北京地下水源地可持續開發利用對策研究

張景華，范久達，許 海（.北京市地質工程勘察院，北京 00048；. 北京市地質工程設計研究院，北京 0500）

北京地下水源地可持續開發利用對策研究

張景華1，范久達2，許 海1
（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）

本文對北京市現有主要市屬地下水源地（懷柔應急水源地、第八水廠牛欄山水源地、平谷應急水源地、水源三廠水源地、張坊應急水源地）多年開采動態進行調查。調查表明伴隨多年干旱及地下水超采，上述水源地綜合開采能力呈逐年下降趨勢，2012年日供水能力合計約91×104m3/d，較設計初期衰減了46% 。其中，井布局不合理是張坊應急水源地供水能力的制約因素；其他水源地均為第四系水源，衰減原因為區域地下水位大幅下降，導致濾水管出露。為了保障水源地可持續開發，本文結合南水北調進京后新的供水形勢，進一步提出了水資源回補涵養及洗井等保障措施。

水源地供水能力；可持續開發利用；對策

0　前言

北京市是國際上為數不多的以地下水作為主要供水水源的大都市，地下水資源一直肩負保障城市供水安全的重任，對保障社會經濟發展具有十分重要的作用。北京市現有水源地多建設于20世紀50—80年代，其水源井結構是根據當時水文地質條件和水廠供水規模設計的。1999年開始北京遭遇連續十多年干旱；同時，伴隨城市發展需水量逐年加大，為了保障城市供水，區域地下水超采嚴重，造成地下水位持續下降，水廠部分淺井相繼報廢，水廠供水能力大幅衰減。需水量的增加和供水能力的衰減矛盾給北京城市供水提出了新的挑戰。

2014年底南水北調進京后，將緩解區內供水緊張局勢，給區內地下水資源的涵養帶來機遇。為提高首都地下水資源戰略儲備、保障城市供水安全、維護首都社會和經濟穩定發展，本文結合南水北調進京的新形勢，通過開展北京市主要水源地現狀供水能力調查，提出恢復、保障水源地供水能力及可持續利用的措施建議。

1　地下水供水歷程

北京城市供水在建國初期以地表水為主；伴隨城市的發展，到20世紀80年代開始以地下水為主。

起步階段。北京市地下水源地集中開采供給的歷史開始于1937年，在東直門外鑿井取水建成第一自來水廠，日供水量5×104m3，供水人口50萬人。1949年5月安定門第二自來水廠建成投產，日供水能力達到8.62×104m3；至1949年，北京市共有機井123眼，開采地下水803×104m3。

規模開采階段。新中國成立以后用水量急劇增加，開始了大規模的地下水開發。北京城區1956年建成萬泉寺第四自來水廠，1958年建成花園村第三自來水廠，1959年建成酒仙橋第五自來水廠，1964年建成馬家堡第七自來水廠，1973年建成豐臺水廠，1978年建成南苑水廠，1979—1982年建成牛欄山第八自來水廠。20世紀80年代地下水開采規模達到24.4×108m3/a，地下水在城市供水中起到主導作用。

應急供水及河北調水階段。1999年開始北京市遭遇歷史罕見連續枯水年份，地表水劇減。為緩解城市供水危機、保障供水安全，2001年開始先后建設了懷柔、平谷、昌平馬池口、房山張坊4個應急地下水源工程，增加日供水量80×104m3/d。此外，自2011年7月，利用南水北調中線京石段總干渠，從崗南、黃壁莊、王快、安格莊4座大型水庫，每年共調水2.1～2.8×108m3/a進京。

2012年全市總供水量為35.9×108m3，其中地下水占57%，地表水占14%，再生水占21%，河北應急調水占8%（圖1）。

圖1　2012年北京市供水水源統計餅圖Fig.1 The chart of water supply source of Beijing in 2012

2　水源地供水能力調查

本次工作調查了北京主要市屬水源地（第三水廠、第八水廠、懷柔應急、平谷應急和張坊應急水源地）的多年地下水開采動態。調查表明，現狀日供水能力合計90.6×104m3/d（表1），較總設計衰減了46%。

2.1牛欄山水源地與懷柔應急水源地

第八水廠牛欄山水源地和懷柔應急水源地均位于潮白河沖洪積扇中上部，含水層較厚、富水性強。

（1）牛欄山水源地

牛欄山水源始建于1978年，是北京建成的最大地下水水源地。水源井沿潮白河東岸呈北東向展布，南起牛欄山橋，北至韓辛莊，原建18對37眼井，井深60～80m，設計日供水能力48×104m3/d，取第四系孔隙水。自2005年開始先后更新200m左右的深井30眼，目前供水井共51眼。

表1　北京市主要市屬水源地現狀供水能力規模（2012年）Tab.2 The present water supply ability of the main municipal groundwater source fields of Beijing（2012）

投產初期，1980年正式投產，年開采量達4128×104m3/a，1981年增加到1.08×108m3/a；穩定開采期，1982—2003年均開采量約1.5×108m3/a；衰減期，主要受懷柔應急水源地啟動及1999年以來的連續枯水影響，自2004年后，供水量嚴重下降（2014年開采1.12×108m3/a）（圖2）。

圖2　第八水廠多年開采量動態圖Fig.2 The chart of multi-year exploitation dynamic of the Eighth Water Plant

2012年牛欄山水源地開采量為0.39×108m3/a，日均開采量約為11×104m3/d，相比設計衰減了77%。

（2）懷柔應急備用地下水源地

懷柔應急備用地下水源地為北京地區最大的應急后備水源，設計日供水能力33.5×104m3/d。水源井沿懷河、沙河和雁棲河兩岸成倒“人”字分布，共21組42眼深（250m）淺（120m）結合井。

2003年8月30日正式并網供水，至2005年 8月31日，成功完成了設計兩年的供水任務合計2.41×108m3。由于持續干旱，為了保障北京城區供水，繼續開采至今2012年懷柔應急水源地開采8351.88×104m3/a（圖3）。

目前，聯合日供水量約30×104m3/d，其中懷柔應急水源地23.5×104m3/d，較設計衰減了29.8%。

圖3　懷柔應急水源地及潮白河—懷河水源地多年開采量柱狀圖Fig.3 The chart of multi-year exploitation dynamic of Huairou emergency water source field and Chao-Huai River Water Source field

2.2第三水廠水源地

第三水廠水源地位于永定河沖洪積扇的上中部的海淀區四季青一帶，始建于1958年。經幾次擴建，現共有水源井107眼（第四系井64眼，基巖井43眼），設計地下水日供水能力達39×104m3/d。

水源地開采經歷了開采層位由淺至深，由單一含水層開采至多個含水層聯合開采供水的幾個歷程：①60m以上淺層水開采階段：1958年建設初期到1990年，三廠水源井總數達53眼，日總供水能力29×104m3/d；②增采60～100m淺層承壓水和巖溶水開采階段：進入20世紀90年代，需水量不斷增加而淺層地下水水質不斷惡化，1997年再次進行擴建，新建16眼110m第四系井、10眼基巖井，日總供水能力39×104m3/d；③增采120m以下深層承壓水和巖溶水開采階段：伴隨地下水位的下降和淺層水水質不斷惡化，2005年進行了第三次擴建，新建4眼井深250m第四系井、15眼600m基巖井。

目前，三廠地下水開采以100m以下第四系深層承壓水和奧陶系巖溶水為主。2011年開采量8554.18×104m3/a（基巖水3345.57×104m3，第四系水5218.61×104m3），水廠日供水量約23×104m3/d，較設計衰減了41%。

2.3平谷應急水源地

平谷應急水源地由王都莊水源地與中橋水源地構成，位于薊運河沖洪積扇中上部。其中，王都莊水源地最早建于1993年，共19眼第四系井，井深70～132m，設計日開采量為16×104m3/d；中橋水源地水源井2005年建成，其中10眼深120～180m第四系井，9眼深600～800m基巖井，設計日開采量為11.4×104m3/d。

平谷應急水源地自2004年8月正式向北京城區供水，2006—2008年平谷應急水源地的年均供水量維持在8519×104m3/a；隨后幾年王都莊水源地的供水能力呈下降趨勢。見圖4。

圖4　平谷王都莊和中橋應急水源地多年供水量動態圖Fig.4 The multi-year exploitation dynamic of Wangduzhuang and Zhongqiao emergency water source field of Pinggu

2012年平谷應急水源地總供水量為7709×104m3/a。其中，王都莊水源地供水量為4477×104m3/a，較2006年（6460×104m3/a）衰減了31%；中橋水源地供水量為3232×104m3/a，近幾年供水能力未出現明顯衰減，日供水量基本維持在8.5×104m3/d左右。

2.4張坊應急水源地

張坊應急水源地位于拒馬河山前區，開采薊縣系霧迷山組巖溶水，為目前北京地區最大的巖溶水應急水源地。從2006年開始運行，經擴建，目前水源井總數達60眼，井深在200～400m，井間距離50～100m左右，設計日供水能力可達20×104m3/d。

2006年供水量650×104m3/a；之后地下水開采量逐年加大，2013年總供水量為3984×104m3/a，日最大供水量15×104m3/d。經過多年應急開采，張坊水源地單井出水量及地下水位均未出現明顯下降（圖5）。地下水位呈現年內動態變化大、水位恢復迅速等兩大特點，即3—5月枯水期，由于開采造成的水位降深在6—8月雨季到來后，得到快速回補（圖6）。

由于區內地表水資源相對豐富，巖溶地下水補給快，具有一定開采潛力。供水實踐表明：水源地的日開采量維持在10×104～13×104m3/d時，水位相對穩定；超過13×104m3/d，易引起動水位大幅下降。

3　衰減原因及應對措施

3.1影響衰減因素

根據國內外大量抽水試驗資料分析表明，影響水源井出水能力的主要因素可歸結為區域水文地質條件、水井結構兩方面。其中，區域水文地質條件主要包括：含水層富水性（巖性、厚度、滲透性等）、地下水位等；水井結構主要包括：成井結構（井徑、濾水管長度、濾水孔眼直徑、孔隙率）、濾水管堵塞及淤積程度等。具體影響因素為：①含水層富水性（楊慶華，1994）：在砂卵石粗顆粒地層中，滲透性好且含水層較厚，則出水量大；反之出水量較小。②水位下降幅度（張煥智，1989）：對開采潛水的淺井，伴隨水位下降，濾水管逐漸外露，有效過水斷面減少，導致水井出水量下降；對開采深層承壓水的深井，水位下降導致地下水壓力水頭降低，單井出水量也有下降，但相比潛水影響相對較小。③地層坍塌：在成井過程中或水井涌砂未及時處理情況下易出現上部坍塌，從而封閉原有的含水層。④成井結構：如井徑（地質部水文地質工程地質第一大隊，1964）、濾水管長度（張惠昌，1989；邱樹杭，1965）、孔眼直徑、孔隙率等，對于建設初期的水井出水量影響較大。⑤濾水管淤積：水中含沙量過多，經長時間沉淀后，下部濾水管淤積掩埋。⑥濾水管腐蝕與堵塞：化學腐蝕與結垢是相互伴生的。井壁化學腐蝕產生的沉淀易堆積于濾水管縫隙處；當地下水中Ca2+、Mg2+含量過高時，易生成沉淀物（水垢），也會充填縫隙，造成濾水管堵塞（高藏英，2009）。

圖5　張坊應急水源地月開采量與水位埋深動態曲線Fig.5 The monthly exploitation dynamic and water depth of Zhangfang emergency water source field

圖6　張坊應急水源地月降水量與水位埋深關系圖Fig.6 The monthly precipitation dynamic and water depth of Zhangfang emergency water source field

根據上述因素，分析北京市主要水源地出水能力衰減的原因。北京市主要水源地位于強富水區，根據對其開采-水位動態資料分析，2012年底，八廠牛欄山水源地水位埋深達47m，原60m淺井的濾水管外露率約80%，基本停用；三廠水源地區內水位埋深24m左右，原60～70m淺井近50%的濾水管外露，單井出水量較成井初期衰減了60%以上；懷柔應急水源地深120m井的單位出水量隨著水位下降也出現降低趨勢，2012年由于水位下降造成水源地55%淺井的濾水上端外露，出水量較開采之初衰減明顯（圖7）。

因此，對于北京市4個主要市屬水源地（懷柔應急、第八水廠牛欄山水源地、平谷應急、水源三廠水源地），水井出水量衰減的主要原因是地下水位大幅度下降，改變了水文地質條件；而濾水管的淤積、腐蝕和堵塞對井出水量的影響較小，可以通過機械洗井措施在短時間內很快修復。另外，張坊巖溶水應急水源地的井間距較小，井的布局不合理是造成井間水位干擾較大的主要因素。

3.2水源地可持續利用對策

水源地的可持續開發利用，受區域水資源質量和水源井取水能力（井結構、取水設備）兩大因素的限值。針對北京5個主要市屬水源地水文地質條件、井結構、存在的問題等不同，從以下兩方面分別采取對應的措施，以保障可持續利用。

（1）資源回補涵養措施

南水北調進京后，可充分利用南水北調來水的富裕水資源，選擇合適的回補場所和回補方式，開展地下水的人工回補（張志永，2014；張景華，2015）。各沖洪積扇地下水調蓄模式如下：

潮白河沖洪積扇：上游地下水入滲條件好、水質較好、儲存空間大，可作為南水北調余水優先選擇回灌區。建議在京密引水渠附近沙河上游段開展地下水人工回補；同時，懷柔應急水源地和第八水廠牛欄山水源地應適當減采，盡快恢復區內水資源。

永定河沖洪積扇：位于北京城區西部，淺層垃圾分布較多，且城區地下建筑較多，為了環境及安全等問題，應控制地下水位過高。建議在上游選擇合適區域采取少量的人工回灌和水源地減采相結合的方式，涵養當地地下水資源，恢復三廠供水能力。

薊運河沖洪積扇：泃河、洳河上游匯水條件好，入滲能力較大，是地下水回灌的優良場地。在平谷應急水源地減采的基礎上，適當開展地下水調蓄，提高水資源儲備。

（2）工程措施

第三水廠和第八水廠水源地：因區域水位下降，導致淺井基本停用，建議采取鋼絲刷、拉活塞、撈砂等機械洗井方式，清洗水井多年運行中形成的水垢、鐵銹和井底沉砂（高藏英，2009），待區域水位恢復后，作為未來水源備用井使用。

懷柔和平谷應急水源地：因水源井建成年代較晚，水井設計較深。近年來，伴隨區域水位的大幅下降，出水量出現一定程度的衰減，但均能正常供水。建議也采取鋼絲刷、拉活塞、撈砂等機械洗井方式，對水源井進行清垢、清淤洗井，恢復水源井的出水能力。

張坊應急水源地。巖溶地下水補給條件好，多年運行期間地下水基本處于動態均衡狀態。建議針對該水源地井距布局不合理的問題，結合區域水文地質條件，開展水源井干擾抽水試驗，結合試驗結果，進一步優化水源井的合理布局。

4　結論

（1）伴隨多年干旱及持續超采，北京市地下水位持續下降，大部分市屬水源地的供水能力發生衰減。通過對第三水廠、第八水廠、懷柔應急、平谷應急和張坊應急水源地的多年地下水開采動態進行調查，現狀日供水能力合計約92×104m3/d，較設計總量衰減了46%。其中，第三水廠水源地、第八水廠牛欄山水源地的現狀供水能力衰減程度較嚴重（分別為41%、77%）；懷柔應急水源地、王都莊水源地衰減程度適中（分別為30%、16%）；中橋水源地及張坊應急水源地，開采多年來供水能力未出現明顯衰減，其中張坊地區巖溶水具有補給條件好、水位恢復迅速的特點，具備一定開采潛力。

（2）目前，近十幾年來地下水位大幅度下降——水文地質條件的改變是導致第四系水源井出水量衰減的重要因素；而水井結構設計的局限性、布局不合理等是限制水源井可持續供水的人為因素。

（3）需結合南水北調進京后區域供水水資源條件的變化，采取資源回補涵養和洗井等相關措施，提高北京市第四系水源地的供水能力。

［1］楊慶華. 管井最大出水量再探討［J］. 新疆水利，1994（80）：19～22.

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［4］張惠昌，白鳳龍. 蘭州市馬灘水源地大厚度含水層濾水管有效長度的研究［J］. 勘察科學技術，1989（2）：1～5

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［8］張志永 焦劍妮. 地下水庫回灌對地下水開采能力影響［J］. 南水北調與水利科技，2014，12（6）：127～131.

［9］張景華. 南水北調進京后懷柔應急水源地地下水資源涵養研究［J］. 城市地質，2015，10（2）：17～20.

Research on the Sustainable Development Measures of the Underground Water Source Area in Beijing

ZHANG Jinghua1， FAN Jiuda2， XU Hai1
（1. Beijing Institute of Geological & Prospecting Engineering， Beijing 100048， 2.Beijing Geological Engineering Design Institute， Beijing 101500）

This paper made a survey on the multi-year mining dynamics of the main municipal groundwater source areas in Beijing， namely Huairou emergency water source area； the Eighth Water plant’s Niulanshan water source area； Pinggu emergency water source area； the Third Water plant’s water source area； Zhangfang emergency water source area. The results showed that these water source fields’ total mining capacity had a downward trend with the years of drought and groundwater over-mining. The total capacity of these water source areas in 2012 was 91×104m3/d， which reduced by 46% compared with the design. The wells layout improper was the constraint on Zhangfang emergency water source area’s water supply capacity； while， the continued decline of the groundwater level that led to filter pipe exposed was the reason for other quaternary groundwater source area. This paper further proposed that though artificial recharge and washing wells to ensure the sustainable exploitation of the water source areas， in view of the new situation of water supply after water diversion into Beijing from the South-to-North Water Transfer Project.

Groundwater source areas； Water supply capacity； Sustainable exploitation； Measures

P641

A

1007-1903（2016）01-0099-06

10.3969/j.issn.1007-1903.2016.01.020

張景華（1987- ），女，碩士，工程師，主要從事地下水資源評價研究。E-mail：jinghua.as@163.com