北京市建設(shè)地下水庫的思考

沈媛媛，姜 媛，劉久榮

（1北京市水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊，北京 100195）

0 引言

1999年以來，北京遭遇連續(xù)干旱年，水資源供需矛盾日益加劇。為保證城市供水安全，北京大力推進(jìn)節(jié)水、建設(shè)應(yīng)急水源地、水庫優(yōu)化調(diào)度、擴大利用再生水、以及境外調(diào)水等措施，以有限的水資源支撐了城市用水需求。由于地表水資源不足，而地下水系統(tǒng)具有多年調(diào)節(jié)的特點，在枯水年份，超采地下水成為保障北京城市穩(wěn)定供水的基本措施，地下水供水量約占總供水量的2/3。地下水作為應(yīng)急水源長期過量開采，使得地下水位持續(xù)下降，地下水源地出水能力不斷減少，同時產(chǎn)生了河道干涸、含水層疏干、地下水質(zhì)惡化和地面沉降等一系列環(huán)境地質(zhì)問題。隨著南水北調(diào)工程向北京市供水的臨近，北京市的缺水形勢將有所緩解，為地下水的涵養(yǎng)提供了契機。如何使當(dāng)?shù)厮屯庹{(diào)水實現(xiàn)聯(lián)合調(diào)蓄和調(diào)度，逐漸恢復(fù)地下水，改善生態(tài)環(huán)境，成為北京市水資源持續(xù)利用面臨的關(guān)鍵問題。

地下水庫是利用天然地下儲水空間興建的攔蓄、調(diào)節(jié)和利用水資源的地下工程，具有儲蓄和調(diào)節(jié)水資源的作用，是實現(xiàn)地表水和地下水聯(lián)合利用的重要措施。近年來，地下水庫在國內(nèi)外均有較為成功的研究和實踐[1～5]。北京市早在20世紀(jì)60年代就開始了地下水回灌研究，80年代以來多次開展過地下水人工調(diào)蓄相關(guān)研究，為研究建設(shè)地下水庫提供了寶貴的經(jīng)驗[6]。本文首先分析了在水資源短缺以及南水北調(diào)工程即將通水形勢下，北京建設(shè)地下水庫的必要性，其次闡述了北京市地下水庫的研究基礎(chǔ)，然后論述地下水庫的建設(shè)條件和工作方法，并對地下水庫運行管理提出需要關(guān)注的問題，以期為北京市建設(shè)地下水庫提供參考。

1 建設(shè)地下水庫的必要性

北京市屬于資源型缺水地區(qū)，近12年來，北京地區(qū)降水量比多年平均降水量減少了19%，作為主要地表水源的密云水庫和官廳水庫，年均來水量減少了79%[7]。由于地表水資源匱乏，為滿足供水需求，地下水持續(xù)過量開采，使得地下水位持續(xù)快速下降。2010年末地下水平均埋深為24.92m，與1960年相比，地下水位下降了21.73m，地下水儲量減少了111.3億m3[8]。2003年以來，北京市建成了懷柔、平谷、昌平等多個應(yīng)急水源地，水源地地下水水位年均下降3～5m，已經(jīng)接近開采極限值，地下水源地的出水能力顯著降低。持續(xù)超采地下水造成含水層疏干、地面沉降、地表植被退化，水質(zhì)惡化等一系列生態(tài)環(huán)境地質(zhì)問題，使地下水環(huán)境日益惡化，水資源可持續(xù)利用難以為繼，嚴(yán)重威脅了城市水資源保障能力。南水北調(diào)中線工程將于2014年通水進(jìn)京，北京的水資源供需矛盾將得到緩解，地下水超采局面有望得到遏制。南水北調(diào)中線水進(jìn)京后，需要有效調(diào)蓄本地水和中線水，提高中線水資源利用率，使地下水得到涵養(yǎng)，恢復(fù)生態(tài)環(huán)境，遏制環(huán)境地質(zhì)災(zāi)害。

近30年來，很多國家充分利用含水層的儲水空間建立地下水庫，來調(diào)節(jié)和緩解供水緊張局面[9～11]。地下水庫不同于地下含水層，其人為干預(yù)了地下含水層對水資源的調(diào)蓄能力，具有增加地下水可利用量的重要作用。實踐證明，建立地下水庫是一種經(jīng)濟(jì)、可行的解決供水緊張的途徑。在北京開展地下水庫建設(shè)研究十分緊迫和必要。具體體現(xiàn)在如下幾方面：

（1）建立地下水庫，增加水資源可利用量，有利于提高北京城市供水保障能力。我國地表水資源的年際和年內(nèi)變化大，因而地表水體流量變化大，在干旱年份和季節(jié)往往很難滿足用水需求，而在豐水季節(jié)大量的洪水不能被有效利用。地下水庫的巨大儲水空間，能夠儲存地表難以利用的水資源，實現(xiàn)“豐存枯采”，大大提高水資源的利用率，增加水資源可利用量，從而提高北京的供水保障能力。

（2）建立地下水庫，為南水北調(diào)工程來水提供調(diào)蓄空間，能夠提高外調(diào)水的有效利用率。南水北調(diào)中線工程從水源區(qū)到北京市輸水距離長達(dá)1400多公里，沿途沒有在線調(diào)節(jié)水庫。而南方水源區(qū)和北方受水區(qū)降雨豐枯變化大，在豐水期南水北調(diào)來水富余的情況下，可通過地下水庫儲存和調(diào)蓄水資源，提高南水北調(diào)中線工程的有效利用率。

（3）建立地下水庫能夠為北京提供水資源戰(zhàn)略儲備。利用地下水庫人工補給和儲存地下水，能夠遏制地下水位持續(xù)下降，增加地下水儲存量，對于北京城市應(yīng)急供水和水資源儲備具有重要的戰(zhàn)略意義。

（4）涵養(yǎng)地下水，控制生態(tài)環(huán)境惡化，使地下水資源實現(xiàn)可持續(xù)利用。地下水位的持續(xù)下降，造成了局部地區(qū)含水層疏干，地面沉降，地表植被退化等一系列生態(tài)環(huán)境地質(zhì)問題。持續(xù)超采地下水，難以保證水資源的可持續(xù)利用。建立地下水庫，使地表水、雨洪水等回灌到地下，恢復(fù)地下水位，有利于地下水系統(tǒng)良性發(fā)展，有效遏制生態(tài)環(huán)境惡化，實現(xiàn)地下水資源的可持續(xù)利用。

由此可見，充分發(fā)揮地下儲水空間大，調(diào)節(jié)能力強的特點，開展地下水庫建設(shè)工作，能夠?qū)崿F(xiàn)水資源的儲存和調(diào)蓄，增加水資源可利用量，遏制地下水嚴(yán)重超采局面，改善生態(tài)環(huán)境，保證城市供水安全，提高北京市水資源戰(zhàn)略儲備，是北京市社會經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定、持續(xù)發(fā)展的重要保證。

2 北京地下水庫研究的基礎(chǔ)

2.1 地質(zhì)及水文地質(zhì)研究

北京市的地質(zhì)和水文地質(zhì)條件研究程度較高，20世紀(jì)50年代以來，為滿足國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和城市建設(shè)需求，北京市開展了一系列地質(zhì)和水文地質(zhì)調(diào)查。近50多年來，北京地區(qū)開展過兩輪1:5萬區(qū)域地質(zhì)調(diào)查工作，取得了豐富的基礎(chǔ)地質(zhì)數(shù)據(jù)。礦產(chǎn)勘查、城市地質(zhì)調(diào)查、地?zé)豳Y源調(diào)查、地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查等工作的開展，加深了地質(zhì)條件的研究程度，積累了大量地質(zhì)資料和成果。區(qū)域水文地質(zhì)普查、供水水文地質(zhì)勘查、應(yīng)急水源地勘查、地下水資源評價、地下水動態(tài)監(jiān)測等大量的水文地質(zhì)勘查工作積累了1.5萬余個地質(zhì)、水文地質(zhì)鉆孔數(shù)據(jù)和豐富的研究成果，為認(rèn)識地下水系統(tǒng)空間結(jié)構(gòu)提供了扎實的基礎(chǔ)資料。

1999—2002年開展的“首都地區(qū)地下水資源和環(huán)境調(diào)查評價”項目進(jìn)行了北京市地下水系統(tǒng)劃分，全面闡述了地下水的賦存、水動力和水化學(xué)特征[12]。2003—2005年開展的“華北平原地下水可持續(xù)利用調(diào)查評價（北京）”項目詳細(xì)開展了平原地下水系統(tǒng)空間結(jié)構(gòu)及其分布研究，進(jìn)一步查明了地下水形成與演化規(guī)律，完善了地下水循環(huán)演化模式[13]。2004年開展的“北京市多參數(shù)立體地質(zhì)調(diào)查”項目，對北京平原區(qū)地層進(jìn)行了詳細(xì)綜合性研究，查明了地層結(jié)構(gòu)空間展布規(guī)律，并建立了三維立體地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型[14～15]。在對北京平原區(qū)地質(zhì)結(jié)構(gòu)、含水層的分布規(guī)律等地下水系統(tǒng)空間結(jié)構(gòu)進(jìn)行了深入研究基礎(chǔ)上，開展了地下水系統(tǒng)數(shù)值模擬等定量評價工作[16]。

2.2 地下水調(diào)蓄研究

早在1965年北京市水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊就在北京市東郊棉紡織廠開展了“冬灌夏用”地下水回灌試驗研究，之后相繼進(jìn)行了大口井回灌試驗、砂石坑地下水人工回灌、空調(diào)冷卻水深井回灌、雨水回灌等研究。先后建立了廖公莊均衡試驗場、西黃村人工回灌試驗站和雨洪利用示范工程，進(jìn)行了永定河河道、潮白河河道入滲試驗，西黃村砂石坑入滲試驗。

北京西郊地區(qū)西黃村砂石坑從1978年到1995年進(jìn)行過一系列回灌試驗[17]，將密云水庫和官廳水庫棄水引入砂石坑進(jìn)行人工回灌研究，對回灌坑以及其周圍水位和水質(zhì)、回灌淤積情況進(jìn)行了觀測，回灌區(qū)地下水位明顯升高，水質(zhì)得到改善。1981年開展了“北京西郊地區(qū)人工調(diào)蓄地下水資源（地下水庫）實驗研究”，分析了西郊地區(qū)的回灌水源條件，研究了含水層入滲性能、回灌引滲條件和技術(shù)方法，分析了人工補給對地下水系統(tǒng)的影響，提出了建設(shè)地下水庫的技術(shù)方案，為北京平原區(qū)地下水庫的論證、建設(shè)工作提供了可供借鑒的模式[18]。1987年和1990年分別進(jìn)行了“北京市潮白河牛欄山地區(qū)水源地下水調(diào)蓄試驗研究”[19]和“北京市水資源地下調(diào)蓄勘察”[20]?！笆锥嫉貐^(qū)地下水資源和環(huán)境調(diào)查評價”項目，對永定河、潮白河沖洪積扇中、上部地區(qū)展開回灌場地及水利工程設(shè)施狀況調(diào)查，確定調(diào)蓄工程區(qū)范圍、地下水庫調(diào)蓄空間、規(guī)模及入滲能力，提出地表水、地下水聯(lián)合調(diào)蓄的實施方案建議。2007年完成的南水北調(diào)來水與地下水聯(lián)合調(diào)度調(diào)蓄規(guī)劃工作，論證了北京平原區(qū)五大沖洪積扇進(jìn)行了頂部地區(qū)水資源聯(lián)合調(diào)度及調(diào)蓄的可行性。2009年“雨洪資源地下回灌原型試驗與示范區(qū)建設(shè)”以平谷盆地作為示范區(qū)，研究了儲水空間特征、地下水回灌入滲能力和雨洪利用工程規(guī)劃方案。2010年開展的“北京市地下水調(diào)蓄能力與利用模式研究”項目以北京西郊和潮白河地區(qū)為重點，提出利用地下空間蓄存水資源的布局方案及調(diào)度預(yù)案，并預(yù)測了回灌效果[21]。2010年，北京市地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局在北京市豐臺區(qū)的嚴(yán)重缺水村李家峪，利用小型溝谷施工建設(shè)了一座截潛壩，大大改變了該村缺水現(xiàn)狀，為在山區(qū)溝谷建設(shè)小型地下水庫工程提供了成功的經(jīng)驗。

以往研究工作為北京建設(shè)地下水庫提供了寶貴的經(jīng)驗，對地下水庫建設(shè)關(guān)于地下水庫的選址、地下水庫容、地下水庫組成、及運行管理等一系列問題深入開展提供了基礎(chǔ)依據(jù)[22～25]。

3 地下水庫的建設(shè)條件和工作方法

地下水庫作為解決水資源緊缺問題的有效途徑，主要目的是調(diào)節(jié)水資源時空分配，增加水資源可利用量。建設(shè)地下水庫需要適宜的地質(zhì)條件、補給條件和工程條件[26]，從而解決“灌得進(jìn)、存得住、取得出”的問題。

3.1 地下水庫建設(shè)條件

北京位于華北平原的西北邊緣，東、西、北三面環(huán)山，東南為傾斜的平原，行政區(qū)面積為16410.54km2。西部為太行山脈，北部為燕山山脈，山區(qū)多屬于中低山地形。北京平原區(qū)地勢平坦廣闊，由洪、沖積扇及沖、洪積平原聯(lián)合而成，平原區(qū)面積約為6400km2（不包括延慶盆地），約占全市面積的39%。

3.1.1 平原區(qū)

北京平原區(qū)是由永定河、潮白河、溫榆河、大石河、薊運河等幾大河流沖、洪（湖）積作用形成[6]，尤其以永定河、潮白河沖洪積扇為北京平原的主要組成部分。各河流第四系松散沉積物沉積規(guī)律大致相同，即河流沖洪積扇頂部和中上部，含水層結(jié)構(gòu)簡單，顆粒粗、厚度大，入滲條件和富水性好，沖洪積扇底部具有相對天然的隔水邊界，是理想的儲水場所。

沖洪積扇頂部，砂卵石埋藏淺或直接裸露地表，大氣降水入滲及河水入滲條件良好，是平原區(qū)地下水的主要補給區(qū)，富水條件好，單井涌水量一般大于5000m3/d。沖洪積扇中上部，含水層為二至三層砂卵礫石層，單井涌水量可達(dá)3000～5000m3/d。城市水源地的主要開采區(qū)多位于河流沖洪積扇中上部，連續(xù)多年的地下水過量開采，使區(qū)域地下水位不斷下降，形成了巨大的庫容空間。根據(jù)“北京市地下水調(diào)蓄能力與利用模式研究”成果[22]，僅潮白河地區(qū)的地下水調(diào)蓄庫容就達(dá)25.5億m3。沖洪積扇下部，含水層結(jié)構(gòu)逐漸過渡為多層結(jié)構(gòu)，巖性顆粒逐漸變細(xì)，滲透性能減弱，是地下水庫的相對阻水邊界。因此，北京平原區(qū)建設(shè)地下水庫具備“灌得進(jìn)、存得住”的地質(zhì)和水文地質(zhì)條件。北京平原區(qū)各大沖洪積扇中上部，是北京市主要地下水廠的所在地，具備成熟的取水工程，可以完成“取得出”的任務(wù)。另外，北京市具備較完備的輸水、配水網(wǎng)絡(luò)，為建設(shè)地下水庫提供了良好的輸配水條件。南水北調(diào)中線工程將于2014年向北京供水，成為潛在的地下水庫補給水源。除此之外，地表水庫的棄水，以及雨洪水、再生水等都可作為補給水源加以利用。

以北京西郊地區(qū)為例，該區(qū)由永定河沖洪積作用形成。永定河沖洪積扇的西部和西北部邊界為北京西山，石炭—二疊及侏羅系的砂頁巖和火山巖組成了不透水邊界；東部由昆明湖、紫竹院、陶然亭至西紅門一線，南部由西紅門經(jīng)狼垡至南崗?fù)荩谒南祹r性顆粒細(xì)，滲透性能弱，是天然的弱透水邊界；底部為第四系冰磧泥礫或第三系半膠結(jié)的砂礫巖、泥巖，屬于不透水邊界。因此，該地區(qū)具有構(gòu)成地下水庫得天獨厚的地質(zhì)條件（圖1）[6]。平原區(qū)第四系含水層主要由砂卵石、砂礫石、砂含礫石及砂組成，沉積厚度大，最厚可達(dá)200m以上。單層砂卵礫石含水層分布區(qū)，單井出水量一般可達(dá)5000m3/d以上。大口井入滲、沙石坑入滲及永定河河道入滲回灌試驗表明，該區(qū)入滲效果極好，地下水位上升明顯。總體來說，該地區(qū)顆粒粗、富水性好、入滲能力強，具有接受雨洪水或地表徑流補給的優(yōu)良條件。同時，北京西郊是北京市重要的地下水源地，由于多年過量開采地下水，地下水位呈下降趨勢，形成區(qū)域地下水位降落漏斗，地下含水層形成了巨大的庫容空間。

圖1 北京西郊地下含水層結(jié)構(gòu)剖面圖

由上述水文地質(zhì)條件及試驗研究可以看出，北京西郊地區(qū)具有建立地下水庫的儲水條件、良好的入滲條件和巨大的庫容空間。只要通過適當(dāng)?shù)墓こ檀胧⑸嫌斡旰樗?、地表水等水源回補地下，大部分的地下水就能儲存在該地下水庫之中，起到儲存、調(diào)節(jié)地下水的作用。

3.1.2 山區(qū)小流域

小流域出山口處地形條件適宜建設(shè)小型地下水庫，是解決局部缺水的重要措施。在北京豐臺山區(qū)李家峪村已經(jīng)有了地下水庫的工程實踐經(jīng)驗。2010年，北京市地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局根據(jù)地形地貌、水文地質(zhì)、工程地質(zhì)條件，在豐臺區(qū)的嚴(yán)重缺水村李家峪，利用小型溝谷建設(shè)了一座截潛壩，將降雨補給的潛水截留下來，供灌溉果園和大棚蔬菜使用，工程施工完成后，截潛壩上游水位明顯抬升，大大改變了該村缺水現(xiàn)狀，為北京市在山區(qū)溝谷建設(shè)小型地下水庫工程提供了成功的經(jīng)驗（圖2）。

圖2 豐臺區(qū)李家峪小型地下水庫工程示意圖

3.2 工作方法

北京地區(qū)開展過一系列地質(zhì)及水文地質(zhì)調(diào)查以及地下水調(diào)蓄的相關(guān)工作，為地下水庫建設(shè)的專項研究提供了參考。地下水庫建設(shè)涉及多學(xué)科、多領(lǐng)域，需要解決水庫選址、水庫邊界、水庫結(jié)構(gòu)、水庫庫容、補給水源、補給途徑、取水條件等問題，工作方法總結(jié)如下：

①確定地下水庫建設(shè)的目標(biāo)。如地下水庫的用戶，庫容目標(biāo)，建設(shè)地下水庫的目的等。②確定地下水庫區(qū)位置。綜合分析區(qū)域地質(zhì)和水文地質(zhì)條件，結(jié)合地下水庫建設(shè)目標(biāo)，選取重點工作區(qū)，開展野外地質(zhì)和水文地質(zhì)、工程地質(zhì)調(diào)查等工作，并借助物探、鉆探、原位測試、室內(nèi)試驗等方法，確定地下水庫的底部邊界、調(diào)蓄適宜水位和地下壩位置。③確定補給條件。開展地下水庫補給水源、調(diào)水、取水工程專項調(diào)查，評估補給水源和補給水量。開展不同回灌方式的入滲試驗，確定回灌能力和回灌方式。④進(jìn)行地下水庫工程性試驗。根據(jù)已確定壩址的地質(zhì)條件，選擇適應(yīng)的施工工藝和壩體材料，通過注水試驗、壓水試驗等手段確定壩底進(jìn)入不透水層或弱透水層的深度；通過取樣試驗和物探手段檢測壩體強度和完整性以及壩體透水率，對壩體漏水部位采用注漿等措施封堵。⑤進(jìn)行地下水庫庫容計算，地下水庫調(diào)蓄方案評價，分析建庫對地質(zhì)環(huán)境影響評價，以及社會經(jīng)濟(jì)效益分析等，提出地下水庫規(guī)劃建議。

4 地下水庫的運行管理

地下水庫的運行管理，包括地下水庫監(jiān)測系統(tǒng)建立，以及對建成的地下水庫的維護(hù)、管理等，目前國內(nèi)沒有一個明確的指導(dǎo)原則，嚴(yán)重影響了地下水庫的建設(shè)和推廣。國內(nèi)根據(jù)學(xué)者專家的研究，初步提出了一系列地下水庫管理體系和相關(guān)法律法規(guī)的建議。主要包括：①地下水庫的隸屬、管理權(quán)限；②地下水庫管理的組織機構(gòu)；③地下水庫的水權(quán)問題；④庫區(qū)范圍內(nèi)的地下水開發(fā)與管理；⑤庫區(qū)范圍內(nèi)地表水、地下水、水質(zhì)、水量的監(jiān)測、管理與調(diào)度；⑥庫區(qū)范圍內(nèi)水資源工程建設(shè)；⑦庫區(qū)范圍(包括影響范圍)與水有關(guān)的生態(tài)環(huán)境問題等[27]。

地下水庫的運行通常是大規(guī)模、高強度的對水資源的時空調(diào)節(jié)過程，因此，為保證地下水庫運行不引起環(huán)境惡化等問題，需要對地下水庫在水資源調(diào)配的各個環(huán)節(jié)進(jìn)行合理規(guī)劃，對其運行狀態(tài)進(jìn)行人為控制[27]。

5 結(jié)束語

地下水庫是近年來得到不斷發(fā)展的解決水資源不足的重要工程措施。對于嚴(yán)重缺水的北京市，建設(shè)地下水庫具有十分重要的現(xiàn)實意義。北京市具有建設(shè)地下水庫的天然地質(zhì)條件和良好的工作基礎(chǔ)。在系統(tǒng)地開展勘察研究工作基礎(chǔ)上建設(shè)地下水庫，有利于提高北京市供水保證程度和南水北調(diào)工程來水利用效率，遏制地下水生態(tài)環(huán)境惡化，實現(xiàn)水資源可持續(xù)利用。地下水庫運行管理，需要加強管理體系規(guī)范，制定相應(yīng)法律法規(guī)，使地下水庫發(fā)揮最大工程效益。

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