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user: 4. 生态需水量估算结果 4.1. 山峡段的生态需水量 永定河山峡段的生态需水量包括生态基流和河道的水面蒸发与渗漏两个部分。其中生态基流是非消耗性的，蒸发渗漏则是消耗性的。生态基流的计算方法采用Tennant法，在低、中、高三种生态目标下。本研究对永定河北京官厅山峡段的生态基流量的选择系数为10%、30%和60%。按照有关资料统计，永定河1956~2013年多年平均径流量为1.36 × 10 8 m 3 ，入境水量为6.56 × 10 8 m 3 ，合计7.92 × 10 8 m 3 ，按照低、中、高三种不同的生态目标，永定河官厅山峡段的生态基流需水量分别为0.79、2.37和4.75 × 10 8 m 3 。 官厅山峡段主要河道和水库等的蒸发渗漏，是该河段生态需水的重要组成部分。这部分水量取决于河湖水面面积和下渗速率。以1981~2012年北京气象站点数据为基础，采用在我国华北地区应用效果较好的水面蒸发模型，即公式(5)，计算得到北京市多年平均水面蒸发量为1124 mm。根据北京市水资源规划数据，永定河山区多年平均降水量为500 mm，实际需要补水量为624 mm。依据永定河山峡区间的特征断面数据，河道过水横断面按照平均30 m 2 进行计算，可以计算得到山峡区间的河道水面蒸发量为1.71 × 10 6 m 3 。 山峡区间的地质变异性大，平均下渗率为1.93~20 mm/d，按照较为保守的渗漏率计算，山峡段渗漏量为0.20 × 10 8 m 3 。因此，山峡段的年蒸发渗漏损失为0.22 × 10 8 m 3 。 4.2. 平原段人工溪流生态需水量 平原段分为两个部分，平原城市段和平原郊野段。城市段指三家店到卢沟桥区间，分布有五大湖泊，是永定河生态重建的重点，从上到下分别是门城湖、莲石湖、园博湖、晓月湖和宛平湖，湖泊之间用人工溪流连接，河段总长度为18.4 km。郊野段从卢沟桥以下到北京市的出口断面梁各庄，长59.8 km，平原郊野段均为人工河道。人工贯行溪流是永定河北京段的重要特征，其生态需水是非消耗性的，需水量计算不能按照天然的Tennant方法，而是按照明渠流进行设计计算。溪流断面设计为梯形断面设计，无论是城市段还是郊野段都是如此。鉴于城市段与郊野段生态目标不同，断面尺寸有所不同。城市段中贯行溪流的水面宽为24~30 m，对于卢沟桥以下的郊野段，溪流宽度为10~16 m。横断面坡度1:5，水深0.6 m，溪流断面见图2，图3。 按照公式(1)~(4)，根据城市段的坡比、水力半径等，可以获得城市段的流速为0.37~0.90 m/s，生态流量为5.98~14.56 m 3 /s，年生态需水量为1.89 - 4.59 × 10 8 m 3 。郊野段纵坡比范围0.38‰~0.65‰，结合设计的断面尺寸，可以获得郊野段的流速为0.35~0.45 m/s，生态流量为2.69~3.52 m 3 /s，年生态需水量为0.85 - 1.11 × 10 8 m 3 ，计算结果见表3。 图2. 城市段溪流横断面示意图 图3. 郊野段溪流横断面示意图 Table 3 The environmental flow of the artificial rebuilding river cours 方案 坡度 水力半径 溪流宽 断面面积 谢才系数 流速 流量 年需水量 (‰) (m) (m) (m 2 ) (m/s) (m 3 /s) (亿m 3 ) 城市段 2.25 0.54 30 16.2 25.78 0.90 14.56 4.59 1.5 0.54 30 16.2 25.78 0.73 11.89 3.75 0.65 0.54 30 16.2 25.78 0.48 7.83 2.47 0.5 0.54 30 16.2 25.78 0.42 6.86 2.16 0.38 0.54 30 16.2 25.78 0.37 5.98 1.89 郊野段 0.65 0.488 16 7.8 25.35 0.451 3.52 1.11 0.5 0.488 16 7.8 25.35 0.396 3.09 0.97 0.38 0.488 16 7.8 25.35 0.345 2.69 0.85 表3. 人工重建河道生态基流 4.3. 平原段重点河湖生态需水量 平原段五大湖区的生态需水是永定河北京段生态治理的核心。平原段的河湖生态需水包括湖泊水面蒸发、渗漏等消耗性生态需水。根据表2提供的五个重点湖泊和贯行溪流的主要参数。平原重点河湖的水面蒸发按照北京市水面蒸发1124 mm计算，城市平原段水面积为375.3 ha，其中湖泊面积357.8 ha，人工贯行溪流面积17.5 ha，永定河平原段降水量为559 mm，需补水量为565 mm。因此，城市平原段的五湖地区和连接贯行溪流蒸发补水量为2.12 × 10 6 m 3 。另外卢沟桥以下的平原郊野段的水面面积为95.7 ha，相应的生态需水量为5.41 × 10 5 m 3 。 根据平原段的生态目标，需要分别考虑补给和不补给地下水两种情况。第一种情况是不考虑地下水的生态补水，河湖溪流在防渗情况下的渗漏率为1.93 mm/d；第二种情况是在水资源较为充分时，需要设计一定量的地下水生态补给，在这一目标下，渗漏率可达20 mm/d，因此不同生态目标平原河段河湖下渗量分别为0.33 × 10 7 m 3 和3.44 × 10 7 m 3 。 综上，平原段河湖水面蒸发渗漏需水量在防渗条件和稳定控渗目标下的生态需水量分别为0.60 × 10 7 m 3 和3.70 × 10 7 m 3 。 4.4. 河滨带植被生态需水量 河滨带植被生态需水量是人工重建河道生态需水的另一个重要组成部分。河滨带植被主要分布在平原河段，包括城市河段和郊野河段。 平原段的植被需水量按照公式FAO推荐的Penman-Monteith模型计算，即公式(6)，根据北京市1981~2012年气象资料得到平均潜在蒸散量为864 mm。由于永定河平原段多年平均降水量为559 mm，径流系数为0.24，需补水量为439 mm。 按照河滨带植被面积的规划，永定河北京段平原城市段五个湖泊地带的滩地面积为366.3 ha，郊野段河滨带植被面积为7152 ha，为最优生态需水目标，由此计算城市段河滨带需水量为0.16 × 10 7 m 3 ，郊野段河滨带需水量为3.14 × 10 7 m 3 。 4.5. 不同生态目标下生态需水量 通过以上分析计算，得到永定河北京段在不同生态目标下非消耗性生态需水量和消耗性生态需水量。 1) 非消耗性生态需水量 非消耗性生态需水包括山峡段生态基流和平原段生态基流。在不同生态目标下，永定河山峡段的生态需水量分别为0.79、2.38和4.75 × 10 8 m 3 。从三家店到卢沟桥的城市段在最低生态目标下不需要人工贯行溪流，在适宜和最优生态目标下的生态需水量分别为1.89 - 4.59 × 10 8 m 3 。卢沟桥以下的平原郊野段在最低生态目标下不需要人工溪流，但是在适宜和最优生态目标下的生态流量为0.85 × 10 8 m 3 和1.11 × 10 8 m 3 。因此，不同河段的生态基流需水量为0.79 - 4.75 × 10 8 m 3 之间。 2) 消耗性生态需水量 消耗性生态需水包括天然河段山峡段和人工河段平原段的水面蒸发渗漏、河滨带植被生态补水。根据不同的生态目标，永定河山峡段天然河流生态需水为2.168 × 10 7 m 3 ；平原城市段人工河流的生态需水为0.64 - 3.11 × 10 7 m 3 ，其中人工湖泊和人工贯行溪流用水0.48 - 2.95 × 10 7 m 3 ，河滨带植被补水0.16 × 10 6 m 3 ；平原郊野段生态需水量为0 - 3.89 × 10 7 m 3 ，其中人工溪流用水0 - 0.75 × 10 7 m 3 ，河滨带植被补水0 - 3.14 × 10 7 m 3 ，见表4。 3) 永定河北京段生态需水量 在最低生态目标下，需要保证山峡段生态需水、城市河段的重点湖泊、人工贯行溪流需水和河滨带植被耗水要求，消耗性生态需水量为0.28 × 10 8 m 3 ，生态基流需水为0.79 × 10 8 m 3 ；在适宜生态目标下，需要考虑重点湖泊区间的地下水回补需水要求、平原郊野段的水面维持，相应消耗性生态需水量为0.60 × 10 8 m 3 ，生态基流 Table 4 The ecological water needed on different target (unit: 104 m3 长度(km) 最低 适宜 最佳 山峡段 91.2 2168.01 2168.01 2168.01 平原城市段 18.4 637.23 3112.54 3112.54 平原郊野段 59.8 752.68 3892.41 北京段 169.4 2805.24 6033.13 9172.96 表4. 不同生态目标下生态补水量(单位：万m 3 ) 需水为0.85 - 2.38 × 10 8 m 3 ；在最优生态目标下，还需要应保障平原郊野段的河滨带植被的生态需水，此时消耗性生态需水量为0.92 × 10 8 m 3 ，生态基流需水为1.11 - 4.75 × 10 8 m 3 。