懷柔應急水源地可持續(xù)供水與水源涵養(yǎng)研究

袁慶亮，任 宇，張景華（1.吉林大學建設工程學院，長春 1006；.北京市地質工程勘察院，北京 100048；.北京市京密引水管理處，北京 101400）

懷柔應急水源地可持續(xù)供水與水源涵養(yǎng)研究

袁慶亮1.2，任 宇3，張景華2
（1.吉林大學建設工程學院，長春 130026；2.北京市地質工程勘察院，北京 100048；3.北京市京密引水管理處，北京 101400）

懷柔應急水源地自運行以來一直續(xù)采至今，由于連續(xù)干旱和多年的超設計規(guī)模運行，導致區(qū)內水文地質條件發(fā)生了較大變化，為保證其“應急供水”的能力，具備隨時啟動供水的功能，結合南水北調水源進京的機遇，從資源回補涵養(yǎng)和供水系統(tǒng)的熱備運行兩方面開展研究工作。在綜合分析區(qū)域水文地質條件和研究多年地下水動態(tài)變化規(guī)律的基礎上，利用地下水數(shù)值模型對懷柔應急水源地在不同開采條件下的回補方式和效果進行模擬，擬定了南水北調進京后區(qū)域水資源人工回補方案及應急水源地的熱備運行方案，并模擬預測了水源地熱備運行和地下水涵養(yǎng)效果，為懷柔應急水源地可持續(xù)供水提供科學依據(jù)。分析結果表明：南水北調水源進京后，懷柔應急水源地可采用夏季高峰集中供水與日常保壓相結合的“集中開采”方案和日?！胺€(wěn)壓開采”方案。

水源地；數(shù)值模擬；地下水；水源涵養(yǎng)

0　引言

懷柔應急水源地自2003年8月30日并網(wǎng)運行，一直續(xù)采至今，由于連續(xù)干旱和多年的超設計規(guī)模運行，區(qū)內水文地質條件發(fā)生了較大變化。2015年南水北調水源進京后，懷柔應急水源工程應始終保持“應急供水”的能力，具備隨時啟動供水的功能。在此背景下，本次研究結合南水北調水源進京的機遇，從資源回補涵養(yǎng)和供水系統(tǒng)的熱備運行兩方面開展研究工作，以確保水源地可持續(xù)應急供水的能力。

研究區(qū)地下水調蓄工作始于20世紀70年代，進行了潮白河入滲試驗研究工作；90年代開展了南水北調中線北京段地下水調蓄工程勘察工作（北京市水文地質工程地質大隊，1997）。21世紀，在南水北調中線工程實施的前提下，北京市完成了多個調蓄的綜合性研究項目，由于潮白河沖洪積扇中上部是重要的調蓄區(qū)之一，各個項目均在該區(qū)域開展了研究工作。例如，2004年北京完成的《首都地區(qū)地下水資源和環(huán)境調查評價》（北京市地質工程勘察院，2004）項目論證了潮白河沖洪積扇地區(qū)地下水、地表水聯(lián)合調蓄范圍，計算了調蓄庫容，對地下水回補可利用的調蓄水源、方式進行了調查，提出調蓄工程方案與建議，并進行了數(shù)值模擬；2007年《南水北調來水與地下水聯(lián)合調度及調蓄規(guī)劃方案研究報告》（北京市地質工程勘察院，2007）對地下水庫可恢復空間進行了計算，分析了調蓄條件、能力，提出了水資源調蓄工程方案和優(yōu)化配置、地下水開采調整方案。

綜上所述，潮白河沖洪積扇中上部地區(qū)的農田水文地質勘察、城市供水水文地質勘察、地下水調蓄及相應的地下水資源評價、地下水動態(tài)監(jiān)測等大量的水文地質勘查工作，取得了豐富的資料和成果，為本次工作奠定了扎實的基礎。

本次工作中借鑒了北京（崔瑜等，2009）、烏魯木齊（董新光等，2005）、大慶（高淑琴等，2007）、滹沱河（杜尙海等，2010）等區(qū)域地下水庫調蓄的方案及研究方法。

1　區(qū)域水文地質條件

1.1含水層組特征及其富水性

研究區(qū)第四系含水層從北往南顆粒由粗變細，含水層由單層變多層。地下水在小羅山以北屬潛水區(qū)，牛欄山以南為承壓水區(qū)，兩者之間為潛水—承壓水變化過渡區(qū)。小羅山以北、密云康各莊一帶廣泛分布著單一厚層砂礫卵石含水層，厚度40～80m。小羅山向南至牛欄山，含水層一般為二至三層砂礫卵石，累計厚度20～50m；牛欄山以南順義地區(qū)含水層以多層結構為主，巖性主要為粗中砂、細砂，累計厚度約40m。

依據(jù)地下水埋藏條件及其水動力與水質特征，結合本區(qū)的水文地質要素及開采利用條件，可將第四系松散巖類細分為：第一含水層，相當于全新統(tǒng)（Q4），40 m左右（主要農業(yè)開采層）；第二含水層，相當于上更新統(tǒng)（Q3），從40～100 m（主要水源地和自備井開采）；第三含水層，相當于中更統(tǒng)（Q2），主要是100 m以下（包括Q3、Q2和Q1）。

平面上研究區(qū)含水層巖性、富水性可劃分為4個主區(qū)和5個亞區(qū)，見圖1。區(qū)內含水層結構簡單，大部分區(qū)域水位下降3m單井出水量大于5000m3/d。

1.2補徑排條件

地下水主要接受大氣降水入滲補給、側向徑流補給、水庫滲漏、河流入滲補給、京密引水渠滲漏以及灌溉回滲補給。

研究區(qū)地下水總流向大致與盆地長軸方向平行，由東北流向西南，到順義附近轉向正南，東部徑流條件比西部好，在沖洪積扇中上部地區(qū)地下徑流條件比其南部地區(qū)優(yōu)越。

本區(qū)第一含水層的排泄方式主要有兩種。一是自然排泄，二是人工排泄。自然排泄主要是指地下水的溢出、蒸發(fā)及流向下游的地下徑流。人工排泄主要是人工開采。

1.3區(qū)域地下水資源開采

區(qū)域地下水開采包括懷柔應急水源地、水源八廠水源地和當?shù)毓まr業(yè)開采。

圖1　含水層富水性分區(qū)圖Fig.1 Water bearing zoning map

懷柔應急水源地自2003年8月30日啟用，至2013年12月底，懷柔應急水源地累計總供水量達9.87 億m3；潮河—懷河水源地自2009年2月5日與應急水源地并網(wǎng)運行，至2013年12月底累計供水量1.089 億m3。2013年兩水源地開采量為0.945億m3。

水源八廠設計日供水能力48萬m3/d。1999年開始北京遭遇了連續(xù)枯水年，區(qū)內地下水位的大幅下降造成區(qū)內水源井出水能力逐年下降。2013年開采量為0.32億m3，較設計供水量衰減了82%。

根據(jù)《懷柔區(qū)水資源綜合規(guī)劃報告》（2003），懷柔平原區(qū)多年平均（1956—2000年均）的地下水可采資源量為8000萬m3/a。自2003年開始由于產(chǎn)業(yè)結構調整，地下水開采量呈逐年減小趨勢，2013年開采量為0.48億m3。

2013年懷柔平原區(qū)地下水的總開采量達到 1.42 億m3，其中懷柔應急水源地的開采量占53%。

1.4區(qū)域地下水動態(tài)特征

依據(jù)懷柔應急備用地下水源地2014年度地下水動態(tài)監(jiān)測資料（北京市地質工程勘察院，2014），利用水源地上游密云M318、中心區(qū)H8-39和下游水源八廠地區(qū)的G-8三個典型長觀孔的資料來研究區(qū)域地下水位動態(tài)變化（圖2）。

圖2　潮白河地區(qū)地下水動態(tài)與降水量關系圖Fig.2 The relationship between groundwater and precipitation map of Chaobai River area

從圖中可見，1998年以前本區(qū)地下水多年處于動態(tài)平衡狀態(tài)。自1999年以來，連遇連續(xù)干旱年份，使本地區(qū)地下水位逐年下降。區(qū)域地下水位年內動態(tài)變化規(guī)律為：3—6月份由于降水量少和農業(yè)開采量的加大，地下水位降速加大；6月進入豐水期，地下水位降幅變緩；10月至翌年2月為地下水位相對穩(wěn)定期。

2　地下水數(shù)值模型

2.1總體概況

結合“北京市地下水庫前期勘查項目”階段性成果（北京市地質工程勘察院，2014），建模面積560km2，涵蓋潮白河地下水庫庫區(qū)（355km2）。采用地下水模型軟件Feflow對各層進行有限元離散，在河流、開采井、觀測井等重要位置使用網(wǎng)格加密技術，共剖分三角單元144305個，節(jié)點84896個。根據(jù)資料掌握程度，模型模擬期選擇2008年1月—2012年12月；并利用 2009 年至2012年的地下水源匯項資料和地下水動態(tài)監(jiān)測資料，對模型進行了參數(shù)識別和驗證。

2.2模式識別驗證

本模型的識別與檢驗過程采用的方法也稱試估-校正法，它屬于反求參數(shù)的間接方法之一。本次利用地下水流場及典型的監(jiān)測孔水位曲線進行模型驗證。

驗證期內潛水含水層模擬流場與實際流場對比圖見圖3，可見模擬潛水流場與實際流場總體流動方向相同，大部分結點水位擬合較好。此外，本次利用研究區(qū)內的20余眼長觀孔的實測數(shù)據(jù)進行了觀測孔水位曲線擬合驗證，經(jīng)統(tǒng)計，平均誤差絕對值小于5m的觀測孔占70%。因此，所建立的模擬模型基本達到模型精度要求，符合研究區(qū)水文地質條件，基本反映了地下水系統(tǒng)的動態(tài)特征，故可利用模型進行地下水位預測分析。

2.3區(qū)域地下水資源均衡分析

圖3　2012年12月實測水位與模擬水位擬合圖Fig.3 Fitting of measured water level and simulated water level in December， 2012

懷柔平原區(qū)多年平均（1956—2000年均）的地下水可采資源量為8000萬m3/a。本次結合區(qū)域地下水水位多年動態(tài)觀測資料和年開采量資料，利用地下水三維流數(shù)值模型，對懷柔平原區(qū)地下水資源進行了均衡分析計算。據(jù)統(tǒng)計，1999年連續(xù)十余年干旱以來，至2013年底懷柔平原區(qū)地下水資源累計虧損12億m3，年均虧損約0.8億m3。

3　懷柔應急水源地可持續(xù)供水研究

根據(jù)南水北調水源進京后的初步配水計劃，2015年南水北調進京后，南水將替代部分本地地下水開采量，同時南水北調余水還能用于回灌，補充當?shù)氐叵滤潛p。依據(jù)懷柔應急水源地的供水實踐經(jīng)驗，水源地的減采或停采對于水位恢復具有顯著效果。根據(jù)上述計劃，本文提出地下水人工回補、穩(wěn)定開采、集中開采等方案，并利用數(shù)值模型對方案實施后地下水動態(tài)進行了預測，為保障懷柔應急水源地可持續(xù)供水功能及熱備運行提供了科學依據(jù)。

3.1地下水人工回補方案

根據(jù)初步配水計劃，2015年南水北調進京后，擬將來水調20m3/s至密懷一帶，其中10m3/s調至密云水庫，另10m3/s調至密懷一帶回灌地下。擬定的地下水人工回補方案如下：

⑴ 規(guī)劃入滲場及回補方式

綜合本次野外調查成果，綜合考慮地下水環(huán)境現(xiàn)狀，包氣帶土壤環(huán)境、水文地質條件、河道入滲能力等因素，對比分析，本著“投資少、回補快、儲存率高、水質安全”等原則，選擇懷柔應急水源地上游的沙河和牤牛河附近作為擬回補場地。

⑵ 回補時段

根據(jù)市水務局南水北調進京的初步配水方案，冬季枯水期南水北調來水量較少，南水北調尾水只在春、夏、秋三季進行回灌。

⑶ 規(guī)劃入滲場的入滲能力

根據(jù)規(guī)劃入滲場內的河道及砂石坑分布范圍，統(tǒng)計規(guī)劃入滲場的入滲能力合計約6m3/s。其中沙河、牤牛河及其附近砂石坑的入滲能力合計約1.7m3/s；60眼回灌井入滲能力約4.17m3/s。通過計算，按每年回補3個季度（3—11月），規(guī)劃入滲場內年入滲能力約為1.45億m3/a，其中大口井回灌約1億m3/a，河道入滲約0.45億m3/a。

3.2熱備運行方案

依據(jù)懷柔應急水源地十年來的供水實踐經(jīng)驗，結合南水北調水源供水和北京用水的特點，優(yōu)選以下2種熱備運行方案，在涵養(yǎng)區(qū)域地下水資源的同時，保障應急水源工程的應急供水能力。

⑴ 方案1：采用“穩(wěn)壓開采”模式

為了保障輸水管道工程安全，始終處于滿水壓力狀態(tài)，日常開啟2組4眼井，按日恒定開采量2.7 萬m3/d開采，年開采量合計1000萬m3/a。熱備運行期間，分別以北支、南支、干支水源井為基本單元進行輪換，保證在一年內北支、南支、干支水源井均得到一次輪換啟動。

⑵ 方案2：采用“集中開采”模式

由于夏季為北京市用水高峰期，供水負荷較重，為了緩解夏季城區(qū)高峰期的供水壓力，應急水源地可在夏季供水高峰期（6—8月）啟動供水模式，在保障城區(qū)高峰供水的同時，進行熱機運行，開啟34～36眼井，日供水量20萬m3/d。其他月份幾近停采涵養(yǎng)，為了維護工程安全、保障輸水管處于滿水壓力狀態(tài)，僅在水源地的北支和南支開啟2眼井，每月開啟1天，每天開采量約1.5萬m3。方案2年開采量合計1850萬m3/a。

3.3效果分析

通過對不同熱備方案實施后的水位進行預測，應急水源地中心區(qū)水位上升幅度及均衡計算見表1～表3。

表1　不同熱備方案實施后應急水源地中心區(qū)水位變幅統(tǒng)計Tab.1 Variation of water level in the central area of emergency water source after different thermal preparation scheme

表2　地下水人工回補及熱備方案同時實施后的地下水均衡Tab.2 Groundwater equilibrium after artificial recharge of groundwater and the implementation of the scheme

4　結論

本次研究通過對懷柔應急水源地多年監(jiān)測資料綜合分析，綜合評價了連續(xù)干旱和應急開采影響下區(qū)域地下水資源的動態(tài)變化。結合南水北調進京后區(qū)域水資源的供給方式的變化，擬定了南水北調進京后區(qū)域水資源人工回補方案及應急水源地的熱備運行方案，并模擬預測了水源地熱備運行和地下水涵養(yǎng)效果，為懷柔應急水源地可持續(xù)供水提供科學依據(jù)。

［1］北京市水文地質工程地質大隊. 南水北調中線北京段地下水調蓄工程勘察報告［R］. 1997.

［2］北京市地質工程勘察院. 首都地區(qū)地下水資源和環(huán)境調查評價［R］. 2004.

［3］北京市地質工程勘察院. 南水北調來水與地下水聯(lián)合調度及調蓄規(guī)劃方案研究報告［R］. 2007.

［4］崔瑜，李宇，謝振華，等. 北京市平原區(qū)地下水養(yǎng)蓄控高水位及其約束下的地下水庫調蓄空間計算［J］. 城市地質，2009，4（1）：11～17.

［5］董新光，杜衛(wèi)東，鄒清，等. 新疆烏魯木齊市烏拉泊洼地地下水庫的調蓄功能研究［J］. 新疆農業(yè)大學學報，2005，28（3）：58～62.

［6］高淑琴，蘇小四，杜新強，等. 大慶市西部地下水庫人工回灌方案研究［J］. 灌溉排水學報， 2007，26（4）：68～71.

［7］杜尙海，蘇小四，呂航，等. 滹沱河地下水庫有效蓄水率研究［J］. 湖南科技大學學報（自然科學版），2010，25（1）：121～124.

［8］北京市地質工程勘察院. 北京市懷柔應急備用地下水源地2014年度地下水動態(tài)監(jiān)測報告［R］. 2014.

［9］北京市地質工程勘察院. 北京市地下水庫前期勘查項目［R］. 2014.

Study on Sustainable Water Supply and Water Conservation in Huairou Emergency Water Source

YUAN Qingliang1.2， REN Yu3， ZHANG Jinghua2
（1. Engineering College of Jilin University， Changchun 130026； 2.Beijing Institute of Geological and Prospecting Engineering，Beijing 100048； 3. Beijing Jingmi Water Diversion Management Office， Beijing 101400）

Huairou emergency water source has been continuously exploited since it began to be operated. Due to continuous drought and years of ultra-scale operation， the regional hydrogeological conditions have been changed greatly. To ensure its ability of "emergency water supply" and its function of ready-to-supply， this work has been done from the aspects of resource recovery conservation and water-supply system hot-standby operation under the circumstance of South-to-North Water Diversion into Beijing. On the basis of comprehensive study of regional hydrogeological conditions and groundwater perennial dynamic variations， it simulated the recharging ways and effects to Huairou emergency water source under different mining conditions by groundwater numerical model，made the plans of artificial recharging to regional water resource and hot-standby operation of water-supply system. It also simulated and predicted the effects of hot-standby operation and groundwater conservation， and provided the scientific basis for the sustainable water supply of Huairou emergency water source. The results showed that: at Huairou emergency water source， the centralized water supply in summer peak and the daily pressure-maintaining “centralized exploitation” and “stable-pressure exploitation” can be used after South-to-North Water Diversion into Beijing.

Water source； Numerical simulation； Groundwater； Water conservation

P641

A

1007-1903（2016）01-0069-06

10.3969/j.issn.1007-1903.2016.01.014

袁慶亮（1981- ），男，本科，高級工程師，主要從事環(huán)境地質、水文地質研究。Email∶ 51166281@163.com