十三陵水庫流域下墊面變化情況下降水來水分析

摘 要：十三陵水庫是一座庫容7 450萬m3的中型水庫，按照一百年一遇洪水設(shè)計(jì)，兩千年一遇洪水校核，壩體采用黏土斜墻壩形式，壩軸線長627 m，最大壩高29 m。而隨著社會(huì)的發(fā)展，流域范圍內(nèi)下墊面情況發(fā)生了較大變化。基于此，介紹了十三陵水庫及其流域基本概況，選取1959—2018年水庫降水與天然來水觀測(cè)資料，分析了十三陵水庫流域降水及來水情況，并探索了來水量變化的原因和增加水庫來水量的保障措施。

關(guān)鍵詞：降水來水分析；下墊面變化；十三陵水庫

中圖分類號(hào)：P458.121.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B 文章編號(hào)：2095–3305（2024）10–0-03

十三陵水庫位于北京市昌平區(qū)，十三陵盆地的東南部，距北京城區(qū)約40 km。該水庫作為北京市北部區(qū)域水系的重要節(jié)點(diǎn)，其水資源狀況及生態(tài)環(huán)境對(duì)周邊區(qū)域乃至整個(gè)北京市的水資源管理和生態(tài)保護(hù)具有重要意義。近年來，隨著氣候變化和人類活動(dòng)的加劇，水庫流域的下墊面條件發(fā)生了顯著變化，如土地利用類型的改變、植被覆蓋度的變化等，這些變化直接影響了水庫流域的降水來水情況，進(jìn)而對(duì)水庫的蓄水能力、水質(zhì)及周邊生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響。因此，對(duì)十三陵水庫流域降水和來水情況進(jìn)行分析，不僅能深入了解水庫的水循環(huán)規(guī)律，為水庫的水資源管理和生態(tài)修復(fù)提供科學(xué)依據(jù)，還有助于推動(dòng)流域內(nèi)水資源的可持續(xù)利用和生態(tài)環(huán)境的持續(xù)改善。

1 十三陵水庫及其流域基本概況

十三陵水庫位于北運(yùn)河水系溫榆河北支東沙河上游位置，水庫以上流域面積223 km2，控制東沙河84％的流域面積，占溫榆河上游山區(qū)流域面積1/4。流域形狀呈扇形，起于燕山山脈延慶區(qū)西二道河山區(qū)，止于昌平區(qū)城區(qū)東北約4.6 km的十三陵水庫大壩，下游連接溫榆河北支東沙河。水庫在規(guī)劃初期具備防洪排澇、發(fā)電灌溉供水等多重效益，部分承擔(dān)著北京市城市生活用水與工農(nóng)業(yè)用水的任務(wù)，歷經(jīng)60余年變遷，現(xiàn)在的主要功能為防洪和保障蓄能電廠發(fā)電用水。

水庫上游有德勝口、錐石口、上下口及老君堂4條溝道，平均坡降1.6%。4條溝道于十三陵七孔橋上游匯合后入十三陵水庫，其中主溝德勝口溝長30 km，平均坡降3.6%，為4條溝道中最長、最陡的一支；為觀測(cè)流域降水情況先后于果莊村、錐石口村、上口村、老君堂村及水庫水文站建有雨量觀測(cè)站。

2 十三陵水庫流域降水及來水情況

十三陵水庫流域多年平均降水量556 mm，多年平均徑流量2 900萬m3，流域面積較小。如圖1所示，1959—2018年，1973年十三陵水庫流域年降水量最大，為971.3 mm；1993年十三陵水庫流域年降水量最少，為295.1 mm。兩者相差3.29倍。1959—1968年十三陵水庫流域年平均降水量553.3 mm，1969—1978年十三陵水庫流域年平均降水量624.7 mm，1979—1988年十三陵水庫流域年平均降水量518.0 mm，1989—1998年十三陵水庫流域年平均降水量540.0 mm，1999—2008年十三陵水庫流域年平均降水量491.4 mm，2009—2018年十三陵水庫流域年平均降水量526.7 mm。

圖1" 1959—2018年十三陵水庫流域年度平均降水

對(duì)1959－2018年十三陵水庫流域降水量進(jìn)行頻率適配計(jì)算，適配情況見圖2，計(jì)算結(jié)果見表1。由表1可知，降水偏多的年份年降水可達(dá)660.8 mm，降水極少的年份年降水僅331.5 mm。

圖2" 1959－2018年十三陵水庫流域平均降水量頻率適配曲線成果

表1" 1959—2018年十三陵水庫流域年均降水量頻率計(jì)算成果

平均降水量/mm 擬合曲線參數(shù) 不同頻率年均降水量計(jì)算成果/mm

變差系數(shù) 偏差系數(shù) 20% 50% 75% 95%

542.345 0.27 2.86 660.8 522.3 432.0 331.5

如圖3所示，1959—1968年十三陵水庫流域年平均來水量1 007萬m3，1969—1978年十三陵水庫流域年平均來水量971.8萬m3，1979—1988年十三陵水庫流域年平均來水量124.3萬m3，1989—1998年十三陵水庫流域年度平均來水量246.2萬m3，1999—2008年十三陵水庫流域年度平均來水量15.72萬m3，2009—2018年十三陵水庫流域年度平均來水量40.4萬m3。此外，1959—2018年，來水量最大的年份為1974年，天然來水量為

3 180萬m3。有30年間上游未產(chǎn)生來水入庫。

圖3" 1959—2018年十三陵水庫流域年度來水情況

對(duì)1959－2018年十三陵水庫流域年來水量進(jìn)行頻率計(jì)算分析得出，來水量一般的年份年來水量可達(dá)56.2萬m3，來水量較多的年份年來水量可達(dá)578.7萬m3，

上游斷流的年份較為常見（圖4、表2）。

圖4" 1959－2018年十三陵水庫流域年度來水量頻率適配曲線成果

表2" 1959—2018年十三陵水庫流域年均來水量頻率計(jì)算成果

年均來水量/萬m3 擬合曲線參數(shù) 不同頻率年均來水量計(jì)算成果/萬m3

變差系數(shù) 偏差系數(shù) 20% 50% 75% 95%

400.9 2.09 1.95 578.7 56.2 0 0

3 降水來水情況分析

3.1 變化趨勢(shì)對(duì)比分析

由于年降水量在各年份間的時(shí)空分布存在一定的偶然性，為盡可能減小相關(guān)影響，按照步長為10年取平均值并對(duì)其進(jìn)行分析，結(jié)合水庫多年平均降水量556 mm，水庫多年平均徑流量2 900萬m3可以得出：年度降水量與天然來水量在總體上均呈現(xiàn)逐年減少的趨勢(shì)，但降水量減少的幅度上并不十分明顯，按照降水最少的1999—2008年十三陵水庫流域年平均降水量491.4 mm計(jì)算，減少幅度僅為水庫多年平均降水量的11.62%；但反觀水庫流域天然來水情況，減少趨勢(shì)卻十分明顯，尤其從1979年起，甚至于1999—2008年十三陵水庫流域年平均來水量?jī)H15.72萬m3，為水庫多年平均徑流量的0.5%。

3.2 相關(guān)性分析

利用統(tǒng)計(jì)學(xué)皮爾遜相關(guān)系數(shù)計(jì)算方法可以分析出數(shù)列的相關(guān)情況，一般認(rèn)為可按三級(jí)劃分：相關(guān)系數(shù)＜0.4為低度線性相關(guān)；相關(guān)系數(shù)0.4～0.7，為顯著線性相關(guān)；相關(guān)系數(shù)＞0.7為高度線性相關(guān)。通過整理1959—2018年十三陵水庫年降水量與年來水量的觀測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算每個(gè)步長下的相關(guān)系數(shù)可以得到：1959—1968年，各年平均降水量與相應(yīng)年份平均來水量之間的相關(guān)系數(shù)為0.918 4，呈現(xiàn)高度線性相關(guān)；1969—1978年，各年平均降水量與相應(yīng)年份平均來水量之間的相關(guān)系數(shù)為0.692 0，呈現(xiàn)高度線性相關(guān)；1979—1988年，各年平均降水量與相應(yīng)年份平均來水量之間的相關(guān)系數(shù)為0.455 5，呈現(xiàn)顯著線性相關(guān)；1989—1998年，各年平均降水量與相應(yīng)年份平均來水量之間的相關(guān)系數(shù)為0.783 4，呈現(xiàn)高度線性相關(guān)；1999—2008年，各年平均降水量與相應(yīng)年份平均來水量之間的相關(guān)系數(shù)為0.106 7，呈現(xiàn)低度線性相關(guān)；2009—2018年，各年平均降水量與相應(yīng)年份平均來水量之間的相關(guān)系數(shù)為0.165 0，呈現(xiàn)低度線性相關(guān)。

通過對(duì)十三陵水庫全流域降水量和來水量的分析可以得出，建庫以來水庫流域徑流系數(shù)總體呈下降趨勢(shì)：從降水量和來水量的相關(guān)性來看，1959—1978年年降水量和來水量高度相關(guān)，1979—1998年年降水量和來水量中度相關(guān)，1999—2018年年降水量和來水量完全不相關(guān)。

4 來水量變化的原因及增加水庫來水量的保障措施

4.1 來水量變化的原因

從整體上看，十三陵水庫自建庫以來，流域年來水量均在不斷減少，而造成來水量減少的主要原因并不是自然氣候的變化。以水庫流域60年觀測(cè)年降水量平均值542.4 mm為標(biāo)準(zhǔn)，通過在各步長年中選取典型年進(jìn)行同等降水量水庫來水對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)：1959—1968年典型年年降水量552 mm，水庫來水量可達(dá)1346萬m3，

到1969—1978年水庫來水量減少21.1%，1979—1988年減少69.7%，1989—1998年減少82%，1999—2008年減少91.7%，2009—2018年更是出現(xiàn)了斷流情況。

由此可見，降水量差距不大的情況下，來水量整體呈現(xiàn)急劇縮減的趨勢(shì)，可見降水量不是影響十三陵水庫來水量減少的主要因素。十三陵水庫來水量急劇減少是水庫流域下墊面包括植被分布、土壤墑情、地下水深度的變化，水土保持工作的開展，社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展等因素的共同影響所致。

4.1.1 地下水埋藏深度、植被分布的變化

十三陵水庫流域地下水位埋藏普遍偏深，缺乏河道基流[1]。雖降水量年際變化不大，但因平原地區(qū)長期超采地下水，導(dǎo)致地表徑流補(bǔ)充地下水的程度明顯增大，土壤墑情急劇惡化，進(jìn)而導(dǎo)致流域降水損失增加，甚至不足以產(chǎn)流。

此外，十三陵水庫來水情況發(fā)生急劇變化的時(shí)期與全市及水庫流域下墊面植被分布發(fā)生變化的階段重合，從開荒育田實(shí)行農(nóng)村合作社制度到家庭承包最大限度發(fā)揮生產(chǎn)的積極性，無不都在植被分布、數(shù)量上對(duì)水庫流域的下墊面條件產(chǎn)生著深刻影響。

4.1.2 水土保持工作的開展

水庫所在地昌平區(qū)一直作為燕山國家級(jí)水土流失重點(diǎn)預(yù)防區(qū)之一，幾十年來開展了各種形式的治理工作，在獲得較好的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和生態(tài)效益的同時(shí)，增加種植植被的用水量，增加植物截留量和土壤蓄水量，減少了上游地表徑流量和水庫來水量。

4.1.3 社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展等因素

改革開放以前，十三陵水庫流域主要以服務(wù)農(nóng)業(yè)為主，灌溉面積增加、灌溉用水量大幅上升。改革開放初期，隨著社會(huì)的發(fā)展進(jìn)步，流域內(nèi)電力、旅游、制造等工業(yè)也得到發(fā)展，隨之鄉(xiāng)村城鎮(zhèn)化城市化也得到了發(fā)展。上游人口不斷增加，城鎮(zhèn)和農(nóng)村人畜用水量逐步提升。近年來，隨著區(qū)域經(jīng)濟(jì)的高質(zhì)量發(fā)展，上游工業(yè)生產(chǎn)用水、城鎮(zhèn)生活用水的急劇增加，導(dǎo)致水資源開發(fā)利用過度，地下水位下降，形成惡性循環(huán)，造成十三陵水庫來水量大幅減少。

4.2 增加十三陵水庫來水量的保障措施

4.2.1 積極恢復(fù)上游白河堡水庫對(duì)十三陵水庫的生態(tài)補(bǔ)水

為減小十三陵水庫流域來水量減少影響，北京市水務(wù)局曾分別于1983、1986年分兩期興建了白河堡水庫補(bǔ)水工程，補(bǔ)水渠全長66 km，上段工程設(shè)計(jì)引水流量10～14 m3/s，中下段工程設(shè)計(jì)引水流量4.3 m3/s，年平均最大補(bǔ)水量為3 000萬m3。但至2005年，白河堡水庫因需向密云水庫調(diào)水，無法滿足繼續(xù)向十三陵水庫補(bǔ)水條件，遂停止向十三陵水庫補(bǔ)水。白河堡水庫補(bǔ)水工程期間共使用了21年，補(bǔ)水總計(jì)8 048萬m3[2]。

近年來，隨著北京地區(qū)水資源分布發(fā)生新的重大變化，積極恢復(fù)上游白河堡水庫對(duì)十三陵水庫的生態(tài)補(bǔ)水，對(duì)十三陵水庫的運(yùn)行可以起到很大幫助。從工程效益上，充分利用已有工程并加以修繕進(jìn)行調(diào)水，可以減少工程建設(shè)成本；從生態(tài)效益上，能夠有效解決流域內(nèi)溝道多年干涸的狀態(tài)，并適當(dāng)回補(bǔ)地下水，促進(jìn)流域內(nèi)部及流域與外界的地表、地下水循環(huán)，改善流域生態(tài)環(huán)境。

具體措施：統(tǒng)籌考慮流域水資源情況，可利用已有白河堡水庫補(bǔ)水工程，于每年3—5月、10—12月恢復(fù)向十三陵水庫補(bǔ)水工作。

4.2.2 繼續(xù)發(fā)揮南水北調(diào)及引黃進(jìn)京等工程措施作用回補(bǔ)地下水

依托國家地下水監(jiān)測(cè)工程（北京部分）選取代表站，根據(jù)監(jiān)測(cè)資料顯示，2000—2011年，地下水埋深度下降約9 m；2011—2015年，下降趨勢(shì)明顯改善；2014年末南水入京后，地下水水位下降趨勢(shì)更是明顯放緩；2015年下半年地下水位開始回升，地下水位的抬升必然影響流域內(nèi)土層內(nèi)含水飽和區(qū)與不飽和區(qū)的分布狀況，對(duì)改善產(chǎn)流條件提供積極作用。

具體措施：應(yīng)繼續(xù)實(shí)施南水北調(diào)及引黃進(jìn)京等項(xiàng)目，將海河流域外的水調(diào)入北京，減少地區(qū)地下水資源的過度開采，提高地下水位，以增加水庫來水量。

4.2.3 提高水庫下游反向補(bǔ)水的保證水平

由于上游常年斷流，為保證水庫水量穩(wěn)定，2004年6月修建了沙河應(yīng)急補(bǔ)水工程。考慮水質(zhì)下降和水量供應(yīng)能力，補(bǔ)水方案采用抽取井群地下水和沙河水庫地表水混合補(bǔ)給，后轉(zhuǎn)為引京密引水渠水補(bǔ)給的方式向上游的十三陵水庫反向輸水。補(bǔ)水工程設(shè)兩級(jí)泵站，一級(jí)泵站為位于沙河閘北部的原昌平區(qū)半壁街泵站，二級(jí)泵站設(shè)置位于京密引水渠東沙河倒虹吸處，輸水管道為玻璃鋼圓管。一級(jí)泵站至二級(jí)泵站長13.9 km，二級(jí)泵站至水庫大壩下游閘閥室長7.9 km，通過十三陵水庫輸水系統(tǒng)進(jìn)入水庫，補(bǔ)水工程合計(jì)揚(yáng)程83 m，設(shè)計(jì)補(bǔ)水流量0.5 m3/s，日補(bǔ)水量

4.32萬m3[3]。但經(jīng)過多年運(yùn)行，管道設(shè)備日趨老化，故障斷補(bǔ)情況時(shí)有發(fā)生，現(xiàn)狀補(bǔ)水能力已無法達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

具體措施：可重新鋪設(shè)二級(jí)泵站至水庫大壩下游閘閥室管線，提高二級(jí)泵站輸水能力，確保各子系統(tǒng)具有更大的冗余保障能力。

5 結(jié)束語

面對(duì)不斷變化的環(huán)境條件，相關(guān)部門應(yīng)持續(xù)關(guān)注變化，并積極采取措施應(yīng)對(duì)變化，以確保水資源的安全、高效和可持續(xù)利用，為地區(qū)的社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展與水

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生態(tài)保護(hù)貢獻(xiàn)力量。

參考文獻(xiàn)

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收稿日期：2024-07-09

作者簡(jiǎn)介：王萌（1989—），男，北京人，工程師，研究方向?yàn)樗こ膛c水文水資源管理。