基于生态补水的永定河流域径流变化分析_李晓琳.pdf

基于生态补水的永定河流域径流变化分析李晓琳1）潘兴瑶1）杨默远1）刘波2）（1）北京市水科学技术研究院，100048，北京；2）北京市水文总站，100089，北京）摘要大规模的跨区域生态水量调度，在恢复长期断流河道生态水量需求的同时，也打破了流域原有的水文循环规律.为识别生态补水对河道径流的影响，本文开展了永定河流域年径流历史序列时空变化及生态补水前后对比分析.结果表明：流域年径流量呈显著性减少趋势，且在 1983 年存在变点；变点年后年径流量大幅度减少，且日径流量历时曲线显示变异后低流量的分布历时增加，年内日径流量的差异变大；开展大规模生态补水工作以后，官厅水库年入库流量较之前多年平均有明显提高，年内逐月流量过程恢复明显的双峰过程，生态流量满足率显著提高，生态补水对现状条件下河道径流起到了积极作用.关键词永定河流域；径流量；流量历时曲线；生态补水中图分类号TV121+.1DOI：10.12202/j.0476-0301.20220050引言水资源短缺是我国北方地区经济社会发展的关键制约因素.20世纪 80年代以后，北方地区河川径流量呈减少趋势，城市水资源供需矛盾加剧，部分时段出现河道干涸现象1，引起了一系列水安全与生态环境问题，严重制约了区域经济社会发展2.为了遏制由于地表径流衰竭等原因而出现的生态环境恶化、保护河道健康和生态平衡，许多地方实施了生态补水工程34.生态补水工程旨在恢复河道基流，促进水生态环境恢复与提升，为缓解水资源短缺起到了积极的作用.永定河流域是我国北方典型的水资源匮乏型流域之一，近几十年来，流域山区地表径流呈明显衰减趋势56.20012018 年天然径流与 19612000 年相比减少了 47%，地表水资源开发利用率达到 90%，流域平原段出现了连续断流现象7.水资源短缺现象严重，生态环境十分脆弱，长期缺水也使得其依靠自身难以恢复生态系统功能.永定河是京津冀重要水源涵养区与生态屏障，开展永定河综合治理和生态修复，是京津冀协同发展国家战略的具体要求，对于保护和涵养地下水源、保障生态用水具有重要意义.为推动流域生态修复和系统治理，实现“流动的河”目标，永定河实施了生态用水跨区域调配及引黄补水工程89，自 2017 年增大了上游向下游集中生态补水水量.2019 年首次开展了引黄水与上游本地径流统筹生态水量调度，为当时规模最大的一次生态补水并取得了初步成效.2020 年春季生态补水实现了全流域的贯通，打破了多年断流的局面，随后常态化的生态补水对河槽重塑、水面面积提升、水生植物恢复以及地下水位恢复都具有十分显著的效果.大规模的跨区域生态水量调度，在满足恢复长期断流河道的生态水量需求、改善水生态环境的同时，也打破了流域原有的水文循环规律，对径流等水文要素产生了影响.因此，在生态补水常态化的情况下，有必要进一步研究生态补水前后流域径流变化特征.目前永定河流域径流变化规律的相关研究1015，一部分集中于径流衰减归因分析，一部分集中于水文序列年度趋势与变异分析.在此基础上进一步分析流域年内不同等级流量的分布特征，尤其是小流量分布规律等方面的研究相对较少，已不能完全满足流域生态补水调度的需求.鉴于此，本文在基于 19612018 年代表水文站长系列日径流资料多尺度分析流域径流量变化特征的基础上，结合生态补水后的监测数据，对比分析补水前后流域径流量变化规律，进一步揭示流域径流演变情况，以期为流域年内径流分配及生态补水调控提供基础依据.1数据收集与研究方法1.1研究区概况1.1.1自然地理永定河流域（11211745E，39通信作者：潘兴瑶（1980），男，博士，教授级高级工程师.研究方向：水文及水资源.E-mail:收稿日期：2022-01-11北京师范大学学报（自然科学版）2022-12886JournalofBeijingNormalUniversity（NaturalScience）58（6）4120N）是海河水系最大的一条支流，地跨山西、内蒙古、河北、北京、天津等省区市，全流域面积 4.7 万km2，地势自西北向东南倾斜，西北部为山区，海拔一般为 5001000m，官厅水库至三家店，平均海拔为100m，从三家店入京津平原，海拔为 25100m16.1.1.2河流水系永定河上游有桑干河和洋河 2 大支流，在河北省怀来县朱官屯汇合后称永定河，在官厅水库纳妫水河，经官厅山峡于三家店进入平原，三家店为永定河流域山区、平原分界，其中山区流域面积为 4.51 万 km2，占 95.8%，平原流域面积为 1953km2，占 4.2%8.1.1.3水文气象永定河流域位于欧亚大陆中部，属于明显的温带大陆性季风性气候，为半湿润、半干旱型气候过渡区.流域多年平均降雨量为 410mm（19612018 年），降雨年内分配极其不均匀，全年降雨量主要集中在汛期（69 月），汛期降雨量占全年的 70%80%.多年平均天然径流量由 20 世纪 70 年代以前的21.80 亿 m3减少到 20012018 年的 6.55 亿 m3，总下降幅度达 70%.1.1.4社会经济永定河流域行政区划上分属北京、天津、河北、山西、内蒙古等 5 个省区市，共涉及51 个市、县、区，流域内总人口约 2200 万人.永定河上游山区矿产资源丰富，是我国重要的能源基地和可再生能源示范区，也是区域重要粮食和蔬菜产地.1.2数据收集收集整理了永定河流域基础地理信息数据包括行政区划图、水系图等（图 1），数据来源于中国科学院资源环境科学数据中心；气象数据选取永定河流域及周边 14 个气象站 19612018 年的逐日降雨数据资料为基础，数据来源于中国气象数据网；径流数据选取永定河流域山区具有代表性的水文站点 19612018 年日流量数据为基础，其中桑干河流域选取石匣里、洋河流域选取响水堡、永定河山区流域选取官厅水库为代表站点，数据来源于海河流域水文年鉴.N050100200 km图例水文站点国家气象站水系图1永定河流域主要水系与站点分布20192020 年春、秋季生态补水数据，以沿途关键断面及重点水库的水量监测数据为基础，实时统计官厅水库入库日均流量、水量等数据，数据来源于北京市水务局.1.3数据分析基于永定河上游流域、桑干河、洋河等代表站点的径流数据，采用多种统计检验方法分析了流域径流量的演变特征.1.3.1Mann-Kendall 突变和趋势检验法采用 Mann-Kendall（M-K）检验法识别与验证径流序列存在的变点，该方法是一种非参数检验方法，在气候和水文序列变化趋势及显著性检验中应用广泛1617.对一个长度为 n 的时间序列 x，首先构造一秩序列 sk：sk=ki=1ri(k=2,3,n),ri=1,xi xj,0,xixj,(j=1,2,i).假设时间序列具有随机独立特性，定义统计量：FUk=skE(sk)var(sk)(k=2,3,n),FUk式中：=0，E（sk）、var（sk）分别为秩序列 sk的均值和方差，计算式为E(sk)=k(k+1)4,var(sk)=k(k1)(2k+5)72,第 6 期李晓琳等：基于生态补水的永定河流域径流变化分析887FUkFUk为 标 准 正 态 分 布，给 定 显 著 性 水 平，若|U/2，表明序列存在显著趋势.将时间序列按逆序排序，再按照上式计算：FUBk=FUk,k=n+1k,(k=1,2,n).FUkFUkFUkFUBk若0，则序列呈上升趋势；60%，Q50减少 70%80%.其中，桑干河日径流量降低在不同频率时较为均匀，洋河和永定河日径流量频率60%部分减小程度变大，频率90%的日径流量减少比例约为 90%.总体来看，日径流量在低流量部分减少程度相对较大.为进一步分析流域变异年份前后日流量年内变化差异，根据河流水文特征选取 10%和 90%频率下的流量分别为高流量和低流量的代表值（分别用Q10和 Q90来表示），采用高、低流量与 Q50比值作为不同时段流量历时曲线的特征值，不同时段特征值见表 3.相比于 19611983 年，19842018 年的高流量表2流域各典型时段降雨径流特征值河段年份阶段平均径流深/mm平均降雨量/mm年径流系数降雨-径流相关系数桑干河1961198322.49388.90.0580.441198420185.42393.30.0140.164洋河1961198331.21399.20.0780.673198420189.69393.10.0260.089永定河1961198323.18391.00.0640.315198420185.51385.50.0160.029800石匣里响水堡官厅水库19611983 年19842018 年19611983 年19842018 年19611983 年19842018 年y=0.053 5x+66.733R2=0.974 1y=0.013 6x+416.43R2=0.939 6y=0.075 3x+25.311R2=0.997 1y=0.024 1x+540.8R2=0.942y=0.057 1x+41.515R2=0.986 9y=0.014 9x+430.57R2=0.887 55 00010 00015 00020 00025 000累积年径流深/mm累积年径流深/mm累积年径流深/mm累积年降雨量/mm700600500400300200100080090070060050040030020010001 2001 0008006004002000图3流域不同河段降雨量与年径流量双累积曲线第 6 期李晓琳等：基于生态补水的永定河流域径流变化分析889部分 Q10/Q50降低程度较小或有小幅度增加，而低流量部分 Q90/Q50均有显著降低.表明变异时段（19842018 年）低流量的分布历时增加，从而年内日径流量的差异变大.流域内大中型水库等水利工程调蓄水量明显改变了径流量的时空分布20，特别是对汛期流量具有削峰作用，导致径流量减少.此外，降水的年内分布表现为夏季降水减少，导致汛期流量减少，从而造成低流量分布增加21.2.2生态补水前后径流对比分析2.2.1月均径流量对比分析采用 20102018 年的官厅月均入库径流量作为补水前的径流代表值，结合2019 和 2020 年生态补水数据，分析大规模引黄补水后官厅入库水量的变化趋势（图 6）.20102018 年平均降雨量为 448mm，平均年入库径流量为 1.43 亿 m3.2019 年官厅水库入库径流量为 3.08 亿 m3，2020 年入库径流量为 2.33 亿 m3，较之前大幅增加.同时年内分布也发生了变化，其中补水期间（35、1012 月）的径流量，分别增加到多年平均月径流量值的 1.36.6倍，生态补水工作显著提高了河道的径流量与官厅收水量.20102018 年序列流量年内分布较为稳定，年内波动较小，尤其是 19 月份，主要原因是河道流量大幅减小，已不能维持天然状态水平.而 2019 和 2020年流量过程呈现出较为明显的双峰过程，天然来水特征初步呈现.表明生态补水工作在水量提升与河道天然流量过程恢复上，都具有积极的效果.2.2.2生态流量满足率对比分析采用魏健等22对永定河生态流量过程估算得到的最小生态流量和适宜生态流量，分别作为水文变异前后生态流量的下限值与上限值.生态补水前的生态流量上限及下限值的满足率见表 4，大规模生态补水后流量与生态流量的对比分析结果如图 7 所示.生态补水前生态流量下限值的满足率均值为 41%，而生态流量上限值的满足率均值仅为 4%，意味着河道生态缺水的情势不容忽视.2019 和 2020 年的逐月流量数据与水文变异年前后（1983 年前后）适宜生态流量对比结果可知（图 7），生态补水期间（35、1012 月）径流量均满足了变异后（19842018 年）的生态流量上限值和下限值；且在 45 和 1011 月也都满足了变异前（19611983年）生态流量上限值和下限值.2019 和 2020 年对变异后生态流量满足率达到了 70%80%；对