基于永定河生态修复的官厅水库清淤试点方案研究

基于永定河修复的官厅水库清淤试点方案研究摘要：关键词：官厅水库；底泥污染；生态清淤引言官厅水库是新中国成立后的第一座大型水库，对控制永定河洪水，保证首都防洪安全起着极重要的作用，同时对保证工农业生产、城市供水发挥着巨大效益。按照国务院批复的《全国重要江河湖泊水功能区划（2011~2030）》，官厅水库水功能区类型为“官厅水库北京水源地保护区”，水质标准为地表Ⅱ类，规划2030年达标。因水库建在多泥沙河流永定河上，上游桑干河、洋河流域内黄土丘陵分布广泛，天然植被较差，导致上游来水泥沙含量较高。加之官厅水库流域现状城镇工业及生活产生的废污水入河量达2.1亿m3，在下游河段，水体中城市废污水所占比重已超过50％。由于污染负荷严重超载，多数水功能区水体已失去自净能力，水体功能大大降低。作为永定河流域重要的控制性枢纽，官厅水库还是北京市重要的地表水水源地和京津冀生态涵养区。为此，将库区淤积多年的污染底泥逐步清除出库，减少内源污染物，是永定河流域综合治理与生态修复具体落实“水利工程补短板”的重要举措之一。1、官厅水库概况（简介+修复治理过程）官厅水库是新中国成立后的第一座大型水库，是一座兼防洪、供水、发电、灌溉多种功能的综合利用工程。水库上游有桑干河和洋河两条主要支流，控制流域面积4.3万km2，分属内蒙古、山西、河北及北京等省市自治区，占永定河流域总面积4.7万km2的92.8%。图1图1展示了官厅水库清淤试点方案的历史流程，该流程是基于永定河生态修复的背景下进行的。1951年，我国自力更生，首行水库建成，这标志着我国在水资源管理和供水安全方面迈出了重要一步。然而，到了1997年，官厅水库因水质问题被迫退出城市生活饮用水体系，这一事件凸显了水资源保护和管理的紧迫性。为了改善和保护官厅水库，2016年，国家批复并印发了《北京市政府与河北省政府联合制定官厅水库管理范围线，并根据此划定水源保护区》。2017年，北京市启动了水生态文明综合治理与生态修复总体方案，旨在通过综合措施改善水环境，恢复水生态。2018年，北京市政府与河北省政府再次联合行动，划定了官厅水库的管理范围线，并报北京市政府批准，这一步骤进一步强化了对水库的管理。2019年，北京市政府出台了《北京市生态环境损害赔偿制度改革实施方案》，该方案明确了生态环境损害赔偿工作的相关事项，体现了政府在生态环境保护方面的决心和行动。到了2020年，北京市水务局再次划定官厅水库管理范围线，并报北京市政府批准，这一连续性的管理措施有助于确保水库的长期健康和可持续使用。这些历史流程反映了北京市在水资源保护和管理方面的不断进步和努力，体现了政府对于生态文明建设的高度重视，并为未来的水资源管理提供了宝贵的经验和参考。2、永定河综合治理与生态修复2.1基于永定河修复官厅水库治理的必要性2016年，国家发改委、水利部和国家林草局三部委联合批复印发的《永定河综合治理与生态修复总体方案》，强调推动官厅水库尽快恢复饮用水战略储备功能。2018年6月9日、2019年5月17日，时任北京市委书记蔡奇同志、市长陈吉宁同志两次调研永定河综合治理与生态修复工作，要求抓好官厅水库周边治理，把官厅水库作为首都未来重要战略水源地进行建设。《北京城市总体规划（2016年~2035年）》明确提出了要加强本地水源恢复及保护，要有序实现官厅水库水生态系统修复，到2035年恢复官厅水库地表饮用水功能。2.2治理目前存在的问题2.2.1流域水资源天然禀赋差，资源超载与缺水并存官厅水库流域属高原山地区，多年平均降雨量406mm，相当于海河流域的76.8％，在海河流域属于资源禀赋条件较差的地区。按近年来的资源条件和开发利用水量分析，区内地表水开发利用率高达78%，大大超出了合理开发利用率40%的上限值，水资源超采程度相当严重。官厅水库上游流域1956~2000年多平均水资源总量为26.31亿m3。图2官厅水库以上降水量及径流量变化过程图（1956~2016）2.2.2水污染问题依然存在，水体功能不达标按2001-2010年系列分析，官厅水库流域天然年径流量7.4亿m3，当地地表水开发利用量达7.0亿m3，而现状城镇工业及生活产生的废污水入河量达2.1亿m3，在下游河段，水体中城市废污水所占比重已超过50％，由于污染负荷严重超载，多数水功能区水体已失去自净能力水体功能大大降低。图32016~2020年永定河流域水功能区达标率2.2.3水生态系统质量有待提高官厅水库流域是我国的水土流失重点防治区域，水土流失面积1.5万km2，其中强烈、极强烈侵蚀面积1884km2。另外，由于耕作、放牧、较大人为干扰等因素，造成库区周边产生一定的水土流失、塌岸现象。经过京津风沙源治理，官厅水库上游的水土保持工作也取得了较好的成绩。但官厅水库流域依然存在治理标准较低，植被保存率不高，生物多样性水平低，生态系统多样性、持续性和稳定性不足等问题。官厅水库流域森林单位面积蓄积量42.7m3/hm2，与全国平均89.8m3/hm2仍有一定差距，幼龄林占比高，生态效益相对较低，水源涵养能力尚未得到稳定发挥。2.3污染来源解析官厅水库是北京市的一个重要水源地，其水质状况直接关系到北京市的饮用水安全和生态环境。然而，官厅水库面临着多方面的污染威胁，主要包括上游来水污染、库区周边污染和库区内源污染。其污染源分布情况如图4所示：图4水库污染源情况分布上游来水污染是官厅水库面临的一个重要问题。由于上游地区的一些工业企业和农业活动，超出了饮用水标准的一些污染物被排放到河流中，随着水流最终汇入官厅水库。这些污染物可能包括化学物质、重金属、有机污染物等，它们对水库的水质造成了严重的影响。库区周边污染也是一个重要因素。官厅水库周边存在农业和农村地区，这些地区的畜禽养殖、化肥农药使用、生活污水排放等都会导致面源污染。这些污染物通过地表径流等方式进入水库，增加了水质污染的风险。库区内源污染也是官厅水库清淤治理面临的一个挑战。官厅水库的淤积问题较为严重，底泥中的有机物质在微生物的作用下分解，释放出氮、磷等营养物质，这可能导致水体富营养化，影响水质。同时，底泥中的污染物也可能重新释放到水中，加剧水质恶化。污染源的具体分布情况如表1所示。表1水库污染源具体情况分布序号污染项目COD量（t/a）占比（%）NH3-N量（t/a）占比（%）TN量（t/a）占比（%）TP量（t/a）占比（%）平均占比（%）1上游来水水源污染（58%）17907.0066.471005.0053.232370.0042.33420.0071.6258.412周边环境污染（33%）工业点源污染513.001.9051.302.72513.009.166.841.173.743生活点源污染1272.954.72123.616.55412.027.3613.462.295.234农业面源污染4667.3917.32400.0621.191454.7725.9892.9415.8520.095畜禽养殖污染580.582.1658.063.0899.531.7833.185.663.176内源污染（9%）2000.007.42250.0013.24750.0013.3920.003.419.37合计26940.92100.001888.03100.005599.32100.00586.42100.00100.00为了改善官厅水库的水质，北京市和相关部门已经采取了一系列措施。包括加强上游地区的污染源治理，实施农业面源污染控制措施，以及开展水库清淤和底泥处理工作。同时，加强对官厅水库周边环境的监管，严格执行环境保护法规，确保各类污染源得到有效控制。通过这些措施，有望逐步改善官厅水库的水质，保障北京市的饮用水安全。2.3.1上游来水污染占入库污染物的58%根据2019年国家水功能区水质达标率统计结果，桑干河和洋河的水质达标率分别为25%和54.5%，这表明这两条河流的水质状况不容乐观。特别是桑干河和洋河下游段，水污染问题尤为严重，主要表现为有机物污染和氨氮营养盐污染。这种污染可能来自于农业活动、工业排放和生活污水等，对河流生态系统和周边环境造成了严重影响。另一方面，根据响水堡和八号桥水文站的水质监测数据，近年来通过上游生态补水等措施，官厅水库入库的主要水质指标有所改善，处于Ⅲ至IV类之间，基本满足地表水功能区的水质标准。这说明上游生态补水对改善官厅水库水质具有一定的积极作用。然而，官厅水库的水质仍然为IV类，这意味着水质仍有待改善。这可能是因为水库自身的内源污染问题，如底泥中的污染物释放，以及水库周边的环境污染问题。因此，为了进一步提高官厅水库的水质，除了继续实施上游生态补水等措施外，还需要加强对水库周边污染源的治理和监管，严格执行环境保护法规，确保各类污染源得到有效控制。同时，加强水质监测和预警体系建设，及时发现和处理水质问题，以保障官厅水库的水质安全。2.3.2库区周边点面源污染占入库污染物的33%官厅水库周边及上游洋河、桑干河两岸是永定河流域重要的农业生产区域，总面积达到407.8平方公里。这一区域的高水高肥现象较为严重，意味着大量化肥和农药的使用，这些物质通过地表漫流和水土流失的方式进入水库，增加了水体中的营养物质，可能导致富营养化，影响水质。此外，官厅水库周边分布着52个傍水村庄，这些村庄大多缺乏完善的污水处理和收集设施。这意味着村民的生活污水往往未经处理就直接排入环境中，这些污水中含有大量的有机物、悬浮物和病原体，对水源地水质安全构成了威胁。同时，官厅水库周边还存在27家规模以上的养殖场。尽管这些养殖场采取了污染物处理措施，但由于管理不善或处理设施的限制，部分污染物仍然可能通过地表漫流的方式进入水库，影响水质。而且，官厅水库周边的城镇生活污水和工业废水处理也是一大问题。目前，这些废水尚未实现全面收集和处理，即使出水水质达到了城镇污水排放一级A标准，与水库水质要求相比仍有较大差距。这意味着这些废水中的污染物仍然可能对水库水质造成负面影响。综合以上因素，官厅水库的水质管理面临着多方面的挑战。为了改善水质，需要采取综合性的治理措施，包括加强农业面源污染的治理、完善村庄的污水处理设施、加强对养殖场的监管和提升废水处理能力等。同时，加强公众教育和环保意识的提升也是保障水库水质安全的重要环节。2.3.3淤泥内源污染占入库污染物的9%2019年对官厅水库底泥污染物情况的采样检测和污染物释放实验揭示了水库底泥中污染物含量的变化趋势和潜在的释放风险。研究表明，淤积层的黏粒含量较高，这可能是由于水库水流缓慢，导致悬浮颗粒物沉降并在底部积累。当比较2001年与2019年的测试结果时，发现底泥中的铅浓度有所降低，这可能归因于近年来对工业排放和土壤污染治理的加强。然而，其他重金属（如铜、锌、镉等）的浓度却普遍上升，平均增幅约为32.4%。这表明重金属在底泥中的累积效应显著，可能与这些地区工业活动和农业活动增加有关。在营养盐方面，虽然总氮和总磷的浓度有所下降，平均降幅约为23.7%，但仍存在一定的释放风险。此外，化学需氧量（COD）和氟化物等指标也显示出一定的释放风险，这可能与底泥中的有机物分解和氟化物的自然释放有关。这些发现强调了官厅水库底泥中污染物累积和释放问题的复杂性，以及对其进行有效管理和治理的必要性。2.4总体应对措施（内清引出底泥清淤）2.4.1上游地区水环境治理与保护—“上控”北京市水务局通过三年的不懈努力，成功实施了一系列治污行动，有效地解决了妫水河流域的入库污染问题，显著改善了水质。为持续巩固治理成果，水务局针对水库上游的河北、山西两省所属桑干河、洋河流域，采取了包括截污治污、达标排放在内的多项有效措施。这不仅涉及提高污水的收集率和处理率，还包括提高排放标准，以确保所有排入河流的污水都达到规定要求。此外，北京市水务局还同步进行了入河排污口的整治工作，这从根本上遏制了污染源的产生，有效提升了入库的水质。这一系列举措的实施，为妫水河及其水库带来了更加清洁的水源，为保护生态环境和促进可持续发展奠定了坚实的基础。2.4.2库区水源涵养与生态建设—“外减”为了进一步保护和改善官厅水库的水质，北京市水务局实施了一项综合性的生态恢复计划。该计划的核心之一是在库区周边大规模种植和抚育植被，以此构建起库滨带生态防护和隔离系统。这一系统不仅能够有效阻挡和吸收散排入库的污染物，减少径流中的悬浮物和营养物质，还能通过植物的净化作用，提升入库径流水质。此外，该计划还结合了生态清洁小流域的建设，这不仅有助于提升区域的水土保持能力，减少水土流失，还能涵养水源，增强地下水的补给。通过消波促淤的作用，植被还能够减少水库受到的波浪侵蚀，帮助恢复水库的自然形态和生态功能。官厅水库水源地的恢复，是生态文明建设的一部分，有助于维护生物多样性，提升生态环境的整体质量。这些措施的实施，展现了政府在环境保护和可持续发展方面的决心和行动力，为未来的水资源管理和生态保护树立了典范。。2.4.3底泥污染物控制与生态处置—“内清”官厅水库的泥沙淤积问题严重影响了水库的正常运行和水质安全。据资料显示，库区泥沙主要在永定河库区和坝前区淤积，总量高达6.5亿立方米。坝前淤积的高程已经超过了462米，而在输水泄洪洞口处，形成了深度达20米的冲刷漏斗，这不仅减少了有效库容，也严重影响了水库的泄流能力。污染物在淤积层中的分布特性也令人关注。淤积层中的黏粒含量较高，这意味着污染物在底泥中的固定性较差，存在一定的释放风险。底泥中的总氮、总磷、化学需氧量和氟化物等指标的超标，进一步加剧了水质恶化的潜在风险。为了改善这一状况，北京市水务局计划实施生态清淤工程，以减少内源污染的释放对水质的影响。清淤量预计不小于1.2亿立方米，这是一个庞大的工程，旨在清除淤积的泥沙，恢复水库的库容，并提高输水泄洪的安全性和效率。清淤工程还包括了拦门沙坎和输水泄洪洞前试点清淤工程的建设和实施。拦门沙坎的建立将有助于控制泥沙的流动，减少进一步的淤积。而试点清淤工程则是对清淤技术的探索和验证，为全面清淤提供技术和经验支持。通过这些措施的实施，官厅水库的水质和水资源管理将得到显著改善，有助于保障北京市的饮水安全和水资源的可持续利用。2.4.4水资源优化配置与监管保障—“扩容”永定河综合治理与生态修复总体规划的实施，为官厅水库的水资源管理提供了科学依据。在这一规划的指导下，北京市水务局将通过科学的方法配置流域内水资源，确保水资源的合理利用和分配。这包括对官厅水库汛限水位的合理确定，通过调整水库蓄水量，不仅可以增加水库的库容，还能扩大水环境容量，为水生生态系统提供更多的水资源。为了更好地实现水资源的统一调度管理，水务局将充分利用现有的流域水资源监控平台，构建一个集水资源监测数据中心、远程监视控制平台和决策调度中心于一体的高效管理体系。这个体系将以生态节点为中心，建立水资源配置与调度体系，确保水资源的高效利用和生态系统的健康发展。水资源监测数据中心将收集和分析流域内水资源的各项数据，为远程监视控制平台提供决策支持。远程监视控制平台则可以实时监控水资源的流动和利用情况，通过远程控制技术，对水资源的调配进行实时调整。决策调度中心将基于监测数据和远程监视结果，制定和调整水资源调配策略，确保水资源的合理分配和有效利用2.4.5流域联防联控协同治理—“严管”（1）建立横向生态补偿机制，在机制条件下推动水库上游及周边产业结构调整；提升种植业水平，减少农药、化肥使用量，发展绿色生态农业，有效控制农业面源污染；开展畜牧业发展规划，并对畜禽粪便、废物进行无害化处理，实行污水达标排放，保证水源质量。（2）推动建立饮用水水源保护区制度。建立河湖断面考核制度，严格落实流域统一管理下的河湖保护属地管理责任。（3）官厅水库管理范围内地上物腾退。调查内容包括房屋、土地、农村机井、小型副业设施、林木、果木、工业企业等，依据相关法律和规定予以补偿，实施生态修复。（4）提升智慧化、智能化管理。利用现有技术手段，设置自动化监测点位，完善监测预警管理，提高河湖保护管理的精细化、智能化水平。3、官厅水库清淤试点方案研究3.1清淤位置确定根据上述研究成果，本次清淤方案设计对拦门沙坎及附近营养盐强重污染区清淤，主要考虑缓解泥沙淤积三角洲推进速度，增强永库与妫库连通性及区域的过流能力，同时兼顾部分底泥的污染层清理，确定清淤范围与厚度。根据勘察报告，淤积物表层存在流塑态淤泥，下部土层复杂、厚度不均，包括软塑淤泥、淤泥质黏土、黏质粉土和粉砂层等。参考《疏浚与吹填工程设计规范》（JTS181-5-2012），同时结合2002年官厅水库清淤应急供水工程疏挖连通渠的实际经验，拦门沙坎及附近营养盐强重污染区开挖区槽底以上两侧按1:10放坡，清淤面积约128万m2，清淤总量为888.61万m³，清淤断面布置见下图5。图5拦门沙坎及附近营养盐强重污染区清淤断面布置图3.2生态清淤方案比选3.2.1干挖清淤方案根据本次清淤段长度以及断面宽度，可设计放空水库的清淤方案，淤泥放置于河底进行晾晒，并设置下河坡道分段进行清淤。整个清淤过程采用的是“干挖清淤，导流排水”的施工方案，疏挖后的淤泥经处理后进行资源化利用。3.2.2清泥船方案采用清淤船疏挖水库淤泥，并经清淤船舱内泵送至万窑村附近W区及脱水区等。3.2.3干挖+清淤船结合方案对于拦门沙坎及附近营养盐强重污染区、漏斗区，采用清淤船进行疏挖，底泥输送分为两部分：一部分输送至珠窝村附近Z区进行自然干化，一部分输送至滩涂脱水区进行相变式真空预压脱水，干化后底泥进行消纳和资源化利用；对于官厅水库怀来段永定河河道入库淤积段清淤主要采用干挖进行，干挖后运至水库西侧进行库滨带建设。表2清淤方案比选表清淤方式优点缺点方案一干挖清淤1、清淤彻底，避免淤泥在水中扩散而形成二次污染，对河道水质影响较小；1、放空水库，浪费水资源；2、淤泥量较大，根据施工组织，需跨汛期施工，汛期无法开展工作；3、年平均径流大，临时工程费用大；4、泥砂分离过程中需额外加水；5、淤泥翻滚晾晒过程中对环境影响大；6、对鱼类、鸟类产生极其不利的影响；方案二清淤船不必放空水库及导流；2、不影响汛期施工；3、临时工程费用小。