干旱條件下平谷盆地地下水資源變化與恢復(fù)調(diào)控措施

馬靜晨，戴國鋒，姜 輝，邢國章，孫少游

（1.北京市地質(zhì)工程勘察院，北京 100048；2.建設(shè)綜合勘察研究設(shè)計院，北京 100007）

0 引言

地下水是北京市的重要供水水源，目前供水量占北京市總供水量的2/3以上。自20世紀(jì)70年代以來，地下水開采量猛增，近30年來地下水開采量一直維持在 26～28億m3[1]。為解決大旱之年北京市應(yīng)急供水的水源問題，提高城市供水保證率，2003年始北京市建立了懷柔兩河、平谷王都莊與中橋、昌平馬池口等應(yīng)急水源地[2～3]，應(yīng)急水源地的供水為保障北京城區(qū)供水安全和維持社會穩(wěn)定發(fā)展作出了突出貢獻(xiàn)。

平谷盆地位于北京市東北部，是北京市重要的生態(tài)涵養(yǎng)區(qū)[4]，坐擁北京市王都莊與中橋兩個應(yīng)急水源地，其地下水資源的保護(hù)和可持續(xù)利用對于平谷和北京市具有戰(zhàn)略性的意義。本文以平谷盆地第四系地下水為研究對象，利用地下水動態(tài)、資源評價的數(shù)據(jù)，評價了第四系地下水資源變化情況，回顧分析了干旱及應(yīng)急水源地開采對地下水資源的影響，針對其地下水虧損、地下水位下降、生態(tài)環(huán)境惡化等地質(zhì)環(huán)境問題，提出了地下水回灌、開采布局調(diào)整的措施，為平谷區(qū)地下水資源合理開發(fā)利用和保護(hù)，持續(xù)安全的發(fā)揮地下水供水能力提供了依據(jù)。

1 自然地理與水文地質(zhì)概況

1.1 自然地理

平谷位于北京市東北部地區(qū)，可分為山區(qū)與平原兩個部分，見圖1。平谷平原習(xí)慣稱之為“平谷盆地”，呈倒梯形，東西最長處25km，南北寬14km，面積362.38km2，占全區(qū)總面積的38.20%，盆地地形高程由東北部的85m向西南逐漸下降為20m，地形坡度差為2.3%～1.8%，地形低洼處位于馬坊東的泃河河床，海拔高程僅為12m。平谷盆地東、北、西和東南為中、低山與丘陵，西南有一出口與華北平原相連接。山區(qū)山勢陡峻、溝谷切割強(qiáng)烈，向平原中心地勢逐漸降低。

圖1 平谷山區(qū)平原分區(qū)圖

平谷區(qū)屬暖溫帶半濕潤大陸性季風(fēng)區(qū)氣候，區(qū)內(nèi)1959年—2010年多年平均降水量為635.8mm，降水年際差別大、年內(nèi)80%集中在7～9月份，常出現(xiàn)連續(xù)豐水年或枯水年，降水量山區(qū)大于平原。區(qū)域主要河流為泃河、錯河，河由東北部山區(qū)向西南徑流，河流干道及支流上分布有海子水庫、黃松峪水庫；錯河由北向南徑流，支流鎮(zhèn)羅營石河上分布有西峪水庫；泃河、錯河在前芮營匯合，兩河河流沖洪積作用是構(gòu)成平谷盆地松散地層的主要應(yīng)力。

1.2 水文地質(zhì)條件

平谷盆地第四系由河、錯河的沖洪積作用形成。第四系含水層厚度由盆地邊緣到中心逐漸增大，盆地邊緣厚幾十米，盆地中心則超過600m；含水層巖性主要是砂卵礫石，地下水補(bǔ)給條件好，徑流通暢。含水層厚度在韓莊至南獨(dú)樂河為100余米，王都莊一帶150m，西部許家務(wù)一帶120m，門樓莊一帶為80～100m；王都莊以東和許家務(wù)以北為單層巨厚卵石含漂石、礫卵石層，盆地中部地區(qū)為多層砂礫卵石層，各含水層間存在著密切的水力聯(lián)系。含水層巖性厚度見圖2。

圖2 平谷-海子水庫（A-A’）方向水文地質(zhì)剖面圖

2 地下水資源與環(huán)境地質(zhì)問題

2.1 地下水資源變化情況

平谷地區(qū)為北京市暴雨中心之一，降水量豐富、三面環(huán)山的地形條件及優(yōu)良的水文地質(zhì)條件形成了平谷盆地豐富的地下水資源：據(jù)2002年北京市資源量計算結(jié)果，1980—2000年平谷平原地下水平均補(bǔ)給量為2.75億m3，地下水平均消耗量為2.44億m3，地下水資源處于盈余狀態(tài)，評價出地下水可采資源2億m3。

1999后北京市遭遇連續(xù)枯水年，1999年—2011年平谷平均降水量為544.7mm，比多年平均降水量減少了14.4%，降水量減少，平谷地表水來水量急劇減少，以2004年為例，地表水資源量比多年平均減少了80.7%。為應(yīng)對干旱，2004年8月北京市啟用平谷王都莊水源地，同年12月啟動中橋應(yīng)急水源地。連續(xù)枯水與應(yīng)急水源地的啟用對平谷盆地地下水起到了極大的影響作用，地下水資源均衡計算結(jié)果顯示，平谷盆地地下水呈逐年虧損狀態(tài)，2000年—2009年地下水資源累計虧損4.37億m3，見表1。

2.2 環(huán)境地質(zhì)問題

降水量減少及區(qū)域地下水的開發(fā)，造成平谷盆地地下水連續(xù)虧損，水位持續(xù)下降，形成地下水降落漏斗，地質(zhì)環(huán)境開始出現(xiàn)惡化。2005年，應(yīng)急水源地全面開采后在王都莊地區(qū)地下水出現(xiàn)了降落漏斗，漏斗中心水位達(dá)10.5m，與2004年相比水位下降了3.2m；2007年，中橋應(yīng)急水源地出現(xiàn)降落漏斗，漏斗中心水位-6m，與2004年相比降落漏斗水位均下降了11.8m；2011年平谷地區(qū)地下水位達(dá)到最低值，與2004年相比王都莊、中橋應(yīng)急水源地水位分別下降了23.5m、18.1m，見圖3。

表1 平谷盆地地下水資源均衡計算統(tǒng)計表

圖3 平谷典型地區(qū)地下水水位動態(tài)變化曲線圖

降水量減少，地下水水位下降，2000年后平谷地區(qū)的西瀝津—龍家務(wù)泃河溢出帶和許家務(wù)—中橋錯河的地下水溢出帶溢出量消失，區(qū)域濕地退化，生態(tài)環(huán)境出現(xiàn)了惡化。

3 地下水資源可持續(xù)開發(fā)利用措施

平谷盆地地下水是平谷當(dāng)?shù)鼗A(chǔ)資源和北京市應(yīng)急水源，關(guān)系到平谷區(qū)域發(fā)展與北京市供水安全，水資源虧損、地下水位持續(xù)下降不利于該區(qū)地下水資源的可持續(xù)發(fā)展，對北京市應(yīng)急供水構(gòu)成威脅。2014年底南水北調(diào)水全面向北京供水，平谷地區(qū)可利用南水北調(diào)的契機(jī)進(jìn)行水資源的調(diào)蓄，調(diào)整開采格局，恢復(fù)地下水資源量，改善地質(zhì)環(huán)境狀況。

3.1 地下水調(diào)蓄

平谷地區(qū)具備優(yōu)良的水文地質(zhì)條件，可以利用泃、錯河沖洪積扇的頂部地帶建立地下水庫進(jìn)行水資源調(diào)蓄[5]。2014年南水北調(diào)進(jìn)京后，將代替部分地下水開采量，可將平谷海子、黃松峪、西峪等水庫水回灌地下，補(bǔ)充地下水；另外據(jù)北京市水務(wù)局規(guī)劃，極豐水年或其他極端情況，南水北調(diào)水可調(diào)3～4m3/s入平谷進(jìn)行回灌。根據(jù)野外調(diào)查結(jié)果，平谷地下水庫建設(shè)區(qū)砂石坑較少、面積小、分散獨(dú)立，但泃、錯河上游河床砂礫石裸露，河道寬、深度大，可以配合橡膠壩攔蓄，利用新開北干渠、南干渠、三八干渠等區(qū)域密布的渠道、河道引水進(jìn)行回灌，具體回灌場地為翟各莊-許家務(wù)錯河河道、海子村-西瀝津泃河河道，兩河河道入滲能力可達(dá)5～6m3/s，地下水庫及入滲工程分布圖4。水資源回灌可極大恢復(fù)該區(qū)地下水資源虧損情況，同時河道輸水入滲工程可與城市生態(tài)整治工程、休閑公園等結(jié)合形成調(diào)蓄、治景治貌和改善生態(tài)環(huán)境的有機(jī)結(jié)合，改善區(qū)域生態(tài)環(huán)境。

圖4 平谷地下水庫入滲工程分布圖

3.2 調(diào)整開采格局

王都莊、中橋應(yīng)急水源地的開采是平谷地下水資源虧損的人為因素，平谷地區(qū)地下水開采格局調(diào)整可從兩個方面著手。

調(diào)整方案一、2014年南水北調(diào)進(jìn)京后，應(yīng)關(guān)停或者減少應(yīng)急水源地開采量，進(jìn)行地下水資源的涵養(yǎng)，可圍繞南水北調(diào)供水和區(qū)域水資源變化情況，制定停采、減采方案，在一定程度可將王都莊水源地改向平谷縣城供水，確保平谷地區(qū)發(fā)展。

調(diào)整方案二、平谷地區(qū)山區(qū)及平原分布大量碳酸鹽巖地層，富含豐富的巖溶水，其中在平谷南部山區(qū)裸露型及馬坊隱伏型巖溶水開采程度小，勘查結(jié)果顯示巖溶水出水量在2.5萬m3/d，可以考慮進(jìn)一步勘查開發(fā)巖溶水，代替第四系地下水的開采，以涵養(yǎng)平谷盆地地下水。

3.3 數(shù)值模擬

根據(jù)提出的地下水調(diào)蓄和開采調(diào)整措施，結(jié)合南水北調(diào)規(guī)劃，設(shè)計在平谷翟各莊—許家務(wù)錯河河道、海子村—西瀝津泃河河道進(jìn)行回灌，回灌水源為本地地表水庫水和南水北調(diào)水，回灌量分別為1.5m3/s、4.5m3/s，回灌時間為8個月。同時，中橋水源地停止開采、平谷縣城自來水公司水源地和區(qū)域自備井停采，停采量為5.6萬m3/d、0.72萬m3/d；王都莊水源地減采并向縣城供水，開采量為9.5萬m3/d。根據(jù)平谷盆地的水文地質(zhì)條件，建設(shè)平谷區(qū)地下水?dāng)?shù)值模型，將上述各量輸入模型，以2013年12月地下水位作為初始水位，進(jìn)行1年后地下水流場的預(yù)測，預(yù)測措施實施后地下水位的變化，結(jié)果見圖5。

圖5 地下水位變化預(yù)測圖

圖5及水資源均衡結(jié)果顯示，在進(jìn)行水資源回灌與調(diào)整水源地開采措施下，平谷盆地沖洪積扇中上部地區(qū)地下水位出現(xiàn)回升，最大升幅達(dá)10～12m，經(jīng)計算盆地內(nèi)部地下水儲量增加了1.34億m3，可持續(xù)開發(fā)利用措施起到了良好的作用。

4 結(jié)論

持續(xù)干旱和應(yīng)急開采對平谷地區(qū)地下水造成了極大影響，平谷盆地地下水出現(xiàn)了資源虧損、水位下降、降落漏斗擴(kuò)展等地下水環(huán)境問題。鑒于平谷盆地地下水的重要性，可以利用地表水調(diào)蓄回灌地下水、停采減采水源地開采、適度開發(fā)巖溶水的措施，恢復(fù)地下水資源，改善環(huán)境，提高北京市應(yīng)急供水能力。

[1]張安京,葉 超等.北京地下水[M].中國大地出版社,2008.9,2～3,175～186.

[2]葉 超,劉文臣等.北京城市備用水源勘查評價平谷盆地第四系地下水資源綜合評價報告[R].北京市水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊,2004.

[3]李 宇.北京市懷柔應(yīng)急水源地開采動態(tài)初步研究[J].北京水利,2005(5).

[4]北京市平谷區(qū)水資源綜合規(guī)劃[R].北京平谷水務(wù)局,2007.12.

[5]李志萍，謝振華等.北京平谷盆地地下水庫建庫條件分析[J].上海國土資源,2011年第32卷第1期,20～23.