南水北調(diào)對北京地下水涵養(yǎng)的影響

王樹芳 ，李 捷 ，劉元章 ，劉久榮 ，王 旭

（1.北京市水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊，100195，北京；2.北京師范大學(xué)，100875，北京）

地下水是北京最主要的供水水源，長期大量開采使北京地下水水位持續(xù)下降。為解決我國北方水資源短缺問題，國家實施了南水北調(diào)中線工程。自2014年南水北調(diào)中線一期工程正式通水以來，截至2017年已經(jīng)運(yùn)行了3年多，但是目前還沒有公開出版的文獻(xiàn)對南水進(jìn)京以來全市的地下水狀況進(jìn)行全面的評估。世界范圍內(nèi)多個國家和地區(qū)都曾經(jīng)為了解決當(dāng)?shù)氐挠盟畣栴}實施過跨流域調(diào)水工程，并在運(yùn)行當(dāng)中對調(diào)水效果進(jìn)行了跟蹤評價，為水資源的優(yōu)化配置提供重要支撐。因此，及時評價南水北調(diào)對北京供水格局和地下水產(chǎn)生的影響，才能制定出最優(yōu)的地下水開發(fā)利用方案，實現(xiàn)南水與地下水資源的優(yōu)化配置，使南水北調(diào)效益達(dá)到最大化。

本文充分利用覆蓋北京平原區(qū)的400多眼地下水監(jiān)測井，對比了2000—2014年 （南水進(jìn)京前）以及2014—2017年（南水進(jìn)京后）北京平原區(qū)淺層地下水與深層地下水的動態(tài)變化特征，并選取兩個典型地區(qū)分析了南水北調(diào)對北京地下水涵養(yǎng)效果的影響。

一、研究區(qū)概況

北京位于華北平原的西北部，除東南局部地區(qū)與天津接壤外，其余皆與河北毗鄰。北京平原區(qū)第四系松散孔隙水系統(tǒng)由山前沖積洪積扇頂部單一的砂卵礫石層，向下逐漸過渡為多層結(jié)構(gòu)的砂層，富水性由大到小。在垂直方向上，第四系含水層百米以內(nèi)富水性最好，而百米以下富水性和透水性較差。因為第四系含水層百米以內(nèi)富水性最好，是地下水的主要開采層，也是城市水源地主要開采層，所以本文以平原區(qū)百米以內(nèi)的地下水作為主要研究對象。百米以內(nèi)的含水層在埋深50 m左右發(fā)育一層比較穩(wěn)定的隔水層，所以在垂向上以50 m為界劃分了淺層地下水和深層地下水。淺層地下水基本覆蓋了整個北京平原區(qū)6500km2的范圍，而深層地下水覆蓋了北京平原區(qū)4 700 km2的面積。

選擇2000年作為對比的起始點(diǎn)是因為1999年以來，北京地區(qū)連續(xù)干旱，地下水作為主要供水水源被大量開采，導(dǎo)致水位大幅度下降。2014年南水正式進(jìn)京，所以將2014年作為一個節(jié)點(diǎn)進(jìn)行對比。利用北京平原區(qū)地下水水位監(jiān)測井452眼 （見圖1），分淺層和深層地下水分別繪制2000年與 2014年 （2014年水位減2000年水位）、2014年與 2017年（2017年水位減2014年水位）的水位對比圖。為了解水位自2000—2017年的變化過程，選取了4眼典型井，繪制了2000—2017年的月平均水位變化過程曲線圖。

二、南水北調(diào)對區(qū)域地下水水位的影響

2000年與2014年淺層地下水水位的對比圖顯示（見圖2左），自2000年以來全平原區(qū)地下水整體上處于下降趨勢。水位下降最大的地區(qū)出現(xiàn)在北部地區(qū)。以水位埋深10 m為界，淺部含水層已經(jīng)形成了一個面積達(dá)到500 km2的地下水降落漏斗，漏斗中心區(qū)水位累積下降超過40 m。

圖1 北京平原地下水水位淺層地下水（左）和深層地下水（右）監(jiān)測井分布圖

圖2 北京平原區(qū)2014年與2000年淺層地下水水位（左）和深層地下水水位（右）對比圖

2000年與2014年深層地下水水位的對比圖顯示（見圖2右），深層地下水水位變化與淺層地下水變化趨勢類似，但是水位下降情況更嚴(yán)重，全區(qū)水位下降超過5 m的范圍已達(dá)全區(qū)的70%以上，達(dá)到3 200 km2。水位下降最大的地區(qū)仍然出現(xiàn)在北部地區(qū)。以水位埋深10 m為界，已經(jīng)形成了一個面積達(dá)到1 400 km2的地下水降落漏斗，漏斗中心區(qū)水位累積下降超過40 m。

2014年南水進(jìn)京以后，北京平原區(qū)西部和北部山前地帶淺層地下水水位都呈現(xiàn)上升趨勢（見圖3左），尤其是懷柔和順義地區(qū)，海淀區(qū)西北部山前地區(qū)的上升幅度最大，都超過5 m。海淀區(qū)西北部山前地區(qū)的深層地下水水位上升幅度最大，超過5 m（圖3右）。懷柔和順義地區(qū)的深層地下水上升幅度也超過4 m。除這兩個地區(qū)之外，其他地區(qū)的地下水仍然呈現(xiàn)出下降的趨勢。下降幅度最大的地區(qū)位于東北部的平谷地區(qū)，降幅超過3 m。

圖3 北京平原區(qū)2017年與2014年淺層地下水水位（左）和深層地下水水位（右）對比圖

圖4 北京市水源三廠（位置在海淀區(qū)四季青鎮(zhèn)）附近代表性監(jiān)測井水位變化曲線

通過對比2014年南水進(jìn)京前后地下水水位的變化情況可知，2014年以前全平原區(qū)淺層和深層地下水絕大部分都處于下降的趨勢，反映出北京平原區(qū)地下水處于超采的狀態(tài)。2014年年底南水進(jìn)京以來，水位上升區(qū)的范圍逐年增大。截至2017年年底，淺層地下水上升區(qū)的面積已經(jīng)占到全區(qū)面積的50%以上，深層地下水上升區(qū)面積也達(dá)到了全區(qū)的30%。

三、南水北調(diào)對典型地區(qū)地下水水位的影響

南水進(jìn)京對北京市的地下水產(chǎn)生了深刻的影響，下文以北京西郊和北部懷柔、順義兩個地下水水位上升最為明顯的典型地區(qū)為例分析南水進(jìn)京前后地下水水位的變化情況及其主要影響因素。

1.北京西郊地區(qū)

以海淀區(qū)西郊水源三廠及附近地區(qū)兩眼典型監(jiān)測井為例，淺層地下水1號監(jiān)測井深30 m，深層地下水3號監(jiān)測井深 72 m（見圖 4）。2011年以前，該地區(qū)地下水一直處于持續(xù)下降的狀態(tài)。雖然水位的波動也受降水的影響，但是水位整體呈下降趨勢。2000—2011年淺層地下水水位累積下降13.48 m，平均每年下降1.12 m。2000—2011年深層地下水水位累積下降14.24 m，平均每年下降1.18 m。2012—2014年出現(xiàn)了短期的上升，淺層地下水水位上升5 m，深層地下水水位上升7 m。2014年之后又開始下降。2016年以后該地區(qū)地下水水位開始持續(xù)上升，淺層地下水水位上升4 m，平均每年上升2m；深層地下水水位上升9 m，平均每年上升4.5 m。

2011年以前，該地區(qū)最大的地下水用戶是水源三廠，日供水量約為29萬m3。另外，周圍的農(nóng)村和規(guī)模較大單位都建有自備井開采地下水。這些集中和分散式的開采使該地區(qū)的地下水長期處于超采的狀態(tài)，導(dǎo)致地下水水位持續(xù)下降。

自2011年以來，該地區(qū)作為北京的第一道綠化隔離帶，附近的農(nóng)村根據(jù)新規(guī)劃進(jìn)行了搬遷，相應(yīng)的自備井也已經(jīng)關(guān)停和封存，日常用水由市政管網(wǎng)供應(yīng)。2015年南水進(jìn)京以來，為涵養(yǎng)地下水，水源三廠開始減采地下水，部分地區(qū)的供水任務(wù)由市政管網(wǎng)分擔(dān)。

另外，2011年、2012年和 2016年，海淀區(qū)經(jīng)歷了三個比較大的豐水年，降水量分別達(dá)到774.8 mm、906.7 mm和739.4 mm，有效增加了地下水的補(bǔ)給。

由此可知，2015年南水進(jìn)京以來自備井封存、水源三廠減采和大氣降水補(bǔ)給增加使該地區(qū)地下水水位出現(xiàn)了大幅度上升的趨勢。由于該地區(qū)的含水層以砂卵礫石為主，淺層地下水與深層地下水之間的隔水層斷續(xù)分布，兩個含水層在局部地區(qū)存在“天窗”，所以水力聯(lián)系較強(qiáng)，從而使兩個含水層地下水水位的變化趨勢一致性很強(qiáng)。

2.北部懷柔和順義地區(qū)

以懷柔和順義集中水源地及其附近地區(qū)水位變幅最大的兩眼典型監(jiān)測井為例，代表淺層地下水的2號井深45 m；代表深層地下水的4號監(jiān)測井深80 m（見圖5）。自2000—2014年，由于地下水的連續(xù)大量開采，水位持續(xù)下降，2014年年底至2015年中期達(dá)到了最低值。由于該地區(qū)同時開采淺層水和深層水，所以兩個含水層的水位都在持續(xù)下降。淺層水的水位14年下降46 m，深層水的水位14年下降43 m。

2014年南水進(jìn)京后，深層地下水水位自當(dāng)年年底開始出現(xiàn)回升，淺層地下水水位也在2015年開始回升。自南水進(jìn)京以來，淺層地下水水位從-17 m上升到-6 m，回升幅度達(dá)到9 m，平均每年上升3 m。深層地下水水位從-19 m上升至-8 m，上升幅度達(dá)到11 m，平均每年上升3.6 m。

作為北京市最大的應(yīng)急水源地，懷柔應(yīng)急水源地自2003年運(yùn)行以來，開采量基本穩(wěn)定在30萬m3/d。南水進(jìn)京以后，懷柔應(yīng)急水源地開始逐步進(jìn)入減采熱備狀態(tài)，2015年9月7日正式按照10萬m3/d的開采規(guī)模進(jìn)入熱備涵養(yǎng)期，地下水的開采量減少了2/3。

地下水庫可以為水資源的調(diào)節(jié)與儲備提供重要的場地，因此南水北調(diào)沿線多個地區(qū)都利用當(dāng)?shù)靥烊坏叵滤畮鞂λY源進(jìn)行調(diào)蓄，以促進(jìn)地下水的涵養(yǎng)。根據(jù)北京市南水北調(diào)工程建設(shè)委員會辦公室統(tǒng)計數(shù)據(jù)，2015年北京利用南水通過潮白河向懷柔應(yīng)急水源地補(bǔ)水3 380萬m3，2016年補(bǔ)水 783萬 m3，2017年補(bǔ)水 5 684萬m3。至2017年11月底，已經(jīng)利用南水通過河道對地下水累積補(bǔ)水超過了10 億 m3。

由上述可知，大型水源地的減采和南水的補(bǔ)給是本地區(qū)地下水水位大幅度上升的最主要影響因素。

圖5 北京順義和懷柔集中水源地（位置在順義區(qū)北部和懷柔區(qū)南部）附近代表性監(jiān)測井水位變化曲線

四、結(jié) 論

通過對南水進(jìn)京前后北京市地下水動態(tài)特征的分析，得出以下結(jié)論：

①南水北調(diào)通水之前，北京多個大型應(yīng)急備用水源地被迫持續(xù)開采，形成漏斗中心最大水位下降幅度超過46 m，許多地區(qū)的地下水漏斗已經(jīng)連成一體。廣大農(nóng)村和市政管網(wǎng)不能供水的地區(qū)大量開采地下水，造成北京全區(qū)地下水水位整體下降。1999—2007年的持續(xù)干旱迫使地下水開采量大幅度增加，加劇了地下水水位下降的趨勢。

②南水進(jìn)京后，北京每年增加了10億m3的水資源。北京利用南水替代部分地下水進(jìn)行供水，同時減少了部分大型水源地的開采量，并利用南水進(jìn)行人工補(bǔ)水，而且置換了城區(qū)用水大戶的自備井。地下水減采與人工補(bǔ)給措施對北京地下水的涵養(yǎng)與恢復(fù)起到了非常顯著的作用，2015年以來的持續(xù)豐水年也使北京地下水的補(bǔ)給量有所增加。以上多個因素的共同作用使北京大部分地區(qū)的地下水水位都呈現(xiàn)出上升的趨勢，淺層和深層地下水在局部地區(qū)的上升幅度甚至可以分別達(dá)到9 m和11 m。

③目前每年10億m3的南水雖然已經(jīng)大大緩解了地下水的供水壓力，但是每年仍然需要開采16.6億m3的地下水。農(nóng)村和市政管網(wǎng)不能支撐的地區(qū)，仍然持續(xù)大量地開采地下水，使得地下水水位繼續(xù)下降。因此，要使北京地區(qū)地下水得到全面的涵養(yǎng)和恢復(fù)，還需要繼續(xù)尋找新的替代水源，同時大力探索和推廣節(jié)水技術(shù)。