潮白河北京段生态补水调度方案研究.pdf

水利水电技术(中英文)第 54 卷 2023 年第 9 期Water Resources and Hydropower Engineering Vol.54 No.9吴悦,徐佳琪,仇文顺,等.潮白河北京段生态补水调度方案研究J.水利水电技术(中英文),2023,54(9):180-189.WU Yue,XU Jiaqi,QIU Wenshun,et al.Study on ecological water replenishment scheduling scheme of Chaobai River in Beijing sectionJ.Water Resources and Hydropower Engineering,2023,54(9):180-189.潮白河北京段生态补水调度方案研究吴 悦1,徐佳琪1,仇文顺2,王梦瑶2,李 述2,时 洋1,魏加华1,3(1.清华大学 水圈科学与水利工程全国重点实验室,北京 100084;2.北京市水资源调度管理事务中心,北京 100089;3.宁夏黄河水联网数字治水重点实验室,宁夏 银川 750021)收稿日期:2023-02-26;修回日期:2023-04-13;录用日期:2023-04-25;网络出版日期:2023-06-25基金项目:国家重点研发计划项目(2022YFC3204600);国家自然科学基金项目(U2243232)作者简介:吴 悦(2000),女,硕士研究生,主要从事水文水资源和水信息方面的研究。E-mail:wuyue22 通信作者:仇文顺(1967),男,高级工程师,主任,学士,主要从事工程管理、水资源调度管理及水务信息化研究。E-mail:13701064834 魏加华(1971),男,博士研究生导师,教授,博士,主要从事水资源与水信息研究。E-mail:weijiahua Editorial Department of Water Resources and Hydropower Engineering.This is an open access article under the CC BY-NC-ND license.摘 要:【目的】生态补水是复苏河湖、维持河道内生态功能、提升生态价值、促进生态文明建设的重要措施。我国华北地区河道天然生态基流不足,可用于河道生态补水的水量十分有限,如何利用有效的生态补水量,达到河道生态补水的最佳效果,需要科学地研究生态补水调度方案。为确定季节性河流常态化生态补水流量范围及流量过程,【方法】在研究河道生态补水演进和水量损失变化规律的基础上,以 2021 年潮白河北京段秋季生态补水为例,采用 MIKE 11 构建河道一维水动力模型,模拟研究了河道不同生态补水规模、流量下泄过程、沿程断面水量变化和水流演进过程等,确定了补水水量、流量及补水时长等关键参数和范围。【结果】结果显示:补水流量越大,生态补水首次全线贯通天数越短。河道演进时间和水量削减率指标与补水时长呈正相关关系,与补水水量成反比。【结论】结果表明:补水流量在 5565 m3/s 时,可以减少全线首次贯通天数和贯通水量;补水时长为 90 d,密云水库出库流量为 25 m3/s 时,可以实现干流北京段全线通水,基本无水量达到白庙断面,是实现潮白河北京段河道贯通补水流量的最低阈值(1.9108 m3);生态补水水量充足情况下,综合考虑生态补水地表-地下协同修复及河道演进过程,建议生态补水总量控制在 2.71083.3108 m3、补水时长控制在 90120 d 为宜,且较优的生态补水期为 36 月。关键词:生态补水;水量调控;水流演进;补水流量;潮白河DOI:10.13928/ki.wrahe.2023.09.016开放科学(资源服务)标志码(OSID):中图分类号:TV213.4文献标志码:A文章编号:1000-0860(2023)09-0180-10Study on ecological water replenishment scheduling scheme of Chaobai River in Beijing sectionWU Yue1,XU Jiaqi1,QIU Wenshun2,WANG Mengyao2,LI Shu2,SHI Yang1,WEI Jiahua1,3(1.State Key Laboratory of Hydroscience and Engineering,Tsinghua University,Beijing 100084,China;2.Beijing Water Resources Dispatching Management Center,Beijing Water Authority,Beijing 100089,China;3.Key Laboratory of the Internet of Water and Digital Water Governance of the Yellow River,Ningxia University,Yinchuan 750021,Ningxia,China)Abstract:Ecological water replenishment(EWR)is an important measure to revive rivers and lakes,maintain ecological func-081吴 悦,等/潮白河北京段生态补水调度方案研究水利水电技术(中英文)第 54 卷 2023 年第 9 期tions,enhance ecological value and promote the construction of ecological civilization.The natural ecological base flow of rivers in North China is insufficient,and the amount of water available for ecological water replenishment is very limited.How to make use of effective ecological water replenishment to achieve the best effect of ecological water replenishment of rivers requires scien-tific research on ecological water replenishment scheduling scheme.In order to determine the flow range and process of normal ecological water replenishment for seasonal rivers,the one-dimensional hydrodynamic model of river channel is constructed with MIKE 11,taking the ecological water replenishment of Beijing section of Chaobai River in autumn in 2021 as an example on the basis of studying the evolution of ecological water replenishment and the change law of water loss in river channels.Different eco-logical water replenishment scales,discharge process,water change along section and water flow evolution process of the river were simulated and studied,thus key parameters and ranges such as water replenishment amount,discharge and duration were determined.The result shows that the larger the water refill flow rate,the shorter the duration of the first full line of ecological water refill.The indexes of river course evolution time and water reduction rate are positively correlated with the water replenish-ment duration,and inversely proportional to the water replenishment amount.The result show that when the water refill flow is 5565 m3/s,the number of first through days and water volume of the whole line can be reduced.When the replenishment dura-tion is 90 days and the discharge of Miyun reservoir is 25 m3/s,the whole line of the main stream in Beijing section can be con-nected to the water,and the basic water absence reaches Baimiao section,which is the minimum threshold of replenishment flow through the Beijing section of Chaobai River(1.9108 m3).When the amount of ecological water replenishment is sufficient,considering the surface-underground cooperative restoration and river course evolution process of ecological water replenishment,it is recommended that the total amount of ecological water replenishment should be controlled between 2.7 108 m3 and 3.3108 m3,and the duration of ecological water replenishment should be controlled between 90 d and 120 d,and the optimal period of ecological water replenishment is from March to June.Keywords:ecological water replenishment;water control;water flow evolution;water refill flow;Chaobai River0 0 引引 言言 我国华北和西北地区多为季节性河流,仅部分山区河道和少部分平原河流枯水期有生态基流。季节性河流多以雨水为补给来源,河道水量随降雨季节的变化而变化,夏季水量较充沛,冬季则相对较少,甚至断流1。河流水量丰枯变化大且不稳定,丰水期洪水灾害频发,枯水期断流严重,河道内生态系统稳定性差、生态系统脆弱2。河道生态补水是向因最小生态需水量无法满足而受损的生态系统补(调)水,补充河道内生态水量,遏制生态系统结构破坏和功能丧失,逐渐恢复生态系统原有的、能自我调节的基本功能,或者实现新的生态平衡的活动3。河道生态补水可以加大水环境容量,改善水质,是恢复断流河道生态环境的有效途径4。北京地处海河流域,水资源短缺,南水北调中线工程通水前,城市供水主要依靠超载地下水维持,基本上有河皆干。2014 年中线工程通水后,供水情势大为改观,尤其是 2021 年,降水条件好5,为河道生态补水创造了良好的水源条件。为抓住流域内来水相对充沛的有利时机,统筹南水北调水、雨洪水及再生水等,2021 年汛后北京市组织实施了潮白河生态补水,以复苏河道生态、回补地下水源,实现地表水-地下水协调修复,以改善河道内水生态环境。生态补水水量是河道生态补水的关键,许多学者在综合国内外生态需水量计算方法基础上,提出了多种河道水量配置方案。魏加华等6-8针对黄河断流、塔里木河流域生态治理等提出了以经济和生态效益最大化为目标的水量优化配置与生态水有效配置的优化调度模型及自适应水量调度模型,并在黄河、塔里木河等流域得到实践。阿不都外力9采取实证分析方法,确定了塔里木河流域水资源调度的关键管控断面阿拉尔的水量,给出源流、干流及干流下游依序展开“集中同步组合、分段耗水管控、地下水深管控”的水资源调度方案。YAN 等10构建面向生态流量的水资源配置与模拟框架(E-WAS),并将其应用于坪山河流域,模拟流域的生态补给过程,提供考虑优化原则的推荐补水方案。SUN 等11构建集成了基于Muskingum 方法的明渠流和基于机器学习的地下水流耦合模型,分析永定河生态补水下河流流量和地下水位的动态变化,确定了官厅水库下泄流量范围。邵惠芳等12建立水量平衡模型对永定河北京段不同可配置水源、不同入渗条件下的生态补水效果进行对比分析,提出了永定河生态补水调配方案建议。孙冉等13构建永定河段 MIKE 11 水动力模型,分析提出补水流量在 4080 m3/s、采取小流量和大流量交替181吴 悦,等/潮白河北京段生态补水调度方案研究水利水电技术(中英文)第 54 卷 2023 年第 9 期补水的方法,流域生态补水效益实现最优化。王璇等14以北京市汉石桥芦苇沼泽湿地为例,构建潮白河流域 SWAT 模型模拟径流变化规律,利用 MIKE 21模拟湿地补水水量-水动力耦合过程,提出了生态补水方式的优化方案。已有的生态补水,大多数为应急补水,如塔里木河、黑河、永定河(引黄)等,已有研究重点关注了生态需水量、生态补水效果等。如王星15从不同需求出发,采用 Tennant 法和植被定额法计算河道生态需水量,给出潮白河干流北京段现状生态环境需水量、恢复生态基本流量的河道最小生态环境需水量、使潮白河的生态环境处于良好的状态且保持地下水供水平衡的需水量,对于潮白河段生态需水量做了详细研究。对于严重缺水的北方河道,可供生态补水的水量远小于需水量,只能“以供定需”,在这种条件下,如何合理安排有限的水量,达到最佳的补水效果,是调度实践关注的重点。在河道长期断流、补水实测资料不足、补水水量受限等约束下,需要研究河流的水流传播规律、生态补水控制指标等,为生态补水调度实践提供指导。因此,本文基于潮白河 2021年汛后生态补水的实践,通过构建水动力学模型,模拟研究河道生态补水水流演进规律,利用率定后的模型,探索潮白河北京段补水的全线贯通需水水量、不同补水方案下的沿程断面水量变化、不同补水过程下水流演进时间等主要指标,揭示河道生态补水沿程的变化规律,提出潮白河北京段适宜水量、补水流量及补水时长等关键参数,为潮白河常态化生态补水提供支撑,具有理论和实践意义。1 1 研研究究区区概概况况与与研研究究方方法法1.1 研究区概况 潮白河流经北京市的东北部,为海河水系四大河流之一。潮白河北京段(见图 1)上游由潮河和白河两大支流组成,潮河与白河在密云水库出库后于城南河槽村汇合而成潮白河,中途纳入怀河、小中河、雁栖湖、运潮减河等支流。北京市境内流域面积 5 510km2,汇合口至市界长 83.5 km,径流集中在 69月,约占全年径流量的 62%16。潮白河北京干流段汇合口至牛栏山段河道断面整体较为规整,牛栏山至苏庄段断面较为开阔,主槽宽度 150500 m,纵坡比降 0.3。苏庄至白庙段断面较窄。潮白河干流段建有汇合口、牛栏山、向阳闸、苏庄及白庙等水文测站,白庙为潮白河北京段下游的出境控制断面。图 1 研究河道示意Fig.1 Study river course schematics1.2 研究方法1.2.1 模型原理一维水动力模型能够直观反映河道演进过程中各断面流量及水位变化情况,因此研究构建潮白河北京段一维水动力模型,用于模拟生态补水的河道水流演进过程。一维水动力模型是基于圣维南方程描述非恒定流运动规律的方程组,由连续方程和动量守恒方程组成BSht+Qx=qQt+gAhx+Q QC2A2R()+xaQ2A()=0(1)式中,Bs为河道的断面宽度(m);h 为河道断面水位(m);t 为时间坐标(s);Q 为河道断面的流量(m3/s);x 为空间坐标(m);q 为河道旁侧入流量(m3/s);A 为河道过水断面面积(m3);g 为重力加速度(m/s2);C 为河道断面谢才系数(m2/s);R 为断面水力半径;为动量校正系数。水动力模型利用六点中心 Abbott-Ionescu 隐式差分法离散圣维南方程。计算时水位 h 和流量 Q 在同一时间步长交替计算,满足模拟需求。281吴 悦,等/潮白河北京段生态补水调度方案研究水利水电技术(中英文)第 54 卷 2023 年第 9 期1.2.2 精度评价为进一步反映模型模拟精度,采用径流总量相对误差 E、纳什效率系数 NSE、相关系数 R 和一致性指标 d 四个精度指标建立模型的精度。(1)径流总量相对误差 E。当 E 小于 20%时即认为合格17,越小则精度越高。计算公式如下E=ni=1Qmini=1Qi-1()100%(2)(2)纳什效率系数 NSE。NSE 越接近 1 时,模拟效果越好,NSE0.6 时,模拟效果较优18。计算公式如下NSE=1-ni=1(Qmi-Qi)2ni=1(Qi-Q)2(3)(3)相关系数 R。R 越接近 1,实测流量与模拟流量吻合度越高。研究以 R0.7 作为实测值与模拟值拟合程度的判断标准19。计算公式如下R=ni=1(Qi-Q)(Qmi-Qm)ni=1(Qi-Q)2ni=1(Qmi-Qm)2(4)(4)一致性指标 d。d 越接近 1,越接近于实际情况,模型精度越高20。计算公式如下d=1-ni=1(Qmi-Qi)2ni=1(Qmi-Q)+(Qi-Q)2(5)式中,Qmi为下游断面演算流量(m3/s);Qi为下游断面实测流量(m3/s);Q 为下游断面实测流量平均值(m3/s);Qm为下游断面模拟流量平均值(m3/s)。1.2.3 分析方法从河道贯通水量、水量削减率以及河道沿程演进时间分析河道生态补水效果。(1)贯通水量 QS。反映河道补水全线贯通所需水量,根据不同补水流量下的河道贯通时间确定河道全线贯通水量。计算公式如下QS=T0qsdt(6)式中,QS为贯通水量(m3);qs为生态补水流量过程(m3/s),随时间 t 变化;T 为全线贯通时间(s)。(2)断面间水量削减率。反映沿程河道上下游断面水量的变化情况,断面水量削减主要包括区间蒸发、下渗(回补地下水)、槽蓄量变化等。根据上游(i)、下游(i+1)断面水量差值与上游断面水量比值确定河道水量削减率。计算公式如下=1-Qi+1Qi(7)式中,为水量削减率;Qi+1为河道下游水量(m3);Qi为河道上游水量(m3)。(3)演进时间 t。反映同一相位的流量从上游传播到下游需要的时间,与河道糙率、河道干湿状况、槽蓄量等有关。1.3 研究数据 研究用到的数据主要包括河道地形断面、生态补水水量及过程、断面流量和水位等:(1)潮白河密云水库坝下至白庙段及旁侧支流 怀河段实测断面和 DEM 地形插值的河道地形数据;(2)2021 年 911 月汛后潮白河秋季生态补水水库每日出库下泄流量;(3)2021 年潮白河秋季 911 月汛后生态补水水文实测数据,包括河道流量监测断面:汇合口、牛栏山、向阳闸、苏庄、白庙以及旁侧支流怀柔水库西溢洪道等的日流量、水位数据,流量、水位数据来源于北京市水文总站。2 2 模模型型构构建建 建立潮白河北京段一维水动力模型,对于生态补水河道演进过程进行精细模拟。2.1 模型构建 (1)河网与断面。构建潮白河自密云水库出库潮河和白河至白庙的一维河道模型,覆盖怀河支流。利用实测断面和 DEM 地形插值提取密云水库至白庙段及旁侧支流的地形数据,获得的河道地形资料总体精度较高。(2)边界条件。以 2021 年 9 月 29 日11 月 5 日潮河输水洞、白河输水洞泄洪闸、怀柔水库西溢洪道的流量过程线作为模型的入流边界条件,以 2021 年9 月 29 日11 月 5 日下游白庙断面的水位过程线为模型的出流边界条件。2.2 模型参数率定 (1)河道糙率 n。利用 MIKE 11 求解一维河网水力学模型时,受糙率 n 的影响,糙率系数的相对误差会使得流量与流速产生相当大的相对误差21,因此需要对参数 n 进行率定。潮河与白河以卵石为主,汇381吴 悦,等/潮白河北京段生态补水调度方案研究水利水电技术(中英文)第 54 卷 2023 年第 9 期合口牛栏山段河床下含水层岩性由单一卵石向砂、卵砾石过渡,牛栏山至向阳闸段以砂、卵砾石为主,向阳闸至苏庄段河床主要是砂、砾石,苏庄至白庙段河床为细砂、粉砂,整体上潮白河北京段自北向南河床由砂卵石向细粉砂过渡22,河道糙率 n 沿程不同,需分段率定各河段糙率 n 值。(2)渗漏系数 k。潮白河流域的整体地形呈西北高、东南低的特点,地势由山前向平原倾斜。山前由粒径较粗的卵砾石组成,富水性较好,含水层间具有良好的水力联系。沿着冲积扇从北至南的下游方向,岩性由卵砾石状的粗颗粒逐渐变为粉质粘土状的细颗粒,富水性变差,含水层间水力联系渐弱,含水层厚度由薄变厚,层次也由单一转变为多层23,各河段补给地下水条件亦存在差异,需要分段率定模型的渗漏系数 k。以四个精度评价指标为模型构建目标,根据2021 年潮白河秋季生态补水数据,采用试错法分河段率定河道糙率 n 和渗漏系数 k(见表 1)。表 1 各河段主要参数率定结果Table 1 The main calibrated parameter of each river section河 段河段长度/km河道糙率n河道渗漏系数k/Ls-1潮河段23.70.0547.610-7白河段17.10.0547.610-7汇合口至牛栏山段19.30.0483.510-7牛栏山至向阳闸段4.90.047310-7向阳闸至苏庄段16.50.0382.510-7苏庄至白庙段15.50.032210-7 根据率定的湿河道的糙率 n 和渗漏系数 k,演算得到汇合口、牛栏山、向阳闸和苏庄断面的流量过程线,与实测流量的对比如图 2 所示。潮白河各典型断面模型评价指标如表 2 所列。各典型断面径流总量相对误差 E 小于 20%,纳什效率系数 NSE 在 0.8 以上,相关系数 R、一致性指标 d 均接近 1,表明模型具有良好的演算精度,可用于研究生态补水特征参数和演进规律。表 2 典型断面流量模拟精度评价指标Table 2 Flow simulation accuracy evaluation index of typical cross-section典型断面径流总量相对误差 E纳什效率系数 NSE相关系数R一致性指标 d汇合口0.120.920.990.98牛栏山0.070.950.980.99向阳闸0.030.840.980.97苏 庄0.120.870.980.97图 2 各断面实测流量与演算流量对比Fig.2 Comparison chart of observed flow and simulated flow of each section481吴 悦,等/潮白河北京段生态补水调度方案研究水利水电技术(中英文)第 54 卷 2023 年第 9 期2.3 模型应用 应用建立的模型,选择首次贯通水量、水量沿程变化、演进时间三方面分析生态补水效益优化的贯通流量、补水水量范围及补水时长。(1)依据泄水建筑物过流能力、下游河道过流能力及潮白河干流生态补水情况确定补水流量范围。白河发电隧洞设计水位下泄流量为 160.2 m3/s,潮河输水隧洞为 205.0 m3/s。潮白河 2021 年春季试验性生态补水白河最大流量达到 65.0 m3/s,潮河最大流量20.0 m3/s,是历次生态补水下泄流量的最大值24。综合水量、下泄能力及下游河道过流能力等,补水流量设 定 大 于 2021 年 春 季 生 态 补 水 最 大 值 为85.0 m3/s。因此设定模型模拟的流量范围为 25.0 90.0 m3/s,以 5.0 m3/s 为梯级变化,共计 14 种补水流量情景,分析不同流量下潮白河首次贯通天数及水量,以确定贯通流量的适宜范围。(2)依据潮白河需水量和可供水量确定模拟水量范围。恢复生态基本流量的河道最小生态环境需水量约为 3.0108 m315。生态补水水源主要有:密云水库水(含南水北调水)、可利用的再生水、拦蓄的雨洪水。综合分析密云水库多年来水条件、南水北调水、北京市供需水变化及经济技术条件,密云水库可用于生态补水的最大量约为3.0108 m3,在特殊年份潮白河生态补水量接近 3.5108 m315;枯水年份,可用于河道生态补水的水量接近于 0。综合分析,按照生态补水时长为 90 d 的情况下,设置补水水量范围为 0.11083.9108 m3,设置水量变化梯度为 0.2108 m3,模拟计算设定 20 种不同补水水量情景,依据生态补水过程河道演进时间、沿程水量变化等确定适宜的生态补水水量范围。(3)依据河道适宜生态补水时间确定河道补水时长模拟范围。河道 3 月生态需水量大且河中淡水鱼繁殖期在 46 月,集中生态补水时间推荐 36 月25。因此确定潮白河生态补水时长在 30165 d,以 15 d为梯级变化,共 10 种补水时长情景模拟,根据不同补水时长下的河道水量变化以及沿程演进时间变化,确定潮白河适宜生态补水时长。3 3 结结果果分分析析 首次贯通时间及水量是潮白河长期断流全线首次通水效率的重要指标,沿程河道水量变化代表河道复苏效果以及水量利用程度,沿程演进时间反映河道生态补水演进效率,因此研究从首次贯通水量、水量沿程变化情况以及演进时间三个维度分析河道生态补水调度的关键问题 合适的贯通流量、补水水量范围和补水时长。3.1 首次贯通时间及水量 分析不同补水流量和河道初始状态对于潮白河实现全线首次通水的天数和水量影响,确定较优贯通补水流量。3.1.1 补水流量影响针对不同流量范围的生态补水下潮白河干流段首次全线通水时间和全线贯通水量进行对比分析,结果如图 3 所示。由图 3 可以发现,生态补水首次全线贯通天数与补水流量成反比,流量越大,全线首次贯通天数越短。补水流量在 2555 m3/s 时,首次贯通时间受流量变化而快速缩短,全线贯通水量随流量增大而减小;补水流量过程在 5590 m3/s 时,流量每增加 5 m3/s,首次贯通时间减少不足 1 d,表明增大流量对缩短贯通时间的贡献不大;补水流量在 55 65 m3/s 时,全线贯通水量基本保持不变,当流量在6590 m3/s 时,贯通水量反而随着流量增大而波动增大。因此,在补水总量受限的情况下,补水流量控制在 5565 m3/s,全线首次贯通时间较短且贯通水量也可控制在较小范围内。图 3 不同流量全线贯通天数与水量Fig.3 The number of days and water quantity of the whole line under different discharge3.1.2 河道槽蓄量影响全线首次贯通天数和贯通水量受到河道初始槽蓄状态的影响,结果如图 4 所示。2021 年潮白河秋季生态补水出境断面的水位变化情况如下:11 月 12 日12 月 31 日水位整体在 19.55 m 左右波动,在 9 月24 日10 月 16 日从 20.00 m 波动上升至 20.14 m,后降至 20.00 m,因此设定模型出流边界水位低值为19.55 m,高值为 20.00 m,分别对应河道小槽蓄量和大槽蓄量。由图 4 可以看到,流量范围在 25 50m3/s,河道槽蓄量较大时,由于水头行进速度较慢,581吴 悦,等/潮白河北京段生态补水调度方案研究水利水电技术(中英文)第 54 卷 2023 年第 9 期全线贯通时间比河道小槽蓄量状态要长,相差 01 d,但是整体影响不大。流量在 50 m3/s 以上两种河道状态在相同流量下全线贯通时间和水量趋于稳定一致。因此生态补水流量在 50 m3/s 以上时,河道槽蓄量情况的不同对于全线贯通时间和水量几乎无影响。图 4 不同河道槽蓄量全线贯通时间和水量Fig.4 The number of days and water quantity of the whole line under different river trough stocks根据上述分析,贯通流量在 55 65 m3/s,可以减少全线首次贯通天数和水量。3.2 沿程流量变化规律 生态补水时长及补水水量影响潮白河沿程断面水量变化,研究分析不同补水时长和生态补水水量范围下沿程断面水量变化情况,确定能够同时实现河湖复苏与渗漏补给的地表-地下协同修复的较优生态补水时长以及水量范围。3.2.1 补水时长与断面水量削减率的关系补水总量确定为3.1108 m3,不同补水时长,潮白河沿程典型断面水量削减率变化如图 5 所示。由图5 可知,水量削减率与生态补水时长呈正相关关系,补水时长越小,水量沿程削减率越小。整体上补水时长的变化对于水量削减率变化速率影响不大。以生态补水地表-地下协同恢复为补水目标时,可以考虑密云水库采用中间补水时长 90120 d,既能够增加河道径流量实现地表水修复,同时渗漏水量也可以涵养地下水。图 5 不同补水时长下沿程断面水量削减率变化Fig.5 Chart of water reduction rate of the section along the course under different hydration durations3.2.2 补水水量与断面水量削减率的关系补水时长 90 d,不同补水水量范围下,潮白河全线贯通沿程典型断面水量削减率变化如图 6 所示。由图 6 可知,整体呈现的规律是密云出库水量越大,水量沿程削减越小。补水水量在 1.91083.9108 m3之间,随着补水水量的增大,水量削减率由开始每增加 0.2108 m3,水量削减率降低 0.05,到最后每增加 0.2108 m3,水量削减率降低 0.02,但整体影响不大。以生态补水地表-地下协同恢复为补水目标时,可以考虑密云水库采用中间流量补水,水量范围2.71083.3108 m3左右出库。根据模拟结果得到,当补水水量为 1.9108 m3,补水时长为 90 d 时,密云水库流量维持在 25 m3/s 左右基本无水量达到白庙断面,是实现潮白河干流段全线贯通的补水水量最低阈值。出库水量在 0.11081.9108 m3,河道断流,无法实现全线贯通,出境断面水量削减率 100%,因此小流量补水有利于渗漏回补地下。上述情景模拟中均呈现的特点是汇合口至牛栏山断面水量削减率较大,水量呈较快的降低趋势,主要原因是该段存在较大的砂石坑等回渗场所,入渗条件好,渗漏回补地下有助于地下水恢复。3.3 水流沿程演进过程 河道演进时间指标反映河道生态补水演进效率,是河道生态补水效益评价的重要指标,因此研究通过补水时长和补水水量模拟分析两者对于水流演进681吴 悦,等/潮白河北京段生态补水调度方案研究水利水电技术(中英文)第 54 卷 2023 年第 9 期图 6 不同补水水量下沿程断面水量削减率变化Fig.6 Chart of water reduction rate of the section along the course under different water refill amounts的影响。3.3.1 补水时长与水流沿程演进的关系根据率定参数确定补水总量为 3.1 108 m3,10 种不同补水时长下的演进时间,如图 7 所示。补水总量相同情况下,潮白河干流段演进时间与补水时图 7 不同补水时长下沿程断面演进时间变化情况Fig.7 Chart of the evolution time changes of the section along the course under different hydration durations长成正比。补水时长变化范围在 30165 d 时,对应流量范围为 22120 m3/s,演进时间在 753 d 之间变化。随着补水时长缩短,演进时间减少的速率也随之而减缓。在 120 165 d 范围内,每缩短补水时长15 d,白庙演进时间减少 8.3 d,演进时间大大缩短。在 90120 d 范围内,每缩短补水时长 15 d,白庙演进时间减少 4.5 d。在 3090 d 范围内,每缩短补水时长 15 d,白庙演进时间减少 3 d,减少速率降低,缩短补水时长对于演进效率的提高作用不大。因此,从水头演进效率角度分析,在水源约束的条件下,补水 90120 d 范围演进效率较高。分析河道沿程各断面演进时间变化情况,各种补水时长下,汇合口到牛栏山的演进时间平均约占干流段演进时间的 49%,占整体演进时间比例较大,该段的砂石坑对于演进时间影响较大;补水时长的变化对于密云水库至汇合口处的演进时间影响较小。3.3.2 补水水量与水流沿程演进的关系补水时长 90 d、不同补水水量条件下河道全线贯通沿程典型断面演进时间变化情况如图 8 所示。潮白河干流段演进时间与补水水量成负相关。密云出库水量增大,演进时间越短。补水水量在 1.91083.9108 m3时,演进时间在 15 39 d。随着补水水量增加,演进时间减少速率也随之减缓。水量在 1.91082.7108 m3范围,平均每增加 0.2108 m3,白庙演进时间减少 4.25 d。在 2.71083.3108 m3范围内,每增加 0.2108 m3,白庙演进时间减少 1.67 d。在3.3108 3.9108 m3范围内,每增加 0.2108 m3,白庙演进时间减少 0.7 d,减少速率降低。因此,从水头演进效率角度分析,在水源供给充足情况下,2.7108 3.3108 m3范围演进效率较高。水量在0.11081.9108 m3之间,水头在 90 d 内无法到达出境断面 白庙。不同补水水量下,汇合口到牛栏山段演进时间平均约占干流段演进时间的 56%,占整体演进时间比例较大,该段的砂石坑对于演进时间影响较大。图 8 不同补水水量下沿程断面演进时间变化Fig.8 Chart of the evolution time changes of the section along the course under different water refill amounts研究从河道沿程演进时间、水量变化两个方面综合确定生态补水时长以及生态补水水量范围。根据上述分析,生态补水时长在 90120 d 之间,补水水量781吴 悦,等/潮白河北京段生态补水调度方案研究水利水电技术(中英文)第 54 卷 2023 年第 9 期充足情况下,生态补水水量在 2.71083.3108 m3,可以实现河湖复苏与渗漏补给 地表-地下协同修复,同时也可以保障生态补水演进效率。同时 90 120