南水北調進京后懷柔應急水源地地下水資源涵養研究

張景華，范久達，李世君

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

0 前言

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

2014年底南水北調工程通水進京，將給北京地區的水資源帶來機遇和挑戰——北京地區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行恢復涵養；但長距離的輸水存在諸多不安全隱患。為了應對南水進京后的突發供水事件，地下水仍將作為保障城市供水安全的戰備資源。因此，作為北京市最大的地下應急水源工程，懷柔應急水源工程應始終保持“應急供水”的能力，具備隨時啟動供水的功能。本次研究結合南水北調水源進京的機遇，開展水源地區域地下水資源涵養研究工作，旨在恢復并維持其應急供水能力，提高當地地下水資源戰略儲備，保障首都供水安全。

1 水源地地下水資源綜合評價

1.1 應急水源地開采動態

懷柔應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，完成了設計開采2年的供水任務后，根據北京市城市供水的需求續采至今[2]。

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

2010年以來，懷柔應急水源地供水量較穩定，聯合后總供水基本穩定在30萬m3/d左右，其中懷柔應急水源日供水23.5萬m3/d。2013年，懷柔應急水源地供水量為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，懷柔應急水源地累計總供水量達9.87億m3；潮河-懷河水源地累計供水量1.089億m3。

1.2 地下水動態及水資源均衡分析

從地下水位多年動態曲線可見（圖2）：隨著10年多的應急開采，應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4m以上；2009年以后應急水源地與潮白河-懷河水源地并網運行，開采量較前期減小（圖1），水位年降幅1～3m，明顯小于前兩年的降幅；2011～2013年由于區域降水量偏豐，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10年干旱，加之應急水源地運行10多年，區域地下水資源出現逐年虧損。據統計，1999年連續10余年干旱以來，至2013年底懷柔平原區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曲線圖

2 地下水調蓄涵養研究

2014年底南水北調水進京后，將替代部分本地地下水開采量，同時南水北調余水還能用于回灌，補充地下水虧損，提高當地地下水的戰略儲備[5]。

本文結合南水北調進京契機，從“人工回補”和供水系統“熱備運行”兩方面開展當地地下水資源的調蓄涵養研究，為懷柔應急水源地始終保持“應急備用”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

本次通過對懷柔應急水源地所在的潮白河沖洪積扇進行綜合地質調查，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水位的約束條件，為地下水人工回補方案的制定提供現實依據。經調查，懷柔應急水源地所在區為白河古河道，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；地下水質較好（圖3）。綜合考慮地下水環境現狀、水文地質條件、河道入滲能力等因素，本文擬選擇懷柔應急水源地上游的沙河和牤牛河附近作為規劃回補場地（圖4）。

目前地下水回滲方式最常用的有：地表入滲與井灌。經本次勘察，在局部河道段10～30m深度范圍內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合的方式：擬在京密引水渠放水口以下2～5km的沙河兩側及牤牛河兩側共布置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），規劃入滲場內年入滲能力約為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 區域河道及砂石坑調蓄條件調查成果圖

圖4 規劃入滲場位置圖

2.2 熱備運行方案研究

為了應對城市供水突發事件，地下水仍將作為保障城市供水安全的戰備資源。懷柔應急水源地應始終保持“應急供水”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腐蝕速度會變大，長期可能會導致水井的報廢；②如遇到突發事件需緊急啟動，需一定的調試時間以完成下泵、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。

本文結合南水北調水源供水和北京用水的特點，制定了南水進京后懷柔應急水源地日常“穩壓開采”、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，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行輪換，保證在一年內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，供水負荷較重，為了緩解城區高峰供水壓力，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，進行熱機運行，以保障輸水管處于滿水狀態。方案2每年開采量合計1850萬m3/a。

表1 南水進京后懷柔應急水源地熱備運行方案擬定表

2.3 涵養方案效果預測

鑒于南水北調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（山前至順義區向陽閘）地下水數值模型，分別預測考慮規劃入滲場地下水人工回補及不考慮人工回補情況下，供水系統不同熱備方案實施后的地下水位。從資源恢復效果，首推模式1“穩壓開采”熱備運行。應急水源地中心區水位上升幅度統計見表2。

經預測，若地下水人工回補方案實施，對于恢復和涵養地下水資源具有顯著作用；加之懷柔應急水源地減采和潮白河-懷河水源地停采，與2014年底南水進京前相比，區域水位普遍抬升，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。經統計，不同熱備方案實施后，模擬區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急水源地中心區水位升幅統計（m）

若不考慮地下水人工回補方案實施，由于懷柔應急水源地減采和潮白河-懷河水源地停采，區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。由于區域地下水開采量的減少，各方案實施后模擬區地下水基本處于平衡狀態，略有盈余，方案1、2的年均儲變量約466、154萬m3/a。

經計算，若地下水人工回補方案實施，回補實施5年內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良的蓄水性能，若能有效進行地下水回灌，將為北京地下水戰略儲備發揮重要作用。

3 結論

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

（1）綜合考慮地下水環境現狀、入滲能力等因素，本文擬選擇懷柔應急水源地上游的沙河和牤牛河附近區域作為規劃回補場地，建議采用直接地表入滲和井灌相結合的方式；規劃入滲場內年入滲能力約為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）南水北調水源進京后，懷柔應急水源地可按日常“穩壓開采”與夏季高峰供水期“集中開采”兩種模式進行熱備方案。通過方案對比，首推“穩壓開采”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）經預測，地下水人工回補方案與懷柔應急水源地熱備運行的實施，對于恢復和涵養地下水資源具有顯著作用。人工回補實施5年內回灌水源的有效蓄水率較高，說明潮白河沖洪積扇具有優良的蓄水性能，若能有效進行地下水回灌，將為北京地下水戰略儲備發揮重要作用。

[1]喬 玲,李 宇.北京市建設應急備用水源工程的初步研究[J].北京水務，2004年01期.

[2]邁德順，任 宇等.懷柔應急水源地開采動態分析及續采對策研究[J].北京水務,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合洗井工藝的應用[J].北京水務,2004年01期.

[4]孫艷華.懷柔應急水源地水源井維護方案探討[J].北京水務，2008年S1期.

[5]李世君,李 宇,周 訓.利用地下水庫強調蓄功能建設應急備用地下水源地[J].地下水，2006年05期.

[6]張壽全.應急備用地下水源地——首都供水安全的重要保障[J].北京水務，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].湖南科技大學學報（自然科學版），2010, 25(1):121～124.