熱備涵養運行模式在懷柔應急備用水源地的應用研究

榮 倩 郝 鄴 鄭 瀚

(北京市京密引水管理處，北京 101400)

巨大的地下水漏斗已經成為華北地區生產、生活、生態發展的一個制約因素。作為北京地區最大的應急備用水源地[1]，懷柔應急備用水源地工程自2003年8月建成至2019年底，累計供水14.20億m3，為首都供水保障做出了巨大的貢獻。由于設計開采和續采階段備用水源地下水開采量巨大，且區域內除降水外的補給較少，造成地下水水位下降、水質污染指標上升，開采幾乎達到極限。減量開采的同時開展地下水回補是解決上述問題行之有效的方法，目前已在北京、河北、山東等地廣泛應用。借南水北調水進京的契機，2015年9月，備用水源正式開啟熱備涵養運行模式[2]，即開采量降至10萬m3/d 的熱備運行，同時通過沿途生態放水涵養回補密懷順水源地[3]。至2019年底，區域引南水回補地下水量累計41458萬m3，平均地下水水位埋深30.84m，較熱備涵養前平均上升了17.51m，涵養成效顯著。然而，通過監測發現仍存在地下水水位波動較大、部分水質指標上升等情況。為此，通過分析備用水源各個階段的地下水水位、水質，研究熱備涵養模式運行效果和影響因素，并對現行運行模式提出合理化建議，以期對今后備用水源運行提供參考，并為相似地區運用熱備涵養運行模式提供借鑒。

1 概 況

1.1 懷柔應急備用水源地工程

懷柔應急備用水源地工程(以下簡稱備用水源)位于潮白河沖洪積扇中西部懷河沖洪積扇上，西接懷柔水庫，北靠京密引水渠，東南緊靠水源八廠(見圖1)，占地面積25km2，共有21組42眼水源井和11眼觀測井[4]。水源井設計為深淺結合分層對井開采，淺井井深120m，取水深度45～110m，單井開采量為1.00萬～1.10萬m3/d；深井井深250m，取水深度120～240m，單井開采量為0.50萬～0.55萬m3/d。

圖1 懷柔應急備用水源地工程位置

1.2 備用水源運行模式

備用水源運行供水至今，共經歷了3個階段：

a.設計開采階段(2003年8月至2005年8月)。備用水源設計開采方案為“采二養三[5]”，即在枯水年供水2年，之后停采涵養3年。此階段日均供水量33.50萬m3/d，總供水量為2.41億m3。

b.減量續采階段(2005年9月至2015年8月)。鑒于北京地區供水緊張的局勢，備用水源在完成兩年的設計供水任務后，并未采用“采二養三”運行模式，而是繼續按照日開采30.00萬～33.00萬m3的規模續采至2008年底，累計供水5.92億m3。至2009年，備用水源已接近開采極限，區域內地下水埋深由開采前的13～15m下降至40m左右。自2009年2月起，備用水源按照20.00萬～23.50萬m3/d減量開采，同時對水源井進行徹底清洗，并安裝變頻設備，在保證供水能力的前提下減少負荷，盡量維持備用水源穩定運行。

圖2 南水北調水地下水回補路線

c.熱備涵養階段(2015年9月至今)。2014年底，南水北調水開始向北京市供水。借此契機，備用水源從2015年9月起開始試行熱備涵養運行模式，按照10.00萬m3/d 的開采規模熱備運行，又通過沿途生態放水回補密懷順水源地(見圖2)。

2 運行效果分析

2.1 開采與補給分析

備用水源區域內地下水補給主要為降水和河流補給(包含人工補水)，地下水開采主要為工程機井開采[6]。2019年各月份降水量、回補量、開采量與地下水水位關系見圖3、圖4、圖5。

圖3 2019年各月降水量與地下水水位埋深關系

圖4 2019年各月回補量與地下水水位埋深關系

圖5 2019年各月開采量與地下水水位埋深關系

2019年上半年開采量多于下半年，且在6月達到最高；降水與回補期(3—11月)基本重合，降水與回補在8月達到最高，淺井與深井地下水水位變化趨勢相似。上半年地下水水位呈現低位波動狀態，即在持續開采且幾乎無補給的情況下，水位下降，隨著降水和回補水的到來，水位出現上升，5月、6月隨著開采量增多，水位又出現下降，之后汛期再加上開采量減少，水位出現大幅回升，之后則一直保持上升狀態。12月停止供水，地下水水位出現較大幅度的回升。地下水水位與降水量、回補量及開采量存在著明顯的相關關系。

區域內歷年降水量、回補量數據見圖6、圖7，各月供水量與地下水水位埋深關系見圖8。

圖6 備用水源區域內歷年降水量

圖7 備用水源區域內歷年地下水回補量

地下水水位變化可分為3個階段：第一階段為2003年8月至2009年2月，開采量巨大，各年份降水偏少，地下水水位急劇降低；第二階段為2009年3月至2015年8月，開采量有所減少，2011年、2012年為相對豐水年，地下水水位繼續降低，但降幅較前一階段已明顯放緩，在豐水年的汛期，地下水水位會出現小幅的上升；第三階段為2015年9月至2019年12月，開采量進一步減少，2015—2018年均為豐水年，并配合有回補水，此階段內每年的補水期，地下水水位均會有一定程度的上升，尤其是2018年回補量最多，該年汛期地下水水位增幅達到最大，局部地下水水位上漲9m以上，2019年降水偏少，通過調蓄回補了一定的地下水，地下水水位在一定范圍內波動，2019年12月開始，備用水源停止供水，地下水水位又出現了回升。可見在開采量減少的情況下，區域降水與回補對地下水回升共同起到了作用，尤其是在枯水年，回補水對地下水水位回升起到了重要作用。

圖8 備用水源各月供水量與地下水水位埋深關系

值得注意的是，自備用水源開始供水起，每次停采都會出現地下水水位在一定程度上升高，復采地下水水位又回落的現象，說明開采量是地下水水位變化的決定性因素。熱備涵養模式運行通過控制開采量，增加回補量的方式，對地下水水位的回升起到了較為理想的效果。

自熱備涵養模式運行以來，地下水水位雖有明顯回升，但與開采前年平均地下水水位仍有差距，若要使區域地下水水位恢復至備用水源開采運行前的水平，熱備涵養模式仍需繼續保持運行。

2.2 水源地地下水水質分析

選取區域最北端南房村西的1號水源井和最南端趙各莊村東的8號水源井水質情況進行分析，其中淺井(1-1、8-1)取水層位為40～120m，深井(1-2、8-2)取水層為120～250m。熱備涵養模式運行以來地下水水質硬度、礦化度、硝酸鹽含量的變化特征見圖9、圖10、圖11。

圖9 備用水源熱備涵養以來地下水質硬度變化

圖10 備用水源熱備涵養以來地下水礦化度變化

圖11 備用水源熱備涵養以來地下水硝酸鹽含量變化

2015年8月深井水質指標均有突然性的上升，這是由于進入熱備涵養初期，地下水水位快速恢復上升，淺層水向深層水的越流量增加造成的，隨著熱備涵養的持續，各指標趨于穩定且有下降趨勢。每年回補期與豐水期基本重合，補給期間淺井水質指標會出現較大波動，補給期以后水質指標會出現回落(或返升)，說明補給水對地下水水質影響很大。

備用水源供水以來地下水水質硬度、礦化度、硝酸鹽含量的變化特征見圖12、圖13、圖14。

圖12 備用水源供水以來地下水質硬度變化

圖13 備用水源供水以來地下水礦化度變化

圖14 備用水源供水以來地下水硝酸鹽含量變化

地下水水質變化也可分為3個階段：第一階段為2003年8月至2009年2月，淺井硬度、礦化度、硝酸鹽含量均出現快速升高，深井水質指標也出現小幅升高，但大體能夠保持穩定；第二階段為2009年3月至2015年8月，淺井水質指標繼續升高，但升高幅度較前一階段變小，且會出現小幅度波動的現象，深井水質指標基本保持穩定；第三階段為2015年9月至2019年12月，淺井水質指標在一定范圍內出現波動，整體呈現下降的趨勢，深井水質指標也出現小范圍的波動，且整體呈現向好的趨勢。可見開采量大小直接決定了地下水水質。

2015年9月至2019年12月階段補給(降水和回補)期間淺井水質指標會出現較大波動，補給期以后水質指標會出現回落(或返升)的現象，這在前兩個階段(只有降水補給)是未出現的，說明在保持低開采量的條件下，回補水對地下水水質起到重要作用。因此，在熱備涵養模式運行中，利用較好水質的回補水，對地下水水質的改善能起到重要作用。

3 熱備涵養運行模式合理性分析及建議

3.1 熱備開采規模

不考慮地表水補水條件下，現狀10.00萬m3/d的熱備開采規模，區域淺水地下水水位年變幅在-0.2～2.8m之間，平均預計回升1.3m。即使是極枯水年，地下水水位也不至于大幅下降，另外從2017年5月、8—9月兩次短期增加至20.00萬m3/d的規模應急供水情況來看，地下水水位未出現明顯下降(見圖8)，現熱備開采規模較為合理。

3.2 涵養調蓄方案

根據南水北調水資源配置情況，南水有3種回補途徑(見圖2)。

路徑一: 在順義區內，京密引水渠從小中河分水閘放水，經小中河、牤牛河，自流至懷河、潮白河，進入牛欄山橡膠壩以上的潮白河河道，自然入滲補給地下水。

路徑二：在密云區內，密云水庫在汛期通過潮白河向下游補水，在恢復河道生態環境的同時，自然入滲補給地下水。

路徑三：在懷柔區內，京密引水渠從雁棲泄洪閘向雁棲河補水，補水時間與路徑一相同，在恢復下游河道生態環境的同時，自然入滲補給地下水。

選取雁棲河附近2眼水質監測井WR-76、WR-78和潮白河附近2眼水質監測井HJ-492、HJ-493的監測數據進行分析，2019年不同月份的水質監測情況見圖15、圖16、圖17。

圖15 雁棲河與潮白河地下水質硬度對比

圖16 雁棲河與潮白河地下水溶解性總固體含量對比

圖17 雁棲河與潮白河地下水硝酸鹽含量對比

潮白河回補區(HJ)地下水水質指標普遍高于雁棲河回補區(WR)，且水質波動較大，由此區域回補地下水，水質風險較高，不建議采用路徑二進行補水。

結合不同水文年，根據南水補水路徑和水源地壓采情況，以區域環境工程限高水位為限制條件，建立回歸模型進行預測，在現狀開采條件下共設計3種不同的調蓄方案。

方案一：平水年，將0.5億m3/a的南水沿路徑一引至牛欄山橡膠壩以上潮白河河道，主要恢復漏斗中心的地下水水位。預計補水到2028年底，漏斗中心水位可達-1.6m，水位上升4.0～7.0m。

方案二：豐水年，將1.0億m3/a的南水沿路徑一引至牛欄山橡膠壩以上潮白河河道，將0.5億m3/a的南水利用路徑三引入雁棲河。預計補水到2028年底，回補區周圍最大升幅達20.9m。

方案三：枯水年，無補給水源，保持現狀。到2028年底，區域最低水位-9.3m，相比初始時刻，水位下降10.3m。

4 結 論

a.開采量大小是備用水源地下水水位和水質變化的最主要因素；在保持低開采量的條件下，回補水對地下水水位回升和水質改善起到了重要的作用，利用較好水質的回補水是很有必要的。

b.建議保持10.00萬m3/d的開采量熱備運行，平水年將0.5億m3/a的南水沿路徑一(京密引水渠小中河分水閘—小中河—牤牛河—懷河、潮白河—牛欄山橡膠壩以上潮白河河道)補給地下水；豐水年將1.0億m3/a的南水沿路徑一、0.5億m3/a的南水沿路徑三(京密引水渠雁棲泄洪閘—雁棲河)補給地下水；枯水年無補給水源，保持現狀。預計至2028年底，可取得較好的地下水涵養效果。

c.備用水源自實施熱備涵養運行 模式以來，地下水水位有明顯升高，地下水質趨勢向好，熱備涵養取得了較好的效果。但必須注意的是，地下水水位、水質與備用水源開采前仍有著不小的差距，此模式需繼續保持運行。懷柔應急備用水源地工程熱備涵養運行模式可對其他相似地區的地下水開采和回補起到一定的借鑒作用。