體方案》），提出按照“山區(qū)節(jié)點(diǎn)保障基流、平原河段維持水面、保障一定入海水量”的思路，實(shí)施永定河綜合治理與生態(tài)修復(fù)，以保障河湖生態(tài)用水為核心，以打造綠色生態(tài)河流廊道為主線，通過加大節(jié)水力度、遏制地下水超采、合理調(diào)配水資源，提升水源涵養(yǎng)能力和生態(tài)容量，將永定河打造為貫穿京津冀晉的綠色生態(tài)河流廊道，恢復(fù)成為“流動(dòng)的河、綠色的河、清潔的河、安全的河”?！犊傮w方案》確定了2020年初步形成永定河綠色生態(tài)廊道的目標(biāo)，永定河基本生態(tài)需水量2.6億m3，滿足河道內(nèi)基本生態(tài)用水需求保證率達(dá)到95%；到2025年，基本建成永定河綠色生態(tài)河流廊道。

二、永定河治理要點(diǎn)和難點(diǎn)

水資源是維系生態(tài)空間、促進(jìn)生態(tài)要素健康流動(dòng)、恢復(fù)生態(tài)環(huán)境功能，重建綠色生態(tài)廊道的關(guān)鍵性要素和最核心因素。永定河治理面臨的最根本問題是水資源短缺。保障永定河生態(tài)環(huán)境水量是確保永定河到2020年初步形成、2025年基本建成綠色生態(tài)河流廊道的基本前提和核心任務(wù)。

永定河流域?qū)儆诎敫珊档貐^(qū)，水資源十分有限且時(shí)空分布極不均勻。據(jù)統(tǒng)計(jì)，永定河官廳水庫以上山區(qū)多年平均水資源總量為26.61億m3，人均水資源量276 m3，僅為全國的9.8%。永定河本地產(chǎn)水主要來自上游山區(qū)，官廳水庫以上的山西、河北所屬地區(qū)總體上處于工業(yè)化和城鎮(zhèn)化中期階段，經(jīng)濟(jì)社會(huì)用水需求比較旺盛，地表和地下水資源長期處于超載狀態(tài)。2001—2016年，永定河流域地表水資源開發(fā)利用率達(dá)到88%，遠(yuǎn)超國際公認(rèn)的40%警戒線。山區(qū)淺層地下水實(shí)際開采量占可開采量的94%，開采總量接近上限。山西大同、朔州，河北張家口等城市區(qū)域超采嚴(yán)重，超采量約1.4億m3；永定河平原區(qū)北京市范圍內(nèi)地下水累計(jì)超采量已達(dá)20億m3。

更為嚴(yán)峻的是，受氣候及下墊面變化影響，近年永定河流域耗水量不斷增加，天然水資源量呈明顯衰減態(tài)勢。據(jù)流域水資源調(diào)查評價(jià)結(jié)果，1956—1979年永定河流域地表水資源量為15.07億m3，1980—2000年降低至10.73億m3，而2001—2016年進(jìn)一步衰減至8.83億m3，相對前兩個(gè)階段減少幅度分別達(dá)41.4%和17.7%。通過水文變異診斷法對冊田水庫、響水堡水庫、官廳水庫1956—2016年徑流量的變異性診斷發(fā)現(xiàn)，各代表站年徑流均表現(xiàn)為顯著的強(qiáng)變異特征，三站的變異年份分別為1982年、1983年、1983年，且在變異年份前后均表現(xiàn)為顯著下降趨勢。圖1進(jìn)一步給出了永定河山區(qū)冊田水庫、響水堡水庫、官廳水庫3個(gè)代表站1961—2016年天然年徑流的年際變化，由該圖可知，3站天然年徑流量均呈顯著下降趨勢，下降率分別為0.89億m3/10a、1.24億m3/10a和2.98億m3/10a。

因此，永定河流域綜合治理和生態(tài)修復(fù)面臨極為嚴(yán)苛緊缺的水資源條件，這大大增加了流域綜合治理和水生態(tài)修復(fù)的艱巨性和復(fù)雜性。永定河綜合治理和水生態(tài)修復(fù)的難點(diǎn)是在當(dāng)?shù)乜衫盟渴钟邢?、河道?nèi)外和上下游以及不同地區(qū)間用水矛盾十分尖銳的情況下保障河道生態(tài)水量，其要點(diǎn)在于統(tǒng)籌河道內(nèi)外和山區(qū)、平原區(qū)用水需求，充分利用流域一切可供利用水量，依托官廳水庫等調(diào)蓄性工程以及引黃供水、南水北調(diào)供水以及再生水供水等配水工程，進(jìn)行多水源的統(tǒng)一配置和精細(xì)化調(diào)度?！犊傮w方案》明確提出：加強(qiáng)永定河生態(tài)水量統(tǒng)一調(diào)度和管理，通過科學(xué)調(diào)度水庫、閘壩，節(jié)約利用當(dāng)?shù)厮?，統(tǒng)籌利用跨流域調(diào)水、再生水等措施，強(qiáng)化經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展各部分之間、區(qū)域之間用水協(xié)調(diào)，切實(shí)保障河道內(nèi)基本生態(tài)需水。

三、永定河生態(tài)水量精細(xì)化調(diào)度框架

為滿足永定河生態(tài)水量保障要求，在北京市科技計(jì)劃項(xiàng)目支持下，南京水利科學(xué)研究院、永定河流域投資有限公司等單位聯(lián)合開展了“永定河多水源聯(lián)合調(diào)控及優(yōu)化調(diào)度技術(shù)研究及應(yīng)用”課題研究。該課題的主要目標(biāo)是解決在緊缺嚴(yán)苛的水資源條件下有效保障和精細(xì)配置河道生態(tài)水量兩個(gè)基本問題，為實(shí)現(xiàn)永定河控制斷面（三家店）基本生態(tài)水量保證率達(dá)到95%、三家店至梁各莊區(qū)間河段維持貫穿溪流及適宜水面提供科學(xué)依據(jù)和技術(shù)手段。

課題按“水源條件-生態(tài)水量目標(biāo)核定-多水源精細(xì)調(diào)度模型構(gòu)建-調(diào)度方案編制-調(diào)控平臺開發(fā)”思路開展研究。綜合分析永定河山區(qū)水庫來水、引黃調(diào)水、南水北調(diào)水和再生水利用潛力，闡明永定河多水源聯(lián)合調(diào)控及河道生態(tài)補(bǔ)水水源條件；針對不同河段生態(tài)修復(fù)目標(biāo)要求，復(fù)核河道主要控制斷面基本生態(tài)水量，細(xì)化生態(tài)水量過程和關(guān)鍵指標(biāo)，評價(jià)生態(tài)水量滿足程度；建立多水源優(yōu)化配置模型，提出水資源總體配置方案，構(gòu)建精細(xì)化調(diào)度模型，研究滿足生態(tài)用水保障目標(biāo)的補(bǔ)水工程優(yōu)化調(diào)度方式；分析不同生態(tài)補(bǔ)水水源協(xié)同方式，提出多種情景下水庫來水、南水北調(diào)水、再生水等多水源的生態(tài)水量調(diào)度方案；提出面向生態(tài)用水的多水源聯(lián)合調(diào)控平臺架構(gòu)，開發(fā)基于以上研究內(nèi)容的核心業(yè)務(wù)功能模塊并開展應(yīng)用平臺示范。

圖1 永定河山區(qū)代表性控制站天然年徑流量及變化趨勢

為實(shí)現(xiàn)課題核心目標(biāo)，需構(gòu)建永定河生態(tài)水量精細(xì)化調(diào)度模型，為多水源配置調(diào)度方案提供研判工具，使水庫、閘壩等各種配水設(shè)施更好地服務(wù)于永定河流域綜合治理。該調(diào)度模型在結(jié)構(gòu)上分為兩部分：①水量模擬模型。在山區(qū)（三家店以上）建立考慮灌區(qū)取用水的分布式水文模型，模擬不同水平年的流域山區(qū)來水過程；在平原區(qū)（三家店至屈家店）則構(gòu)建考慮河道下滲的水動(dòng)力學(xué)模擬模型，模擬水頭從三家店斷面以下河道中的演進(jìn)情形；②水量調(diào)度模型。該調(diào)度模型綜合考慮永定河沿線水庫、閘壩以及南水北調(diào)水、再生水輸配設(shè)施，可預(yù)測不同調(diào)度方案對流域生態(tài)流量的影響，為評估重要斷面的生態(tài)水量滿足程度提供支撐。將永定河水量模擬模型和調(diào)度模型相耦合，形成永定河生態(tài)水量精細(xì)化調(diào)度模型，其精細(xì)化主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：一是在山區(qū)分布式水文模型中綜合考慮下墊面的不均勻性和用水耗水過程；二是在平原區(qū)水動(dòng)力學(xué)模型中則分別考慮不同河段的滲漏特征。

四、總 結(jié)

20世紀(jì)60年代以來，永定河流域受氣候變化和人類活動(dòng)雙重影響，氣象水文情勢發(fā)生了顯著變化，流域水資源過度開發(fā)、水環(huán)境污染、水生態(tài)退化的問題突出。加之永定河流域綜合治理和生態(tài)修復(fù)面臨極為嚴(yán)苛緊缺的水資源條件，河道內(nèi)外、上下游和不同地區(qū)間用水矛盾十分尖銳，這大大增加了流域生態(tài)水量保障工作的艱巨性和復(fù)雜性。

為實(shí)現(xiàn)緊缺嚴(yán)苛的水資源條件下永定河河道生態(tài)水量的有效保障和精細(xì)配置，必須在強(qiáng)化節(jié)水的前提下，考慮未來上游山區(qū)來水條件的變化，充分利用流域一切可供利用的水量，依托官廳水庫等調(diào)蓄性工程以及引黃供水、南水北調(diào)供水以及再生水供水等配水工程，進(jìn)行多水源的統(tǒng)一配置和精細(xì)化調(diào)度。