南水北調(diào)來水后北京市調(diào)蓄系統(tǒng)布局新思

李萬智 李啟升 王 雷 楊進(jìn)新

（北京市水利規(guī)劃設(shè)計研究院 北京 100048）

1 引言

南水北調(diào)中線一期工程是解決北京市缺水的根本性措施，2014年汛后工程建成通水，長江水將進(jìn)入北京市。受水源地丹江口水庫來水豐枯不均影響，進(jìn)京水量存在年際年內(nèi)變化大的特點，與北京市城市工業(yè)生活相對均勻的用水過程不匹配。南水北調(diào)總體規(guī)劃提出新建張坊水庫作為在線調(diào)節(jié)水庫，同時利用密云水庫作為補償調(diào)節(jié)水庫，使之與南水北調(diào)水豐枯相濟，確保北京供水安全。但受規(guī)劃、資金等影響，近期修建張坊水庫難度很大，本文結(jié)合南水北調(diào)來水調(diào)入密云水庫調(diào)蓄工程方案，分析了調(diào)整北京市南水北調(diào)來水后調(diào)蓄系統(tǒng)布局的可行性，提出了賦予密云水庫和潮白河水源地地下水庫在線調(diào)節(jié)功能，不再考慮新建張坊水庫作為在線調(diào)節(jié)水庫的新思路。

2 北京市調(diào)蓄系統(tǒng)規(guī)劃情況

由于南水北調(diào)中線水源地丹江口水庫來水豐枯不均，年際、年內(nèi)變化大，導(dǎo)致供水過程不均勻，需要通過調(diào)蓄工程調(diào)蓄，使之與城市相對均勻的需水過程相匹配，實現(xiàn)水資源的合理配置。南水北調(diào)中線干線工程沒有規(guī)劃建設(shè)調(diào)蓄水庫，水量調(diào)節(jié)問題需在各省市配套工程中解決。其中河南省規(guī)劃利用白龜山等7座水庫進(jìn)行調(diào)蓄，河北省規(guī)劃利用大浪淀等 10座水庫進(jìn)行調(diào)蓄，天津市規(guī)劃利用王慶坨等5座水庫進(jìn)行調(diào)蓄。

針對南水北調(diào)來水存在年內(nèi)分配不均及年際變化大且輸水距離長、安全保證率不高等特點，北京規(guī)劃采用大、中、小型多級調(diào)蓄及在線與補償相結(jié)合調(diào)蓄的模式。

2.1 大型調(diào)蓄系統(tǒng)4

大型調(diào)節(jié)水庫具備多年調(diào)節(jié)功能，適應(yīng)南水北調(diào)來水量年際變化大、年內(nèi)分配不均勻、事故及檢修期停水情況。北京的大型調(diào)蓄系統(tǒng)包括地表水庫和地下水庫，其中地表水庫有密云水庫、擬建張坊水庫，地下水庫有永定河水源地、潮白河水源地、平谷水源地。

2.1.1 密云水庫

密云水庫總庫容 43.75億 m3，其中興利庫容35.5億m3，防洪庫容9.3億m3，死庫容4.2億m3，水庫正常蓄水位 157.5m，死水位 126.0m，汛限水位 152.0m。設(shè)計洪水位為 157.5m，可能最大洪水位為158.5m。

2.1.2 擬建張坊水庫

在原 1985年《張坊水庫可行性研究報告》基礎(chǔ)上，根據(jù)擬建張坊水庫庫區(qū)現(xiàn)狀、水庫區(qū)域地質(zhì)及地形地質(zhì)建設(shè)條件、南水北調(diào)中線工程北京段首段總干渠及惠南莊泵站技術(shù)指標(biāo)等綜合因素考慮，初步進(jìn)行了兩個選址方案比選。

（1）片上壩址方案

擬建張坊水庫位于房山區(qū)張坊鎮(zhèn)片上村，壩址距南水北調(diào)管線約12km，總庫容7.9億m3，最大可調(diào)蓄庫容6.09億m3，多年平均供水量約1.26億m3，汛后最高蓄水位 186.8m，死水位 138.0m。非汛期以調(diào)蓄南水北調(diào)水量為主，汛期維持水庫設(shè)計防洪標(biāo)準(zhǔn)及調(diào)度方式，以防洪為主。

（2）千河口壩址方案

擬建張坊水庫位于房山區(qū)張坊鎮(zhèn)千河口村，壩址距南水北調(diào)管線約15km，總庫容6.0億m3，最大可調(diào)蓄庫容4.35億m3，多年平均供水量約1.23億m3，汛后最高蓄水位186.8m，死水位138.0m。非汛期以調(diào)蓄南水北調(diào)水量為主，汛期維持水庫設(shè)計防洪標(biāo)準(zhǔn)及調(diào)度方式，以防洪為主。

經(jīng)初步比選，片上壩址方案可調(diào)蓄庫容較大，拆遷量較多，工程量較大，投資較高，工程難度較大；而千河口壩址方案可調(diào)蓄庫容相對較小，拆遷量較少，工程量較小，總投資稍低，工程難度相對較小。

2.1.3 地下水庫

永定河水源地地區(qū)集中供水的有市第三水廠水源地、航天部三院水源地、石景山楊莊水廠水源地、北京大學(xué)水源地、玉泉山水源地等，此外還包括中央黨校、國防大學(xué)、軍科院等單位生活自備井等。其中第三水廠水源地設(shè)計供水能力達(dá)到 39萬m3/d。潮白河水源地現(xiàn)狀總的集中開采能力約 106萬m3/d，目前有懷柔應(yīng)急水源地與水源八廠水源地共計53萬m3/d可通過既有管線向中心城供水。平谷水源地目前設(shè)計供水能力60.4萬m3/d。

2.2 中型調(diào)蓄系統(tǒng)

中型調(diào)蓄系統(tǒng)要求具備多月或多日調(diào)節(jié)功能，適應(yīng)南水北調(diào)來水量年內(nèi)分配不均勻、短期事故及檢修期停水情況，要求庫容規(guī)模在1000萬m3以上，可調(diào)節(jié) 10天以上供水。中型調(diào)蓄系統(tǒng)由大寧在線調(diào)蓄水庫及懷柔補償調(diào)蓄水庫組成。

（1）大寧在線調(diào)蓄水庫

在線調(diào)蓄水庫是在現(xiàn)狀大寧水庫的基礎(chǔ)上改建而成，總庫容為4611萬m3，最大調(diào)蓄庫容3753萬 m3，受汛期蓄洪影響，汛期可調(diào)蓄庫容為 1006萬m3。

（2）懷柔水庫

懷柔水庫于 1958年建成，是一座防洪、灌溉等綜合利用水庫，自 1960年修建京密引水渠道又成為京引的調(diào)蓄水庫。由于防洪標(biāo)準(zhǔn)偏低，先后于1964年、1976年、1988年三次進(jìn)行擴建，于1992年全面竣工，擴建后總庫容1.44億 m3，其中興利庫容0.655億m3，防洪庫容1.045億m3，死庫容0.085億m3。

2.3 小型調(diào)蓄系統(tǒng)

具備多日調(diào)節(jié)功能，適應(yīng)各水廠短期供水變化及雙水源切換情況。西北：擬建團城湖調(diào)節(jié)池；東南：擬建亦莊調(diào)節(jié)池。

（1）團城湖調(diào)節(jié)池

團城湖調(diào)節(jié)池位于團城湖南側(cè)，水面面積33hm2，調(diào)蓄容積127萬m3，擬于2014年建成并投入使用。團城湖調(diào)節(jié)池工程主要任務(wù)為滿足自來水廠 12~24h供水變化及雙水源切換要求，并向第九水廠、第八水廠、城子水廠、燕化田村水廠及石景山水廠分配水量。

（2）亦莊調(diào)節(jié)池

亦莊調(diào)節(jié)池工程地處北京市東南部三海子?xùn)|，亦莊調(diào)節(jié)池分期建設(shè)，遠(yuǎn)景調(diào)蓄容積為262.5萬m3，一期調(diào)蓄容積為52.5萬m3。亦莊調(diào)節(jié)池擬于2014年前建設(shè)完成。

3 大型調(diào)蓄系統(tǒng)存在 分析

從北京市調(diào)蓄系統(tǒng)規(guī)劃及實施情況可知，中小型調(diào)蓄系統(tǒng)中除懷柔水庫為現(xiàn)有工程設(shè)施，可直接投入使用外，其它調(diào)蓄設(shè)施隨著南水北調(diào)配套工程的實施，至 2014年均可投入運行，可解決南水北調(diào)來水的多月或多日調(diào)節(jié)。大型調(diào)蓄系統(tǒng)雖有規(guī)劃，但存在種種原因，不能實現(xiàn)其功能。

3.1 密云水庫存在 分析

由于上游經(jīng)濟社會的發(fā)展，密云水庫上游來水減少明顯。上世紀(jì) 50年代前年平均入庫水量 15.5億 m3。50年代由于幾個豐水年，年均入庫水量為19.2億m3。60年代和70年代年均入庫水量為12.1和13.2億m3。上世紀(jì)80年代以后密云水庫實測入庫水量大為減少，1980~2000年平均每年入庫水量為7.6億m3。尤其是1999年以來，密云水庫來水繼續(xù)減少，1999~2009年密云水庫年均來水2.7億m3，比多年平均相比減少了72%。

由于上游來水的減少，密云水庫近年一直處于11億m3庫容以下的低水位運行，目前的蓄水量僅約10億m3。根據(jù)南水北調(diào)總體規(guī)劃，密云水庫作為補償調(diào)節(jié)水庫，其補償調(diào)節(jié)庫容需不低于 17億m3，目前的蓄水量遠(yuǎn)小于規(guī)劃要求，根據(jù)近年密云水庫來水條件分析，在短期內(nèi)密云水庫上游來水量和水庫蓄水量大幅增加的可能性也不大，因此，在南水北調(diào)事故斷水工況下，密云水庫不足以保證北京市供水安全。

圖1 密云水庫來水變化圖

圖2 1999年以來密云水庫來水變化圖

3.2 擬建張坊水庫存在 分析

新建張坊水庫作為調(diào)蓄水庫存在以下幾方面問題：

（1）征地移民量大。庫區(qū)大部分位于北京市房山區(qū)張坊鎮(zhèn)及十渡鎮(zhèn)，小部分位于河北省淶水縣?，F(xiàn)狀庫區(qū)內(nèi)主要為十渡風(fēng)景區(qū)，是中國北方唯一一處大規(guī)?？λ固貛r溶地貌，為中國國家AAA景區(qū)和中國國家地質(zhì)公園。庫區(qū)總淹沒面積20余km2，其中涉及村莊20余個，涉及人口約3萬余人（戶籍人口約 1.2萬人，新建住宅小區(qū)人口估算約 1.8萬人）。估算征地移民補償投資約500億元。

（2）需要建設(shè)連接干線的大型輸水工程為了發(fā)揮張坊水庫調(diào)蓄作用，需要建設(shè)向張坊水庫輸水的加壓泵站以及輸水干線至張坊水庫長約20km的大型輸水管道。

（3）需與河北省及海委進(jìn)一步協(xié)調(diào)有關(guān)事宜。張坊水庫庫區(qū)淹沒范圍包括部分河北地區(qū)，需與河北省進(jìn)一步協(xié)調(diào)；同時海河流域委員會近期編制的《海河流域規(guī)劃》近期并未考慮建設(shè)張坊水庫。

（4）工程全部新建，工期長（約 5.5年）、投資大（工程總投資約550億元，其中工程投資約50億元）。

通過以上分析可知，近期修建張坊水庫實施難度較大，規(guī)劃利用張坊水庫作為南水北調(diào)北京段的在線直接調(diào)節(jié)水庫短期內(nèi)已難以實現(xiàn)。

3.3 地下水庫存在 分析

原規(guī)劃中地下水源地主要作用包括兩方面內(nèi)容：一是遇南水北調(diào)中線干線水源地丹江口水庫枯水年向北京供水量減小，南水北調(diào)來水量小于城市供水需求時，作為補償調(diào)節(jié)水源向水廠供水，二是當(dāng)南水北調(diào)事故停水工況下城市供水的備用水源。

隨著城市人口的增加、工農(nóng)業(yè)發(fā)展，在官廳、密云水庫來水減少、地表水嚴(yán)重不足的情況下，對地下水的依賴程度加劇，導(dǎo)致對地下水開采程度大幅提高，超采嚴(yán)重，開采量的增加使得地下水位下降速度逐步加快，形成了大面積的地下水降落漏斗。一方面隨著地下水水位下降和開采井群過密，使單井出水量衰減，另一方面，嚴(yán)重超采也導(dǎo)致地下水質(zhì)的下降。

通過以上分析可知，利用地下水源地作為調(diào)蓄水庫存在著開采能力不足導(dǎo)致供水保證率降低以及水質(zhì)下降的風(fēng)險。

綜上所述，北京市南水北調(diào)配套工程如期建設(shè)完成后，可利用規(guī)劃的中、小調(diào)蓄系統(tǒng)來解決月日調(diào)節(jié)和調(diào)度過程中具體工況變化的調(diào)節(jié)。而利用原調(diào)蓄規(guī)劃中的大調(diào)蓄系統(tǒng)由于存在補償調(diào)節(jié)庫容不足、建設(shè)滯后等問題，不足以滿足南水北調(diào)來水后年際年內(nèi)調(diào)節(jié)，需對現(xiàn)有規(guī)劃系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整，從而能夠做到與南水北調(diào)豐枯相濟，保證北京的供水安全。

4 大型調(diào)蓄系統(tǒng)調(diào)整

4.1 調(diào)整原則

（1）遵循統(tǒng)籌兼顧原則。保證原規(guī)劃水資源配置和水量配置方案。

（2）遵循全面規(guī)劃原則。綜合考慮北京市供水系統(tǒng)布置及聯(lián)合調(diào)度運行方式，調(diào)整后的調(diào)蓄系統(tǒng)不改變原布置，不影響原調(diào)度運行。

（3）充分利用現(xiàn)有水利設(shè)施原則。充分利用北京現(xiàn)有的具備年際調(diào)節(jié)能力的地表、地下水庫。

（4）保持原大型調(diào)蓄系統(tǒng)密云水庫和地下水庫的補償調(diào)節(jié)功能。

4.2 擬調(diào)整方案

本次對調(diào)蓄系統(tǒng)的調(diào)整主要為規(guī)劃中的大型調(diào)蓄系統(tǒng)，在保證原調(diào)蓄系統(tǒng)設(shè)置原則以及不影響供水系統(tǒng)規(guī)劃的基礎(chǔ)上進(jìn)行，結(jié)合北京市南水北調(diào)配套工程總體規(guī)劃、實施方案、向密云調(diào)水調(diào)蓄方案以及輸水環(huán)路、調(diào)蓄系統(tǒng)等多個專項規(guī)劃，提出以下調(diào)整：

（1）通過新建南水北調(diào)來水調(diào)入密云水庫調(diào)蓄工程，在密云水庫和潮白河水源地由原規(guī)劃的補償調(diào)節(jié)功能基礎(chǔ)上增加直接調(diào)節(jié)功能，實現(xiàn)對南水北調(diào)來水的年際和年內(nèi)調(diào)節(jié)。

（2）取消建設(shè)張坊水庫。

（3）永定河水源地和平谷水源地調(diào)蓄功能維持不變。

4.3 擬調(diào)整方案調(diào)蓄條件分析

4.3.1 密云水庫調(diào)蓄條件分析

利用密云水庫作為南水北調(diào)來水的直接調(diào)節(jié)水庫，相比于張坊水庫具備以下優(yōu)勢：

（1）有完善的水質(zhì)保護體系。密云水庫作為北京重要的地表水源地，經(jīng)過多年的建設(shè)，形成了水質(zhì)保護工程措施和相關(guān)法律法規(guī)等完善的水質(zhì)保護體系。

（2）可調(diào)蓄庫容大，有能力成為南水北調(diào)的在線調(diào)節(jié)水庫。密云水庫總庫容43.75億m3，其中興利庫容35.5億m3，相對于張坊水庫7.9億m3的總庫容和最大6.09億m3可調(diào)蓄庫容，密云水庫在調(diào)節(jié)能力上大大強于張坊水庫。且目前蓄水僅約10億m3，根據(jù)密云水庫近年來水和供水情況分析，在2014年南水北調(diào)通水后，密云水庫的蓄水量也不會發(fā)生大的變化，完全具備在線調(diào)節(jié)能力。

（3）有完善的供水系統(tǒng)。現(xiàn)有京密引水渠和第九水廠輸水管線與城市供水系統(tǒng)連接，應(yīng)急供水響應(yīng)速度快，規(guī)模大，可向城區(qū)供水58m3/s，能夠滿足城區(qū)供水需求，同時也與北京市南水北調(diào)調(diào)度運行方案中南水北調(diào)事故工況下調(diào)運行吻合。

（4）密云水庫區(qū)位優(yōu)勢好。通過新建南水北調(diào)來水調(diào)入密云水庫調(diào)蓄工程將來水調(diào)入密云水庫總調(diào)水揚程與張坊水庫基本相當(dāng)，存蓄在密云水庫，全市除延慶外均可自流利用。

（5）工程投資低，工期快。相對于新建張坊水庫作為在線調(diào)節(jié)水庫約550億元的工程投資和5年半的工期，新建南水北調(diào)來水調(diào)入密云水庫調(diào)蓄工程利用密云水庫作為在線調(diào)節(jié)水庫工程投資僅約37億元，工期也僅為2年半，可與南水北調(diào)中心干線工程同期發(fā)揮工程效益。

4.3.2 潮白河水源地調(diào)蓄條件分析

利用潮白河水源地地下水庫作為南水北調(diào)在線調(diào)節(jié)水庫，當(dāng)南水北調(diào)來水量高于北京用水量時，通過南水北調(diào)來水調(diào)入密云水庫調(diào)蓄工程將來水提升到懷柔水庫后，經(jīng)懷柔水庫放水回補潮白河水源地地下水庫存蓄；當(dāng)南水北調(diào)來水不足時，利用現(xiàn)有的工程設(shè)施將水由水源地抽出輸送至城區(qū)供水。潮白河水源地作為地下調(diào)蓄水庫具有其自身的優(yōu)勢：

（1）地下調(diào)蓄庫容大，有能力進(jìn)行年際調(diào)蓄。該區(qū)現(xiàn)建有水源八廠水源地、懷柔應(yīng)急水源地、潮白河綠化水源地等集中開采水源地，因近十多年連續(xù)干旱，大氣降雨入滲補給減少，地下水開采量增加，形成多年超采，地下水位持續(xù)下降，水位埋深35~40m。目前地下庫容約 25×108m3，若按現(xiàn)在降水及開采水平繼續(xù)開采至2014年，預(yù)計2014年地下庫容可達(dá)30×108m3左右。

（2）水源地保護措施完善，回灌水質(zhì)有保證。通過多年的截污治污以及生態(tài)治理工程，建立健全了水源地水質(zhì)保護措施。

（3）河道回灌能力強。本次選擇的回灌區(qū)為自京秦鐵路至牛欄山橡膠壩段長約 7km潮白河河道，目前河床多年干涸，大部分河床砂卵石直接裸露，是目前潮白河密懷順平原地區(qū)最大的地下水降落漏斗中心區(qū)，具有天然的回灌補給地下水條件。經(jīng)測算，利用河道天然回灌能力可達(dá)8~10m3/s，如增加大口井等其它人工措施，回灌能力可達(dá)20m3/s。

（4）現(xiàn)狀水源地開采輸水設(shè)施齊備，目前密懷順?biāo)吹氐目傞_采能力約為 106×104m3/d，向城區(qū)供水能力53×104m3/d。

通過以上分析可知，密云水庫和潮白河水源地具備成為直接調(diào)節(jié)水庫的各項條件，有能力作為北京市大型直接調(diào)節(jié)水庫，解決南水北調(diào)來水后的年際年內(nèi)調(diào)節(jié)問題，且在工程投資、建設(shè)周期、調(diào)節(jié)能力等各方面均優(yōu)于新建張坊水庫，該調(diào)整是可行的。

4.4 調(diào)蓄系統(tǒng)調(diào)整后影響分析

（1）在線調(diào)節(jié)能力加大

調(diào)整后利用密云水庫和潮白河水源地進(jìn)行在線調(diào)節(jié)，兩座調(diào)節(jié)水庫調(diào)節(jié)庫容合計超過60億m3，調(diào)節(jié)能力大大高于新建張坊水庫最大調(diào)蓄庫容6.09億m3。

（2）取消建設(shè)張坊水庫，節(jié)約在線調(diào)節(jié)工程建設(shè)費用。調(diào)蓄系統(tǒng)調(diào)整后，從對南水北調(diào)來水的在線調(diào)節(jié)角度出發(fā)，可不再建設(shè)張坊水庫，一方面可節(jié)省建設(shè)張坊水庫高達(dá)約550億的工程投資，另一方面可不必面對修建張坊水庫導(dǎo)致大量移民帶來的社會穩(wěn)定問題。

（3）恢復(fù)密云水庫供水功能，增加北京水資源戰(zhàn)略儲備

本次調(diào)蓄系統(tǒng)調(diào)整是結(jié)合北京近期將要建設(shè)的南水北調(diào)來水調(diào)入密云水庫調(diào)蓄工程進(jìn)行，該工程計劃 2014年與中線干線同步建成發(fā)揮效益。工程建成后可利用南水北調(diào)通水初期上游省市用水量小的有利時間，將約18億m3的富裕水量調(diào)入密云水庫和潮白河水源地，增加北京水資源戰(zhàn)略儲備。同時，隨著密云水庫蓄水量的增加，在條件成熟的情況下，可恢復(fù)其對津冀地區(qū)的供水功能。

（4）彌補地下水庫虧空，改善生態(tài)環(huán)境

由于連年的超采，潮白河水源地形成的大面積的地下水漏斗，地下水位的降低也導(dǎo)致周邊生態(tài)環(huán)境越發(fā)惡劣，將南水北調(diào)水調(diào)入潮白河水源地進(jìn)行回補，一方面可彌補連年超采導(dǎo)致的地下水虧空，另一方面隨著回補后地下水位抬升，可大大改善周邊生態(tài)環(huán)境，緩解生態(tài)壓力。

5 結(jié)論

（1）北京市調(diào)蓄系統(tǒng)布局調(diào)整后，在不改變原補償調(diào)節(jié)水庫功能的情況下，實現(xiàn)了密云水庫和潮白河水源地的在線調(diào)節(jié)，加大了北京市南水北調(diào)來水后的調(diào)蓄能力，提高了北京市的供水保障能力。

（2）調(diào)整調(diào)蓄系統(tǒng)為實現(xiàn)南水北調(diào)、密云水庫、地下水混合及聯(lián)合調(diào)度創(chuàng)造了條件；為解決水質(zhì)指標(biāo)差異可能帶來的相關(guān)問題創(chuàng)造了條件?？陕?lián)合調(diào)節(jié)南水北調(diào)來水過程，應(yīng)對斷水事件，減小供水風(fēng)險；有利于各種水源水質(zhì)調(diào)配，提高供水對象用水安全；在北京市遠(yuǎn)景的水源格局中將繼續(xù)發(fā)揮重要作用。

（3）利用京密引水渠反向輸水分級加壓將水調(diào)入密云水庫和潮白河水源地，在保證渠道運行安全和輸水水質(zhì)安全的情況下，可對該段渠道兩側(cè)進(jìn)行綠化美化，作為北京北部地區(qū)的濱河綠色生態(tài)走廊，促進(jìn)區(qū)域經(jīng)濟社會發(fā)展。