流域下墊面變化對(duì)永定河官廳水庫徑流影響分析

張建中，劉江俠，任涵路

（海河水利委員會(huì)科技咨詢中心，天津300170）

流域下墊面變化對(duì)永定河官廳水庫徑流影響分析

張建中，劉江俠，任涵路

（海河水利委員會(huì)科技咨詢中心，天津300170）

官廳水庫是北京市的兩大地表水源地之一，特別是2000年以來，水庫的入庫徑流量呈明顯衰減趨勢(shì)。為此，亟需摸清水庫上游下墊面變化情況，甄別影響徑流減小的主要因素，以優(yōu)化水資源配置和保障供水安全。

官廳水庫；徑流量；下墊面

1 引言

官廳水庫位于永定河干流官廳山峽入口處，控制流域面積43 402 km2。永定河流域地形為山地高原及山間盆地，地勢(shì)西北高東南低，西部是陰山和太行山支脈恒山所包圍的高原，北部為蒙古高原，東南方為恒山及八達(dá)嶺高原。永定河上游分桑干河和洋河兩大支流，南部桑干河區(qū)域北接蒙古高原，西鄰管涔山和洪濤山，南屏海拔2 000 m以上的恒山和太行山，地勢(shì)西高東低，平均高程約1 000 m，大同盆地、蔚陽盆地和涿懷盆地分布其間；北部洋河區(qū)域，北接壩上高原內(nèi)陸河流域，地勢(shì)西北高東南低，在尚義縣、張北縣一帶是壩上高原和壩下盆地的分界線，壩下山巒起伏，群山之間多串珠狀山間盆地，較大的有張宣盆地、涿懷盆地。

永定河流域是我國(guó)重要的能源基地，大同煤炭集團(tuán)和平朔煤炭工業(yè)公司是年產(chǎn)原煤千萬噸以上的特大型煤炭生產(chǎn)企業(yè)，大同二電廠，神頭一、二電廠是裝機(jī)容量100萬kW以上的大型坑口電廠，生產(chǎn)的煤、電大部分輸送京津唐地區(qū)。流域現(xiàn)有人口929.51萬人，其中城鎮(zhèn)人口456.29萬人，城鎮(zhèn)化率為49%。

2 流域下墊面變化

流域下墊面是指影響流域產(chǎn)流及匯流的多種因素的綜合體，地形及地表附著物為其主要表征，同時(shí)還包括地表以下產(chǎn)流影響巖層，它是地球表層的水循環(huán)界質(zhì)。人類的生活及其經(jīng)濟(jì)活動(dòng)無時(shí)不對(duì)地球表面產(chǎn)生影響。永定河流域是海河流域山區(qū)人類活動(dòng)比較劇烈的地區(qū)，建設(shè)及居住用地增加、水土保持工程及水利工程建設(shè)以及水資源開發(fā)利用使得該流域下墊面發(fā)生了巨大變化。

2.1 土地利用變化

根據(jù)1980年以來衛(wèi)星遙感資料分析，官廳水庫上游流域的土地利用組成發(fā)生了較大變化。其中，居民居住及建設(shè)用地變化最大，從1980年的828 km2增加到2010年的1 812 km2，上升了119%；林草面積變化的絕對(duì)數(shù)量最大，30年來增加2 362 km2，上升了10.2%；耕地面積1980年為17 428 km2，2010年減少到15 759 km2，下降了9.6%。不同年代各類土地利用類型變化情況，如圖1所示。

圖1 永定河流域土地利用變化情況

經(jīng)統(tǒng)計(jì)，官廳水庫上游地區(qū)自20世紀(jì)80年代以來有效灌溉面積呈現(xiàn)先減后增的情況。1980年有效灌溉面積為35.33萬hm2，到1985年減小到33.07萬hm2，隨后灌溉面積逐漸增加，到2012年達(dá)到45.33萬hm2，耕地有效灌溉率達(dá)到38.3%。

2.2 植被變化

官廳水庫上游地區(qū)林草覆蓋度總體呈增加趨勢(shì)。經(jīng)用遙感數(shù)據(jù)提出的歸一化植被指數(shù)NDVI這一反映地表植被覆蓋狀態(tài)和植物量指數(shù)分析，流域內(nèi)1980、1990年植被覆蓋變化不大，NDVI基本維持在0.20左右；2000年以來，植被覆蓋逐漸加大，從1999年的0.19增加到2012年的0.28，上升了47%（見表1），2002年以來冊(cè)田水庫至三家店區(qū)間NDVI分布及變化情況如圖2所示。

表1 官廳水庫上游區(qū)域NDVI變化情況

圖2 冊(cè)田水庫至三家店區(qū)間NDVI分布及變化趨勢(shì)

2.3 盆地地下水埋深狀況

20世紀(jì)70年代以前，永定河上游盆地地下水開采量較少，一般區(qū)域的地下水埋深在1.5～3.0 m，汛期暴雨很容易蓄滿地下包氣帶產(chǎn)生徑流。20世紀(jì)70年代以來，隨著地下取水技術(shù)提高和經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，地下水取水量逐步增加，盆地地區(qū)地下水位逐漸下降，最大地下水埋深達(dá)60 m以上，在大同、張家口市區(qū)以及一些縣城的周邊地區(qū)均存在不同程度的地下水超采現(xiàn)象。山西省大同山間盆地地下水漏斗主要分布在朔城區(qū)、山陰縣、懷仁縣、大同城郊超采區(qū)，超采區(qū)面積498 km2，漏斗中心大同城區(qū)和懷仁縣地下水位埋深達(dá)53.7和50 m。張家口市的張宣盆地、涿懷盆地和蔚陽盆地地下水位呈逐年下降趨勢(shì)，其中張宣盆地地下水最大埋深61.7 m、涿懷盆地地下水最大埋深40.9 m、蔚陽盆地地下水最大埋深31.4 m。官廳水庫上游地區(qū)地下水埋深分布情況，如圖3所示。

3 流域下墊面變化對(duì)地表徑流影響

3.1 地表徑流變化趨勢(shì)

為了分析官廳水庫以上流域下墊面變化對(duì)徑流影響趨勢(shì)，甄別影響徑流衰減的關(guān)鍵因素，對(duì)官廳水庫以上流域1956—2010年55年流域平均年降水量和天然年徑流進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析。永定河官廳站降水量見表2，天然徑流量隨年際變化趨勢(shì)如圖4所示。

圖3 官廳水庫上游地區(qū)地下水埋深分布情況

表2 永定河官廳站不同年代降水量、徑流量對(duì)比

圖4 永定河官廳站降水徑流變化趨勢(shì)

從表2可以看出，永定河天然年徑流隨年代逐漸遞減的趨勢(shì)是相當(dāng)明顯的，1981—1990年與1956—1980年比較，流域平均年降水量下降了11.9%，天然年徑流下降了34.5%；1991—2000年與1956—1980年比較，流域平均年降水量下降了9.3%，天然年徑流下降了36.3%；2001—2010年與1956—1980年比較，流域平均年降水量下降了11.8%，天然年徑流下降了60.5%。2001—2010年與1981—1990年年均降水量基本相等，但年徑流量卻減少了39.6%?？梢?，永定河流域徑流減少的原因，除降雨減少的因素外，還有下墊面變化的影響。

為了分析下墊面變化對(duì)徑流的影響，針對(duì)不同等級(jí)的的降水量分1956—1980、1981—2000、2001—2010年3個(gè)時(shí)期對(duì)比相同等級(jí)的降水量在不同時(shí)期產(chǎn)生的自然消耗量（不含地表水供水產(chǎn)生的消耗量）和地表徑流量的變化。永定河官廳站不同年代降雨徑流對(duì)比，如圖5所示。

1981—2000年與1956—1980年比較，300、375、425、575 mm 4個(gè)降水等級(jí)產(chǎn)生的徑流量（以徑流深度表示）分別減少了10.2、11.3、15.1、22.3 mm，減少相對(duì)幅度從31%上升到38%，按年次加權(quán)平均后年均徑流深減少值為13 mm左右。2001—2010年與1956—1980年比較，300、375、425、475 mm 4個(gè)降水等級(jí)產(chǎn)生的徑流量分別減少了16.9、23.1、28.2、29.7mm，減少相對(duì)幅度從51%上升到63%，按年次加權(quán)平均后年均徑流深減少值為23 mm左右。

圖5 永定河官廳站不同年代降雨徑流對(duì)比

3.2 下墊面要素變化影響徑流程度解析

永定河官廳水庫以上流域20世紀(jì)80年代后與80年代前狀況比較，下墊面變化對(duì)年徑流的影響量達(dá)到10億m3左右。下墊面變化對(duì)徑流的影響，主要涉及3個(gè)方面：一是地下水開發(fā)利用，二是水土保持，三是流域植被覆蓋度及植物量變化。以下對(duì)這3個(gè)方面因素對(duì)官廳水庫以上流域的徑流影響幅度進(jìn)行解析。

（1）地下水開發(fā)利用對(duì)徑流影響。地下水開采利用是影響永定河流域徑流減少的主要因素。1970年以前，對(duì)地下水的利用主要是人工鑿井取水，1970年官廳水庫以上流域地下水開采利用量估計(jì)在2.0億m3以下，區(qū)域內(nèi)地下水基本處于自然狀態(tài)；1970年以來，隨著機(jī)械鉆井和提水工程的使用，地下水開采利用量逐步增加，1980年地下水開采利用量達(dá)到7.1億m3，1990年達(dá)到12.0億m3；1990年后，地下水開采增長(zhǎng)幅度有所減緩，至2012年波動(dòng)增長(zhǎng)至13.6億m3左右。隨著地下水開采量的增加，流域天然徑流量從1956—1980年的19.7億m3減少至1981—2010年的10.7億m3。按現(xiàn)狀地下水埋深及開采狀況分析，由于地下水開采造成的年徑流減少量為6億～8億m3，占徑流減少幅度的2/3左右，是徑流減少的主要因素。

（2）水土保持及植被變化對(duì)徑流的影響。永定河官廳水庫上游流域?yàn)槲覈?guó)水土流失重點(diǎn)治理區(qū)，新中國(guó)成立以來建設(shè)了大量的水土保持工程。根據(jù)第一次全國(guó)水利普查成果，目前水土保持治理存量達(dá)到了21 423 km2，其中對(duì)降雨產(chǎn)流有直接影響的梯田、溝壩地等基本農(nóng)田建設(shè)存量和經(jīng)濟(jì)林存量為4 905 km2，其他對(duì)降雨產(chǎn)流有間接影響的治理措施如喬木林、灌木林等林草種植與維護(hù)和封禁治理等保有面積16 518 km2。

梯田、溝壩地和果樹坪等治理措施，直接存蓄當(dāng)?shù)氐乇懋a(chǎn)流，其畦埂攔蓄產(chǎn)流標(biāo)準(zhǔn)一般達(dá)到5年一遇以上降雨標(biāo)準(zhǔn)，治理區(qū)域的地表產(chǎn)流量幾乎可全部攔截，按治理存量面積4 905 km2所產(chǎn)天然徑流量的70%作為影響量估算，基本農(nóng)田和經(jīng)濟(jì)林等治理措施對(duì)徑流的影響總量約為1.5億m3。

喬木林、灌木林等林草種植與維護(hù)以及封禁治理等措施，通過增加地表植被來保持水土，其對(duì)徑流的影響是間接的。水土保持措施實(shí)施后，由于植被覆蓋度以及地表植物量的增加，植被蒸散發(fā)量增加，使地表產(chǎn)流有所減少。根據(jù)遙感資料分析結(jié)果，1980—2010年流域植被覆蓋率由53%上升到59%。經(jīng)有關(guān)文獻(xiàn)研究表明，流域蒸散發(fā)量與植被指數(shù)參數(shù)和植被蓋度均呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系，隨著植被指數(shù)提高和蒸散發(fā)量逐步提高，按官廳水庫上游植被增加數(shù)據(jù)分析，現(xiàn)狀流域植被條件與1980—1990年相比，在土壤充分供水的條件下，汛期日蒸散能力將增加0.3～0.5 mm。連同前述基本農(nóng)田建設(shè)存量和經(jīng)濟(jì)林存量影響，水土保持及植被變化對(duì)徑流的影響總量在3億～4億m3。

4 結(jié)論

（1）永定河官廳水庫以上流域下墊面發(fā)生了較大變化，主要表現(xiàn)為植被覆蓋度增加、地下水開采引起的包氣帶增加、水土保持工程造成地表表層地形地貌特征改變以及人類開發(fā)引起的土地利用類型變化，如居民居住及建設(shè)用地大幅度增加、耕地減少和林草地增加等。

（2）下墊面變化對(duì)永定河官廳水庫以上流域地表徑流產(chǎn)生了顯著影響。由于下墊面變化和水資源開發(fā)利用影響，天然地表徑流呈現(xiàn)隨年代逐步衰減的趨勢(shì)。1981—2000年與1956—1980年比較，300、375、425、575 mm 4個(gè)降水等別徑流衰減幅度在31%～38%；2001—2010年與1956—1980年比較，300、375、425、475 mm 4個(gè)降水等別徑流衰減幅度上升到51%～63%。

（3）對(duì)永定河官廳水庫上游下墊面要素變化對(duì)徑流影響貢獻(xiàn)度進(jìn)行了解析發(fā)現(xiàn)，地下水開采導(dǎo)致的包氣帶儲(chǔ)水能力增加是徑流衰減的主要影響因素，與天然條件比較，其對(duì)官廳水庫天然年徑流的年均影響量為6億～7億m3，對(duì)徑流影響的貢獻(xiàn)度為60%～70%；水土保持及植被變化對(duì)徑流的影響量為3億～4億m3，對(duì)徑流影響的貢獻(xiàn)度為30%～40%，其中水土保持工程中基本農(nóng)田建設(shè)和經(jīng)濟(jì)林建設(shè)對(duì)徑流影響量為1.5億m3左右。

官廳水庫為首都北京的兩大地表水源地之一，其入庫徑流的變化直接影響到未來北京市乃至海河流域的水資源配置。從分析成果看，現(xiàn)狀下墊面條件下徑流的衰減幅度已達(dá)到50%以上，與永定河現(xiàn)有水資源評(píng)價(jià)成果產(chǎn)生了很大差異，建議盡快設(shè)立專項(xiàng)開展永定河流域水資源評(píng)價(jià)工作，以合理確定水資源量，為京津冀協(xié)同發(fā)展水資源配置提供科學(xué)依據(jù)。

TV121+2

A

1004-7328（2016）06-0007-04

10.3969/j.issn.1004-7328.2016.06.002

2016—07—25

張建中（1962—），男，教授級(jí)高級(jí)工程師，主要從事水利科技咨詢管理工作。