张　琳,李　晗,张连伟

(北京林业大学人文社会科学学院,北京　100083)



1950—1990年北京永定河水利工程的环境负效应

张琳,李晗,张连伟

(北京林业大学人文社会科学学院,北京100083)

1950—1990年期间永定河上修建了众多水利工程,如官厅水库、珠窝水库、三家店拦河闸等,这些水利工程在一定程度上满足了城市发展和居民生活的需要,保障了下游河段的安全,降低了洪水的可能性,但也导致了永定河流域生态环境的恶化。众多水利工程拦截了大量地表水,导致下游径流减少,直至断流;河性发生改变,河床出现粗化;地下水超采,地下水位埋深下降;土地沙化,形成沙源,风沙灾害加剧。永定河由多水变为缺水,由水灾为主变为风沙灾害为主。

水利工程;环境蜕化;风沙灾害；永定河

永定河属于海河水系,从其发源地到入海口流经太行山及燕山山脉,贯穿内蒙古、山西、河北、北京及天津5个省级辖区,全长总计超过680 km。永定河有2条主要源头河流,分别是桑干河和洋河,2条河流在河北省朱官屯村交汇,交汇后的河段称为永定河,向东南流去,自河北省怀来县幽州村流入北京境内,在北京境内穿越门头沟区的山峡,于三家店进入平原地区,沿石景山、丰台向南而流,在大兴崔指挥营村出北京再入河北省境内,流至天津市屈家店汇入永定新河,最终在天津北塘流入渤海。永定河在北京境内长约165.5 km,流经5个区县,流域面积达3 168 km2,占全市总面积18.9%,是流经北京市境内最长的一条河流,在北京的城市发展史上占有重要地位,被称为北京的母亲河。

1　永定河水利工程修建的原因和过程

1.1修建原因

元代以来,永定河两岸水土流失严重,水灾频发。清朝时期,永定河大约每4年发生1次水灾,民国时期更是平均每2年1次水灾,其中1913、1917、1924、1925、1929、1939年为特大水灾[1]。1924年7、8月间,华北连续大雨,永定河水位猛涨,最高时达到约8.3 m,最大洪峰流量达4 920 m3/s[2]。1939年7、8月间,北京地区连续多次的长时间暴雨导致永定河发生水灾,至8月上旬,水位急剧上涨,据卢沟桥监测站所监测的数据显示,最大流量达4 390 m3/s[3],成为民国时期永定河最为严重的一次水灾。新中国建立后,永定河又分别在1950、1952、1953、1954、1956年发生不同程度的水灾及次生灾害。其中1950年8月4日14时前后,永定河三家店水文站监测到最大洪峰值2 750 m3/s,北天堂以下左堤出现大小险情28处次,最高水位升至64.4 m。1954年8月,城近郊区及房山、大兴、昌平等普降暴雨,永定河两岸再次出险,仅左岸大兴段出险82次。1956年7月下旬至8月间,北京地区连续出现降雨,据斋堂水文站记录,降水量为955.3 mm,该降水量是斋堂水文站有水文记录的45年来最大降水量[4]。8月3日,官厅山峡大暴雨,导致官厅水库水位上涨,曾达475.52 m,濒临警戒线,不得不泄洪,又致使下游永定河道水位上涨,三家店站和卢沟桥站洪峰水位分别达到106.68 m和65.15 m,最终导致大兴县西麻各庄决口[5]。

永定河水灾及其次生灾害,威胁到北京的城市安全,给人民的生命财产带来巨大损失。首先,洪水易使河岸决口,对河道本身带来损害,1912年“北五工七号决口一百十丈”,1913年“南岸五工十九号决口七十余丈”,1916年“北岸六工头号决口六十余丈”,1917年“北三工二十三号,决口二百五十六丈”,1924年“永定河南岸决口四处”[4]。其次,铁路等公共设施损毁,1924年的特大水灾将铁路损坏[6],1939年的洪水再次将京广铁路冲开数尺，民众生命财产遭受巨大损失。1924年特大水灾中,“京南各县,大都已成泽国,不惟田禾悉遭淹没,而房屋牲畜器物一切资生之具,亦且悉付汪洋随波臣以俱去,被灾之民或集高原,或栖屋顶,或登树梢,男哭女号,声震远近”[7]。1939年永定河洪水泄向小清河,经过小清河冲向长辛店等地,洪水涌入大街,良乡水深数丈,数百间房屋倒塌,几万户受灾,“农田被淹者在五千顷以上”[8]。1956年永定河西麻各庄决口,造成“大兴县有42个村庄过水,毁房3 358间,死1人,伤7人,死伤牲畜20头,淹没耕地约1.4万hm2”[5]。

1.2修建过程

为保障北京的城市安全和用水,官厅水库于1951年10月动工,1954年5月竣工投入使用,官厅水库位于官厅山峡入口处,跨河北省的怀来县和北京市的延庆县,是我国建造的第一座大型水库,在防洪、发电、灌溉、供水等方面发挥了巨大作用。1956年,三家店拦河闸(又称三家店调节池)建成,位于北京市门头沟区三家店村,是永定河由山区进入平原区的枢纽工程。1962年,珠窝水库建成,位于门头沟区雁翅镇珠窝村和斋堂镇向阳口村之间的山峡里,是永定河大峡谷梯级发电的第二级。1974年9月,斋堂水库竣工,位于门头沟区清水河西斋堂村西南的峡谷处,控制流域面积354 km2,库容5 420万m3。1978年6月,落坡岭水库建成,位于门头沟区王平镇,丰沙线落坡岭火车站旁的永定河山峡处,是永定河大峡谷梯级发电的第三级。1987年6月永定河分洪闸建成,是永定河北京段防洪的枢纽工程,其目的是为了防范和降低官厅山峡暴雨形成的洪水对北京城的威胁。根据1995年的统计,永定河上仅水库就有200多座,这些水库及其配套工程对永定河流域的生态环境产生了非常大的影响。

2　永定河水利工程对径流及河性的改变

永定河上的诸多水利工程,尤其是水库,拦截了大量的地表水,导致北京市区永定河来水量减少,下泄水量小且缓慢,含沙量不足,只能通过冲刷沿途的河床借以增大含沙量,这使永定河下游输沙特性发生改变。由于清水下泄导致不断冲刷沿程河道,河水夹持颗粒较小的泥沙流向下游地区,只留下河底直径较大的卵石,导致了河床粗化。

2.1中上游水库对径流的影响

永定河及上游河流的径流量情况如表1所示[9],从1951年到1989年,永定河上游各支流的径流量都呈现了减少的趋势,其中以桑干河的变化最为明显。上游支流径流量减少,除自然因素外,最主要的原因是上游诸多水库拦截了大量地表水,只将部分河水下泄到下游。

表1　永定河及上游支流径流量情况

图1为官厅水库1955—1995年每年来水量[4],可以看出,尽管官厅水库有一些年份来水量有少许增加,但从总体情况来看,呈现明显递减趋势。官厅水库多年平均入库量由1950年代的19亿m3减至1990年代的3.1亿m3,而且污染加重,无法满足生活用水的需要[10]。

图1　官厅水库历年来水量

2.2官厅水库对下游河段的改变

官厅水库为下游地区的防汛做出了极大的贡献。1953年,正在建设中的官厅水库便已开始拦截洪水。1953年8月底,上游地区发生洪水,此时官厅入库洪峰达3 700 m3/s,经过水库拦截,下泄水量仅827 m3/s,削减水量75.6%[11]。官厅水库主要通过闸门来控制下泄水量,若上游或下游地区已有洪水暴发出现险情,水闸将被关闭,避免了下游水灾的发生。官厅水库在防汛上发挥了巨大的功能,但由于清水下泄等原因,也使永定河的河性发生了改变。

表2　1956年4—6月含沙量沿程变化 　kg/m3

历史上,永定河曾以含沙量大而著名,大量的泥沙使河水泛黄,有“小黄河”之别名。然而这一特性在官厅水库投入使用后发生了改变。官厅水库通过拦洪蓄水,将大量泥沙沉积于水库中,造成两个后果,其一是泥沙积存于官厅水库中,对水库本身造成潜在的危害;其二是下泄清水加速了河床粗化。由于下泄清水中含沙量严重不足,为了达到饱和,下泄清水便会不断冲刷沿途河道,增加含沙量,在某一地点含沙量达到饱和,饱和后水流不再冲刷河道,水中的泥沙淤积于河道之中,含沙量随之减少。表2是1956年4—6月永定河各水文站监测的含沙量变化过程[11]。以4月22日含沙量变化为例,河水在官厅水库出库时含沙量极低,4月22日当天,在沿程的青白口、三家店、卢沟桥水文站的含沙量不断增大,在金门闸达到最大值后,含沙量逐渐降低。在4—6月不同时间,分析一天内各水文站含沙量的变化,从多条曲线的趋势可以看出,在青白口、三家店、卢沟桥三个水文站河水一直处于冲刷河道状态,含沙量不断上升,到金门闸达到峰值,下游河段的含沙量开始回落,表明金门闸附近是一个分水岭。

由此可见,官厅水库清水下泄会冲刷河道。清水冲刷过程通常是将河床中颗粒较小的细沙携走,颗粒较大的仍保留在河床,久而久之,极易发生河床粗化现象。永定河悬移质平均粒径沿程变化情况见图2[11],可以看出,官厅水库的出库水流中悬移质平均粒径小于入库时的数据,说明官厅水库将上游携带来的大量泥沙拦存于库中。从官厅水库到金门闸河段,水中泥沙的平均粒径呈增大趋势,说明这一河段处于冲刷河道状态,悬移质平均粒径逐渐增大说明了在这一段河道中,细沙被不断冲走。金门闸到石佛寺河段悬移质平均粒径降低,原因在于含沙量达到饱和后,粒径较大的泥沙由于质量较大开始沉积。野外考察也证实了这一点,早在1960年代,在大兴区立垡河段发现了大量的卵石。

图2　1956年8月1—3日各站悬移质平均粒径

2.3引、配水工程对径流的影响

修建永定河引水工程,主要目的是为石景山工业区供水。永定河引水工程于1956年开工,以三家店水利枢纽为起点,经过模式口、玉渊潭,木樨地等地,最终汇入到市区的护城河中。1957年引水渠初建时,最大引水能力为30 m3/s。1960年代至1970年代,北京市工业和农业用水需求量有了较大幅度的增长,引水渠于1969年进行扩展,扩展后的引水能力达60 m3/s。1957—1995年,这近40年间,三家店进水闸引水200余亿m3,为首都钢铁公司、北京市第一轧钢厂和北京钢厂等冶金企业供水21亿m3;为高井发电厂、石景山发电厂、第一和第二热电厂等电力企业供水170亿m3;为燕山石化公司等化工企业供水11亿m3;为造纸、印染、酿造、建材等企业供水1亿m3;为石景山、丰台、大兴、海淀、朝阳、通县、门头沟等7个区县农田提供灌溉用水91亿m3;为城子水厂和田村山水厂供水近3亿m3[4]。

由于三家店以上河段200余座大小水库对永定河地表水进行拦截,永定河径流很小,官厅水库下泄流量常年控制在40 m3/s[11]。1957年永定河引水工程完工,在官厅水库限流和引水工程双重影响下,永定河下游近枯干状态;1960年代起常年呈细水状,水量很小;至1980年代前后,永定河出现断流现象。

3　永定河流域生态环境的变化

从1950年代到1980年代,是北京永定河流域生态环境变化最为明显的时期。1950年代初,永定河延续了以往水旱灾害的特点,但是到了1950年代后期,随着官厅水库等水利工程的修建,永定河流域的生态环境发生了根本转变,由多水变为缺水,径流量减少,地下水环境蜕化,沙源及风沙灾害增加。

表3　永定河流域1950—1990年代降水量、蒸发量和径流量情况

3.1径流量减少

1956年的水灾是至今为止永定河最后一次大水灾,自官厅水库等多个水库陆续修建后,下游平原地区的水灾基本杜绝。永定河在短短的30余年间,由一条波涛汹涌、水灾肆虐的大河到断流,发生了巨大的转变。一般情况下,在没有下渗及调、补水的情况下,河流的径流流量与降雨量、蒸发量二者之差成正比,表3为永定河流1950到1990年代每10年的平均降水量、蒸发量以及径流量情况[12-13],可以看出,从1950年代到1990年代,降水量减少不显著,但永定河径流减少十分显著。其中,1950年代至1970年代间,永定河流域降水量高于距平百分率,说明这段时间是永定河流域的丰水期,但永定河径流却呈现减少趋势。至1990年代,降水量距平百分率为0.44%,而径流量却锐减了近18%,降水量与径流量呈反比。再将蒸发量纳入到考量范围,1970年代和1990年代这2组数据中,降水量距平百分率为正,且蒸发量距平百分率为负,即降水量较年均值多而蒸发量较年均值低,根据水平衡的原理,径流量应当处于一个较高水平,但永定河径流量不同程度呈现了减少的趋势,1950年代降水量为新中国建立后50年最高水平,这与永定河1950年代多水灾相互印证。但自1970年代起,降水量、蒸发量与径流量形成了鲜明的对比,三者关系不再对应,因此自然因素并不是永定河径流量减小的主因,拦洪蓄水和引水分流工程才是引起永定河径流量减小的主要因素。

3.2地下水环境蜕化

永定河长期为北京城供水,一方面,通过地表水直接满足城市建设和居民生活的需要,在1950年代至1970年代间是北京生活用水和工业用水的主要水源;另一方面,还通过渗漏方式补给北京的地下水,根据1951—1959年的水文记录测算,其渗漏量约为10.06 m3/s。但自1970年代以来,由于上游水质恶化等原因,官厅水库供水能力逐渐减弱,永定河径流也随之逐渐减小,直至断流。官厅水库向北京市区的供水量减少,1955—1959年平均供水量为17.93亿m3/年,而1971—1977年平均供水量为6.81亿m3/年,减少62%左右,最少的供水年份为1972年,仅有3.74亿m3。据有关单位观测,1981年三家店以上河水渗漏量仅为2.8 m3/s,严重消减了北京市地下水的补给[14]。

地表水已无力满足工业及城市生活对水的需求,北京开始大规模开采地下水,地下水替代永定河成为北京的重要水源。历经多年的过度开采,北京西部的第四纪地下水已趋于枯竭。为了保障用水需求,北京地区5座应急地下水储存库已启用3座。根据学者对1988—2008年北京市地下水资源量、开采量、超采量的统计分析,北京市地下水每年度的开采量在20亿～30亿m3之间,1994的开采量达到峰值。从1988年到2009年,北京市的地下水资源有16年处于超采状态,特别是1999—2007年连续9年均处于超采状态,年均超采量为9.55亿m3。1999年后,由于超采严重,北京地下水资源锐减,由1998年的高峰跌入低值,地下水资源量长期在历史低值附近徘徊[15]。

北京市区地下水遭到大规模开采,而地下水的补给量减少,从而使地下水位不能保持在原有水平。北京平原地下水平均埋深,在1960年是3.6 m,1980年下降到7.24 m,1990年又进一步下降到10.62 m[16]。地下水埋深的下降易导致3方面严重后果:其一,地貌发生变化,平原地区易发生沉降,形成地下漏斗状。1985年以红庙为中心位置点的漏斗面积扩展到1 460 km2,1990年则进一步增加到2 000 km2[4]。其二,城市生活污水和工业废水易进入到地下水系中,地下水质日益恶化。1987年的一项调查表明,北京城近郊区地下水总硬度明显升高,除自来水二、三、五厂外,其他各自来水厂及附近工农业井水硬度都超过了饮用水质标准。6个自来水厂中,除五厂外,硝酸盐全部超标。其他各项污染指标、升高趋势日愈明显[17]。其三,河流干涸速度加快。地下水可以将其自身“返还”给河流,一旦地下水位下降,地下水不能返回到河流中,河流径流量减少,干涸速度必然加快。地下水位的下降促使永定河流域生态环境更加干燥,永定河干涸速度大大加快,土壤中水分的缺失导致了表层土地的沙化,为北京的沙尘天气提供了条件。

3.3沙源及风沙灾害增加

历史上永定河多次决口,迁徙改道,在北京地区留下了许多交错纵横的故道,使永定河沿岸形成大面积沙地。官厅水库修建后,虽然永定河不再决口,但却使沿岸的沙化更加严重。当1980年代永定河断流后,河床中大量泥沙裸露出来,泥沙堆积较厚的地区出现了移动的沙带。沙带具有极大的危害,不仅影响地表景观,恶化生态环境,而且干燥的地表环境加快了永定河干涸的进程,更为严重的是形成了大量的沙源。北京永定河两岸风沙危害区,北起三家店,南至梁各庄(市界),西到小清河,东以天堂河为界,南北长77 km,东西宽12 km[18]。每遇东风时,风携卷着大量沙尘飘向北京市区,形成沙尘天气。

4　结　语

1950—1990年,北京永定河诸多水利工程的修建,对永定河径流情况和流域的生态环境产生了显著的影响。在大型水利工程修建之前,永定河水灾频发,给北京的城市安全和居民生活带来了巨大威胁,1950年代中期以后,随着官厅水库等水利工程的修建,永定河流域的自然灾害逐渐演变为以风沙为主的风沙灾害。永定河的径流量也日趋减小,直至1980年代断流,笔者通过考察1950—1990年径流量与降水量及蒸发量之间的关系,认为众多水利工程的兴建,是导致永定河径流量减少的主要因素。永定河断流对北京地区的生态环境产生了重要影响:①地下水被过度开采,地下水位埋深下降;②泥沙淤积的河床裸露,形成风沙源。

1950—1990年间,北京永定河流域生态环境急剧变化,其经验教训值得我们借鉴和吸收。首先,我们应辩证地看待永定河洪水的利害影响,改变传统的防洪观念,在防控永定河洪水危害的同时,通过恢复河流的自然属性等手段,尽可能实现洪水资源化,缓解北京地区水资源短缺问题。其次,永定河水资源的开发利用,不能片面追求经济利益,忽视过度开发对生态环境造成的严重危害,而应坚持生态优先原则,保护好永定河流域的生态环境。

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Negative environmental effects of water conservancy projects on Yongding River in Beijing from 1950 to 1990

ZHANG Lin, LI Han, ZHANG Lianwei

(SchoolofHumanitiesandSocialSciences,BeijingForestryUniversity,Beijing100083,China)

During the period from 1950 to 1990, a lot of water conservancy projects, such as the Guanting Reservoir, the Zhuwo Reservoir, and the Sanjiadian Sluice Gate, were constructed on the Yongding River. These projects satisfied the demands of urban development and the residents’ livelihoods, guaranteed the safety of the lower reaches of the river, and eliminated the possibility of floods. However, they led to the degradation of the ecological environment in the Yongding River Basin. A large proportion of surface water was intercepted, resulting in the decrease of runoff downstream, until the river dried up. The nature of the river has changed and the riverbed has become rough. The groundwater has been over-exploited, resulting in a decrease in the depth to the water table. Land desertification occurred, forming a sand source, and sandstorm disasters intensified. Finally, the Yongding River has gone from having a high amount of water to having a shortage of water, and from being dominated by floods to being dominated by sandstorms.

water conservancy projects; environmental degradation; sandstorm disaster; Yongding River

10.3880/j.issn.1004-6933.2016.05.024

中央高校基本科研业务费专项(RW2014-08);北京市农村经济研究中心项目(2015HXFWRWXY001)

张琳(1990—),女,硕士，主要从事环境史方面研究。E-mail:teremy@sina.com

张连伟，副教授，博士。E-mail:shidaizhang@sohu.com

TV882.8

A

1004-6933(2016)05-0130-06

2015-09-13编辑：王芳)