生態(tài)補水對潮白河沖洪積扇中上部地下水涵養(yǎng)效果分析

摘 要：利用潮白河生態(tài)補水數據和沖洪積扇中上部150眼監(jiān)測井數據，圈定補水期間地下水位上升區(qū)范圍，計算補水期間河道入滲量和含水層儲量變化。2021年春季潮白河累計補水量2.2億m3，向陽閘以上各條河道累計入滲量為1.21億m3。采用動態(tài)法計算，潮白河地下水庫范圍內地下水儲量增加了5353.17萬m3。截至補水結束，地下水位上升區(qū)面積為606 km2，最大上升幅度達14.38 m;距河道近的觀測井，其地下水位上升對補水的響應時間更短;地下水庫庫區(qū)內上下游地區(qū)滲透性差異性非常小，監(jiān)測井對補水的響應時間比較接近。2021年地下水位動態(tài)變化特征顯示，在枯水期利用地表水對地下水進行連續(xù)性補給可以達到比較好的涵養(yǎng)效果。

關鍵詞：潮白河;生態(tài)補水;儲變量;地下水涵養(yǎng)

Analysis of effect on groundwater reservation of ecological water replenishment in middle and upper parts of alluvial-proluvial fan of Chaobai River

LI Haijun

（Beijing Institute of Geology， Beijing 100195， China）

Abstract： Groundwater level data of 150 monitoring wells and ecological replenishment data in the middle and upper parts of the alluvial-proluvial fan of Chaobai River are used to delineate the area of groundwater level rise， and calculate infiltration and aquifer reserve changes of the river channel during replenishment period. The results show that the cumulative amount of fresh water replenishment in spring 2021 was 220 million m3， and a total of 121 millions m3 surface water in all the rivers above Xiangyang flood gate infiltrated into the groundwater. The groundwater storage within Chaobai River Groundwater Reservoir increased by 53.5317 millions m3 calculated by groundwater dynamic method. At the end of the water replenishment， the rising area was up to 606 km2， with a maximum rise level of 14.38 m. It is found that the closer the distance between the monitoring well and the river， the shorter the response time of groundwater level rise to water replenishment. The permeability difference between upstream and downstream areas of the groundwater reservoir is very small， and the response time to water replenishment between monitoring wells is similar. The dynamic groundwater level change characteristics in 2021 indicates that continuous recharge of groundwater by surface water during dry season can achieve fairly good reservation effect.

Keywords： Chaobai River; ecological water replenishment; reserve change; groundwater reservation

2021年北京市累計降水量為924 mm，是近20年來降水最多的一年;2021年全年南水北調進京水量12.5億m3，是南水北調通水以來入京水量最多的一年。在本地水和外調水水源充足的條件下，本市加大了地下水調蓄減采和回補涵養(yǎng)力度，分別實施了潮白河、永定河生態(tài)補水，2021年12月與年初相比，全市地下水平均水位上升了5.64 m。

潮白河沖洪積扇中上部分布多個大中型地下水水源地，該區(qū)域地下水超采引起的水位持續(xù)下降以及減采和生態(tài)補水的涵養(yǎng)成效，受到學者們的持續(xù)關注。由于多年連續(xù)超采，潮白河地區(qū)地下水位持續(xù)下降，1999—2013年地下水位下降最大達45 m，而且個別區(qū)域地下水硬度和硝酸鹽氮超標（王新娟等，2016;何理等，2020）;2014 年南水北調中線一期工程通水后，北京利用南水替代部分地下水進行供水，多個大型水源地減采地下水，通過潮白河道對懷柔應急水源地、水源八廠、懷柔水源地等多個大型水源地進行人工補給，置換大量的自備井等綜合措施，使北京地區(qū)地下水水位由整體下降轉變?yōu)椴糠值貐^(qū)上升，2015—2017年懷柔應急水源地深層地下水最大上升幅度達到了11m（王樹芳等，2019;楊會峰等，2021）。針對2021年春季永定河生態(tài)補水的地下水位動態(tài)響應研究發(fā)現，大流量補水條件下滲漏量要低于小流量補水情況（胡立堂等，2020），永定河大興段第四系細顆粒分布區(qū)，含水層滲透性差，地下水水位對水頭到達的響應時間明顯變長（李海軍等，2021）。2021年春季潮白河生態(tài)補水，已有學者利用GMS-UGrid模塊構建非結構地下水流模型，評價生態(tài)補水效果和地下水響應，計算補水入滲量為1.57億m3（李志強等，2022）;通過構建地下水數值模型，模擬2021年潮白河的生態(tài)補水過程，分析潮白河生態(tài)補水過程中的水量損耗，確定河道砂石坑的蓄水量和水頭演進過程的影響，模擬預測對地下水的影響（劉文路等，2022;陳鵬等，2021）。目前沒有學者對補水期間含水層儲量進行計算分析，本文以潮白河生態(tài)補水專項監(jiān)測工作部署的150眼地下水監(jiān)測井監(jiān)測數據為基礎，分析研究2021春季生態(tài)補水始末潮白河地下水庫范圍內地下水儲量變化及地下水響應規(guī)律。

1? 材料與方法

1.1? 研究區(qū)概況

潮白河發(fā)源于燕山北部山區(qū)，流經河北、北京、天津三省市，干流全長182 km，流域面積1.96萬km2。潮白河北京境內流域面積0.55萬km2，市內干流總長83.5 km，流經我市密云、懷柔、順義、通州4區(qū)，箭桿河口以下有38.3 km河段為界河，至通州區(qū)西集鎮(zhèn)牛牧屯村出市界入潮白新河。

潮白河地下水庫位于潮白河沖洪積扇中上部，北部以密云水庫白河主壩為邊界，向南呈扇形展開，東西均以潮白河二級階地前緣為邊界，南至向陽閘，底界為基巖或厚度均一的砂土、黏土層，為相對隔水邊界，庫區(qū)面積397 km2（圖1）（北京市地質礦產勘查開發(fā)局等，2008）。庫區(qū)主要分布有河流沖洪積作用形成的砂及砂卵礫石含水層，由北往南含水層介質顆粒由粗到細，含水層由薄到厚，含水層由單一砂卵礫石層過渡到2～3層。該地區(qū)除了建有密云水庫、懷柔水庫、北臺上水庫等地表水庫之外，自20世紀70-80年代開始陸續(xù)建立了水源八廠、懷柔應急水源地、引潮入城等地下水水源地（鄭躍軍，2012）。南水進京前，為保障城市供水，區(qū)域地下水連年超采，地下水位持續(xù)下降，形成大面積降落漏斗（北京市地質礦產勘查院，2021）。

1.2? 集中補水情況

2014年底南水北調中線水進京，全市水資源緊缺狀況有所改善，為推進落實華北地區(qū)地下水超采治理方案，開始對密懷順地下水水源地進行回補，2015年8月—2021年5月累計回補水量約8.7億m3（北京水務局，2021），大流量集中補水過程主要有2次。

第一次，2018年6月開始利用南水北調來水和汛期本地大中型水庫棄水回補涵養(yǎng)地下水資源，實施密懷順地區(qū)地下水生態(tài)回補工作，截至2018年12月1日，年度累計向以潮白河牛欄山橡膠壩以上河段為重點的密懷順水源地補水3.13億m3。

第二次，2021年春季潮白河生態(tài)補水過程。2021年3月，為進一步修復潮白河流域水生態(tài)環(huán)境，北京市水務局制定了《2021年春季潮白河生態(tài)補水調度方案》，該方案自2021年4月30日開始實施，至5月31日結束，歷時31 d，累計補水量2.2億m3。補水水頭于5月29日在白廟橡膠壩下游與現有水面匯合，潮白河干流自1999年以來首次實現京津冀全線水流貫通（劉翠珠等，2021;邵惠芬等，2021）。見表1。

1.3? 研究方法

1.3.1? 計算方法

利用ArcGIS的圖形疊加計算功能，計算補水期間地下水資源的儲存變化量?；诘叵滤畡討B(tài)法計算公式，將計算期間地下水位變幅和地下水含水層給水度分區(qū)圖疊加，計算地下水資源儲存變化量（李鵬等，2017;劉予偉等，2004）。

地下水位的變化直接反映地下水資源量的變化，通過補水期間地下水位對比，計算潮白河地下水庫地區(qū)第一含水層地下水資源的儲存變化量。計算公式如下：

ΔQ=ΔH·μ·F

式中，ΔQ為地下水儲存變化量（m3），ΔH為計算期水位變幅（m），μ為含水層平均給水度，F為水位（水頭）上升區(qū)或下降區(qū)計算面積（m2）。

1.3.2? 給水度的確定

采用動態(tài)法的優(yōu)勢是地下水位的變化直接反映地下水資源量的變化，唯一難確定的因素就是給水度，給水度是指潛水含水層水位變幅帶內單位水位下降的出水量。整理潮白河沖洪積扇歷年鉆孔資料，選用352個鉆孔，將其地層巖性信息概化為10類，并確定每種巖性的給水度經驗值（表2）。

收集工作區(qū)內2009—2018年的地下水水位變幅圖，提取10年間每個鉆孔對應的水位最大變幅值和地層巖性，采用表2中的給水度經驗值，將不同巖性的地層厚度作為各巖層的權重，加權計算出每個鉆孔的給水度。將每個鉆孔的給水度通過距離反比加權插值得到網格值，計算1 km網格內的平均值，根據每個網格的給水度值，對給水度進行分區(qū)，結果見圖2。

2? 結果與分析

選取工作區(qū)內2眼監(jiān)測井26年長系列水位資料，150眼地下水監(jiān)測井補水期間日監(jiān)測數據資料以及水源地部分監(jiān)測井的監(jiān)測資料，共取得水位數據5000余個，計算了補水期間含水層儲量變化量并與河道入滲量進行對比，針對不同位置、不同層位的監(jiān)測井水位對地表水補給的響應時間做出分析，提出優(yōu)化補水方案建議。

2.1? 地下水位多年動態(tài)變化特征

1999年以后，受連續(xù)干旱和超采情況持續(xù)加重影響，區(qū)域地下水位持續(xù)下降。2011年懷柔楊宋—順義北小營降落漏斗中心地下水埋深達44 m（王樹芳等，2019），特別是2003年懷柔應急水源地投入運行，以日供水量20～33萬m3的規(guī)模持續(xù)供水到2015年8月，伴隨著區(qū)內地下水水源地持續(xù)供水，水源地中心區(qū)水位累計下降31.34 m（李陽等，2016）。在水源地周邊選取2眼監(jiān)測井，分別是距離水源地較近的1號監(jiān)測井（井深30 m）和距離水源地相對較遠的5號監(jiān)測井（井深38 m）。從長系列資料分析可知，1號監(jiān)測井1999—2015年地下水位累計降幅超過35 m，5號監(jiān)測井由于距離水源地相對較遠，水位持續(xù)下降16.6 m，下降幅度要遠小于水源地附近的監(jiān)測井（圖3）。

2014年南水北調水進京，2015年首次利用南水回補潮白河區(qū)域內地下水，在減采和回補的雙重作用下，區(qū)內深層地下水得到了明顯的涵養(yǎng)，地下水位快速大幅回升，2015—2021年深層地下水位回升了近40 m（圖3）。

潮白河2021年春季生態(tài)補水期間，利用150眼地下水位數據繪制了2021年5月31日與2021年4月30日地下水水位變幅圖（圖4）。潮白河沖洪積扇中上部地下水位上升幅度最高、范圍最大，潮白河地下水庫絕大部分范圍內地下水位出現了明顯的上升區(qū)，除西北部西田各莊到溪翁莊一帶地下水位仍在下降外，上升區(qū)總面積為606 km2，地下水位上升最大值出現在密云區(qū)河南寨鎮(zhèn)新興村臨近河道的監(jiān)測井，升幅達14.38 m（北京市水文地質工程地質大隊，2021）。

2.2? 補水期間地下水儲存變化量計算

補水期間地下水位變幅和給水度分布參數見圖5，采用動態(tài)法，借助ArcGIS工具，計算潮白河地下水庫范圍地下水儲存變化量。

春季補水期間潮白河地下水庫范圍地下水位上升區(qū)為241.22 km2。其中，地下水位上升大于3 m的范圍為82.76 km2，地下水位上升2～3 m的范圍為48.68 km2，地下水位上升1～2 m的范圍109.78 km2。以4月30日—5月31日為均衡期，補水期間降水量很小，降水對地下水的補給可以忽略不計。經計算，春季補水期間潮白河沖洪積扇地下水儲量增加了5353.17×104 m3。

補水結束時，向陽閘以上河道總補水量為2.2億m3，向陽閘累計過水0.12億m3（李述等，2021;張懷斌等，2021），向陽閘之上分布的各個砂石坑以及向陽閘區(qū)域庫容量共計0.87億m3（陳鵬等，2021），補水結束時各砂石坑為蓄滿水狀態(tài)。根據水量平衡原則，總補水量扣除過水量和砂石坑蓄水即為入滲量，計算結果入滲量為1.21億m3。

根據水均衡原理，庫區(qū)內入滲量為總補給量，其間各水源地開采、浸潤帶蓄水和河渠蒸發(fā)以及越流和側向流出等為消耗量。為期1個月的潮白河春季生態(tài)補水，使潮白河地下水庫庫區(qū)儲變量增加5353.17×104 m3，較好地實現了“蓄水于地”的目的。其余入滲量以開采、側向徑流、蒸發(fā)和包氣帶滯留等途徑排泄出地下水庫范圍或者滯留在上部包氣帶中，隨著時間的推移，還將有一部分水量進入到含水層當中。

2.3? 地下水水位對地表水補給的響應時間分析

為研究地下水水位對補水的響應，分別選擇垂直于潮白河河道2眼監(jiān)測井和平行于潮白河河道的2眼監(jiān)測井，從垂向、縱向兩方面進行分析。

2.3.1? 垂直于河道監(jiān)測井響應情況

懷柔太平莊監(jiān)測井（1號井）距離河道垂直距離為1.38 km，井深30 m;鳳翔開發(fā)區(qū)監(jiān)測井（2號井）距離河道垂直距離為6 km，井深60 m，兩井都位于河道右岸垂直于河道方向，相距4.62 km（圖1）。2021年5月3日水頭到達小羅山村附近，1號井水位于5月11日開始上升，地下水位響應時間為8 d;2號井水位于5月12日開始上升，響應時間為9 d，二者相差1 d。由此可知，距河道近，水位響應時間早（圖6）。

地表水頭在小羅山村附近遲滯5 d時間，一直在大量補給地下水，地下水流向以河道為中心向兩側分流，1號井與2號井相距4.62 km，但響應時間僅相差1 d，根據當地的滲透系數與水力梯度估算，地下水的流速不能達到4.62 km·d-1，故推斷水位上升的直接原因是地下水壓力傳導過程。

2.3.2? 平行于河道監(jiān)測井響應情況

沿河道上下游方向分別選擇監(jiān)測井，密云云蒙橋監(jiān)測井（3號井，井深60 m），順義大胡營村監(jiān)測井（4號井，井深50 m），2眼井距河道垂直距離接近，縱向相距約10 km（圖1）。地表水頭5月1日到達3號井附近，3號井地下水位自5月2日即開始呈現出上升的趨勢;地表水頭5月18日到達4號井附近，4號井地下水位自5 月19日即開始呈現出上升的趨勢，2眼井響應時間均為1 d（圖7）。

3號井含水層以單一的砂礫石層為主，4號井含水層以砂礫石為主，中間夾薄層黏土，2眼井均處于潮白河地下水庫范圍內，對補水的響應時間接近，說明2個地區(qū)含水層在滲透性上沒有太大的差異。

2.3.3? 關于補水時間選擇問題

為了分析全年度地下水位對補水的響應，選擇4號井2021年度監(jiān)測數據。分析可見：3月24日—5月5日，該井水位持續(xù)上漲，主要是受3月份以來的前期補水影響;5月5日—5月18日，水位達到穩(wěn)定狀態(tài);5月19日該井水位開始明顯上升，主要受潮白河春季補水的影響;到5月30日補水結束，水位開始回落;至7月10日左右，隨著雨季的到來，降雨對地下水形成有效補給，地下水位繼續(xù)上升達到穩(wěn)定;由于防汛需要，潮白河仍然向下游泄水，使地下水始終處于接受補給的狀態(tài)，而且補給量比較大，所以水位一直處于平穩(wěn)狀態(tài)（圖8）。

根據補水、降雨與地下水位關系可知，如在枯水期通過河道對含水層進行補給會遏制地下水位下降的趨勢。為了最大程度發(fā)揮生態(tài)補水效益，達到最佳涵養(yǎng)效果，宜在枯水期的春季、秋季和冬季利用河道對含水層進行補水，夏季通過降雨對含水層進行補給，可以使含水層全年都得到補給。如果利用水庫放水對河道進行補水，則需要估算來年的降水量與庫容情況，預估汛前放水量，合理安排放水時間，使含水層持續(xù)得到補給。

3? 結論

1）2021年4月30日—5月31日實施的潮白河春季生態(tài)補水對該區(qū)地下水涵養(yǎng)修復起到了積極作用，補水期間地下水位上升區(qū)總面積為606 km2，地下水庫范圍內大部分區(qū)域地下水位出現了明顯的上升，密云區(qū)河南寨鎮(zhèn)新興村一帶升幅最高達14.38 m。

2）向陽閘以上各條河道累計入滲量為1.21億m3，運用動態(tài)法計算潮白河地下水庫范圍內地下水儲變量增加5353.17萬m3，其余入滲量以開采、側向徑流、蒸發(fā)、包氣帶滯留等途徑排泄出地下水庫范圍或者滯留在上部包氣帶中。補水過程有效回補密懷順地下水源地，實現了藏水于地、修復地下水庫、提升改善河道水生態(tài)和水環(huán)境的協同生態(tài)修復目標。

3）距離河道1.38 km的1號井地下水位對補水的響應時間為8 d，距離河道6 km的2號井地下水位對補水的響應時間為9 d，二者響應時間差別非常小，推斷水位上升的直接原因是地下水壓力傳導作用的結果。與河道距離相近的上下游地區(qū)3號井與4號井的監(jiān)測數據顯示，2眼井地下水位對補水的響應時間均為1 d，反映出兩個地區(qū)含水層的滲透性非常接近。

4）建議在地表水源充足，保證防洪調蓄的條件下，在枯水期實施常態(tài)化補水措施，保護和修復水生態(tài)系統，恢復生態(tài)基流，盡快實施潮白河綜合治理與生態(tài)修復規(guī)劃。在不引發(fā)地質環(huán)境問題的前提下，綜合配置開采規(guī)模，維持地下水水源地相對穩(wěn)定的開采量，使在用水源地處于熱備狀態(tài)，建立地下水安全儲備，打造多水源供水格局，保障首都供水安全。

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