北京市潮白河地下水庫建庫條件與方案建議

歐志亮

（北京市水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊，北京 100195）

北京市潮白河地下水庫建庫條件與方案建議

歐志亮

（北京市水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊，北京 100195）

北京市潮白河沖洪積扇分布有大中型地下水源地10余座，區(qū)域地下水位持續(xù)下降，含水層騰出了巨大的儲存空間，在此建設(shè)地下水庫儲蓄南水北調(diào)水和本地地表水，可提高北京市應(yīng)急供水能力、增強水資源可持續(xù)利用能力、改善地質(zhì)環(huán)境。本文以潮白河沖洪積扇為研究對象，論述了潮白河地下水庫建設(shè)的地質(zhì)條件、回灌水源、地下水人工補給方式等基本條件，研究了地下水回灌的工程模式、能力與調(diào)蓄方案。結(jié)果表明，潮白河地下水庫可建設(shè)懷柔應(yīng)急與水源八廠兩個回灌工程，理論入滲能力可達136 m3/s，調(diào)蓄方案實施一年，庫區(qū)地下水位可上升5～15m，儲存量可增加4.8×108m3，資源、環(huán)境效益十分明顯。

潮白河地下水庫；人工補給；地下水數(shù)值模擬

0 引言

地下水庫是利用地下天然儲水空間興建的具有攔蓄、調(diào)節(jié)和利用地下水流作用的一種水利樞紐（李旺林等，2005）。利用地下水庫對水資源時空分布進行人工調(diào)節(jié)，可提供水源、改善保護生態(tài)環(huán)境、實現(xiàn)水資源可持續(xù)利用。1889年美國開始進行地下水人工補給的實施研究，20世紀30年代地下水人工補給工程逐步得到推廣（李硯閣，2007）。20世紀50年代后為滿足城市供水和保護環(huán)境，多個國家開始興建地下水人工補給工程，利用含水層建設(shè)地下水庫的思想逐步成熟：美國實施了含水層儲存和回采工程（ASR），建設(shè)了150多個ASR工程（費宇紅等，2006）；荷蘭提出建設(shè)人工回灌和出水系統(tǒng)ARPS（Artificial Recharge-Pumping Systems），用于城市供水和防止海水入侵（Jonoski et al，1997）；以色列利用滲透池將洪水回灌地下用于夏季使用。1964年日本提出了利用地下水壩建設(shè)地下水庫的設(shè)想，并修建了世界上第一座地下壩地下水庫，1972—2000年興建了10余座地下壩地下水庫（Jha et al，1998）。瑞典、荷蘭、德國、巴西、英國等均有工程建設(shè)。我國利用含水層進行地下水人工補給研究較晚，20世紀50年代末，上海開始人工補給地下水增加地下水量和控制地面沉降的工作，北京、天津、陜西、浙江相繼進行人工補給的試驗和實踐；70—80年代，我國地下水庫研究逐步發(fā)展成熟，在山東、新疆、遼寧、貴州等地修建了多處地下水庫（杜新強等，2005；朱思遠等，2008）。

北京市是我國北方缺水典型城市，地下水是城市供水的主要水源，每年開采量達26×108m3左右。地下水的大力開發(fā)特別是持續(xù)干旱年份的高強度開采，造成地下水持續(xù)虧損，地下水位持續(xù)下降形成降落漏斗，水源地供水能力衰減（北京市地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局等，2008）。北京市潮白河沖洪積扇中上部地區(qū)分布有水源八廠、懷柔應(yīng)急及當?shù)乇姸嗨吹兀衫闷渌牡刭|(zhì)條件建設(shè)地下水庫，抓住南水北調(diào)契機對水資源調(diào)蓄，提高地下水供水能力，有效修復地下水環(huán)境（崔瑜等，2009）。地下水庫是一個系統(tǒng)工程，本文系統(tǒng)闡述了潮白河地下水庫建設(shè)的回灌水源、引水調(diào)度、儲存空間、回灌方式、開采條件，計算了地下水庫庫容空間；根據(jù)野外調(diào)查和回灌試驗結(jié)果，分析了回灌入滲能力，結(jié)合南水北調(diào)針對性地提出了潮白河地下水庫人工回灌工程與地下水水源地開采調(diào)整的調(diào)蓄方案，并進行了數(shù)值模擬預測，為潮白河地下水庫工程前期論證和建設(shè)提供設(shè)計依據(jù)。

1 區(qū)域概況

潮白河沖洪積扇位于北京東北部，包括密云、懷柔、順義平原地區(qū)及通州部分地區(qū)，屬暖溫帶半濕潤大陸性季風區(qū)氣候，多年平均降水量625mm左右，降水年際差別大、年內(nèi)80%集中在7—9月份，常出現(xiàn)連續(xù)豐水年或枯水年。區(qū)域北部為山區(qū)，平原地形由北向南傾斜，坡降1‰～2‰。地表河流主要是潮白河、懷河、小東河等，河流上游分布有密云、懷柔、大水峪、北臺上等水庫。

區(qū)域第四系由河流沖洪積作用形成，巖性為卵礫石、砂及粘性土，厚度由北部山前十余米向南部增加到300余米，順義后沙峪地區(qū)的第四系沉積中心厚度大于600m。從沖洪積扇頂部到平原含水層由單一、2～3層結(jié)構(gòu)砂卵礫石逐漸變化為多層砂，地下水類型由單一潛水轉(zhuǎn)化為潛水和承壓水。區(qū)域地下水接受山前側(cè)向、河流入滲、降水入滲和灌溉回歸補給，向東、東南徑流；地下水排泄以開采為主，有側(cè)向流出和少量潛水蒸發(fā)。

2 地下水庫建設(shè)條件分析

2.1 水文地質(zhì)條件與庫容空間

潮白河地下水庫位于北京市順義區(qū)縣城北部的潮白河沖洪積扇中上部，南起向陽閘，北至山前，東、西均以二級階地前緣為界，面積約415km2，水庫邊界范圍見圖1。

潮白河地下水庫東北、北、西北邊界為山前坡洪積物，巖性混雜，透水及儲水性差；東、西邊界處于潮白河二級階地前緣，與一級階地連通性差，可視為相對隔水邊界；南邊界為向陽閘—馬辛莊一帶，是地下水流出區(qū)，巖性變細，過水斷面變窄，含水層厚度變小，實為一相對阻水屏障；地下水庫底界北部為基巖，南部埋深90～100m處分布著厚度大于15m的穩(wěn)定的粘質(zhì)砂土、砂質(zhì)粘土層，為相對隔水邊界。

圖1 潮白河地下水庫范圍圖Fig.1 Distribution range of Chaobai River groundwater reservoir in Beijing

地下水庫區(qū)域第四系沉積物厚度變化較大，地下水庫東北部和中部地區(qū)小羅山、平頭地區(qū)基巖埋藏較淺，甚至出露地表，西部懷柔王化至彩各莊一帶，基巖埋深大，第四系沉積厚度達335m。區(qū)域含水層巖性以砂卵石、砂礫石為主，順義河南寨、懷柔范各莊一線以北含水層為單層砂卵石厚度40～90m；沙塢—牛欄山—廟城一線以北含水層為2～3層砂卵礫石，累計厚度20～50m；牛欄山以南順義地區(qū)含水層為多層砂礫石夾砂結(jié)構(gòu)，累計厚度40m左右（圖2）。庫區(qū)砂卵礫石埋藏淺，一般3～5m或直接裸露地表，地下水補給條件好，單井出水量一般大于5000m3/d。20世紀80年代潮白河地區(qū)建設(shè)了北京市水源八廠，區(qū)域地下水進入大規(guī)模開發(fā)階段，其后陸續(xù)建設(shè)了區(qū)縣水廠、懷柔應(yīng)急等水源地。1999—2008年，受連續(xù)干旱、懷柔應(yīng)急水源地啟動等影響，地下水補給量減少、嚴重超采，區(qū)域地下水持續(xù)下降，懷柔楊宋—順義北小營形成面積255km2的地下水降落漏斗，漏斗中心地下水位埋深達44m（北京市水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊，2011），水源八廠、懷柔應(yīng)急等水源地供水能力出現(xiàn)不同程度下降，水源八廠供水能力衰減了70%以上，懷柔應(yīng)急供水能力衰減了25%左右。

圖2 北京潮白河水庫水文地質(zhì)剖面圖Fig.2 Hydrogeological cross-section in Chaobai River groundwater reservoir of Beijing

地下水位的下降為地下水調(diào)蓄提供了巨大的空間，以1983年地下水位作為地下水庫最高限制水位，以2010年地下水位為現(xiàn)狀水位，運用公式（1）計算潮白河地下水庫調(diào)蓄空間為25.2×108m3。

式中：V為調(diào)蓄庫容；i為水位變動的分區(qū)編號，n為總分區(qū)數(shù)；μi為第i分區(qū)含水層的給水度；Fi為第i分區(qū)的面積；Δhi為第i分區(qū)的1983年與2010年的水位差。

2.2 調(diào)蓄水源

潮白河地下水庫具有豐富的調(diào)蓄水源，調(diào)蓄水源包括地表水庫水、雨洪水及南水北調(diào)水等。

潮白河水系總流域面積1.9萬km2，山區(qū)面積占87%，北京境內(nèi)潮白河流域面積5688 km2。主要河流潮河、白河、懷河、沙河、燕棲河上游修建有密云密云、懷柔、大水峪、北臺上、沙廠、黃松峪、西峪等大中型水庫水庫，庫容總量達45.8×108m3，防洪庫容為19.7×108m3。潮白河地下水庫所在密懷順地區(qū)為北京市降雨中心之一，潮白河水系流域山區(qū)面積大、匯水條件好，形成了豐富的地表水資源，例如1980—2005年密云、懷柔、大水峪、北臺上以及沙廠水庫共向河道內(nèi)棄水39.12×108m3，年均棄水1.32×108m3。因此，潮白河地下水庫可以利用豐水期地表水人工補給地下水。

為消納南水北調(diào)來水、實現(xiàn)北京水資源優(yōu)化配置，北京市目前正在實施南水北調(diào)來水調(diào)入密云水庫調(diào)蓄工程，主要內(nèi)容是將南水北調(diào)來水通過京密引水渠反向輸水逐級加壓經(jīng)懷柔水庫至北臺上倒虹吸，由新建的北臺上—密云水庫管線、溪翁莊泵站調(diào)水至終點密云水庫。工程實施后調(diào)水最大流量20m3/s，其中團城湖—懷柔水庫段流量20m3/s，懷柔水庫—密云水庫段流量10m3/s。因此，南水北調(diào)水可有10～20m3/s的水量可以通過懷柔水庫、密云水庫放水作為潮白河地下水庫的調(diào)蓄水源。

2.3 地下水人工補給方式與入滲能力

（1）人工補給方式

北京市地下水人工補給的方式有河道、砂石坑、大口井、輻射井等。潮白河地下水庫區(qū)河流水渠密布，在河流兩側(cè)歷史采砂形成了數(shù)量眾多、面積大的砂石坑，未襯砌的河床及砂石坑砂卵石裸露，可以作為地表水入滲的回灌場地，同時河流渠道又可作為輸水的渠道。據(jù)2012—2013年調(diào)查，潮白河地下水庫庫區(qū)未襯砌河床長度達82.8km，可蓄水2.6×108m3；可回灌地下水的砂石坑有21個，分布面積421×104m2，回灌方式分布見圖3。

圖3 潮白河地下水庫回灌方式分布圖Fig.3 Distribution of artif cial recharge ways in Chaobai River groundwater reservoir

（2）入滲能力

20世紀90年代后北京市嚴重缺水，不具備大規(guī)?；毓嘣囼灥臈l件，可以利用歷史回灌試驗的數(shù)據(jù)，確定目前河道、砂石坑、大口井的入滲能力。20世紀70年代開始北京市在潮白河沖洪積扇開展過大量的回灌試驗工作，主要有：1974—1980年潮白河密云—蘇莊閘河床入滲試驗，放水4.9×108～6.9×108m3的情況下河床入滲量達1.47×108～1.88×108m3；1985—1986年東壩頭至向陽閘段潮白河回灌試驗，水庫放水量小于15 m3/s時，地表水全部入滲；1985年京密引水渠南干渠回灌試驗，試驗渠長3600m，入滲量為9.87×104m3/d。1984年在密云城南潮河河床中進行砂石坑回灌入滲試驗，砂石坑平均入滲能力為1.081m3/s。

利用上述試驗數(shù)據(jù)，通過對比河道長度、面積、襯砌情況及砂石坑底面積、側(cè)面積、蓄水深度的試驗數(shù)據(jù)和調(diào)查現(xiàn)狀數(shù)據(jù)，結(jié)合第四系含水層巖性分析，采用類比法確定了潮白河地下水庫人工補給方式的理論入滲能力，見表1與表2。

表1 潮白河地下水庫河道理論入滲能力Tab.1 Theoretically recharge capacity of riverways in Chaobai River groundwater reservoir

3 地下水人工補給工程建議方案

根據(jù)不同的輸水方式、調(diào)蓄目的及庫區(qū)水文地質(zhì)條件，潮白河地下水庫可將各回灌方式進行組合，建設(shè)回灌工程進行地下水的人工補給。潮白河地下水以小羅山—牛欄山可分為潮白河沖洪積扇和懷河沖洪積扇，以此界線為界，可建設(shè)2個回灌工程：懷柔應(yīng)急回灌工程、水源八廠回灌工程，工程位置見圖4。

（1）人工補給工程I

工程利用京密引水渠、懷河與水庫泄洪渠引密云水庫、懷柔水庫、大水峪水庫等地表水和南水北調(diào)水，進入沙河、燕棲河、牤牛河及附近砂石坑進行回灌，目的是增加懷柔應(yīng)急及懷柔區(qū)水源地供水能力，做好應(yīng)急戰(zhàn)略儲備，提高城市應(yīng)急供水能力。將該區(qū)域的回灌方式進行組合，據(jù)表1和表2成果計算工程方案總理論入滲能力為9.17m3/s。

表2 潮白河地下水庫砂石坑理論入滲能力Tab.2 Theoretically recharge capacity of riverways in Chaobai River groundwater reservoir

圖4 地下水人工補給工程分布圖Fig.4 Groundwater artif cial recharge project distribution map

（2）人工補給工程Ⅱ

潮白河沖洪積扇頂部地區(qū)潮白河河道全部襯砌，河道中段第四系存在較為連續(xù)的粘性土層，不利于回灌水的入滲，因此工程Ⅱ利用潮白河、潮河總干渠引密云水庫、沙廠水庫地表水和南水北調(diào)水，進入小東河及附近砂石坑進行回灌，目的是增加水源八廠、順義地區(qū)水廠水源地供水能力，恢復地下水資源量，改善環(huán)境。該區(qū)域回灌方式組合后，據(jù)表1和表2成果工程方案總理論入滲能力為69.18m3/s。

4 建議調(diào)蓄方案與效果

2014年底南水北調(diào)全面向北京供水，北京市可利用南水北調(diào)的契機進行水資源的回灌，調(diào)整開采格局，恢復地下水資源量，改善地質(zhì)環(huán)境狀況。南水北調(diào)水將改變潮白河地區(qū)地下水的供水格局，懷柔應(yīng)急水源地應(yīng)當關(guān)停涵養(yǎng)，市水源八廠可適度減采減少北京市供水水量；同時為消納豐水期的本地地表水和南水北調(diào)水，潮白河地下水庫可進行水資源的回灌人工補給地下水。因此，根據(jù)南水北調(diào)水的配水量、水源地開采調(diào)整、本地水庫棄水量設(shè)計調(diào)蓄方案：南水北調(diào)水20m3/s，分別以10m3/s調(diào)入回灌工程I和Ⅱ河道，回灌時間為每年3—11月；本地水庫棄水量取1980—2005年平均棄水量，即1.32×108m3；懷柔應(yīng)急停采，停采量為30×104m3/d，水源八廠減采為2000—2010年開采量的一半，停采量為14.8×104m3/d。

利用區(qū)域水文地質(zhì)資料建立潮白河地下水庫的Visual modflow數(shù)值模型，利用2010年地下水位作為初始水位進行對調(diào)蓄方案進行模擬預測，預測期為1年。預測的水位對比圖顯示，在水源地調(diào)整開采、水資源回灌條件下，潮白河地下水庫地下水出現(xiàn)了大面積的地下水位上升，最大上升幅度在10～15m（圖5）。

對該區(qū)地下水進行均衡分析，模型范圍內(nèi)地下水儲存量增加3.2×108m3，實施調(diào)蓄對地下水資源的恢復起到了良好的作用，干涸河道的輸水將形成沿河生態(tài)走廊，對區(qū)域生態(tài)環(huán)境改善起到積極作用。

圖5 地下水庫調(diào)蓄方案水位變幅圖Fig.5 The water level variation map of groundwater reservoir project

5 結(jié)論

作為北京市重要的供水水源地和應(yīng)急水源地分布地，潮白河地下水庫的建設(shè)和水資源調(diào)蓄，對于南水北調(diào)后，北京市水資源合理配置、城市供水保障、供水安全及環(huán)境改善，具有重要的意義。潮白河地下水庫可將南水北調(diào)水、地表水，通過本區(qū)河渠引入庫區(qū)的河道、渠道及砂石坑，進行地下水資源的人工補給。針對懷柔應(yīng)急、水源八廠及密懷順地區(qū)地下水源地的供水能力恢復，潮白河地下水庫可建設(shè)懷柔應(yīng)急和水源八廠2個地下水人工補給工程，工程理論入滲能力達78.35m3/s。利用南水北調(diào)水、地表水庫進行回灌，同時停采懷柔應(yīng)急水源地開采、水源八廠開采減少開采，潮白河地下水庫地下水水位大面積上升，最大上升15m，地下水儲存量增加3.2×108m3，極大恢復該區(qū)地下水資源虧損情況，帶來了較好的資源和環(huán)境效應(yīng)。建議進行人工補給工程的專門論證，實施工程建設(shè)，實現(xiàn)潮白河地區(qū)水資源的可持續(xù)利用，保障城市供水和地區(qū)生態(tài)文明。

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Suggestions on the Conditions of Building the Chaobai River Groundwater Reservoir in Beijing

OU Zhiliang
(Beijing Institute of Hydrogeology and Engineering Geology, Beijing 100195)

There are more than 10 large-medium well felds for pumping groundwater for water treatment plants in the Chaobai River alluvial fan of Beijing. In this area, a huge storage space has been produced due to sharply decline of water table w ith the massive exploitation of groundwater. The construction of the Chaobai River groundwater reservoir can enhance the emergency water supply capacity, increase the sustainable utilization capacity of water resources, improve the geological environment in Beijing. Taking the Chaobai River alluvial fan as the research object, the basic conditions of building groundwater reservoir are analyzed in the paper such as hydrogeological conditions, recharge water source, and artif cial replenishment mode. The recharge engineering model, the capacity and storage plans on groundwater reservoir are studied as well. The result demonstrated that two artif cial recharge projects of Huairou emergency and Bachang water source on the Chaobai River groundwater reservoir can be constructed, the inf ltration capacity in theory is 136 m3/s. Executing recharge plans for a year, groundwater level can be improved 5 to 15m, and storage capacity can be increased 4.8×108m3. Resources and environment benef t is obvious.

The Chaobai River groundwater reservoir; Artif cial recharge; Groundwater numerical simulation

TV623

A

1007-1903（2017）02-0007-06

10.3969/j.issn.1007-1903.2017.02.002

歐志亮（1967- ），男，本科，工程師，從事地下水資源開發(fā)利用、工程地質(zhì)與環(huán)境地質(zhì)工作，E-mail：Lr88858321@sina.com。