北京西郊玉泉山泉水復(fù)涌條件及方案預(yù)測(cè)分析

董殿偉　馬如林　李玉虎　林佳旭

摘 要：由于地下水的大量開(kāi)采及永定河補(bǔ)水的減少，玉泉山泉水自1975年斷流。隨著南水北調(diào)工程的實(shí)施，在西山地區(qū)進(jìn)行回灌和壓采區(qū)域地下水成為可能。利用GMS數(shù)值模型，以河道補(bǔ)給、人工回灌、關(guān)井壓采等手段設(shè)計(jì)4種調(diào)蓄方案，分析玉泉山泉復(fù)涌可行性及復(fù)涌后對(duì)地質(zhì)環(huán)境的影響。研究表明，方案四可優(yōu)先作為玉泉山泉復(fù)涌的調(diào)蓄方案，該方案主要利用在永定河引水渠和南旱河沿岸進(jìn)行大口井回灌，回灌量約為8000萬(wàn)m3·a-1，同時(shí)，巖溶水集中水廠停采，其余開(kāi)采量保持現(xiàn)狀不變。在此方案下，區(qū)域水位平均每年上升0.84 m，預(yù)計(jì)到2050年末，玉泉山泉水位51.9 m，達(dá)到出流水位。

關(guān)鍵詞：玉泉山泉;泉水恢復(fù);巖溶水;地下水調(diào)蓄方案;GMS;回灌;數(shù)值模擬

Predictive analysis of conditions and schemes for Yuquan Mountain spring water recovery in western suburbs of Beijing

DONG Dianwei1， MA Rulin2， LI? Yuhu1， LIN Jiaxu1

（1. Beijing Institute of Geological & Prospecting Engineering， Beijing 100048， China;

2. Beijing Chaobai River Management Office， Beijing 101300， China）

Abstract： Due to massive groundwater exploitation and reduction of? Yongding River water replenishment， Yuquan Mountain's spring water has been dry since 1975. With the implementation of the South-to-North Water Diversion Project， it is possible to recharge and press regional groundwater in the Xishan area. Using the GMS numerical model， four kinds of regulation and storage schemes are designed by means of river recharge， artificial recharge， shut-in and pressure production， to analyze the feasibility of? Yuquan Mountain spring recovery and its impact on the geological environment. Studies show that Option 4 can be prioritized as the regulation and storage plan for Yuquan Mountain spring recovery. The plan mainly recharges the large wells along the diversion canal of? Yongding River and Nanhan River， with a recharge volume of about 80 million m3.a-1. At the same time，? concentrated water plants stopped exploring karst water， and the rest of the water exploitation volume remained unchanged. Under this plan， the regional water level will rise by 0.84 m per year on average. It is estimated that by the end of 2050， the water level of the Yuquan Mountain spring will be 51.9 m， reaching the outflow level.

Keywords： Yuquan Mountain spring; recovery of the spring water; karst water; groundwater regulation and storage schemes; GMS; recharge; numerical simulation

玉泉山泉有“天下第一泉”之稱(chēng)，自元代便專(zhuān)供皇宮使用，并作為源頭，補(bǔ)給北長(zhǎng)河、昆明湖、高水湖及金河等河道，河道的生態(tài)環(huán)境優(yōu)美宜人，著名的“京西稻”就是由玉泉山泉水澆灌的。由于地下水的大量開(kāi)采，玉泉山泉自1975年斷流，不復(fù)當(dāng)年“水清而碧，澄潔似玉”之盛景。面對(duì)此種現(xiàn)象，2005年李裕宏提出“涵養(yǎng)京西水源，恢復(fù)玉泉山泉”的設(shè)想，但由于當(dāng)時(shí)北京西山地區(qū)為北京市重要的巖溶水開(kāi)采基地，肩負(fù)著北京城區(qū)的供水任務(wù)，恢復(fù)玉泉山泉難以實(shí)現(xiàn)。而隨著南水北調(diào)工程的實(shí)施，在西山地區(qū)進(jìn)行回灌和壓采區(qū)域地下水成為可能，玉泉山泉有望實(shí)現(xiàn)復(fù)涌（王莉蛟等，2016）。因此，本文根據(jù)玉泉山泉水的出流特征，分析泉水補(bǔ)給來(lái)源和徑流通道，利用地下水?dāng)?shù)值模擬模型，探討泉水復(fù)涌的途徑和方案。

1 泉水出流原因

斷裂構(gòu)造發(fā)育是玉泉山泉水的出露的重要條件。目前研究表明，玉泉山區(qū)域巖溶水主要有3個(gè)補(bǔ)給路徑，第一是軍莊—雁翅地區(qū)巖溶裂隙水接受大氣降水補(bǔ)給后，沿永定河張性斷裂，經(jīng)石景山區(qū)向北東轉(zhuǎn)折流向玉泉山，補(bǔ)給玉泉山泉水;第二是潭柘寺地區(qū)降水入滲補(bǔ)給巖溶裂隙水向南東方向匯流，沿八寶山斷裂及北側(cè)裂隙-巖溶發(fā)育帶流向四季青方向，補(bǔ)給玉泉山泉水;第三是永定河河水入滲補(bǔ)給地下水，滲流方向首先沿河床向南運(yùn)移，在古城一帶折向東北，朝向四季青方向運(yùn)移，補(bǔ)給玉泉山泉水（圖1）。玉泉山位于巖溶水系統(tǒng)的排泄區(qū)，又呈現(xiàn)“天窗”即奧陶系灰?guī)r裸露，具有西山奧陶系巖溶水進(jìn)入平原后獲得釋放的自然條件，出露成泉（北京市水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊(duì)，2017）（圖2），由于奧陶系直接出露地表，與第四系的砂卵石含水層呈不整合接觸，在玉泉山附近第四系地下水與奧陶系巖溶水水力聯(lián)系密切。

2 玉泉山泉水的歷史變化及斷流原因分析

2.1 玉泉山泉水的歷史變化

北京西郊的玉泉山位于海淀區(qū)昆明湖以西1.5 km，是古都北京近八百年來(lái)唯一持續(xù)供水的水源，對(duì)北京城的起源、發(fā)展和繁榮有重要意義。泉群主要出露于玉泉山東南山麓，由北向南依次有寶珠泉、五孔閘泉、試墨泉、裂帛泉、玉泉，西南山麓僅一迸珠泉，水由地下噴涌而出、淙淙有聲、水量極大，各泉涌出地表后形成泉湖并互相匯通。后經(jīng)乾隆驗(yàn)證：“凡出山下而有冽者，城不如京師之玉泉”，并欽定為“天下第一泉”和“玉泉趵突”，列為燕京八景之一。據(jù)1928年、1934年考察資料，泉水總流量達(dá)到2.01 m3·s-1，1949年減少為5處，總流量1.54 m3·s-1，1951年僅為1.0 m3·s-1，1975年5月斷流（表1）。

據(jù)泉志資料記載，玉泉山泉眼出露高程為50.0 m左右，1974年泉水?dāng)嗔髑案浇@孔地下水位為51.3 m，若泉水復(fù)涌，地下水位則需達(dá)到1974年的水平。

2.2 玉泉山泉水枯竭的原因分析

玉泉山泉水涌流了數(shù)百年，卻于20世紀(jì)70年代中期干涸了，其原因是多方面的：

（1）官?gòu)d水庫(kù)建成后，攔蓄了上游來(lái)水。官?gòu)d水庫(kù)自1954年5月完成竣工并調(diào)蓄運(yùn)用，由于水庫(kù)大壩截流，永定河原有基流沒(méi)有了，河道每年斷流時(shí)間很長(zhǎng)，河水滲漏量逐年減少，北京西郊地區(qū)的地下水補(bǔ)給量也隨著減少（秦大軍等，2019）。

（2）地下水開(kāi)采量逐年增加。新中國(guó)成立后，隨著城市規(guī)模擴(kuò)大，城市建設(shè)迅速發(fā)展，工農(nóng)業(yè)用水大量開(kāi)采地下水，導(dǎo)致市區(qū)地下水位大幅度持續(xù)下降。

此外，華北地區(qū)自60年代初開(kāi)始連年干旱少雨，多年沒(méi)有普降大雨也是原因之一。

3 泉水復(fù)涌途徑分析

由于玉泉山泉水處于北京西山奧陶系巖溶地下水系統(tǒng)，受特殊的地質(zhì)構(gòu)造影響，玉泉山泉水的復(fù)涌，需要由巖溶水的水位回升而實(shí)現(xiàn)。由于入滲條件和大氣降水量等客觀條件不易改變，但可借“南水北調(diào)”地表水源的到來(lái)，通過(guò)增加補(bǔ)給量、減少開(kāi)采量，實(shí)現(xiàn)水位回升。

（1）增加永定河道入滲補(bǔ)給

依據(jù)多年數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，永定河雁翅—三家店段的最大滲漏量約為18 500萬(wàn)m3·a-1，最小滲漏量約為3800萬(wàn)m3·a-1，1960—2013年多年平均滲漏量約為9500萬(wàn)m3。開(kāi)展河道入滲實(shí)驗(yàn)，利用水庫(kù)水源向永定河下葦?shù)殡娬鞠掠卧囼?yàn)回補(bǔ)，自2017年2月24日進(jìn)行連續(xù)補(bǔ)水，截至5月26日，補(bǔ)水93 d，累計(jì)補(bǔ)水6200萬(wàn)m3，有水河段長(zhǎng)度最長(zhǎng)達(dá)8.34 km，3次河道入滲試驗(yàn)得到河道入滲強(qiáng)度平均值為0.61 m·d-1。綜合多年統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和試驗(yàn)數(shù)據(jù)，并考慮到下游河道的人工防滲處理等因素，若將“南水北調(diào)”水源引至永定河山峽段自然入滲，永定河雁翅—三家店段可增加的入滲量為8000萬(wàn)m3·a-1。

（2）地下水禁采或壓采

北京西山地區(qū)地下水開(kāi)采量包括第四系地下水和基巖水。第四系模擬區(qū)包括房山區(qū)北部、門(mén)頭溝區(qū)東南部、石景山區(qū)、海淀區(qū)、豐臺(tái)區(qū)西北部分地區(qū)及昌平區(qū)西南部分地區(qū)，2017年第四系地下水年總開(kāi)采量為25 730萬(wàn)m3;奧陶系巖溶水模擬區(qū)包括海淀、石景山、門(mén)頭溝、豐臺(tái)西部、房山東北部以及昌平中南部。據(jù)統(tǒng)計(jì)，基巖裂隙類(lèi)地下水開(kāi)采總量為430萬(wàn)m3·a-1;巖溶水自備井開(kāi)采總量為6300萬(wàn)m3·a-1，集中水源地巖溶水開(kāi)采量為

5480萬(wàn)m3·a-1，則基巖水總的開(kāi)采量為12 220萬(wàn)m3·a-1。集中水源地中水源三廠和水源四廠位于城近郊區(qū)，水源三廠2017年總開(kāi)采量為6850萬(wàn)m3·a-1，其中第四系3500萬(wàn)m3·a-1，基巖水3350萬(wàn)m3·a-1;水源四廠2017年開(kāi)采量320萬(wàn)m3·a-1，全部為第四系地下水。

隨著“南水北調(diào)”進(jìn)京后，將逐步建設(shè)門(mén)城、石景山及溫泉等地表水廠，并由外調(diào)水源替代水源三廠等地下水源，因此可實(shí)現(xiàn)地下水大量減采以及管網(wǎng)覆蓋區(qū)禁采。

（3）地下水回灌

利用在西郊玉泉山地區(qū)新開(kāi)挖的2眼輻射大口井進(jìn)行入滲試驗(yàn)研究，輻射井井徑3 m、井深18 m，井管8 m以上為死管、8～20 m井壁有輻射孔及20根2 m長(zhǎng)的輻射管，進(jìn)行了多次回灌量為280～680 m3·h-1的試驗(yàn)，西郊玉泉山地區(qū)最終確定最優(yōu)的輻射井回灌能力為400 m3·h-1。1980年利用首鋼大口井開(kāi)展回灌試驗(yàn)，大口井深25 m，直徑8 m，試驗(yàn)初期最大回灌量可達(dá)0.5 m3·s-1，試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，大口井的單位面積入滲能力3.38～7.58 m·h-1。通過(guò)對(duì)西郊玉泉山巖溶水與第四系含水層直接接觸地區(qū)的調(diào)查，選定了大口井回灌適宜場(chǎng)地27處，通過(guò)永定河引水渠和南旱河，引“南水北調(diào)”水源進(jìn)行回灌，考慮逐年維護(hù)清洗等因素，年回灌量可達(dá)到8000萬(wàn)m3左右。

4 玉泉山泉水復(fù)涌方案預(yù)測(cè)研究

4.1 地下水?dāng)?shù)值模擬模型構(gòu)建

利用《北京巖溶水資源勘查評(píng)價(jià)工程成果報(bào)告》建立的地下水?dāng)?shù)值模擬模型，巖溶水?dāng)?shù)值模型范圍1226 km2，第四系含水層模擬面積1642 km2，模擬層為第四系含水層和奧陶系含水巖組，整個(gè)區(qū)域概化為5層：第四系潛水含水層、第四系弱透水層、第四系承壓水含水層、基巖隔水層和奧陶系含水巖組。奧陶系含水巖組東北邊界為南口-孫河斷裂，東南邊界為黃莊-高麗營(yíng)斷裂，南部邊界在三福村—東莊子一線，西部邊界為大安山-紅煤廠斷裂，北界以百花山—髫髻山—妙峰山一線為界。第四系含水層模擬范圍以山前平原分界線為界，東部、東南和西南以第四系單一卵礫石層與多層砂卵礫石層過(guò)渡邊界為界。第四系含水層西部邊界為平原山區(qū)分界線，第四系含水層一般為單一潛水含水層，主要巖性為砂卵礫石，富水性好，易于接受山區(qū)降水的側(cè)向補(bǔ)給，其補(bǔ)給量與降水密切相關(guān)（楊平，1984），為流量邊界;東北部及東南部邊界在模型中被設(shè)定為流量邊界（圖3），其流量根據(jù)每年的地下水流場(chǎng)圖進(jìn)行計(jì)算。依據(jù)本次研究成果重新率定了水文地質(zhì)參數(shù)、地下水源匯項(xiàng)，選用地下水模擬軟件GMS，建立了非均質(zhì)、各向異性的非穩(wěn)定三維地下水流模型，利用2017年數(shù)據(jù)對(duì)數(shù)值模型進(jìn)行識(shí)別、驗(yàn)證，并以2019年數(shù)據(jù)為初始流場(chǎng)，用于北京西郊地區(qū)地下水調(diào)蓄和玉泉山泉水復(fù)涌預(yù)測(cè)研究。

4.2 調(diào)蓄預(yù)測(cè)方案

以2017年6月實(shí)測(cè)地下水流場(chǎng)作為預(yù)測(cè)期的初始流場(chǎng)。預(yù)測(cè)期降水條件為平水年，年降水量510 mm。邊界流入量根據(jù)平水年條件計(jì)算相應(yīng)流入量。邊界流出量根據(jù)達(dá)西定律計(jì)算給定，在預(yù)測(cè)期內(nèi)認(rèn)為邊界處水力梯度保持不變。第四系地下水與巖溶水之間的交換量由模型自動(dòng)計(jì)算。方案預(yù)測(cè)期根據(jù)開(kāi)采方案分為2019年6月—2030年末和2019年6月—2050年末。

目前，在平水年條件下，研究區(qū)通過(guò)永定河補(bǔ)水量為6276萬(wàn)m3·a-1，第四系地下水開(kāi)采量為34 514萬(wàn)m3·a-1，巖溶水開(kāi)采量11 785m3·a-1。隨著南水北調(diào)持續(xù)供水和規(guī)劃永定河陳家莊地表水水庫(kù)的修建，北京將在西山地區(qū)開(kāi)展永定河滲漏補(bǔ)水和大口井回灌的地下水回補(bǔ)措施，并逐步壓采地下水。因此，模擬調(diào)蓄方案將以現(xiàn)狀開(kāi)采方案為基礎(chǔ)，調(diào)整河道滲漏、大口井回灌補(bǔ)水量及水廠開(kāi)采量。方案一為現(xiàn)狀開(kāi)采方案，即在現(xiàn)狀補(bǔ)給和排泄條件下進(jìn)行的方案預(yù)測(cè)。方案二為增滲+極限限采方案，補(bǔ)給條件為增加永定河山峽段滲漏量8000萬(wàn)m3·a-1;巖溶水全部停采，海淀區(qū)區(qū)域第四系地下水全部停采。方案三為增滲+減采方案，永定河山峽段滲漏量在現(xiàn)狀基礎(chǔ)上增加8000萬(wàn)m3·a-1;巖溶水集中水廠停采，四季青鎮(zhèn)區(qū)域巖溶水開(kāi)采量停采，楊莊水廠和第三水廠第四系地下水全部停采。方案四為回灌+減采方案，在永定河引水渠和南旱河沿岸進(jìn)行大口井回灌，回灌量為8000萬(wàn)m3·a-1;僅巖溶水集中水廠停采，其余開(kāi)采量保持現(xiàn)狀不變，即巖溶水開(kāi)采量為6305萬(wàn)m3·a-1，楊莊水廠和第三水廠第四系地下水停采，海淀區(qū)第四系地下水減采551萬(wàn)m3·a-1。具體調(diào)蓄預(yù)測(cè)方案見(jiàn)表2。

4.3 預(yù)測(cè)及分析

根據(jù)各調(diào)蓄方案預(yù)測(cè)期滿后巖溶水流場(chǎng)圖顯示（圖4）：方案一條件下，巖溶水地下水位呈逐年下降趨勢(shì)，巖溶水地下水位不斷下降，到2030年玉泉山處水位約為8.3 m，每年下降約1.2 m;方案二條件下，巖溶水系統(tǒng)地下水位整體呈上升趨勢(shì)，平均水頭升幅為2.72 m·a-1，玉泉山泉水位到2030年末為52.1 m，每年水頭上升2.38 m。高于泉水最低出流水位51.6 m，到2030年末玉泉山泉水恢復(fù)出流;方案三條件下，巖溶水水頭上升約1.22 m·a-1，玉泉山泉水位到2050年末為52.0 m，每年水頭上升1.0 m，高于泉水最低出流水位51.6 m，到2050年末玉泉山泉水恢復(fù)出流;方案四條件下，巖溶水系統(tǒng)從補(bǔ)給區(qū)到排泄區(qū)，水頭均呈逐年上升趨勢(shì)，區(qū)域平均上升0.84 m·a-1，到2050年末，玉泉山泉水位51.9 m，達(dá)到出流水位（圖5）。

從以上4種方案預(yù)測(cè)的水位變化趨勢(shì)知，方案二、方案三、方案四均可以在不同階段實(shí)現(xiàn)玉泉山泉復(fù)涌。方案二是在永定河山峽段河道自然入滲，總需水量50.01億m3，同時(shí)需要全面限采地下水，但從實(shí)際情況出發(fā)，巖溶水地區(qū)地下水全部壓采比較難實(shí)現(xiàn)，因此，方案二僅在南水北調(diào)水源有充分保證率的條件下采用。方案三和方案四可在2050年實(shí)現(xiàn)玉泉山泉復(fù)涌，雖然時(shí)間上比方案二晚20年，但對(duì)水廠限采的要求不如方案二那么嚴(yán)格，易于執(zhí)行。在同樣的回灌量情況下，大口井回灌工程比較大，規(guī)劃陳家莊水庫(kù)的建設(shè)后在永定河山峽段增加河道滲漏補(bǔ)給，相對(duì)大口井回灌，工程量較小，從經(jīng)濟(jì)上來(lái)看，方案四要占優(yōu)。因此，綜合考慮，方案四可作為玉泉山泉復(fù)涌的調(diào)蓄方案。

5 玉泉山復(fù)涌后地質(zhì)環(huán)境影響

雖然可以通過(guò)回灌和減采地下水實(shí)現(xiàn)玉泉山泉水復(fù)涌，但會(huì)引起第四系地下水位的抬升（圖6），方案四永定河大寧水庫(kù)至蘆村一帶預(yù)測(cè)水位標(biāo)高沒(méi)有超出1983年的限高水位，其他地區(qū)均超出了1983年水位，且超出的水位基本在5～10 m。這將引發(fā)如下的地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題：1）造成非正規(guī)的垃圾場(chǎng)被浸泡，使得地表污染物向含水層入滲的途徑變短，加劇對(duì)地下水產(chǎn)生污染（高詠等，2002）;2）重大建筑物的抗浮及地下水滲漏問(wèn)題將凸顯出來(lái)（北京市水科學(xué)技術(shù)研究院等，2017）;3）砂土液化的可能性增大。

6 結(jié)論與建議

（1）玉泉山區(qū)域巖溶水主要補(bǔ)給來(lái)源為軍莊—雁翅地區(qū)巖溶裂隙水接受大氣降水補(bǔ)給、潭柘寺地區(qū)降水入滲補(bǔ)給以及永定河河水入滲補(bǔ)給。

（2）從調(diào)蓄預(yù)測(cè)方案的模擬結(jié)果知，要實(shí)現(xiàn)玉泉山的恢復(fù)，需要回灌和限采同時(shí)進(jìn)行，在集中水廠巖溶水全部停采的條件下，大口井和河道回灌8000萬(wàn)m3·a-1均可實(shí)現(xiàn)玉泉山泉的復(fù)涌，而規(guī)劃陳家莊水庫(kù)的建設(shè)使得永定河回灌的成本較低，可作為玉泉山復(fù)涌的主要方案。

（3）在實(shí)現(xiàn)泉水復(fù)涌的同時(shí)，也會(huì)帶來(lái)一定的地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題，例如引起地基不穩(wěn)，抗浮設(shè)防水位提高，地下水污染等問(wèn)題。因此，在調(diào)蓄方案實(shí)施前，應(yīng)對(duì)以上問(wèn)題開(kāi)展專(zhuān)項(xiàng)研究工作。

（4）在玉泉山補(bǔ)給區(qū)域及周邊應(yīng)加強(qiáng)對(duì)地下水資源開(kāi)采的限制，嚴(yán)禁超采、偷采等個(gè)、企行為，合理優(yōu)化水資源分配，涵養(yǎng)區(qū)域地下水源。

參考文獻(xiàn)：

北京市水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊(duì)，2017. 北京巖溶水資源勘查評(píng)價(jià)工程成果報(bào)告[R].

北京市水科學(xué)技術(shù)研究院，北京市地質(zhì)工程勘察院，2017.北京市西郊地區(qū)地下水戰(zhàn)略儲(chǔ)備關(guān)鍵技術(shù)研究與示范成果報(bào)告[R].

高詠，梁聰，車(chē)增光，2002. 南京典型段地鐵工程對(duì)地下水流動(dòng)態(tài)的影響[J].科學(xué)技術(shù)與工程，20（28）：11711 -11717.

李裕宏，2005. 涵養(yǎng)京西地下水源恢復(fù)玉泉山泉流[J].北京規(guī)劃建設(shè)（6）：162-165.

秦大軍，孫杰，郭藝，等，2019. 永定河對(duì)北京西山巖溶水和玉泉山泉的影響[J].工程地質(zhì)學(xué)報(bào)，27（1）：162-169.

王莉蛟，張有全，宮輝力，等，2016. 北京市玉泉山泉恢復(fù)條件研究[J]. 水文地質(zhì)工程地質(zhì)，43（3）：22-28.

楊平， 1984.論北京玉泉山泉補(bǔ)給源：北京西山山前奧陶系巖溶水徑流特征[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì)（2）：15-19.