北运河闸坝生态调度研究

谷红梅，任 影，肖 芳，徐建新

(1.华北水利水电学院，河南郑州 450011;2.山东聊城河务局，山东聊城 252000)

北运河闸坝生态调度研究

谷红梅1，任 影1，肖 芳2，徐建新1

(1.华北水利水电学院，河南郑州 450011;2.山东聊城河务局，山东聊城 252000)

现行的闸坝调度考虑防洪、排涝、灌溉等，没有考虑生态调度，造成河流水资源严重短缺和水污染.通过分析北运河闸坝调度中存在的生态问题，考虑影响河段生态调度主要因素的基础上，结合北运河现状，提出了北运河闸坝生态调度目标、准则及方式，以期缓解北运河水质的恶化，改善全流域水环境状况，提高水资源利用率.

北运河;闸坝;生态调度

闸坝是水利工程中的主要工程建筑之一，具有流域防洪、外阻咸水、内蓄淡水、农业灌溉、城市供水、河道通航、鱼虾养殖、美化景观等多种功能，带来巨大的社会和经济效益.但由于调度失当，对生态健康构成了严重威胁.调整现有的闸坝调度方式，正确处理闸坝与生态的关系，争取人与自然的最大和谐，有利于推进当前社会的可持续发展.

北运河是北京市最主要的泄洪和排污河道，集泄洪、引滦输水、调水等多种功能为一体，承担着京城近90%的泄洪和近80%的排污任务，对北京市东部的生态环境起着非常重要的作用［1］.然而，20世纪80年代以后，上游用水量大幅增加，产生的大量工业、农业、生活废污水排入下游北运河流域.生态环境的恶化使水质污染，加上干旱、断流，使北运河流域的水生态问题比较突出.通过分析北运河流域生态环境问题，考虑到京津冀地区经济社会发展的形势，提出实施闸坝生态调度以控制和改善北运河流域水污染与水环境状况.

1 北运河现行闸坝调度存在的问题

北运河自西北向东南流经昌平、海淀、顺义、朝阳、通州区出境，经过河北省廊坊市香河县和天津市武清区、北辰区和红桥区入海河.

与历史资料比较可以看出，北运河现行闸坝调度多集中在供水调度，力求经济效益的最大化，忽视了环境调度和生态调度，严重威胁着河流水生态系统的健康.主要问题分析如下.

1.1 河道断流

自1999年以来，北运河流域连年遭遇干旱，年均降雨量仅为435 mm，比多年平均降雨量减少25%，部分河道断流，变成垃圾坑［2］.多条河道面临断流危险，河流水质差，水量小，自净能力差，河道萎缩，丧失了运河基本功能.

选取2007年北运河典型闸坝的流量变化过程，如图1所示.

图1 典型闸坝测站2007年流量变化过程

由图1可以看出，下游部分河段流量(土门楼、筐儿港观测值)出现负值，说明在此时段河道断流.导致河水断流的重要原因是河道控制性建筑物多，闸坝拦蓄水量大;上下游河道引水量不均，上游过度引水，下游引水不足;人类活动耗水量剧增等.

1.2 水质污染严重

北运河水体污染严重，主要有两方面原因:一方面是连年干旱，北运河污水比例逐年加大，河流的稀释和自然净化作用降低，自净能力不足;另一方面是北运河大多数闸坝在整个枯水期基本关闭，汛期首次开闸泄洪时，集聚在闸前的大量工业和生活污水集中下泄，造成河流突发性严重污染.

近年来实测资料表明，河道内水质基本上均为劣Ⅴ类.2008年北运河干流水域污染状况见表1［3］.

表1 2008年北运河干流水域污染状况

针对北运河调度存在的生态问题，应积极开展相关生态调度措施方面的研究，在保证水库防洪、发电和航运等经济效益的同时，尽量减少其对生态环境所造成的不利影响.

2 北运河闸坝生态调度

2.1 闸坝生态调度目标

生态问题的调度目标通常有最小生态流量调度、水质调度、生态洪水调度、泥沙调度、生态因子调度等，北运河水环境的主要问题是水质恶化与富营养化，因此其主要调度目标是最小生态流量调度和水质调度.

北运河流域的闸坝生态调度应当以河流生态需水为基础，以水质改善为控制指标，以实现河流健康生命为最终目标.即从河流系统整体出发，充分考虑河流生态环境需水量要求，各梯级闸坝统一规划、联合调度，以流域水质改善作为主要目标，共同承担河流系统生态需水量的释放，以实现闸坝调度改善水质的生态目标.

根据北京市和天津市环保局的地面水环境质量功能区划要求，北运河水系干流的水体功能和水质要求见表2.

表2 北运河干流水功能区划与水质目标

结合区划要求，提出北运河流域生态调度目标为:近期2012年，温榆河段COD浓度低于40 mg/L，北京段出口断面COD浓度低于50 mg/L，河北天津段COD浓度低于45 mg/L;流域内主要河段实现“不黑、不臭、无水华”，可作为绿化和大田作物灌溉水;远期2015年，流域干流各监测断面COD浓度低于40 mg/L，全流域水质基本保证满足水体功能要求，鱼虾自然繁殖，水生态系统得到初步恢复.

为实现北运河生态调度目标，可以采取严格控制流域内工业污染源，无害化处理垃圾，建立干支流断面监测点，确定COD考核断面，定期检测断面水质，流域内水质进行达标排放等措施.

2.2 北运河生态调度准则

建立闸坝生态调度准则的目的是缓解建库后各种建筑物给河道下游生态环境带来的不利影响，改善闸坝调度.其核心的理念是将生态环境保护目标引入到闸坝调度中来，丰富、发展和完善闸坝现有的功能，提高闸坝调度的综合效益.因此，充分结合闸坝生态调度和防洪调度，保障社会经济发展的同时，尽可能保护流域的生态完整性.

2.2.1 不同时期调度的影响和要求

1)非汛期或枯水年份.闸坝生态调度应保证水库下游维持河道基本功能的需水量，避免下游河道出现小于最小生态径流量而严重干扰河流生态系统的事件出现.

2)大洪水期.大洪水洪峰来临之前，防洪任务极其重要，防洪调度优于其他一切调度，以确保防洪安全.当大洪水进入退水阶段，水位开始下降，洪水风险变小，可适当减弱防洪调度，利用闸坝的下泄流量，逐步进行输沙调度.

3)中小洪水期.洪水强度相对较弱，调控各泄洪闸的泄洪流量，在调蓄灾害洪水过程的同时，从控制下泄流量的角度，尽量延缓流量下泄过程，达到利用洪水冲污、控制水体富营养化的过程要求.尽量满足下游河道的生态环境用水需求.

洪水期调度可通过提前调度下泄污染水量，缓解下游河道污染，也可采取干支流污水错峰调度，防止干流、支流的污水叠加，具体视工程情况而定.

2.2.2 生态调度准则

根据不同时期闸坝调度的影响和要求，结合北运河各闸坝实际运行情况以及北运河丰水期、平水期和枯水期不同阶段闸坝调度要求，制定出各时期总的生态调度准则，见表3.

表3 生态调度准则

2.3 北运河闸坝生态调度方式

合理的闸坝调度方式是将生态目标纳入到闸坝调度，转变常规调度方式为生态调度方式，结合闸坝调度影响区的生态需水规律，统筹协调防洪、兴利、生态等各项功能，在满足人类社会经济发展的同时，维持或修复河流生态健康，实现河流水资源的生态良性循环.

确保闸坝建筑物和河道防洪安全的前提下，调整北运河闸坝的调度运行方式，可以降低闸坝分割干支流、阻隔河流的作用，恢复、增强干支流、河流湖泊等水系的连通性，增强河流的纳污能力［4］.

根据北运河闸坝现行运作情况，提出如下生态调度方式.

1)控制闸坝水位，调整闸门开启度.各闸坝上游汛期蓄水位不超过汛限水位，非汛期不超过正常蓄水位;当上游水位超过汛限水位时，闸坝按最大泄流能力泄水;对条件适合的闸坝实施分期抬高汛限水位，在保证安全的前提下多蓄水.由于洪水具有不确定性，闸门调度一般不能将洪水全部放空或仅仅拦截尾水，而是当闸上水位在退水段达到目标蓄水位后，通过调整闸门不同开启方式，维持闸上水位不变.例如京、冀地区水资源短缺，在洪水到来时，部分闸坝应当关闭，以保证水情预报的准确性.此外，北运河涉及其他河道洼淀多，如潮白河、永定河等，这些河道同在一个雨区，同时降雨暴发洪水的机遇较多，调度时要综合考虑相关河道洼淀的水情［5］.

2)结合流域水质，适时适量泄水.北运河各闸坝泄量控制原则:①沙河闸:根据东沙河、南沙河及北沙河逐日径流资料计算入库流量，考虑沙河水库的蒸发渗漏损失，并扣除上游灌溉引水需求后，以沙河水库的最低运用水位和正常蓄水位作为控制指标，以水位库容曲线为依据，在逐日水量平衡分析的基础上，制定出各种情景的逐日泄流量;②北关闸、杨洼闸、土门楼、筐儿港和屈家店各闸坝:根据上游来水量，考虑生态需水量和区间内用水量需求以及汛期防洪控制水位，制定出各种情景的逐日泄流量;③优化辛堡闸泄流方式，适当增加非汛期的泄流量，减少汛期的泄流量.

3)保证一定的基流量和河道健康，满足河流生物的基本需求.土门楼—筐儿港和筐儿港—屈家店河道的生态问题主要是水量短缺，河道断流，需恢复河道的天然形态，保持河道储水量;北关闸—牛牧屯河段的水污染严重，生态状况最差，在该河段应控制污染源，提高河流自净能力;在生态敏感期，各闸坝下游最小流量不能低于生态最小需水阈值［6］.

4)综合分析流域水情，初拟调度方案.根据北运河现有调度方式，考虑到下游生态，现拟定出2种生态调度方式:一是按各控制闸汛期采用汛前水位和非汛期采用正常高水位运行的方式、再考虑生态基流的要求后提出调度方案;二是考虑生态需水的水量平衡后提出各控制闸水位调度方案.这两种调度方案都考虑生态基流的要求，生态基流取值一般采用90%或95%保证率的各个闸坝段最枯月河流平均流量.调度时，根据通县站天然径流频率分析成果，选择50%，75%，95%典型年天然径流量，加上北京市当年污水量，扣除通县站以上农业耗水量和北京市污水回用量，作为北运河水源当年水资源总量，优先满足各节点及各河段引水量需求，再选取相应生态调度方式.

3 结语

北运河流域的闸坝生态调度能够推进京津冀地区生态水利的顺利进展.笔者根据北运河流域存在的河流污染及河道断流问题，指出北运河闸坝生态调度最终目标是实现水生态系统的恢复.结合北运河丰水期、平水期和枯水期不同调度要求，初步提出了闸坝生态调度方式是控制不同时期水位和泄水量，保证水库和闸坝安全;在优先满足各河段引水量情况下，考虑水位调度或水量平衡调度.

然而笔者提供的只是一种设计思路，下一步将开展更细致的工作，构建水动力－水质模型，将河道断面概化，率定与验证模型参数，分析现状年、平水年、枯水年等工况情景下北运河下游水动力学特性和水质特性，实际检验北运河生态调度的合理性、实用性和正确性.

［1］周洪利.北运河榆林庄闸重建的生态水闸模式［J］.北京水务，2006(4):17－19.

［2］付春梅，吉利娜，白文荣.北运河安全度汛与突发事件应急处理［J］.北京水务，2010(6):37－38.

［3］北京市环境保护局.北京市北运河流域污染状况调研报告［R］.北京:北京市环境保护局，2008.

［4］曲树国，刘洪霞，赵海军.山东省河道闸坝生态调度原则和调度方式探讨［J］.山东水利，2009(7):57－59.

［5］陈国树.浅议北运河洪水调度［J］.河北水利，2003(5):17.

［6］张运凤，徐建新，徐红松，等.基于和谐理念水库调度方式的研究［J］.人民黄河，2007(7):8－10.

Ecological Regulation of Gate Dam in North Canal

GU Hong-mei1，REN Ying1，XIAO Fang2，XU Jian-xin1
(1.North China Institute of Water Conservancy and Hydroelectric Power，Zhengzhou 450011，China;2.Liaocheng River Engineering Bureau of Shandong Province，Liaocheng 252000，China)

The existing gate dam regulation usually considers flood control，drainage，irrigation，etc.，while neglects the ecological regulation.This will result in the river water shortage and water pollution.By analyzing the ecological problems in the gate dam regulation of the North Canal，considering the main related factors，and combined with the current situation of the North Canal，the objectives，standards and methods of gate dam regulation of North Canal are put forward in order to alleviate the deterioration of the water quality of North Canal，improve the water environmental conditions of the basin-wide and improve water utilization rate.

North Canal;gate dam;ecological regulation

1002－5634(2012)03－0030－04

2012－03－27

国家水体污染控制与治理科技重大专项项目(2008ZX07209);华北水利水电学院研究生教育创新计划基金(YK2010－12).

谷红梅(1974—)，女，河南郑州人，副教授，硕士生导师，主要从事水利工程及农田水利方面的研究.

徐建新(1954—)，男，辽宁沈阳人，教授，博士生导师，主要从事区域水资源高效利用及灌排发展战略方面的研究.

(责任编辑:乔翠平)