南水北調(diào)進(jìn)京后懷柔應(yīng)急水源地地下水資源涵養(yǎng)研究

張景華，范久達(dá)，李世君

（1.北京市地質(zhì)工程勘察院，北京 100048；2.北京市地質(zhì)工程設(shè)計研究院，北京 101500）

0 前言

北京市懷柔應(yīng)急備用地下水源地，位于北京市東北部潮白河沖洪積扇的中上部，懷柔區(qū)廟城－高兩河、北房－高兩河－南年豐一帶，作為北京最大的應(yīng)急備用地下水源地，肩負(fù)著在連續(xù)干旱年和突發(fā)事件下城市供水不足時，通過應(yīng)急供水以緩解城區(qū)供水緊張局勢的重任。該水源地設(shè)計年供水能力1.2億m3，共包括21對42眼深淺結(jié)合水源井，其中淺井深度為120m，單井設(shè)計出水量1.1萬m3/d；深井深度為250m，單井設(shè)計出水量0.5萬m3/d。設(shè)計開采方案為“開2養(yǎng)3”[1]。該水源地在2003年8月30日至2005年8月底完成了2年的設(shè)計供水任務(wù)后，鑒于連續(xù)干旱，為保障城區(qū)供水一直續(xù)采至今。至2013年底累計供水9.87億m3，為緩解北京地區(qū)的水資源緊張局勢作出了巨大貢獻(xiàn)。同時，由于連年干旱和應(yīng)急開采，水源地地區(qū)地下水位出現(xiàn)大幅下降，水資源虧損嚴(yán)重，水井出水量也出現(xiàn)衰減[2～4]，給水源地的可持續(xù)開采、運行管理等帶來了諸多難題與挑戰(zhàn)。

2014年底南水北調(diào)工程通水進(jìn)京，將給北京地區(qū)的水資源帶來機遇和挑戰(zhàn)——北京地區(qū)的供水緊張局勢將得以緩解，地下水資源將通過減采和人工回補等方式進(jìn)行恢復(fù)涵養(yǎng)；但長距離的輸水存在諸多不安全隱患。為了應(yīng)對南水進(jìn)京后的突發(fā)供水事件，地下水仍將作為保障城市供水安全的戰(zhàn)備資源。因此，作為北京市最大的地下應(yīng)急水源工程，懷柔應(yīng)急水源工程應(yīng)始終保持“應(yīng)急供水”的能力，具備隨時啟動供水的功能。本次研究結(jié)合南水北調(diào)水源進(jìn)京的機遇，開展水源地區(qū)域地下水資源涵養(yǎng)研究工作，旨在恢復(fù)并維持其應(yīng)急供水能力，提高當(dāng)?shù)氐叵滤Y源戰(zhàn)略儲備，保障首都供水安全。

1 水源地地下水資源綜合評價

1.1 應(yīng)急水源地開采動態(tài)

懷柔應(yīng)急備用地下水源地自2003年8月底啟用，至2005年8月總供水量2.41億m3，完成了設(shè)計開采2年的供水任務(wù)后，根據(jù)北京市城市供水的需求續(xù)采至今[2]。

由于連續(xù)干旱和長期超負(fù)荷運行，2008年后懷柔應(yīng)急水源井單井出水量出現(xiàn)較大幅度的衰減。為了保證北京的城市供水安全，2009年2月懷柔應(yīng)急水源地與潮河-懷河水源地實現(xiàn)了并網(wǎng)，開始聯(lián)合供水。

2010年以來，懷柔應(yīng)急水源地供水量較穩(wěn)定，聯(lián)合后總供水基本穩(wěn)定在30萬m3/d左右，其中懷柔應(yīng)急水源日供水23.5萬m3/d。2013年，懷柔應(yīng)急水源地供水量為7557萬m3/a；潮白河-懷河水源地供水量1893萬m3/a（圖1）。截至2013年12月底，懷柔應(yīng)急水源地累計總供水量達(dá)9.87億m3；潮河-懷河水源地累計供水量1.089億m3。

1.2 地下水動態(tài)及水資源均衡分析

從地下水位多年動態(tài)曲線可見（圖2）：隨著10年多的應(yīng)急開采，應(yīng)急水源地附近水位也在逐年下降，水位由開采初期約27m（埋深16m）下降至2013年底的約0m（埋深44m）。具體為：開采初期2004～2008年，水源地水位下降幅度最大，年均降幅達(dá)4m以上；2009年以后應(yīng)急水源地與潮白河-懷河水源地并網(wǎng)運行，開采量較前期減?。▓D1），水位年降幅1～3m，明顯小于前兩年的降幅；2011～2013年由于區(qū)域降水量偏豐，地下水補給量增加，水源地水位降幅變緩，2013年底較上一年度水位局部有所抬升。

圖1 懷柔應(yīng)急水源地及潮-懷水源地多年年開采量柱狀圖

北京市自1999年至2010年連續(xù)10年干旱，加之應(yīng)急水源地運行10多年，區(qū)域地下水資源出現(xiàn)逐年虧損。據(jù)統(tǒng)計，1999年連續(xù)10余年干旱以來，至2013年底懷柔平原區(qū)地下水資源累計虧損約12億m3，年均虧損約0.8億m3。

圖2 專門觀測孔地下水位年際動態(tài)曲線圖

2 地下水調(diào)蓄涵養(yǎng)研究

2014年底南水北調(diào)水進(jìn)京后，將替代部分本地地下水開采量，同時南水北調(diào)余水還能用于回灌，補充地下水虧損，提高當(dāng)?shù)氐叵滤膽?zhàn)略儲備[5]。

本文結(jié)合南水北調(diào)進(jìn)京契機，從“人工回補”和供水系統(tǒng)“熱備運行”兩方面開展當(dāng)?shù)氐叵滤Y源的調(diào)蓄涵養(yǎng)研究，為懷柔應(yīng)急水源地始終保持“應(yīng)急備用”功能做好資源儲備和功能保障[5～6]。

2.1 地下水人工回補方案研究

本次通過對懷柔應(yīng)急水源地所在的潮白河沖洪積扇進(jìn)行綜合地質(zhì)調(diào)查，基本查明了地下水入滲補給等自然條件、城市垃圾坑/填埋場工程對可恢復(fù)水位的約束條件，為地下水人工回補方案的制定提供現(xiàn)實依據(jù)。經(jīng)調(diào)查，懷柔應(yīng)急水源地所在區(qū)為白河古河道，第四系含水層厚度大、地下水儲存空間大；上游沙河、牤牛河河道內(nèi)砂卵礫石直接出露，地表入滲條件好；垃圾坑分布較少；地下水質(zhì)較好（圖3）。綜合考慮地下水環(huán)境現(xiàn)狀、水文地質(zhì)條件、河道入滲能力等因素，本文擬選擇懷柔應(yīng)急水源地上游的沙河和牤牛河附近作為規(guī)劃回補場地（圖4）。

目前地下水回滲方式最常用的有：地表入滲與井灌。經(jīng)本次勘察，在局部河道段10～30m深度范圍內(nèi)存在粘性土弱透水層。因此本次地下水回補方式擬定為天然河道砂石坑與人工回灌井相結(jié)合的方式：擬在京密引水渠放水口以下2～5km的沙河兩側(cè)及牤牛河兩側(cè)共布置60眼大口井（50灌10備），井間距約200～500m；剩余水量沿沙河、牤牛河河道及附近砂石坑自然入滲消納。通過計算，按每年回補3個季度（3～11月），規(guī)劃入滲場內(nèi)年入滲能力約為1.45億m3/a，其中大口井回灌約1億m3/a（據(jù)試驗，單井回灌能力約6000m3/d），河道及砂石坑入滲約0.45億m3/a。

圖3 區(qū)域河道及砂石坑調(diào)蓄條件調(diào)查成果圖

圖4 規(guī)劃入滲場位置圖

2.2 熱備運行方案研究

為了應(yīng)對城市供水突發(fā)事件，地下水仍將作為保障城市供水安全的戰(zhàn)備資源。懷柔應(yīng)急水源地應(yīng)始終保持“應(yīng)急供水”的能力，其必要性主要有：若完全或長期停采，①在靜水條件下井管的電化學(xué)腐蝕速度會變大，長期可能會導(dǎo)致水井的報廢；②如遇到突發(fā)事件需緊急啟動，需一定的調(diào)試時間以完成下泵、配電、檢修等工序；③輸水管線排空，對管道工程安全的影響目前尚未完全評估。

本文結(jié)合南水北調(diào)水源供水和北京用水的特點，制定了南水進(jìn)京后懷柔應(yīng)急水源地日常“穩(wěn)壓開采”、供水高峰期“集中開采”2種熱備運行方案（表1）。

方案1，采用“穩(wěn)壓開采”模式。為了保障輸水管道工程安全，始終處于滿水壓力狀態(tài)，日常開啟2組4眼井，按日恒定開采量2.7萬m3/d開采，年開采量合計1000萬m3/a。運行期間，以北支、南支、干支水源井為單元組分別進(jìn)行輪換，保證在一年內(nèi)所有水源井均得到一次輪換啟動。

方案2，采用“集中開采”模式。由于夏季為北京市用水高峰期，供水負(fù)荷較重，為了緩解城區(qū)高峰供水壓力，可在夏季供水高峰期（6～8月）啟動供水模式，開啟34～36眼井，日供水量20萬m3/d；其他月份僅在水源地的北支和南支開啟2眼井，每月開啟1天，每天開采量約1.5萬m3，進(jìn)行熱機運行，以保障輸水管處于滿水狀態(tài)。方案2每年開采量合計1850萬m3/a。

表1 南水進(jìn)京后懷柔應(yīng)急水源地?zé)醾溥\行方案擬定表

2.3 涵養(yǎng)方案效果預(yù)測

鑒于南水北調(diào)余水量以及用于回灌地下水量的不確定性，本文利用建立的潮白河沖洪積扇中上游（山前至順義區(qū)向陽閘）地下水?dāng)?shù)值模型，分別預(yù)測考慮規(guī)劃入滲場地下水人工回補及不考慮人工回補情況下，供水系統(tǒng)不同熱備方案實施后的地下水位。從資源恢復(fù)效果，首推模式1“穩(wěn)壓開采”熱備運行。應(yīng)急水源地中心區(qū)水位上升幅度統(tǒng)計見表2。

經(jīng)預(yù)測，若地下水人工回補方案實施，對于恢復(fù)和涵養(yǎng)地下水資源具有顯著作用；加之懷柔應(yīng)急水源地減采和潮白河-懷河水源地停采，與2014年底南水進(jìn)京前相比，區(qū)域水位普遍抬升，且隨著不同熱備方案年開采量的減少，水位抬升幅度增加。方案1、2實施5年后水位分別抬升18m、16m。經(jīng)統(tǒng)計，不同熱備方案實施后，模擬區(qū)地下水均處于正均衡，方案1、2年均儲變量分別約1.42、1.48億m3/a。

表2 不同熱備方案實施后應(yīng)急水源地中心區(qū)水位升幅統(tǒng)計（m）

若不考慮地下水人工回補方案實施，由于懷柔應(yīng)急水源地減采和潮白河-懷河水源地停采，區(qū)域水位也呈上升趨勢，且隨著不同熱備方案年開采量減少，水位抬升幅度增加。方案1、2，實施5年后水位分別抬升4.8m、3.2m。由于區(qū)域地下水開采量的減少，各方案實施后模擬區(qū)地下水基本處于平衡狀態(tài)，略有盈余，方案1、2的年均儲變量約466、154萬m3/a。

經(jīng)計算，若地下水人工回補方案實施，回補實施5年內(nèi)回灌水源的有效蓄水率[7]平均約80%。說明潮白河沖洪積扇具有優(yōu)良的蓄水性能，若能有效進(jìn)行地下水回灌，將為北京地下水戰(zhàn)略儲備發(fā)揮重要作用。

3 結(jié)論

由于多年干旱及應(yīng)急開采，1999年至2013年底懷柔平原區(qū)地下水資源累計虧損約12億m3?？蓮摹百Y源人工回補”和供水系統(tǒng)“熱備運行”兩方面做好地下水資源的涵養(yǎng)研究，為懷柔應(yīng)急水源地始終保持“應(yīng)急備用”功能做好資源儲備和功能保障。具體如下：

（1）綜合考慮地下水環(huán)境現(xiàn)狀、入滲能力等因素，本文擬選擇懷柔應(yīng)急水源地上游的沙河和牤牛河附近區(qū)域作為規(guī)劃回補場地，建議采用直接地表入滲和井灌相結(jié)合的方式；規(guī)劃入滲場內(nèi)年入滲能力約為1.45億m3/a，其中大口井回灌約1億m3/a，河道及砂石坑入滲約0.45億m3/a。

（2）南水北調(diào)水源進(jìn)京后，懷柔應(yīng)急水源地可按日?！胺€(wěn)壓開采”與夏季高峰供水期“集中開采”兩種模式進(jìn)行熱備方案。通過方案對比，首推“穩(wěn)壓開采”熱備運行模式，該方案日開采量約2.7萬m3/d，年開采量1000萬m3/a。

（3）經(jīng)預(yù)測，地下水人工回補方案與懷柔應(yīng)急水源地?zé)醾溥\行的實施，對于恢復(fù)和涵養(yǎng)地下水資源具有顯著作用。人工回補實施5年內(nèi)回灌水源的有效蓄水率較高，說明潮白河沖洪積扇具有優(yōu)良的蓄水性能，若能有效進(jìn)行地下水回灌，將為北京地下水戰(zhàn)略儲備發(fā)揮重要作用。

[1]喬 玲,李 宇.北京市建設(shè)應(yīng)急備用水源工程的初步研究[J].北京水務(wù)，2004年01期.

[2]邁德順，任 宇等.懷柔應(yīng)急水源地開采動態(tài)分析及續(xù)采對策研究[J].北京水務(wù),2011年2011年02期.

[3]張秋建.潮白河水源地出水量減小的成因及復(fù)合洗井工藝的應(yīng)用[J].北京水務(wù),2004年01期.

[4]孫艷華.懷柔應(yīng)急水源地水源井維護(hù)方案探討[J].北京水務(wù)，2008年S1期.

[5]李世君,李 宇,周 訓(xùn).利用地下水庫強調(diào)蓄功能建設(shè)應(yīng)急備用地下水源地[J].地下水，2006年05期.

[6]張壽全.應(yīng)急備用地下水源地——首都供水安全的重要保障[J].北京水務(wù)，2008年S1期.

[7]杜尙海, 蘇小四, 呂 航等.滹沱河地下水庫有效蓄水率研究[J].湖南科技大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2010, 25(1):121～124.