北京地下水源地可持續(xù)開發(fā)利用對(duì)策研究

張景華，范久達(dá)，許 海（.北京市地質(zhì)工程勘察院，北京 00048；. 北京市地質(zhì)工程設(shè)計(jì)研究院，北京 0500）

北京地下水源地可持續(xù)開發(fā)利用對(duì)策研究

張景華1，范久達(dá)2，許 海1
（1.北京市地質(zhì)工程勘察院，北京 100048；2. 北京市地質(zhì)工程設(shè)計(jì)研究院，北京 101500）

本文對(duì)北京市現(xiàn)有主要市屬地下水源地（懷柔應(yīng)急水源地、第八水廠牛欄山水源地、平谷應(yīng)急水源地、水源三廠水源地、張坊應(yīng)急水源地）多年開采動(dòng)態(tài)進(jìn)行調(diào)查。調(diào)查表明伴隨多年干旱及地下水超采，上述水源地綜合開采能力呈逐年下降趨勢(shì)，2012年日供水能力合計(jì)約91×104m3/d，較設(shè)計(jì)初期衰減了46% 。其中，井布局不合理是張坊應(yīng)急水源地供水能力的制約因素；其他水源地均為第四系水源，衰減原因?yàn)閰^(qū)域地下水位大幅下降，導(dǎo)致濾水管出露。為了保障水源地可持續(xù)開發(fā)，本文結(jié)合南水北調(diào)進(jìn)京后新的供水形勢(shì)，進(jìn)一步提出了水資源回補(bǔ)涵養(yǎng)及洗井等保障措施。

水源地供水能力；可持續(xù)開發(fā)利用；對(duì)策

0　前言

北京市是國(guó)際上為數(shù)不多的以地下水作為主要供水水源的大都市，地下水資源一直肩負(fù)保障城市供水安全的重任，對(duì)保障社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有十分重要的作用。北京市現(xiàn)有水源地多建設(shè)于20世紀(jì)50—80年代，其水源井結(jié)構(gòu)是根據(jù)當(dāng)時(shí)水文地質(zhì)條件和水廠供水規(guī)模設(shè)計(jì)的。1999年開始北京遭遇連續(xù)十多年干旱；同時(shí)，伴隨城市發(fā)展需水量逐年加大，為了保障城市供水，區(qū)域地下水超采嚴(yán)重，造成地下水位持續(xù)下降，水廠部分淺井相繼報(bào)廢，水廠供水能力大幅衰減。需水量的增加和供水能力的衰減矛盾給北京城市供水提出了新的挑戰(zhàn)。

2014年底南水北調(diào)進(jìn)京后，將緩解區(qū)內(nèi)供水緊張局勢(shì)，給區(qū)內(nèi)地下水資源的涵養(yǎng)帶來(lái)機(jī)遇。為提高首都地下水資源戰(zhàn)略儲(chǔ)備、保障城市供水安全、維護(hù)首都社會(huì)和經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定發(fā)展，本文結(jié)合南水北調(diào)進(jìn)京的新形勢(shì)，通過(guò)開展北京市主要水源地現(xiàn)狀供水能力調(diào)查，提出恢復(fù)、保障水源地供水能力及可持續(xù)利用的措施建議。

1　地下水供水歷程

北京城市供水在建國(guó)初期以地表水為主；伴隨城市的發(fā)展，到20世紀(jì)80年代開始以地下水為主。

起步階段。北京市地下水源地集中開采供給的歷史開始于1937年，在東直門外鑿井取水建成第一自來(lái)水廠，日供水量5×104m3，供水人口50萬(wàn)人。1949年5月安定門第二自來(lái)水廠建成投產(chǎn)，日供水能力達(dá)到8.62×104m3；至1949年，北京市共有機(jī)井123眼，開采地下水803×104m3。

規(guī)模開采階段。新中國(guó)成立以后用水量急劇增加，開始了大規(guī)模的地下水開發(fā)。北京城區(qū)1956年建成萬(wàn)泉寺第四自來(lái)水廠，1958年建成花園村第三自來(lái)水廠，1959年建成酒仙橋第五自來(lái)水廠，1964年建成馬家堡第七自來(lái)水廠，1973年建成豐臺(tái)水廠，1978年建成南苑水廠，1979—1982年建成牛欄山第八自來(lái)水廠。20世紀(jì)80年代地下水開采規(guī)模達(dá)到24.4×108m3/a，地下水在城市供水中起到主導(dǎo)作用。

應(yīng)急供水及河北調(diào)水階段。1999年開始北京市遭遇歷史罕見連續(xù)枯水年份，地表水劇減。為緩解城市供水危機(jī)、保障供水安全，2001年開始先后建設(shè)了懷柔、平谷、昌平馬池口、房山張坊4個(gè)應(yīng)急地下水源工程，增加日供水量80×104m3/d。此外，自2011年7月，利用南水北調(diào)中線京石段總干渠，從崗南、黃壁莊、王快、安格莊4座大型水庫(kù)，每年共調(diào)水2.1～2.8×108m3/a進(jìn)京。

2012年全市總供水量為35.9×108m3，其中地下水占57%，地表水占14%，再生水占21%，河北應(yīng)急調(diào)水占8%（圖1）。

圖1　2012年北京市供水水源統(tǒng)計(jì)餅圖Fig.1 The chart of water supply source of Beijing in 2012

2　水源地供水能力調(diào)查

本次工作調(diào)查了北京主要市屬水源地（第三水廠、第八水廠、懷柔應(yīng)急、平谷應(yīng)急和張坊應(yīng)急水源地）的多年地下水開采動(dòng)態(tài)。調(diào)查表明，現(xiàn)狀日供水能力合計(jì)90.6×104m3/d（表1），較總設(shè)計(jì)衰減了46%。

2.1牛欄山水源地與懷柔應(yīng)急水源地

第八水廠牛欄山水源地和懷柔應(yīng)急水源地均位于潮白河沖洪積扇中上部，含水層較厚、富水性強(qiáng)。

（1）牛欄山水源地

牛欄山水源始建于1978年，是北京建成的最大地下水水源地。水源井沿潮白河?xùn)|岸呈北東向展布，南起牛欄山橋，北至韓辛莊，原建18對(duì)37眼井，井深60～80m，設(shè)計(jì)日供水能力48×104m3/d，取第四系孔隙水。自2005年開始先后更新200m左右的深井30眼，目前供水井共51眼。

表1　北京市主要市屬水源地現(xiàn)狀供水能力規(guī)模（2012年）Tab.2 The present water supply ability of the main municipal groundwater source fields of Beijing（2012）

投產(chǎn)初期，1980年正式投產(chǎn)，年開采量達(dá)4128×104m3/a，1981年增加到1.08×108m3/a；穩(wěn)定開采期，1982—2003年均開采量約1.5×108m3/a；衰減期，主要受懷柔應(yīng)急水源地啟動(dòng)及1999年以來(lái)的連續(xù)枯水影響，自2004年后，供水量嚴(yán)重下降（2014年開采1.12×108m3/a）（圖2）。

圖2　第八水廠多年開采量動(dòng)態(tài)圖Fig.2 The chart of multi-year exploitation dynamic of the Eighth Water Plant

2012年牛欄山水源地開采量為0.39×108m3/a，日均開采量約為11×104m3/d，相比設(shè)計(jì)衰減了77%。

（2）懷柔應(yīng)急備用地下水源地

懷柔應(yīng)急備用地下水源地為北京地區(qū)最大的應(yīng)急后備水源，設(shè)計(jì)日供水能力33.5×104m3/d。水源井沿懷河、沙河和雁棲河兩岸成倒“人”字分布，共21組42眼深（250m）淺（120m）結(jié)合井。

2003年8月30日正式并網(wǎng)供水，至2005年 8月31日，成功完成了設(shè)計(jì)兩年的供水任務(wù)合計(jì)2.41×108m3。由于持續(xù)干旱，為了保障北京城區(qū)供水，繼續(xù)開采至今2012年懷柔應(yīng)急水源地開采8351.88×104m3/a（圖3）。

目前，聯(lián)合日供水量約30×104m3/d，其中懷柔應(yīng)急水源地23.5×104m3/d，較設(shè)計(jì)衰減了29.8%。

圖3　懷柔應(yīng)急水源地及潮白河—懷河水源地多年開采量柱狀圖Fig.3 The chart of multi-year exploitation dynamic of Huairou emergency water source field and Chao-Huai River Water Source field

2.2第三水廠水源地

第三水廠水源地位于永定河沖洪積扇的上中部的海淀區(qū)四季青一帶，始建于1958年。經(jīng)幾次擴(kuò)建，現(xiàn)共有水源井107眼（第四系井64眼，基巖井43眼），設(shè)計(jì)地下水日供水能力達(dá)39×104m3/d。

水源地開采經(jīng)歷了開采層位由淺至深，由單一含水層開采至多個(gè)含水層聯(lián)合開采供水的幾個(gè)歷程：①60m以上淺層水開采階段：1958年建設(shè)初期到1990年，三廠水源井總數(shù)達(dá)53眼，日總供水能力29×104m3/d；②增采60～100m淺層承壓水和巖溶水開采階段：進(jìn)入20世紀(jì)90年代，需水量不斷增加而淺層地下水水質(zhì)不斷惡化，1997年再次進(jìn)行擴(kuò)建，新建16眼110m第四系井、10眼基巖井，日總供水能力39×104m3/d；③增采120m以下深層承壓水和巖溶水開采階段：伴隨地下水位的下降和淺層水水質(zhì)不斷惡化，2005年進(jìn)行了第三次擴(kuò)建，新建4眼井深250m第四系井、15眼600m基巖井。

目前，三廠地下水開采以100m以下第四系深層承壓水和奧陶系巖溶水為主。2011年開采量8554.18×104m3/a（基巖水3345.57×104m3，第四系水5218.61×104m3），水廠日供水量約23×104m3/d，較設(shè)計(jì)衰減了41%。

2.3平谷應(yīng)急水源地

平谷應(yīng)急水源地由王都莊水源地與中橋水源地構(gòu)成，位于薊運(yùn)河沖洪積扇中上部。其中，王都莊水源地最早建于1993年，共19眼第四系井，井深70～132m，設(shè)計(jì)日開采量為16×104m3/d；中橋水源地水源井2005年建成，其中10眼深120～180m第四系井，9眼深600～800m基巖井，設(shè)計(jì)日開采量為11.4×104m3/d。

平谷應(yīng)急水源地自2004年8月正式向北京城區(qū)供水，2006—2008年平谷應(yīng)急水源地的年均供水量維持在8519×104m3/a；隨后幾年王都莊水源地的供水能力呈下降趨勢(shì)。見圖4。

圖4　平谷王都莊和中橋應(yīng)急水源地多年供水量動(dòng)態(tài)圖Fig.4 The multi-year exploitation dynamic of Wangduzhuang and Zhongqiao emergency water source field of Pinggu

2012年平谷應(yīng)急水源地總供水量為7709×104m3/a。其中，王都莊水源地供水量為4477×104m3/a，較2006年（6460×104m3/a）衰減了31%；中橋水源地供水量為3232×104m3/a，近幾年供水能力未出現(xiàn)明顯衰減，日供水量基本維持在8.5×104m3/d左右。

2.4張坊應(yīng)急水源地

張坊應(yīng)急水源地位于拒馬河山前區(qū)，開采薊縣系霧迷山組巖溶水，為目前北京地區(qū)最大的巖溶水應(yīng)急水源地。從2006年開始運(yùn)行，經(jīng)擴(kuò)建，目前水源井總數(shù)達(dá)60眼，井深在200～400m，井間距離50～100m左右，設(shè)計(jì)日供水能力可達(dá)20×104m3/d。

2006年供水量650×104m3/a；之后地下水開采量逐年加大，2013年總供水量為3984×104m3/a，日最大供水量15×104m3/d。經(jīng)過(guò)多年應(yīng)急開采，張坊水源地單井出水量及地下水位均未出現(xiàn)明顯下降（圖5）。地下水位呈現(xiàn)年內(nèi)動(dòng)態(tài)變化大、水位恢復(fù)迅速等兩大特點(diǎn)，即3—5月枯水期，由于開采造成的水位降深在6—8月雨季到來(lái)后，得到快速回補(bǔ)（圖6）。

由于區(qū)內(nèi)地表水資源相對(duì)豐富，巖溶地下水補(bǔ)給快，具有一定開采潛力。供水實(shí)踐表明：水源地的日開采量維持在10×104～13×104m3/d時(shí)，水位相對(duì)穩(wěn)定；超過(guò)13×104m3/d，易引起動(dòng)水位大幅下降。

3　衰減原因及應(yīng)對(duì)措施

3.1影響衰減因素

根據(jù)國(guó)內(nèi)外大量抽水試驗(yàn)資料分析表明，影響水源井出水能力的主要因素可歸結(jié)為區(qū)域水文地質(zhì)條件、水井結(jié)構(gòu)兩方面。其中，區(qū)域水文地質(zhì)條件主要包括：含水層富水性（巖性、厚度、滲透性等）、地下水位等；水井結(jié)構(gòu)主要包括：成井結(jié)構(gòu)（井徑、濾水管長(zhǎng)度、濾水孔眼直徑、孔隙率）、濾水管堵塞及淤積程度等。具體影響因素為：①含水層富水性（楊慶華，1994）：在砂卵石粗顆粒地層中，滲透性好且含水層較厚，則出水量大；反之出水量較小。②水位下降幅度（張煥智，1989）：對(duì)開采潛水的淺井，伴隨水位下降，濾水管逐漸外露，有效過(guò)水?dāng)嗝鏈p少，導(dǎo)致水井出水量下降；對(duì)開采深層承壓水的深井，水位下降導(dǎo)致地下水壓力水頭降低，單井出水量也有下降，但相比潛水影響相對(duì)較小。③地層坍塌：在成井過(guò)程中或水井涌砂未及時(shí)處理情況下易出現(xiàn)上部坍塌，從而封閉原有的含水層。④成井結(jié)構(gòu)：如井徑（地質(zhì)部水文地質(zhì)工程地質(zhì)第一大隊(duì)，1964）、濾水管長(zhǎng)度（張惠昌，1989；邱樹杭，1965）、孔眼直徑、孔隙率等，對(duì)于建設(shè)初期的水井出水量影響較大。⑤濾水管淤積：水中含沙量過(guò)多，經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間沉淀后，下部濾水管淤積掩埋。⑥濾水管腐蝕與堵塞：化學(xué)腐蝕與結(jié)垢是相互伴生的。井壁化學(xué)腐蝕產(chǎn)生的沉淀易堆積于濾水管縫隙處；當(dāng)?shù)叵滤蠧a2+、Mg2+含量過(guò)高時(shí)，易生成沉淀物（水垢），也會(huì)充填縫隙，造成濾水管堵塞（高藏英，2009）。

圖5　張坊應(yīng)急水源地月開采量與水位埋深動(dòng)態(tài)曲線Fig.5 The monthly exploitation dynamic and water depth of Zhangfang emergency water source field

圖6　張坊應(yīng)急水源地月降水量與水位埋深關(guān)系圖Fig.6 The monthly precipitation dynamic and water depth of Zhangfang emergency water source field

根據(jù)上述因素，分析北京市主要水源地出水能力衰減的原因。北京市主要水源地位于強(qiáng)富水區(qū)，根據(jù)對(duì)其開采-水位動(dòng)態(tài)資料分析，2012年底，八廠牛欄山水源地水位埋深達(dá)47m，原60m淺井的濾水管外露率約80%，基本停用；三廠水源地區(qū)內(nèi)水位埋深24m左右，原60～70m淺井近50%的濾水管外露，單井出水量較成井初期衰減了60%以上；懷柔應(yīng)急水源地深120m井的單位出水量隨著水位下降也出現(xiàn)降低趨勢(shì)，2012年由于水位下降造成水源地55%淺井的濾水上端外露，出水量較開采之初衰減明顯（圖7）。

因此，對(duì)于北京市4個(gè)主要市屬水源地（懷柔應(yīng)急、第八水廠牛欄山水源地、平谷應(yīng)急、水源三廠水源地），水井出水量衰減的主要原因是地下水位大幅度下降，改變了水文地質(zhì)條件；而濾水管的淤積、腐蝕和堵塞對(duì)井出水量的影響較小，可以通過(guò)機(jī)械洗井措施在短時(shí)間內(nèi)很快修復(fù)。另外，張坊巖溶水應(yīng)急水源地的井間距較小，井的布局不合理是造成井間水位干擾較大的主要因素。

3.2水源地可持續(xù)利用對(duì)策

水源地的可持續(xù)開發(fā)利用，受區(qū)域水資源質(zhì)量和水源井取水能力（井結(jié)構(gòu)、取水設(shè)備）兩大因素的限值。針對(duì)北京5個(gè)主要市屬水源地水文地質(zhì)條件、井結(jié)構(gòu)、存在的問(wèn)題等不同，從以下兩方面分別采取對(duì)應(yīng)的措施，以保障可持續(xù)利用。

（1）資源回補(bǔ)涵養(yǎng)措施

南水北調(diào)進(jìn)京后，可充分利用南水北調(diào)來(lái)水的富裕水資源，選擇合適的回補(bǔ)場(chǎng)所和回補(bǔ)方式，開展地下水的人工回補(bǔ)（張志永，2014；張景華，2015）。各沖洪積扇地下水調(diào)蓄模式如下：

潮白河沖洪積扇：上游地下水入滲條件好、水質(zhì)較好、儲(chǔ)存空間大，可作為南水北調(diào)余水優(yōu)先選擇回灌區(qū)。建議在京密引水渠附近沙河上游段開展地下水人工回補(bǔ)；同時(shí)，懷柔應(yīng)急水源地和第八水廠牛欄山水源地應(yīng)適當(dāng)減采，盡快恢復(fù)區(qū)內(nèi)水資源。

永定河沖洪積扇：位于北京城區(qū)西部，淺層垃圾分布較多，且城區(qū)地下建筑較多，為了環(huán)境及安全等問(wèn)題，應(yīng)控制地下水位過(guò)高。建議在上游選擇合適區(qū)域采取少量的人工回灌和水源地減采相結(jié)合的方式，涵養(yǎng)當(dāng)?shù)氐叵滤Y源，恢復(fù)三廠供水能力。

薊運(yùn)河沖洪積扇：泃河、洳河上游匯水條件好，入滲能力較大，是地下水回灌的優(yōu)良場(chǎng)地。在平谷應(yīng)急水源地減采的基礎(chǔ)上，適當(dāng)開展地下水調(diào)蓄，提高水資源儲(chǔ)備。

（2）工程措施

第三水廠和第八水廠水源地：因區(qū)域水位下降，導(dǎo)致淺井基本停用，建議采取鋼絲刷、拉活塞、撈砂等機(jī)械洗井方式，清洗水井多年運(yùn)行中形成的水垢、鐵銹和井底沉砂（高藏英，2009），待區(qū)域水位恢復(fù)后，作為未來(lái)水源備用井使用。

懷柔和平谷應(yīng)急水源地：因水源井建成年代較晚，水井設(shè)計(jì)較深。近年來(lái)，伴隨區(qū)域水位的大幅下降，出水量出現(xiàn)一定程度的衰減，但均能正常供水。建議也采取鋼絲刷、拉活塞、撈砂等機(jī)械洗井方式，對(duì)水源井進(jìn)行清垢、清淤洗井，恢復(fù)水源井的出水能力。

張坊應(yīng)急水源地。巖溶地下水補(bǔ)給條件好，多年運(yùn)行期間地下水基本處于動(dòng)態(tài)均衡狀態(tài)。建議針對(duì)該水源地井距布局不合理的問(wèn)題，結(jié)合區(qū)域水文地質(zhì)條件，開展水源井干擾抽水試驗(yàn)，結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果，進(jìn)一步優(yōu)化水源井的合理布局。

4　結(jié)論

（1）伴隨多年干旱及持續(xù)超采，北京市地下水位持續(xù)下降，大部分市屬水源地的供水能力發(fā)生衰減。通過(guò)對(duì)第三水廠、第八水廠、懷柔應(yīng)急、平谷應(yīng)急和張坊應(yīng)急水源地的多年地下水開采動(dòng)態(tài)進(jìn)行調(diào)查，現(xiàn)狀日供水能力合計(jì)約92×104m3/d，較設(shè)計(jì)總量衰減了46%。其中，第三水廠水源地、第八水廠牛欄山水源地的現(xiàn)狀供水能力衰減程度較嚴(yán)重（分別為41%、77%）；懷柔應(yīng)急水源地、王都莊水源地衰減程度適中（分別為30%、16%）；中橋水源地及張坊應(yīng)急水源地，開采多年來(lái)供水能力未出現(xiàn)明顯衰減，其中張坊地區(qū)巖溶水具有補(bǔ)給條件好、水位恢復(fù)迅速的特點(diǎn)，具備一定開采潛力。

（2）目前，近十幾年來(lái)地下水位大幅度下降——水文地質(zhì)條件的改變是導(dǎo)致第四系水源井出水量衰減的重要因素；而水井結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的局限性、布局不合理等是限制水源井可持續(xù)供水的人為因素。

（3）需結(jié)合南水北調(diào)進(jìn)京后區(qū)域供水水資源條件的變化，采取資源回補(bǔ)涵養(yǎng)和洗井等相關(guān)措施，提高北京市第四系水源地的供水能力。

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Research on the Sustainable Development Measures of the Underground Water Source Area in Beijing

ZHANG Jinghua1， FAN Jiuda2， XU Hai1
（1. Beijing Institute of Geological & Prospecting Engineering， Beijing 100048， 2.Beijing Geological Engineering Design Institute， Beijing 101500）

This paper made a survey on the multi-year mining dynamics of the main municipal groundwater source areas in Beijing， namely Huairou emergency water source area； the Eighth Water plant’s Niulanshan water source area； Pinggu emergency water source area； the Third Water plant’s water source area； Zhangfang emergency water source area. The results showed that these water source fields’ total mining capacity had a downward trend with the years of drought and groundwater over-mining. The total capacity of these water source areas in 2012 was 91×104m3/d， which reduced by 46% compared with the design. The wells layout improper was the constraint on Zhangfang emergency water source area’s water supply capacity； while， the continued decline of the groundwater level that led to filter pipe exposed was the reason for other quaternary groundwater source area. This paper further proposed that though artificial recharge and washing wells to ensure the sustainable exploitation of the water source areas， in view of the new situation of water supply after water diversion into Beijing from the South-to-North Water Transfer Project.

Groundwater source areas； Water supply capacity； Sustainable exploitation； Measures

P641

A

1007-1903（2016）01-0099-06

10.3969/j.issn.1007-1903.2016.01.020

張景華（1987- ），女，碩士，工程師，主要從事地下水資源評(píng)價(jià)研究。E-mail：jinghua.as@163.com