熱備涵養(yǎng)運(yùn)行模式在懷柔應(yīng)急備用水源地的應(yīng)用研究

榮 倩 郝 鄴 鄭 瀚

(北京市京密引水管理處，北京 101400)

巨大的地下水漏斗已經(jīng)成為華北地區(qū)生產(chǎn)、生活、生態(tài)發(fā)展的一個(gè)制約因素。作為北京地區(qū)最大的應(yīng)急備用水源地[1]，懷柔應(yīng)急備用水源地工程自2003年8月建成至2019年底，累計(jì)供水14.20億m3，為首都供水保障做出了巨大的貢獻(xiàn)。由于設(shè)計(jì)開采和續(xù)采階段備用水源地下水開采量巨大，且區(qū)域內(nèi)除降水外的補(bǔ)給較少，造成地下水水位下降、水質(zhì)污染指標(biāo)上升，開采幾乎達(dá)到極限。減量開采的同時(shí)開展地下水回補(bǔ)是解決上述問題行之有效的方法，目前已在北京、河北、山東等地廣泛應(yīng)用。借南水北調(diào)水進(jìn)京的契機(jī)，2015年9月，備用水源正式開啟熱備涵養(yǎng)運(yùn)行模式[2]，即開采量降至10萬m3/d 的熱備運(yùn)行，同時(shí)通過沿途生態(tài)放水涵養(yǎng)回補(bǔ)密懷順?biāo)吹豙3]。至2019年底，區(qū)域引南水回補(bǔ)地下水量累計(jì)41458萬m3，平均地下水水位埋深30.84m，較熱備涵養(yǎng)前平均上升了17.51m，涵養(yǎng)成效顯著。然而，通過監(jiān)測發(fā)現(xiàn)仍存在地下水水位波動較大、部分水質(zhì)指標(biāo)上升等情況。為此，通過分析備用水源各個(gè)階段的地下水水位、水質(zhì)，研究熱備涵養(yǎng)模式運(yùn)行效果和影響因素，并對現(xiàn)行運(yùn)行模式提出合理化建議，以期對今后備用水源運(yùn)行提供參考，并為相似地區(qū)運(yùn)用熱備涵養(yǎng)運(yùn)行模式提供借鑒。

1 概 況

1.1 懷柔應(yīng)急備用水源地工程

懷柔應(yīng)急備用水源地工程(以下簡稱備用水源)位于潮白河沖洪積扇中西部懷河沖洪積扇上，西接懷柔水庫，北靠京密引水渠，東南緊靠水源八廠(見圖1)，占地面積25km2，共有21組42眼水源井和11眼觀測井[4]。水源井設(shè)計(jì)為深淺結(jié)合分層對井開采，淺井井深120m，取水深度45～110m，單井開采量為1.00萬～1.10萬m3/d；深井井深250m，取水深度120～240m，單井開采量為0.50萬～0.55萬m3/d。

圖1 懷柔應(yīng)急備用水源地工程位置

1.2 備用水源運(yùn)行模式

備用水源運(yùn)行供水至今，共經(jīng)歷了3個(gè)階段：

a.設(shè)計(jì)開采階段(2003年8月至2005年8月)。備用水源設(shè)計(jì)開采方案為“采二養(yǎng)三[5]”，即在枯水年供水2年，之后停采涵養(yǎng)3年。此階段日均供水量33.50萬m3/d，總供水量為2.41億m3。

b.減量續(xù)采階段(2005年9月至2015年8月)。鑒于北京地區(qū)供水緊張的局勢，備用水源在完成兩年的設(shè)計(jì)供水任務(wù)后，并未采用“采二養(yǎng)三”運(yùn)行模式，而是繼續(xù)按照日開采30.00萬～33.00萬m3的規(guī)模續(xù)采至2008年底，累計(jì)供水5.92億m3。至2009年，備用水源已接近開采極限，區(qū)域內(nèi)地下水埋深由開采前的13～15m下降至40m左右。自2009年2月起，備用水源按照20.00萬～23.50萬m3/d減量開采，同時(shí)對水源井進(jìn)行徹底清洗，并安裝變頻設(shè)備，在保證供水能力的前提下減少負(fù)荷，盡量維持備用水源穩(wěn)定運(yùn)行。

圖2 南水北調(diào)水地下水回補(bǔ)路線

c.熱備涵養(yǎng)階段(2015年9月至今)。2014年底，南水北調(diào)水開始向北京市供水。借此契機(jī)，備用水源從2015年9月起開始試行熱備涵養(yǎng)運(yùn)行模式，按照10.00萬m3/d 的開采規(guī)模熱備運(yùn)行，又通過沿途生態(tài)放水回補(bǔ)密懷順?biāo)吹?見圖2)。

2 運(yùn)行效果分析

2.1 開采與補(bǔ)給分析

備用水源區(qū)域內(nèi)地下水補(bǔ)給主要為降水和河流補(bǔ)給(包含人工補(bǔ)水)，地下水開采主要為工程機(jī)井開采[6]。2019年各月份降水量、回補(bǔ)量、開采量與地下水水位關(guān)系見圖3、圖4、圖5。

圖3 2019年各月降水量與地下水水位埋深關(guān)系

圖4 2019年各月回補(bǔ)量與地下水水位埋深關(guān)系

圖5 2019年各月開采量與地下水水位埋深關(guān)系

2019年上半年開采量多于下半年，且在6月達(dá)到最高；降水與回補(bǔ)期(3—11月)基本重合，降水與回補(bǔ)在8月達(dá)到最高，淺井與深井地下水水位變化趨勢相似。上半年地下水水位呈現(xiàn)低位波動狀態(tài)，即在持續(xù)開采且?guī)缀鯚o補(bǔ)給的情況下，水位下降，隨著降水和回補(bǔ)水的到來，水位出現(xiàn)上升，5月、6月隨著開采量增多，水位又出現(xiàn)下降，之后汛期再加上開采量減少，水位出現(xiàn)大幅回升，之后則一直保持上升狀態(tài)。12月停止供水，地下水水位出現(xiàn)較大幅度的回升。地下水水位與降水量、回補(bǔ)量及開采量存在著明顯的相關(guān)關(guān)系。

區(qū)域內(nèi)歷年降水量、回補(bǔ)量數(shù)據(jù)見圖6、圖7，各月供水量與地下水水位埋深關(guān)系見圖8。

圖6 備用水源區(qū)域內(nèi)歷年降水量

圖7 備用水源區(qū)域內(nèi)歷年地下水回補(bǔ)量

地下水水位變化可分為3個(gè)階段：第一階段為2003年8月至2009年2月，開采量巨大，各年份降水偏少，地下水水位急劇降低；第二階段為2009年3月至2015年8月，開采量有所減少，2011年、2012年為相對豐水年，地下水水位繼續(xù)降低，但降幅較前一階段已明顯放緩，在豐水年的汛期，地下水水位會出現(xiàn)小幅的上升；第三階段為2015年9月至2019年12月，開采量進(jìn)一步減少，2015—2018年均為豐水年，并配合有回補(bǔ)水，此階段內(nèi)每年的補(bǔ)水期，地下水水位均會有一定程度的上升，尤其是2018年回補(bǔ)量最多，該年汛期地下水水位增幅達(dá)到最大，局部地下水水位上漲9m以上，2019年降水偏少，通過調(diào)蓄回補(bǔ)了一定的地下水，地下水水位在一定范圍內(nèi)波動，2019年12月開始，備用水源停止供水，地下水水位又出現(xiàn)了回升?？梢娫陂_采量減少的情況下，區(qū)域降水與回補(bǔ)對地下水回升共同起到了作用，尤其是在枯水年，回補(bǔ)水對地下水水位回升起到了重要作用。

圖8 備用水源各月供水量與地下水水位埋深關(guān)系

值得注意的是，自備用水源開始供水起，每次停采都會出現(xiàn)地下水水位在一定程度上升高，復(fù)采地下水水位又回落的現(xiàn)象，說明開采量是地下水水位變化的決定性因素。熱備涵養(yǎng)模式運(yùn)行通過控制開采量，增加回補(bǔ)量的方式，對地下水水位的回升起到了較為理想的效果。

自熱備涵養(yǎng)模式運(yùn)行以來，地下水水位雖有明顯回升，但與開采前年平均地下水水位仍有差距，若要使區(qū)域地下水水位恢復(fù)至備用水源開采運(yùn)行前的水平，熱備涵養(yǎng)模式仍需繼續(xù)保持運(yùn)行。

2.2 水源地地下水水質(zhì)分析

選取區(qū)域最北端南房村西的1號水源井和最南端趙各莊村東的8號水源井水質(zhì)情況進(jìn)行分析，其中淺井(1-1、8-1)取水層位為40～120m，深井(1-2、8-2)取水層為120～250m。熱備涵養(yǎng)模式運(yùn)行以來地下水水質(zhì)硬度、礦化度、硝酸鹽含量的變化特征見圖9、圖10、圖11。

圖9 備用水源熱備涵養(yǎng)以來地下水質(zhì)硬度變化

圖10 備用水源熱備涵養(yǎng)以來地下水礦化度變化

圖11 備用水源熱備涵養(yǎng)以來地下水硝酸鹽含量變化

2015年8月深井水質(zhì)指標(biāo)均有突然性的上升，這是由于進(jìn)入熱備涵養(yǎng)初期，地下水水位快速恢復(fù)上升，淺層水向深層水的越流量增加造成的，隨著熱備涵養(yǎng)的持續(xù)，各指標(biāo)趨于穩(wěn)定且有下降趨勢。每年回補(bǔ)期與豐水期基本重合，補(bǔ)給期間淺井水質(zhì)指標(biāo)會出現(xiàn)較大波動，補(bǔ)給期以后水質(zhì)指標(biāo)會出現(xiàn)回落(或返升)，說明補(bǔ)給水對地下水水質(zhì)影響很大。

備用水源供水以來地下水水質(zhì)硬度、礦化度、硝酸鹽含量的變化特征見圖12、圖13、圖14。

圖12 備用水源供水以來地下水質(zhì)硬度變化

圖13 備用水源供水以來地下水礦化度變化

圖14 備用水源供水以來地下水硝酸鹽含量變化

地下水水質(zhì)變化也可分為3個(gè)階段：第一階段為2003年8月至2009年2月，淺井硬度、礦化度、硝酸鹽含量均出現(xiàn)快速升高，深井水質(zhì)指標(biāo)也出現(xiàn)小幅升高，但大體能夠保持穩(wěn)定；第二階段為2009年3月至2015年8月，淺井水質(zhì)指標(biāo)繼續(xù)升高，但升高幅度較前一階段變小，且會出現(xiàn)小幅度波動的現(xiàn)象，深井水質(zhì)指標(biāo)基本保持穩(wěn)定；第三階段為2015年9月至2019年12月，淺井水質(zhì)指標(biāo)在一定范圍內(nèi)出現(xiàn)波動，整體呈現(xiàn)下降的趨勢，深井水質(zhì)指標(biāo)也出現(xiàn)小范圍的波動，且整體呈現(xiàn)向好的趨勢?？梢婇_采量大小直接決定了地下水水質(zhì)。

2015年9月至2019年12月階段補(bǔ)給(降水和回補(bǔ))期間淺井水質(zhì)指標(biāo)會出現(xiàn)較大波動，補(bǔ)給期以后水質(zhì)指標(biāo)會出現(xiàn)回落(或返升)的現(xiàn)象，這在前兩個(gè)階段(只有降水補(bǔ)給)是未出現(xiàn)的，說明在保持低開采量的條件下，回補(bǔ)水對地下水水質(zhì)起到重要作用。因此，在熱備涵養(yǎng)模式運(yùn)行中，利用較好水質(zhì)的回補(bǔ)水，對地下水水質(zhì)的改善能起到重要作用。

3 熱備涵養(yǎng)運(yùn)行模式合理性分析及建議

3.1 熱備開采規(guī)模

不考慮地表水補(bǔ)水條件下，現(xiàn)狀10.00萬m3/d的熱備開采規(guī)模，區(qū)域淺水地下水水位年變幅在-0.2～2.8m之間，平均預(yù)計(jì)回升1.3m。即使是極枯水年，地下水水位也不至于大幅下降，另外從2017年5月、8—9月兩次短期增加至20.00萬m3/d的規(guī)模應(yīng)急供水情況來看，地下水水位未出現(xiàn)明顯下降(見圖8)，現(xiàn)熱備開采規(guī)模較為合理。

3.2 涵養(yǎng)調(diào)蓄方案

根據(jù)南水北調(diào)水資源配置情況，南水有3種回補(bǔ)途徑(見圖2)。

路徑一: 在順義區(qū)內(nèi)，京密引水渠從小中河分水閘放水，經(jīng)小中河、牤牛河，自流至懷河、潮白河，進(jìn)入牛欄山橡膠壩以上的潮白河河道，自然入滲補(bǔ)給地下水。

路徑二：在密云區(qū)內(nèi)，密云水庫在汛期通過潮白河向下游補(bǔ)水，在恢復(fù)河道生態(tài)環(huán)境的同時(shí)，自然入滲補(bǔ)給地下水。

路徑三：在懷柔區(qū)內(nèi)，京密引水渠從雁棲泄洪閘向雁棲河補(bǔ)水，補(bǔ)水時(shí)間與路徑一相同，在恢復(fù)下游河道生態(tài)環(huán)境的同時(shí)，自然入滲補(bǔ)給地下水。

選取雁棲河附近2眼水質(zhì)監(jiān)測井WR-76、WR-78和潮白河附近2眼水質(zhì)監(jiān)測井HJ-492、HJ-493的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，2019年不同月份的水質(zhì)監(jiān)測情況見圖15、圖16、圖17。

圖15 雁棲河與潮白河地下水質(zhì)硬度對比

圖16 雁棲河與潮白河地下水溶解性總固體含量對比

圖17 雁棲河與潮白河地下水硝酸鹽含量對比

潮白河回補(bǔ)區(qū)(HJ)地下水水質(zhì)指標(biāo)普遍高于雁棲河回補(bǔ)區(qū)(WR)，且水質(zhì)波動較大，由此區(qū)域回補(bǔ)地下水，水質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)較高，不建議采用路徑二進(jìn)行補(bǔ)水。

結(jié)合不同水文年，根據(jù)南水補(bǔ)水路徑和水源地壓采情況，以區(qū)域環(huán)境工程限高水位為限制條件，建立回歸模型進(jìn)行預(yù)測，在現(xiàn)狀開采條件下共設(shè)計(jì)3種不同的調(diào)蓄方案。

方案一：平水年，將0.5億m3/a的南水沿路徑一引至牛欄山橡膠壩以上潮白河河道，主要恢復(fù)漏斗中心的地下水水位。預(yù)計(jì)補(bǔ)水到2028年底，漏斗中心水位可達(dá)-1.6m，水位上升4.0～7.0m。

方案二：豐水年，將1.0億m3/a的南水沿路徑一引至牛欄山橡膠壩以上潮白河河道，將0.5億m3/a的南水利用路徑三引入雁棲河。預(yù)計(jì)補(bǔ)水到2028年底，回補(bǔ)區(qū)周圍最大升幅達(dá)20.9m。

方案三：枯水年，無補(bǔ)給水源，保持現(xiàn)狀。到2028年底，區(qū)域最低水位-9.3m，相比初始時(shí)刻，水位下降10.3m。

4 結(jié) 論

a.開采量大小是備用水源地下水水位和水質(zhì)變化的最主要因素；在保持低開采量的條件下，回補(bǔ)水對地下水水位回升和水質(zhì)改善起到了重要的作用，利用較好水質(zhì)的回補(bǔ)水是很有必要的。

b.建議保持10.00萬m3/d的開采量熱備運(yùn)行，平水年將0.5億m3/a的南水沿路徑一(京密引水渠小中河分水閘—小中河—牤牛河—懷河、潮白河—牛欄山橡膠壩以上潮白河河道)補(bǔ)給地下水；豐水年將1.0億m3/a的南水沿路徑一、0.5億m3/a的南水沿路徑三(京密引水渠雁棲泄洪閘—雁棲河)補(bǔ)給地下水；枯水年無補(bǔ)給水源，保持現(xiàn)狀。預(yù)計(jì)至2028年底，可取得較好的地下水涵養(yǎng)效果。

c.備用水源自實(shí)施熱備涵養(yǎng)運(yùn)行 模式以來，地下水水位有明顯升高，地下水質(zhì)趨勢向好，熱備涵養(yǎng)取得了較好的效果。但必須注意的是，地下水水位、水質(zhì)與備用水源開采前仍有著不小的差距，此模式需繼續(xù)保持運(yùn)行。懷柔應(yīng)急備用水源地工程熱備涵養(yǎng)運(yùn)行模式可對其他相似地區(qū)的地下水開采和回補(bǔ)起到一定的借鑒作用。