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2024 , Vol. 44 >Issue 6: 1102 - 1110

DOI: https://doi.org/10.13249/j.cnki.sgs.20221201

白洋淀流域水域空间格局变化及维持机制

  • 李苗 , 1, 2 ,
  • 周家亮 1, 2 ,
  • 杨薇 1, 2 ,
  • 严登华 3, 4 ,
  • 刘强 , 1, 2, * ,
  • 梁丽乔 5 ,
  • 王烜 1, 2 ,
  • 李春晖 1, 2
展开
  • 1.北京师范大学环境学院水环境模拟国家重点实验室，北京 100875
  • 2.北京师范大学环境学院教育部水沙科学重点实验室，北京 100875
  • 3.中国水利水电科学研究院流域水循环模拟与调控国家重点实验室，北京 100038
  • 4.中国水利水电科学研究院水资源研究所，北京 100038
  • 5.中国科学院青藏高原研究所青藏高原地球系统与资源环境重点实验室，北京 100101
刘强。E-mail:

李苗（1997—），女，四川资阳人，硕士，主要研究方向为生态水文学。E-mail:

收稿日期: 2023-03-10

  修回日期: 2023-07-14

  网络出版日期: 2024-07-11

基金资助

国家自然科学基金项目(42071129)

国家自然科学基金项目(42271141)

版权

版权所有，未经授权，不得转载、摘编本刊文章，不得使用本刊的版式设计。
收起

Shift of water bodies pattern and its maintenance mechanism in the Baiyangdian Lake Basin, China

  • Li Miao , 1, 2 ,
  • Zhou Jialiang 1, 2 ,
  • Yang Wei 1, 2 ,
  • Yan Denghua 3, 4 ,
  • Liu Qiang , 1, 2, * ,
  • Liang Liqiao 5 ,
  • Wang Xuan 1, 2 ,
  • Li Chunhui 1, 2
Expand
  • 1. State Key Laboratory of Water Environment Simulation, School of Environment, Beijing Normal University, Beijing 100875, China
  • 2. Key Laboratory for Water and Sediment Sciences, Ministry of Education, School of Environment, Beijing Normal University, Beijing 100875, China
  • 3. State Key Laboratory of Simulation and Regulation of Water Cycle in River Basin, China Institute of Water Resources and Hydropower Research, Beijing 100038, China
  • 4. Department of Water Resources, China Institute of Water Resources and Hydropower Research, Beijing 100038, China
  • 5. State Key Laboratory of Tibetan Plateau Earth System, Environment and Resources (TPESER), Institute of Tibetan Plateau Research, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100101, China

Received date: 2023-03-10

  Revised date: 2023-07-14

  Online published: 2024-07-11

Supported by

National Natural Science Foundation of China(42071129)

National Natural Science Foundation of China(42271141)

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Copyright reserved © 2024.
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摘要

本文基于VIC（Variable Infiltration Capacity）水文模型，还原了白洋淀天然入淀径流量（即不受大坝干扰情境），结合实际入淀水量的组成，探究了白洋淀入淀径流量衰减过程、淀区水量维持变化以及流域陆地水储量的响应。研究结果表明：①白洋淀年均总入淀水量在天然状况下为23.79×108 m3，实际仅为8.59×108 m3，且总入淀水量呈减少趋势，2000年后流域内外调水成为入淀水量的重要组成部分；②模拟天然状况中，上游径流量能够维持淀区耗水量，在实际状况中，1960―1979年径流量基本能满足淀区耗水量需求，1980―1997年淀区出现长时间水量赤字，1998―2016年淀区耗水主要靠上游水库、黄河等流域内外调水补给；③白洋淀流域陆地水储量显著下降，西南流域下降趋势大于东北流域。白洋淀流域水资源减少，淀区来水与耗水失衡，且过度依赖人工调配水，增加了白洋淀流域水资源应对未来气候变化的不确定性。尤其在雄安新区建设背景下，实现淀区水生态保护与恢复目标面临更多挑战。

关键词： VIC水文模型; 河流径流量; 陆地水储量变化; 雄安新区; 白洋淀流域

本文引用格式

李苗 , 周家亮 , 杨薇 , 严登华 , 刘强 , 梁丽乔 , 王烜 , 李春晖 . 白洋淀流域水域空间格局变化及维持机制[J]. 地理科学, 2024 , 44(6) : 1102 -1110 . DOI: 10.13249/j.cnki.sgs.20221201

Abstract

Influenced by climate changes and anthropogenic activities, river discharge into Baiyangdian Lake has decreased dramatically, which has profoundly changed the spatial distribution pattern of water bodies in the Baiyangdian Lake Basin. The shift of water body pattern and its maintenance mechanism still remain uncertainty. This study simulated natural streamflow using VIC model, which was compared with actual observed streamflow to explain the streamflow reduction pattern, and distribution pattern of water bodies were also explored using GRACE data in the Baiyangdian Lake Basin, China. The results showed that: 1) The average annual inflow to Baiyangdian Lake was 23.79×108m3 for the natural scenario, while it was only 8.59 ×108m3 for the actual scenario and showed a decreasing trend; 2) The upstream river discharge may be meet the water consumption of Baiyangdian Lake for the natural scenario. Actually, the river discharge could meet the water consumption of the lake only in 1960—1979, and the lake had a long-term water deficit in 1980—1997, and was mainly recharged by an ecological water supply project in 1998—2016; 3) Terrestrial water storage in the Baiyangdian Lake Basin decreased significantly, and the decrease was greater in the southwestern basin than in the northeastern basin. Reduced water resources, an imbalance between water supply and consumption of Baiyangdian Lake, and over-reliance on artificial water allocation increase the water resource risk in the Baiyangdian Lake Basin. In particular, implementing the Xiong’an New Area Project has brought additional challenges to securing water resources in a changing climate, especially in water resource management and regulation.

Key words： VIC model; river discharge; terrestrial water storage variation; the Xiong’an New Area; the Baiyangdian Lake Basin

近年来，在高强度人类活动和气候变化背景下，河道断流或萎缩、水域空间面积缩减，水文连通受阻、水域空间格局变化，已成为水资源开发和生态环境保护等的重要约束。《2020中国生态环境状况公报》指出，水库水闸等水利工程严重影响水体流动，城市化发展和农业开垦挤占大量的河湖水域空间[1]。全球有50%的河流因水文连通受阻导致河流流量不足，水面面积萎缩，且面临生境破碎化风险，而正在修建的大坝将会把这一比例提高到93%[2]。Messager等[3]预测全球一半的河流为非常年有水河流。河流径流量减少、河道阻断威胁到河湖生态系统健康。持续的低流量减少了河流鱼类的丰度和多样性[4]，大坝影响甚至阻断了河流营养物质的循环与交换[5]，引起流域内湿地萎缩退化[6]。河湖水体的流动性和充足性，是维持河湖健康生命的基础保障。因此，保障河湖径流量、储水量，是河湖生态环境复苏的关键前提[7]。
白洋淀属于海河流域，是华北平原最大的浅水湖泊，被誉为“华北之肾”。但受到建坝等人为活动的影响，出现了流域水文循环失衡、水文连通性下降，河道断流等现象[8-9]。研究指出，白洋淀流域河道干涸长度占监测总长的30%以上[10]，人类活动是径流量衰减的主要原因[11]。入淀水量减少导致白洋淀由大入大出型天然过水湖泊退化为少入少出型人工湿地[12]，淀区水面萎缩[13]，水体污染[14]，植被格局变化[15]。气候与人类活动双重作用下，改变了流域内水资源分配，乃至水域空间格局。目前白洋淀研究集中于阐释入淀河流径流的变化趋势和原因，而对流域内水域空间分布格局及其机制缺乏系统研究。因此，本研究以天然与实测径流下的淀区水量均衡为切入点，研究水域空间格局及其机制，对比无大坝（即天然状况）和有大坝（实际状况）两种情景下白洋淀入淀水量的变化，剖析不同情景下的淀区水量平衡；分析流域陆地水储量和水储量分布质心变化，阐释白洋淀流域水域空间分布变化规律，为雄安新区水资源管理、配置，维护河湖健康生命，实现白洋淀流域河湖功能永续利用、人水和谐共生提供理论依据。

1 研究区概况

白洋淀流域属海河流域大清河子流域，流域面积为3.12×104 km2。流域大部分为平原，西北部主要是山区，白洋淀淀区位于东部，海拔跨度2700 m，呈现西北高东南低的地势[16]（图1）。由39个村落、3700多条沟壕、0.8×104 hm2芦苇将整个淀区划分为143个大小不同、形状各异的淀泊，总面积366 km2[16]。
图1 白洋淀流域位置

Fig. 1 Location of the Baiyangdian Lake Basin

作为华北地区最大的淡水湖泊，白洋淀发挥着防洪防旱、改善区域小气候、保护生物多样性等诸多方面的有益作用，支持了淀区几十万人口的生活，被誉为“华北明珠”[17]。但是，白洋淀流域是中国水资源开发利用程度最高、水资源最为紧缺的流域之一[18]。20世纪50―60年代起，流域上游修建水库150多座；白沟引河、萍河、瀑河、漕河、府河、唐河、孝义河和潴龙河8条入淀河流，因水库拦截水流、农业用水增加，下游河道断流成为常态。1980年后，天然入淀水量急剧减少，1983―1987年连续5 a干淀，淀区生态用水不足，威胁白洋淀的水资源安全[19]。为保障淀区生态环境需水量和淀区居民工农生活用水，应急生态补水成为淀区重要水源。2012年白洋淀流域“两库”连通工程，2018年南水北调中线工程及2019年引黄入淀工程等引调水工程的实施，淀区由应急补水向常态化补水转换。雄安新区的规划实施和建设对白洋淀生态环境保护提出了更高目标要求[20]。《河北雄安新区规划纲要》（2018年）①(①http://www.xiongan.gov.cn/2018-04/21/c_129855813.htm [2019-12-10])中明确提出白洋淀生态优先的建设理念，将白洋淀生态修复作为打造优美自然生态环境建设的重要内容，并颁布实施了“白洋淀生态环境治理和保护规划（2018―2035年）”。上述规划纲要的颁布实施为白洋淀生态环境建设指明了方向，同时也为白洋淀生态环境保护与恢复提出新的挑战。为恢复断流河道，河北省2019年开始实施清河补水计划，2020年1—8月，南水北调中线唐河退水闸和西大洋水库，累计向下游唐河补水约2.8×108m3，有水河长超过68 km，干涸20多年的唐河再次焕发了生机②(②https://hbrb.hebnews.cn/pc/paper/c/202008/30/content_51736.html [2019-12-08])。

2 数据与方法

2.1 数据

研究通过收集整理文献、统计年鉴和保定市水利局（http://slj.baoding.gov.cn/ejgzly.html）的数据，得到1960―2016年的实际入淀水量；使用VIC（Variable Infiltration Capacity）水文模型模拟白洋淀河流天然入淀水量，用建坝之前的实测月径流数据进行参数率定和验证。利用气温、气压、风速、日照等气象数据以及植被高度、盖度、叶面积指数等参数，建立耦合双源蒸散发（TVET）模型[21-23]，模拟淀区潜在蒸腾量（PT）与蒸发量（PE），具体方法参见Liu等[23]；渗漏量（单宽渗漏量和周边渗漏量）参考1979年河北省水利科学研究院模拟实验成果，结合水位计算得到 [24]。同时，利用2003―2016年月平均陆地水储量距平（TWSA）数据（https://www.jpl.nasa.gov/），探究白洋淀流域陆地水储量的变化。月平均陆地水储量距平的基线为2004―2009年月平均陆地水储量值，空间分辨率为1°×1°。因TWSA（陆地水储量距平）数据分辨率较粗，本研究使用双线性内插法[25]将陆地水储量降尺度为0.05°×0.05°。

2.2 方法

2.2.1 VIC水文模型的模拟和验证

VIC水文模型是一种大尺度陆面分布式水文模型[26]，该模型基于气象、土壤、植被等数据，利用可变下渗曲线方法和Arno概念模型方式计算地表径流和基流[27]，并使用单位线法逐网格进行汇流[28-30]，模型广泛应用于径流模拟与评估。本研究采用VIC模型对白洋淀流域河流天然径流量进行模拟。考虑到上游山区和下游平原的土壤性质差异，选择拒马河的紫荆关（位于山区）和东茨村（位于平原）2个水文站进行区域化参数率定和参数验证，率定期和验证期分别为1963―1966年和1970―1978年。同时，选择唐河的中唐梅水文站点进行二次参数验证。对于其他无资料的河流，选择参数化移植的方式。使用纳什效率系数（Nash―Sutcliffe efficiency coefficient，NSE）、相对误差（Relative Error，Er）2个指标来验证模拟结果的准确性和可靠性。NSE反映模型的可靠性，当月尺度NSE≥0.6时，则认为模拟结果是可以接受的；Er反映径流（年径流总量）的模拟精度，其绝对值越小，表示模拟值与实测值的偏差越小。其具体的计算方法如下：
$N S E=1-\dfrac{{\displaystyle\sum} _{i=1}^{n}{({Q}_{i,m}-{Q}_{i,o})}^{2}}{{\displaystyle\sum} _{i=1}^{n}{({Q}_{i,m}-\overline {{Q}_{i,o}})}^{2}} $
$Er=\dfrac{\overline {{Q}_{i,m}}-\overline {{Q}_{i,o}}}{\overline {{Q}_{i,o}}} $
式中，$ {Q}_{i,o} $表示第i个实测值，m3/s；$ {Q}_{i,m} $表示第i个模拟值，m3/s； $ \overline {{Q}_{i,m}} $与$\overline {{Q}_{i,o}} $\end{document}分别为研究系列中模拟与实测径流均值，m3/s。

2.2.2 湿地蒸散发耗水量核算

采用TVET模型对白洋淀区的潜在蒸散发量进行模拟，计算公式如下[21-23]：
$PE=\dfrac{\Delta {A}_{s}+(1-Fr)\dfrac{{\rho }_{a}{c}_{p}}{{r}_{a}^{a}+{r}_{a}^{s}}[{e}_{s}\left({T}_{z}\right)-{e}_{z}]}{\Delta +\gamma } $
$PT=\dfrac{\mathrm{\Delta }{A}_{c}+Fr\dfrac{{\rho }_{a}{c}_{p}}{{r}_{a}^{c}+{r}_{a}^{a}}[{e}_{s}\left({T}_{z}\right)-{e}_{z}]}{\mathrm{\Delta }+\mathrm{\gamma }\Bigg(1+\dfrac{{r}_{s}^{c}}{{r}_{a}^{c}+{r}_{a}^{a}}\Bigg)} $
式中，PE和PT分别为土壤/水域的潜在蒸发量与植被覆盖区域的潜在蒸腾量，mm/d；ρa是空气密度，kg/m3；cp是空气比热容，J/(kg·K)；es是饱和蒸汽压，Pa；$ {e}_{z} $是参考高度饱和蒸汽压，Pa；Δ代表饱和蒸气压与温度曲线的斜率，Pa/K；γ是湿度（≈66 Pa/K）；T是参考高度的空气温度，℃；$ {r}_{a}^{a} $是冠层高度和参考高度的平均气流之间空气阻力；$ {r}_{a}^{s} $是冠层高度和土壤表面的平均气流之间的空气阻力，s/m；$ {r}_{a}^{c} $是叶面与冠层表面之间的平均空气动力阻力，s/m；$ {r}_{s}^{c} $是冠层气孔阻力，s/m。

2.2.3 趋势分析

使用一元线性回归模型对2003―2016年陆地水储量距平年和季节统计值进行趋势分析，公式为[31]：
$y = ax+b $
式中，y 表示陆地水储量距平，单位cm，x 表示时间序列，a和b是拟合参数。线性趋势显著性水平采用T检验，显著水平ɑ=0.05。

3 结果

3.1 白洋淀流域天然入淀径流量衰减过程

使用紫荆关、东茨村、中唐梅水文站对VIC模型进行参数率定和验证，其率定期（1963―1966年）和验证期（1970―1978年）的月尺度NSE均大于0.6，验证期的Er绝对值范围为0.03~0.12（图2a-f）。同时，将研究结果与李传哲等[32]模拟的1990―2015年入淀水量进行了比较，NSE和Er分别为0.88和−0.04（图2g），模拟结果较为可靠。对比分析了有坝（天然状况）无坝（实际状况）时入淀水量的差异。天然状况中，白洋淀8条河流多年年均入淀径流量为23.79×108m3，不同河流贡献差异较大，其中拒马河入淀径流量最大，多年均值为7.96×108m3（占33.5%）；萍河入淀径流量最小，多年均值仅0.36×108m3（占1.5%，表1）。而实际总入淀水量多年均值仅为8.59×108m3，约为天然状况下入淀水量的1/3，且呈现减少趋势。1980年前白洋淀大部分由河川径流补给，1980年河川径流急剧减少，1981年后开始由上游水库和黄河引水补给（图2h）。图2h显示了白洋淀不同年代的年均实际入淀水量，20世纪50年代河流年均入淀径流量为26.26×108m3；1980―1989年河流年均入淀径流量仅为2.55×108m3，约为前者的1/10；2000―2010年几乎没有径流量汇入白洋淀，白洋淀的来水基本由上游水库和黄河等内外流域调水组成；2010―2016年后河道径流量较前一段时间有所增加（图2）。
图2 VIC模型校正与验证，以及实际与模拟入淀水量的变化

a~f分别为水文站紫荆关、东茨村和中唐梅率定期与验证期；g为模拟入淀水量与李传哲等[32]模拟入淀水量对比；

h为各时期实际入淀水量（Qo）、水库补水（Qdam）和调水（Qwr）量；NSE为纳什效率系数；Er为相对误差

Fig. 2 Model calibration and validation, and the actual and simulated streamflow flowed into the Baiyangdian Lake Basin

表1 入淀河流实际径流量

Table 1 Actual streamflow finto the Baiyagndian Lake

潴龙河 孝义河 唐河 漕河 瀑河 萍河 拒马河 径流总量
最小值/108m3 1.43 0.09 0.87 0.09 0.05 0.03 1.52 4.25
最大值/108m3 17.99 2.50 13.59 2.63 1.50 1.14 19.58 56.15
平均值/108m3 6.82 0.90 5.50 0.96 0.53 0.36 7.96 23.79

3.2 天然与实际状况下白洋淀水量均衡分析

天然和实际状况下白洋淀水量均衡分析结果显示，白洋淀区耗水由渗漏耗水、芦苇蒸腾耗水和水面蒸发耗水组成，其中蒸散发耗水（芦苇蒸腾量和水体蒸发量）占比较大（图3a-c）。1960―2016年淀区总耗水量呈显著下降趋势（P<0.05），下降速率为0.026×108m3/a（图3a,c）。实际总入淀水量（即径流来水、水库补水、黄河调水和降水）和耗水之间的差值表明（图3b），1960―1979年入淀的总水量能满足淀区的耗水需求，1980年和1998年是淀区水量变化关键的年份，其中1980―1984年、1999―2003年、2009―2015年更是出现连续水量赤字。1966年淀区总耗水量最大（图3c），因此假设天然状况下的水位和植被格局保持1966年的水平，进一步分析1980年和1998年前后白洋淀区在天然状况和实际状况下水量维持的差异。结果表明，天然状况下，3个阶段（即1960―1979年、1980―1997年和1998―2016年）上游径流量就能满足淀区总消耗水量（图3a,c）。实际状况下，1960—1979年上游径流量（300.59×108m3）能满足淀内耗水（蒸散发耗水和渗漏耗水）；1980—1997年，径流减少（77.61×108m3），实际入淀水量减少，上游水库开始向淀区应急补水；1998―2016年，径流大幅减少（7.39×108m3），淀区外调配水（水库补水、黄河调水）增多，是维持淀区需水的重要来源（图3d）。
图3 天然(a)和实际(b)状况下淀区不同阶段的水量均衡各项以及淀区消耗性水量(c)和剩余水量(d)的时间变化

Fig. 3 Water balance components at natural (a) and actual state (b), and variation of water consumption components (c) and water balance (d) in the Baiyangdian Lake Basin

3.3 白洋淀流域陆地储水量空间分布转移

图4是2003―2016年白洋淀流域陆地水储量距平（TWSA）在时间和空间上的变化。时间上，年均陆地水储量距平呈显著下降趋势（P<0.05），平均线性倾向率为−3.43 cm/a。空间上，TWSA变化具有差异性，西南部（潴龙河流域，−4.72 cm/a）的陆地水储量下降趋势大于东北部（拒马河流域，−2.16 cm/a），下降速率从西南向东北递减（图4a）。流域春季陆地水储量下降速率最大（−3.7 cm/a），冬季最小（−2.8 cm/a）（图4a）。白洋淀流域水储量质心整体位于两大水库附近，2003年水储量质心位于上游，2003年后质心向淀区偏移。除2006年外，其他年份水储量质心在7.03~13.23 km迁移（图4b）。
图4 白洋淀流域年均与季节陆地水储量距平变化(a)及白洋淀流域陆地水储量质心分布(b)

TWSA为陆地水储量距平

Fig. 4 Variation of annual and seasonal anomaly for water storage (a), and changes of centre of mass distribution (b) in the Baiyangdian Lake Basin

4 讨论

在没有受到水库截流等干扰下，白洋淀8条河流年均入淀总径流量为23.79×108m3（表1），入淀的径流量能满足淀区的需水（图3）。因上游修建了大量水库，拦截水流，河道径流量减少，且白洋淀流域地形独特，蒸散发耗水量大，径流进一步减少。加之灌溉等用水增加，20世纪60年代，流域开始大规模开采浅层地下水；80年代开始开采深层地下水，形成了浅层、深层立体开采格局；2000年后，水资源供需矛盾更加突出[33-34]，流域平原浅层地下水埋深从1980年的6 m降至目前的25 m[32]。流域的陆地储水量整体呈现下降趋势，尤其是西南流域修建了王快水库、西大洋水库，沙河、唐河断流最为严重[10,15]，西南流域储水量较东北下降更为显著（图4）。同时，农业用水是影响流域水域空间变化的重要原因，流域农业用水占比大，且作物需水量增加[33,35]，尤其在春季，陆地水储量下降最快（图4a）。王快、西大洋两大水库是流域蓄水的关键环节，2003―2016年流域水储量质心均在两大水库附近。2003年白洋淀发生干淀，流域水储量质心偏上游；2004年后 “引岳济淀”，王快、西大洋水库等开闸放水，黄河补水等大规模补水调水工程实施，流域水储量质心向淀区偏移（图4b）。在水资源高强度的开发和利用下，白洋淀流域陆地水储量下降，淀区高度依赖人工调配水，流域水体空间分布和水资源配置方式改变，增加了流域水资源应对未来气候变化的不确定性。
雄安新区规划实施后，完善了两库、南水北调中线干渠向白洋淀生态补水的供水网络，白洋淀水位持续升高。除了实施流域性、区域性生态补水，理应基于“自然−社会”二元水循环视角，恢复流域自然水循环过程，提高河湖内在生命力[7]。本研究建议采取以下措施：①加强河道违规占用整治，疏通水体流动通道，从结构上恢复河道的水文连通；②加快地下水超采治理，提升地下水位，形成良性的地表−地下水补给排泄关系；③增加坡面水源涵养林建设，调节坡面水沙过程，维持良好的流域汇水通道；④落实“四水四定”和节水优先方针，协调水资源供需矛盾，构建健康的流域自然−社会水循环系统。通过打通河道上下游、河道−坡面、地表−地下的连接通道，提高河流的水文连通程度，维持河湖水体流动性，恢复河湖自然水循环，恢复水域空间格局，复苏河湖健康生命。同时结合社会生活生产用水需求，加强自然水循环与社会水循环的匹配过程，促进自然水循环和社会水循环融洽和互补，是绿色可持续发展的必然要求[36]。

5 结论

本研究基于VIC模型，模拟了白洋淀天然入淀径流量，结合实际入淀水量的组成，探究了入淀径流量的衰减过程、淀区的水量维持机制以及流域陆地水储量的响应。结果表明，天然状况下，白洋淀河流年均入淀总径流量为23.79×108m3，能够满足淀区耗水需求。受到高强度水资源开发和利用影响，入淀径流量衰减，1980年后河流径流量显著减少，2000年后外调配水（水库补水、黄河调水）增多，平衡淀区需耗水量。流域尺度上，河流径流减少导致流域陆地水储量显著下降，而白洋淀的调配水工程影响流域水储量质心。为优化白洋淀流域水域空间格局，本研究提出了恢复流域水文连通、优化地下水采补、提升水源涵养以及统筹自然−社会水循环系统进行水资源优化配置与管理4项举措，复苏河湖生态环境，维护河湖健康生命，应对未来不确定性风险。

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