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水资源状况分析及生态补水展望

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摘要:阐述了十三陵水库的流域基本状况和水库蓄水情况,对实施水库补水工程情况进行了说明,在此基础上提出生态补水即恢复白河堡水库对十三陵水库跨流域补水、实现水资源优化配置的展望及管理建议。

关键词:生态补水;水资源状况;水质;十三陵

水库北京十三陵水库流域面积223km2,控制东沙河84%的流域面积,占温榆河上游山区流域面积1/4。流域形状呈扇形,起于燕山山脉延庆区西二道河山区,止于昌平区城区东北约4.6km十三陵水库主坝,下游连接温榆河北支东沙河。水库在规划初期具备防洪排涝、发电供水等多重效益,承担着北京市部分城市生活用水与工农业用水的任务,是一座综合利用的中型水库。历经60年变迁,现主要功能为防洪和保障蓄能电站发电用水需求。水库坝址以上主沟长30km,平均坡降16‰,上游有德胜口、锥石口、上下口及老君堂4条沟道,4条沟道于十三陵七孔桥上游汇合后入十三陵水库,其中主沟德胜口沟长30km,平均坡降36‰,为4条沟道中最长、最陡的一支,上有德胜口水库;德胜口水库为一座小(2)型水库,设计总库容70万m3,控制流域面积48.9km2;另有8座小塘坝,总蓄水能力约为28万m3。

一、水库蓄水情况

1.基本现状水库防洪标准按100年一遇的洪水进行设计,按2000年一遇的洪水进行校核,总库容7450万m3,正常蓄水位93.0m,死水位85.0m,建成后平水年汛期及非汛期基本没有基流进入水库,现状库水位接近死水位。水库上建有十三陵抽水蓄能电站,设计上池正常运行水位566m,总库容445万m3;对下池(十三陵水库)设计运用水位85.0~93.0m,现状上下池总蓄水量1200万m3左右。

2.面临的主要问题建库以来,由于上游来水逐年减少,人类活动干扰严重,流域下垫面发生较大变化,河道干枯或被占用现象频发,加之库底部分区域存在透水层,渗漏损失较大,仅靠天然来水很难保证水库正常运行,蓄水不足成为水库较为突出的问题。特别是1995年以水库为下池的十三陵抽水蓄能电站投入运行以后,维持水库蓄水稳定、保障电站发电用水需求成为水库的主要功能,同时也对水库蓄水能力提出了更高要求。为此,水库采取多项措施,有效缓解了水资源紧张的问题,提高了水库的蓄水能力,同时尽可能兼顾了水库水质稳定,实现水库的持久稳定发展。

3.采取的主要工程措施(1)白河堡水库补水工程白河堡水库补水工程始建于1983年,二期工程于1986年建成,补水渠全长66km,共分为3段:上段从延庆区白河堡水库至白河堡灌区南干渠八家村分水闸,全长35km;中段从八家村分水闸至德胜口水库,全长24.5km,其中德胜口沟长18km,隧洞长6.5km;下段从德胜口水库至七孔桥,全长6.5km。上段工程设计引水流量10~14m3/s,中下段工程设计引水流量4.3m3/s,年平均最大补水量为3000万m3。(2)沙河应急补水工程沙河应急补水工程建成于2004年6月,同年年底正式通水。考虑水质下降和水量供应能力,补水方案采用抽取井群地下水和沙河水库地表水混合补给,后转为引京密引水渠水补给的方式向上游的十三陵水库反向输水。补水工程设两级泵站,一级泵站为位于沙河闸北部的原昌平区半壁街泵站,二级泵站设置位于京密引水渠东沙河倒虹吸处,输水管道为玻璃钢圆管,一级泵站至二级泵13.9km,二级泵站至水库大坝下游闸阀室长7.9km,通过十三陵水库输水系统进入水库,补水工程合计扬程83m,设计补水流量0.5m3/s,日补水量4.32万m3。但经过多年运行,现状补水能力已无法达到设计标准,实际日补水量约为2万m3。(3)防渗工程受上游古河道地质条件的影响,库区末端黏性土层埋深约为20~40m,平均渗透系数在10-6cm/s以下,而上部为渗透系数较大的砂卵石层,对库区渗漏损失影响较大。1991年,水库采取防渗补漏的方式在库尾适宜位置设计修建了一道库尾防渗墙,以解决库尾浅层渗漏问题。工程为尽可能保留水库蓄水面积,选址于大坝上游2.8km处,防渗墙中心线长1300m,设计控制水位90m,为将防渗墙以上蓄水水位提高到设计控制水位,地上修筑了3.0~3.5m的小堤,此时水库的水面面积为302万m2,库容为1964万m3。施工同期修通了由七孔桥至防渗墙下游的补水暗涵,全长1200m,为2Ф1.6m的钢筋混凝土结构,进口与白河堡补水工程终点明渠相接,出口设陡坡跌水与河床顺接,沟通了因防渗墙修建而抬高的入库水位,保证上游径流能够顺利入库。据测算,建库尾防渗墙后水库的渗漏量为246.55万m3/a,仅为建墙前的16%~17%,当水位在89.0m时水库渗漏量可基本控制在300万m3/a。此外,解决水库渗漏问题的工程还有:1970年修建完成的坝基防渗墙,解决了大坝建成后便出现的严重渗流,工程修建较早,对后期人工补水的研究没有影响;2004年完成了对大坝主体及上下游坝坡进行的除险加固,进一步减少了坝下渗流损失,对库容及蓄水面积产生了部分影响。

二、水资源管理效果分析

1.水库补水情况概述水库建成至今60年间,上游天然来水较少,来水主要集中在前20年,1974年出现历史最大入库流量3180万m3。1980年以前的22年,共计天然来水21491万m3,仅有1年无来水,占60年总来水量的85.38%。后38年中仅有12年有天然来水,且来水量明显偏小,在1984—1988年间还出现长期空库,该阶段最大入库流量为1998年的1750万m3,仅为1974年的55.0%。1998年以后几乎没有天然来水入库。因此可以推断,随着时间的推移,在无外界补水的情况下,仅靠流域内天然来水将越来越难以维持水库的正常蓄水,人工对周边流域的水资源进行合理调度与配置是解决水库蓄水不足的有效途径和必要手段。十三陵水库于1958年建成后开始蓄水,1984年开始利用工程进行补水至2017年的34年中,共有30个年份进行了补水,补水水源共有3个,即白河堡水库、沙河水库及周边井群、京密引水渠,补水水量共计15075万m3,水库天然来水及补水情况见图1。

2.水资源调配情况分析从图1中可以看出,对十三陵水库人工补水始于1984年,利用白河堡水库工程进行补水共计17年,最大补水流量为1087万m3/a(1995年),累积补水量为8048万m3,据白河堡补水工程使用年间向十三陵水库输水共计2.021亿m3,据此计算在此期间白河堡水库补水工程补水效率约为40%。基于密云水库对白河堡水库的调水量需求,十三陵水库于2005年起开始全面利用沙河应急补水工程进行补水,至今共13年,累计补水量为7027万m3,受工程的实际输水能力影响,除最多年份(2014年)补水700万m3和最少年份(2008年)补水385万m3以外,其余11年的补水量均在(550±40)万m3/a的范围内。2005—2010年,水库主要补水水源为沙河水库和周边井群,由于沙河水库水质较差而抽取了大量地下水进行补充,受沙河水库及周边井群水质较差、地下水超采的影响,水库于2010年起停止了一级泵站运行,将流经二级泵站附近的京密引水渠水引入二级泵站调节池向水库输水,与抽取周边地下水补充的方式并行。京密引水渠中水源在南水北调进京前主要为上游怀柔水库;2014年年底南水北调工程通水后,渠道水为南水,减少了对地下水的开采,这使得十三陵水库的水质水量得到了保障,同时减少泵站级数和补水扬程,大幅度降低了补水成本和补水工作难度。需要指出的是,对补水成本的计算中,无论利用沙河应急补水工程的两级泵站还是仅利用二级泵站向水库补水,均为反向提水,就工程本身而言,除常规养护维护费用外,两者均会产生一定数额用于提水的电费,而白河堡水库补水工程仅靠自流就可以完成补水,在不考虑水资源自身费用的情况下,补水几乎不产生其他费用。结合白河堡水库水源充足、水质条件较好,南水北调工程成功通水极大减轻其对密云水库水源地的输水保障压力的现状,恢复白河堡水库对十三陵水库跨流域补水是今后优化配置水资源可以考虑的方向。

3.水质情况分析水库主要入库水源有白河堡水库、沙河水库及泵站周边井群、京密引水渠正向补水水源和反向补水水源。根据《十三陵水库志》记载,十三陵水库水质监测起始于1981年,监测频率为每季度一次,取样点为水库库中,2001年11月起监测频率为每月一次,取样点为水库库中、输水洞进口、二泵站等。本文收集整理了从1991年起的水库库中水质监测数据,通过简单分析,可以发现其氨氮、总磷、生化需氧量和溶解氧等指标总体满足地表Ⅱ类水标准,金属离子基本满足地表Ⅰ类水标准,而总氮变化幅度较大,基本决定了水库每次监测水质评价结果,总氮多年变化情况见图2。在特定时期,十三陵水库由于补水水源单一,水质的多年变化情况在一定程度上受补水水源水质影响,但不同补水方式对短期水质变化的影响则较为复杂,上游白河堡水库补水期间,与水库水质年内变化的相关性较小,下游利用管道进行补水期间基本为连续补水(不考虑因防汛、检修等引起短期停水),对水质的年内变化影响较大。白河堡水库向十三陵水库补水期间每年补水一次,对水库水质年内变化的相关性较小,而在此期间,水库水质也较为稳定,总氮含量基本符合Ⅲ类水标准,在2002年开始趋向于Ⅱ类水标准(≤0.5mg/L)。沙河水库及周边井群补水期间基本为连续补水(不考虑因防汛、检修等引起短期停水),由于沙河水质较差而频繁交替补水水源使得水库总氮含量在Ⅲ、Ⅳ类(≤1.5mg/L)水质标准间浮动较大,且存在短期超Ⅴ类水(≤2.0mg/L)的情况,综合水质评价无法达到Ⅲ类水标准。可以看出,改为京密引水渠补水后,总氮含量明显降低,基本满足Ⅲ类水标准,水质情况得到改善,尤其是在反向补水期间总氮含量均优于Ⅳ类水标准。由此可以看出,在利用不同水源补水的条件下,白河堡水库补水对水库水质保障程度最高,其次为京密引水渠反、正向补水,而沙河水库及周边井群供水最不利于保障水库水质。总的来说,上游正向补水对水库水质的影响优于下游反向补水。

三、结论与建议

1.恢复上游对十三陵水库正向补水的展望通过以上分析讨论,可以看出恢复上游对十三陵水库的正向补水有以下5点优势。①2018注册送白菜网站性。十三陵水库大坝防洪标准较高,现状库水位较低,具备较好的调蓄功能以接纳上游来洪和补水,且相比于沙河应急补水工程全程利用有压管道进行输水,十三陵水库从上游补水所利用的渠道或暗涵(无压)工程较为2018注册送白菜网站可靠也便于维修养护。②可行性。2014年南水北调进京极大满足了密云水库的补水需求,白河堡水库可减少或不再向密云水库补水,继续维持白河堡水库的正常运行管理,可以充分保证向十三陵水库补水的水质水量。③工程效益。白河堡水库补水工程在停止向十三陵水库补水前,共使用了21年,总计补水8048万m3,对十三陵水库的运行起到了很大帮助,对水库水质也起到了良性影响,相比沙河应急补水工程成本优势也较为突出,充分利用已有工程加以修缮进行调水,可以减少工程建设成本,收获较好的工程效益。④生态效益。从流域上游对水库进行补水,能够有效解决流域内沟道多年干涸的状态,并适当回补地下水,促进流域内部及流域与外界的地表、地下水文循环,改善流域生态环境。⑤水库功能发展。未来昌平水务发展规划将十三陵水库作为地表备用水源地,恢复生态补水对将来真正实现水源地功能方面将提供水源和水质的保障

2.加强对十三陵水库进行治理管理的建议①修缮补水工程。白河堡水库补水工程修建至今已有30余年,停止补水也有10余年,期间缺乏有效的管理和保护,工程损毁情况及所利用的天然河道变迁情况不可忽视,恢复使用前需进行必要的维护和治理。②提高蓄水位。通过上游跨流域补水涵养流域地下水,提高流域整体蓄水量,从而提高补水工程的输水效率;现状蓄水位情况下,库尾有大片滩地,游客游玩及露天烧烤等现象屡禁不止,将水位抬高至库尾防渗墙的控制水位90m高程,淹没库区内滩地,杜绝了游人在库区内活动,降低管理难度,此时的水面面积约为现状的150%,蓄水量提高约1倍,水库生态调节能力得到提高,水库环境得以改善,是最佳的生态蓄水水位。③加强流域生态建设。借助河长制的实施加强对整个流域内的生活污水和生活垃圾、耕地林地流失的化肥、畜禽养殖污染物排放等问题的系统治理,控制流域点源和面源污染,从而进一步提高水库蓄水水质,为其日后成为饮用水水源地打下基础。

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作者:王嘉航;杨启涛;王萌;赵帅;赵鹏云;杨智;徐振亮 单位:北京市十三陵水库管理处

水资源状况分析及生态补水展望责任编辑:张雨    阅读:人次

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