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?gòu)d水庫(kù)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?gòu)d水庫(kù)是北京市的兩大地表水源地之一，特別是2000年以來(lái)，水庫(kù)的入庫(kù)徑流量呈明顯衰減趨勢(shì)。為此，亟需摸清水庫(kù)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?gòu)d水庫(kù)；徑流量；下墊面

1 引言

官?gòu)d水庫(kù)位于永定河干流官?gòu)d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(yáng)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(wàn)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(wàn)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(wàn)人，其中城鎮(zhèn)人口456.29萬(wàn)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(wú)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(kāi)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(lái)衛(wèi)星遙感資料分析，官?gòu)d水庫(kù)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(lái)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?gòu)d水庫(kù)上游地區(qū)自20世紀(jì)80年代以來(lái)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(wàn)hm2，到1985年減小到33.07萬(wàn)hm2，隨后灌溉面積逐漸增加，到2012年達(dá)到45.33萬(wàn)hm2，耕地有效灌溉率達(dá)到38.3%。

2.2 植被變化

官?gòu)d水庫(kù)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(lái)，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(jiàn)表1），2002年以來(lái)冊(cè)田水庫(kù)至三家店區(qū)間NDVI分布及變化情況如圖2所示。

表1 官?gòu)d水庫(kù)上游區(qū)域NDVI變化情況

圖2 冊(cè)田水庫(kù)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(kāi)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(lái)，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(yáng)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(yáng)盆地地下水最大埋深31.4 m。官?gòu)d水庫(kù)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?gòu)d水庫(kù)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?gòu)d水庫(kù)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?gòu)d站降水量見(jiàn)表2，天然徑流量隨年際變化趨勢(shì)如圖4所示。

圖3 官?gòu)d水庫(kù)上游地區(qū)地下水埋深分布情況

表2 永定河官?gòu)d站不同年代降水量、徑流量對(duì)比

圖4 永定河官?gòu)d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?jiàn)，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?gòu)d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?gòu)d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?gòu)d水庫(kù)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(kāi)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?gòu)d水庫(kù)以上流域的徑流影響幅度進(jìn)行解析。

（1）地下水開(kāi)發(fā)利用對(duì)徑流影響。地下水開(kāi)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?gòu)d水庫(kù)以上流域地下水開(kāi)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(lái)，隨著機(jī)械鉆井和提水工程的使用，地下水開(kāi)采利用量逐步增加，1980年地下水開(kāi)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(kāi)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(kāi)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(kāi)采狀況分析，由于地下水開(kāi)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?gòu)d水庫(kù)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(lái)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(shù)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(guò)增加地表植被來(lái)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?gòu)d水庫(kù)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?gòu)d水庫(kù)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(kāi)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(kāi)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?gòu)d水庫(kù)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(kāi)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?gòu)d水庫(kù)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(kāi)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?gòu)d水庫(kù)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?gòu)d水庫(kù)為首都北京的兩大地表水源地之一，其入庫(kù)徑流的變化直接影響到未來(lái)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(kāi)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)。

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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。