1950—1990年北京永定河水利工程的環境負效應

張　琳,李　晗,張連偉

(北京林業大學人文社會科學學院,北京　100083)

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1950—1990年北京永定河水利工程的環境負效應

張琳,李晗,張連偉

(北京林業大學人文社會科學學院,北京100083)

1950—1990年期間永定河上修建了眾多水利工程,如官廳水庫、珠窩水庫、三家店攔河閘等,這些水利工程在一定程度上滿足了城市發展和居民生活的需要,保障了下游河段的安全,降低了洪水的可能性,但也導致了永定河流域生態環境的惡化。眾多水利工程攔截了大量地表水,導致下游徑流減少,直至斷流;河性發生改變,河床出現粗化;地下水超采,地下水位埋深下降;土地沙化,形成沙源,風沙災害加劇。永定河由多水變為缺水,由水災為主變為風沙災害為主。

水利工程;環境蛻化;風沙災害；永定河

永定河屬于海河水系,從其發源地到入海口流經太行山及燕山山脈,貫穿內蒙古、山西、河北、北京及天津5個省級轄區,全長總計超過680 km。永定河有2條主要源頭河流,分別是桑干河和洋河,2條河流在河北省朱官屯村交匯,交匯后的河段稱為永定河,向東南流去,自河北省懷來縣幽州村流入北京境內,在北京境內穿越門頭溝區的山峽,于三家店進入平原地區,沿石景山、豐臺向南而流,在大興崔指揮營村出北京再入河北省境內,流至天津市屈家店匯入永定新河,最終在天津北塘流入渤海。永定河在北京境內長約165.5 km,流經5個區縣,流域面積達3 168 km2,占全市總面積18.9%,是流經北京市境內最長的一條河流,在北京的城市發展史上占有重要地位,被稱為北京的母親河。

1　永定河水利工程修建的原因和過程

1.1修建原因

元代以來,永定河兩岸水土流失嚴重,水災頻發。清朝時期,永定河大約每4年發生1次水災,民國時期更是平均每2年1次水災,其中1913、1917、1924、1925、1929、1939年為特大水災[1]。1924年7、8月間,華北連續大雨,永定河水位猛漲,最高時達到約8.3 m,最大洪峰流量達4 920 m3/s[2]。1939年7、8月間,北京地區連續多次的長時間暴雨導致永定河發生水災,至8月上旬,水位急劇上漲,據盧溝橋監測站所監測的數據顯示,最大流量達4 390 m3/s[3],成為民國時期永定河最為嚴重的一次水災。新中國建立后,永定河又分別在1950、1952、1953、1954、1956年發生不同程度的水災及次生災害。其中1950年8月4日14時前后,永定河三家店水文站監測到最大洪峰值2 750 m3/s,北天堂以下左堤出現大小險情28處次,最高水位升至64.4 m。1954年8月,城近郊區及房山、大興、昌平等普降暴雨,永定河兩岸再次出險,僅左岸大興段出險82次。1956年7月下旬至8月間,北京地區連續出現降雨,據齋堂水文站記錄,降水量為955.3 mm,該降水量是齋堂水文站有水文記錄的45年來最大降水量[4]。8月3日,官廳山峽大暴雨,導致官廳水庫水位上漲,曾達475.52 m,瀕臨警戒線,不得不泄洪,又致使下游永定河道水位上漲,三家店站和盧溝橋站洪峰水位分別達到106.68 m和65.15 m,最終導致大興縣西麻各莊決口[5]。

永定河水災及其次生災害,威脅到北京的城市安全,給人民的生命財產帶來巨大損失。首先,洪水易使河岸決口,對河道本身帶來損害,1912年“北五工七號決口一百十丈”,1913年“南岸五工十九號決口七十余丈”,1916年“北岸六工頭號決口六十余丈”,1917年“北三工二十三號,決口二百五十六丈”,1924年“永定河南岸決口四處”[4]。其次,鐵路等公共設施損毀,1924年的特大水災將鐵路損壞[6],1939年的洪水再次將京廣鐵路沖開數尺，民眾生命財產遭受巨大損失。1924年特大水災中,“京南各縣,大都已成澤國,不惟田禾悉遭淹沒,而房屋牲畜器物一切資生之具,亦且悉付汪洋隨波臣以俱去,被災之民或集高原,或棲屋頂,或登樹梢,男哭女號,聲震遠近”[7]。1939年永定河洪水泄向小清河,經過小清河沖向長辛店等地,洪水涌入大街,良鄉水深數丈,數百間房屋倒塌,幾萬戶受災,“農田被淹者在五千頃以上”[8]。1956年永定河西麻各莊決口,造成“大興縣有42個村莊過水,毀房3 358間,死1人,傷7人,死傷牲畜20頭,淹沒耕地約1.4萬hm2”[5]。

1.2修建過程

為保障北京的城市安全和用水,官廳水庫于1951年10月動工,1954年5月竣工投入使用,官廳水庫位于官廳山峽入口處,跨河北省的懷來縣和北京市的延慶縣,是我國建造的第一座大型水庫,在防洪、發電、灌溉、供水等方面發揮了巨大作用。1956年,三家店攔河閘(又稱三家店調節池)建成,位于北京市門頭溝區三家店村,是永定河由山區進入平原區的樞紐工程。1962年,珠窩水庫建成,位于門頭溝區雁翅鎮珠窩村和齋堂鎮向陽口村之間的山峽里,是永定河大峽谷梯級發電的第二級。1974年9月,齋堂水庫竣工,位于門頭溝區清水河西齋堂村西南的峽谷處,控制流域面積354 km2,庫容5 420萬m3。1978年6月,落坡嶺水庫建成,位于門頭溝區王平鎮,豐沙線落坡嶺火車站旁的永定河山峽處,是永定河大峽谷梯級發電的第三級。1987年6月永定河分洪閘建成,是永定河北京段防洪的樞紐工程,其目的是為了防范和降低官廳山峽暴雨形成的洪水對北京城的威脅。根據1995年的統計,永定河上僅水庫就有200多座,這些水庫及其配套工程對永定河流域的生態環境產生了非常大的影響。

2　永定河水利工程對徑流及河性的改變

永定河上的諸多水利工程,尤其是水庫,攔截了大量的地表水,導致北京市區永定河來水量減少,下泄水量小且緩慢,含沙量不足,只能通過沖刷沿途的河床借以增大含沙量,這使永定河下游輸沙特性發生改變。由于清水下泄導致不斷沖刷沿程河道,河水夾持顆粒較小的泥沙流向下游地區,只留下河底直徑較大的卵石,導致了河床粗化。

2.1中上游水庫對徑流的影響

永定河及上游河流的徑流量情況如表1所示[9],從1951年到1989年,永定河上游各支流的徑流量都呈現了減少的趨勢,其中以桑干河的變化最為明顯。上游支流徑流量減少,除自然因素外,最主要的原因是上游諸多水庫攔截了大量地表水,只將部分河水下泄到下游。

表1　永定河及上游支流徑流量情況

圖1為官廳水庫1955—1995年每年來水量[4],可以看出,盡管官廳水庫有一些年份來水量有少許增加,但從總體情況來看,呈現明顯遞減趨勢。官廳水庫多年平均入庫量由1950年代的19億m3減至1990年代的3.1億m3,而且污染加重,無法滿足生活用水的需要[10]。

圖1　官廳水庫歷年來水量

2.2官廳水庫對下游河段的改變

官廳水庫為下游地區的防汛做出了極大的貢獻。1953年,正在建設中的官廳水庫便已開始攔截洪水。1953年8月底,上游地區發生洪水,此時官廳入庫洪峰達3 700 m3/s,經過水庫攔截,下泄水量僅827 m3/s,削減水量75.6%[11]。官廳水庫主要通過閘門來控制下泄水量,若上游或下游地區已有洪水暴發出現險情,水閘將被關閉,避免了下游水災的發生。官廳水庫在防汛上發揮了巨大的功能,但由于清水下泄等原因,也使永定河的河性發生了改變。

表2　1956年4—6月含沙量沿程變化 　kg/m3

歷史上,永定河曾以含沙量大而著名,大量的泥沙使河水泛黃,有“小黃河”之別名。然而這一特性在官廳水庫投入使用后發生了改變。官廳水庫通過攔洪蓄水,將大量泥沙沉積于水庫中,造成兩個后果,其一是泥沙積存于官廳水庫中,對水庫本身造成潛在的危害;其二是下泄清水加速了河床粗化。由于下泄清水中含沙量嚴重不足,為了達到飽和,下泄清水便會不斷沖刷沿途河道,增加含沙量,在某一地點含沙量達到飽和,飽和后水流不再沖刷河道,水中的泥沙淤積于河道之中,含沙量隨之減少。表2是1956年4—6月永定河各水文站監測的含沙量變化過程[11]。以4月22日含沙量變化為例,河水在官廳水庫出庫時含沙量極低,4月22日當天,在沿程的青白口、三家店、盧溝橋水文站的含沙量不斷增大,在金門閘達到最大值后,含沙量逐漸降低。在4—6月不同時間,分析一天內各水文站含沙量的變化,從多條曲線的趨勢可以看出,在青白口、三家店、盧溝橋三個水文站河水一直處于沖刷河道狀態,含沙量不斷上升,到金門閘達到峰值,下游河段的含沙量開始回落,表明金門閘附近是一個分水嶺。

由此可見,官廳水庫清水下泄會沖刷河道。清水沖刷過程通常是將河床中顆粒較小的細沙攜走,顆粒較大的仍保留在河床,久而久之,極易發生河床粗化現象。永定河懸移質平均粒徑沿程變化情況見圖2[11],可以看出,官廳水庫的出庫水流中懸移質平均粒徑小于入庫時的數據,說明官廳水庫將上游攜帶來的大量泥沙攔存于庫中。從官廳水庫到金門閘河段,水中泥沙的平均粒徑呈增大趨勢,說明這一河段處于沖刷河道狀態,懸移質平均粒徑逐漸增大說明了在這一段河道中,細沙被不斷沖走。金門閘到石佛寺河段懸移質平均粒徑降低,原因在于含沙量達到飽和后,粒徑較大的泥沙由于質量較大開始沉積。野外考察也證實了這一點,早在1960年代,在大興區立垡河段發現了大量的卵石。

圖2　1956年8月1—3日各站懸移質平均粒徑

2.3引、配水工程對徑流的影響

修建永定河引水工程,主要目的是為石景山工業區供水。永定河引水工程于1956年開工,以三家店水利樞紐為起點,經過模式口、玉淵潭,木樨地等地,最終匯入到市區的護城河中。1957年引水渠初建時,最大引水能力為30 m3/s。1960年代至1970年代,北京市工業和農業用水需求量有了較大幅度的增長,引水渠于1969年進行擴展,擴展后的引水能力達60 m3/s。1957—1995年,這近40年間,三家店進水閘引水200余億m3,為首都鋼鐵公司、北京市第一軋鋼廠和北京鋼廠等冶金企業供水21億m3;為高井發電廠、石景山發電廠、第一和第二熱電廠等電力企業供水170億m3;為燕山石化公司等化工企業供水11億m3;為造紙、印染、釀造、建材等企業供水1億m3;為石景山、豐臺、大興、海淀、朝陽、通縣、門頭溝等7個區縣農田提供灌溉用水91億m3;為城子水廠和田村山水廠供水近3億m3[4]。

由于三家店以上河段200余座大小水庫對永定河地表水進行攔截,永定河徑流很小,官廳水庫下泄流量常年控制在40 m3/s[11]。1957年永定河引水工程完工,在官廳水庫限流和引水工程雙重影響下,永定河下游近枯干狀態;1960年代起常年呈細水狀,水量很小;至1980年代前后,永定河出現斷流現象。

3　永定河流域生態環境的變化

從1950年代到1980年代,是北京永定河流域生態環境變化最為明顯的時期。1950年代初,永定河延續了以往水旱災害的特點,但是到了1950年代后期,隨著官廳水庫等水利工程的修建,永定河流域的生態環境發生了根本轉變,由多水變為缺水,徑流量減少,地下水環境蛻化,沙源及風沙災害增加。

表3　永定河流域1950—1990年代降水量、蒸發量和徑流量情況

3.1徑流量減少

1956年的水災是至今為止永定河最后一次大水災,自官廳水庫等多個水庫陸續修建后,下游平原地區的水災基本杜絕。永定河在短短的30余年間,由一條波濤洶涌、水災肆虐的大河到斷流,發生了巨大的轉變。一般情況下,在沒有下滲及調、補水的情況下,河流的徑流流量與降雨量、蒸發量二者之差成正比,表3為永定河流1950到1990年代每10年的平均降水量、蒸發量以及徑流量情況[12-13],可以看出,從1950年代到1990年代,降水量減少不顯著,但永定河徑流減少十分顯著。其中,1950年代至1970年代間,永定河流域降水量高于距平百分率,說明這段時間是永定河流域的豐水期,但永定河徑流卻呈現減少趨勢。至1990年代,降水量距平百分率為0.44%,而徑流量卻銳減了近18%,降水量與徑流量呈反比。再將蒸發量納入到考量范圍,1970年代和1990年代這2組數據中,降水量距平百分率為正,且蒸發量距平百分率為負,即降水量較年均值多而蒸發量較年均值低,根據水平衡的原理,徑流量應當處于一個較高水平,但永定河徑流量不同程度呈現了減少的趨勢,1950年代降水量為新中國建立后50年最高水平,這與永定河1950年代多水災相互印證。但自1970年代起,降水量、蒸發量與徑流量形成了鮮明的對比,三者關系不再對應,因此自然因素并不是永定河徑流量減小的主因,攔洪蓄水和引水分流工程才是引起永定河徑流量減小的主要因素。

3.2地下水環境蛻化

永定河長期為北京城供水,一方面,通過地表水直接滿足城市建設和居民生活的需要,在1950年代至1970年代間是北京生活用水和工業用水的主要水源;另一方面,還通過滲漏方式補給北京的地下水,根據1951—1959年的水文記錄測算,其滲漏量約為10.06 m3/s。但自1970年代以來,由于上游水質惡化等原因,官廳水庫供水能力逐漸減弱,永定河徑流也隨之逐漸減小,直至斷流。官廳水庫向北京市區的供水量減少,1955—1959年平均供水量為17.93億m3/年,而1971—1977年平均供水量為6.81億m3/年,減少62%左右,最少的供水年份為1972年,僅有3.74億m3。據有關單位觀測,1981年三家店以上河水滲漏量僅為2.8 m3/s,嚴重消減了北京市地下水的補給[14]。

地表水已無力滿足工業及城市生活對水的需求,北京開始大規模開采地下水,地下水替代永定河成為北京的重要水源。歷經多年的過度開采,北京西部的第四紀地下水已趨于枯竭。為了保障用水需求,北京地區5座應急地下水儲存庫已啟用3座。根據學者對1988—2008年北京市地下水資源量、開采量、超采量的統計分析,北京市地下水每年度的開采量在20億～30億m3之間,1994的開采量達到峰值。從1988年到2009年,北京市的地下水資源有16年處于超采狀態,特別是1999—2007年連續9年均處于超采狀態,年均超采量為9.55億m3。1999年后,由于超采嚴重,北京地下水資源銳減,由1998年的高峰跌入低值,地下水資源量長期在歷史低值附近徘徊[15]。

北京市區地下水遭到大規模開采,而地下水的補給量減少,從而使地下水位不能保持在原有水平。北京平原地下水平均埋深,在1960年是3.6 m,1980年下降到7.24 m,1990年又進一步下降到10.62 m[16]。地下水埋深的下降易導致3方面嚴重后果:其一,地貌發生變化,平原地區易發生沉降,形成地下漏斗狀。1985年以紅廟為中心位置點的漏斗面積擴展到1 460 km2,1990年則進一步增加到2 000 km2[4]。其二,城市生活污水和工業廢水易進入到地下水系中,地下水質日益惡化。1987年的一項調查表明,北京城近郊區地下水總硬度明顯升高,除自來水二、三、五廠外,其他各自來水廠及附近工農業井水硬度都超過了飲用水質標準。6個自來水廠中,除五廠外,硝酸鹽全部超標。其他各項污染指標、升高趨勢日愈明顯[17]。其三,河流干涸速度加快。地下水可以將其自身“返還”給河流,一旦地下水位下降,地下水不能返回到河流中,河流徑流量減少,干涸速度必然加快。地下水位的下降促使永定河流域生態環境更加干燥,永定河干涸速度大大加快,土壤中水分的缺失導致了表層土地的沙化,為北京的沙塵天氣提供了條件。

3.3沙源及風沙災害增加

歷史上永定河多次決口,遷徙改道,在北京地區留下了許多交錯縱橫的故道,使永定河沿岸形成大面積沙地。官廳水庫修建后,雖然永定河不再決口,但卻使沿岸的沙化更加嚴重。當1980年代永定河斷流后,河床中大量泥沙裸露出來,泥沙堆積較厚的地區出現了移動的沙帶。沙帶具有極大的危害,不僅影響地表景觀,惡化生態環境,而且干燥的地表環境加快了永定河干涸的進程,更為嚴重的是形成了大量的沙源。北京永定河兩岸風沙危害區,北起三家店,南至梁各莊(市界),西到小清河,東以天堂河為界,南北長77 km,東西寬12 km[18]。每遇東風時,風攜卷著大量沙塵飄向北京市區,形成沙塵天氣。

4　結　語

1950—1990年,北京永定河諸多水利工程的修建,對永定河徑流情況和流域的生態環境產生了顯著的影響。在大型水利工程修建之前,永定河水災頻發,給北京的城市安全和居民生活帶來了巨大威脅,1950年代中期以后,隨著官廳水庫等水利工程的修建,永定河流域的自然災害逐漸演變為以風沙為主的風沙災害。永定河的徑流量也日趨減小,直至1980年代斷流,筆者通過考察1950—1990年徑流量與降水量及蒸發量之間的關系,認為眾多水利工程的興建,是導致永定河徑流量減少的主要因素。永定河斷流對北京地區的生態環境產生了重要影響:①地下水被過度開采,地下水位埋深下降;②泥沙淤積的河床裸露,形成風沙源。

1950—1990年間,北京永定河流域生態環境急劇變化,其經驗教訓值得我們借鑒和吸收。首先,我們應辯證地看待永定河洪水的利害影響,改變傳統的防洪觀念,在防控永定河洪水危害的同時,通過恢復河流的自然屬性等手段,盡可能實現洪水資源化,緩解北京地區水資源短缺問題。其次,永定河水資源的開發利用,不能片面追求經濟利益,忽視過度開發對生態環境造成的嚴重危害,而應堅持生態優先原則,保護好永定河流域的生態環境。

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Negative environmental effects of water conservancy projects on Yongding River in Beijing from 1950 to 1990

ZHANG Lin, LI Han, ZHANG Lianwei

(SchoolofHumanitiesandSocialSciences,BeijingForestryUniversity,Beijing100083,China)

During the period from 1950 to 1990, a lot of water conservancy projects, such as the Guanting Reservoir, the Zhuwo Reservoir, and the Sanjiadian Sluice Gate, were constructed on the Yongding River. These projects satisfied the demands of urban development and the residents’ livelihoods, guaranteed the safety of the lower reaches of the river, and eliminated the possibility of floods. However, they led to the degradation of the ecological environment in the Yongding River Basin. A large proportion of surface water was intercepted, resulting in the decrease of runoff downstream, until the river dried up. The nature of the river has changed and the riverbed has become rough. The groundwater has been over-exploited, resulting in a decrease in the depth to the water table. Land desertification occurred, forming a sand source, and sandstorm disasters intensified. Finally, the Yongding River has gone from having a high amount of water to having a shortage of water, and from being dominated by floods to being dominated by sandstorms.

water conservancy projects; environmental degradation; sandstorm disaster; Yongding River

10.3880/j.issn.1004-6933.2016.05.024

中央高校基本科研業務費專項(RW2014-08);北京市農村經濟研究中心項目(2015HXFWRWXY001)

張琳(1990—),女,碩士，主要從事環境史方面研究。E-mail:teremy@sina.com

張連偉，副教授，博士。E-mail:shidaizhang@sohu.com

TV882.8

A

1004-6933(2016)05-0130-06

2015-09-13編輯：王芳)