北京市潮白河地下水库建库条件与方案建议

欧志亮

（北京市水文地质工程地质大队，北京 100195）

北京市潮白河地下水库建库条件与方案建议

欧志亮

（北京市水文地质工程地质大队，北京 100195）

北京市潮白河冲洪积扇分布有大中型地下水源地10余座，区域地下水位持续下降，含水层腾出了巨大的储存空间，在此建设地下水库储蓄南水北调水和本地地表水，可提高北京市应急供水能力、增强水资源可持续利用能力、改善地质环境。本文以潮白河冲洪积扇为研究对象，论述了潮白河地下水库建设的地质条件、回灌水源、地下水人工补给方式等基本条件，研究了地下水回灌的工程模式、能力与调蓄方案。结果表明，潮白河地下水库可建设怀柔应急与水源八厂两个回灌工程，理论入渗能力可达136 m3/s，调蓄方案实施一年，库区地下水位可上升5～15m，储存量可增加4.8×108m3，资源、环境效益十分明显。

潮白河地下水库；人工补给；地下水数值模拟

0 引言

地下水库是利用地下天然储水空间兴建的具有拦蓄、调节和利用地下水流作用的一种水利枢纽（李旺林等，2005）。利用地下水库对水资源时空分布进行人工调节，可提供水源、改善保护生态环境、实现水资源可持续利用。1889年美国开始进行地下水人工补给的实施研究，20世纪30年代地下水人工补给工程逐步得到推广（李砚阁，2007）。20世纪50年代后为满足城市供水和保护环境，多个国家开始兴建地下水人工补给工程，利用含水层建设地下水库的思想逐步成熟：美国实施了含水层储存和回采工程（ASR），建设了150多个ASR工程（费宇红等，2006）；荷兰提出建设人工回灌和出水系统ARPS（Artificial Recharge-Pumping Systems），用于城市供水和防止海水入侵（Jonoski et al，1997）；以色列利用渗透池将洪水回灌地下用于夏季使用。1964年日本提出了利用地下水坝建设地下水库的设想，并修建了世界上第一座地下坝地下水库，1972—2000年兴建了10余座地下坝地下水库（Jha et al，1998）。瑞典、荷兰、德国、巴西、英国等均有工程建设。我国利用含水层进行地下水人工补给研究较晚，20世纪50年代末，上海开始人工补给地下水增加地下水量和控制地面沉降的工作，北京、天津、陕西、浙江相继进行人工补给的试验和实践；70—80年代，我国地下水库研究逐步发展成熟，在山东、新疆、辽宁、贵州等地修建了多处地下水库（杜新强等，2005；朱思远等，2008）。

北京市是我国北方缺水典型城市，地下水是城市供水的主要水源，每年开采量达26×108m3左右。地下水的大力开发特别是持续干旱年份的高强度开采，造成地下水持续亏损，地下水位持续下降形成降落漏斗，水源地供水能力衰减（北京市地质矿产勘查开发局等，2008）。北京市潮白河冲洪积扇中上部地区分布有水源八厂、怀柔应急及当地众多水源地，可利用其水文地质条件建设地下水库，抓住南水北调契机对水资源调蓄，提高地下水供水能力，有效修复地下水环境（崔瑜等，2009）。地下水库是一个系统工程，本文系统阐述了潮白河地下水库建设的回灌水源、引水调度、储存空间、回灌方式、开采条件，计算了地下水库库容空间；根据野外调查和回灌试验结果，分析了回灌入渗能力，结合南水北调针对性地提出了潮白河地下水库人工回灌工程与地下水水源地开采调整的调蓄方案，并进行了数值模拟预测，为潮白河地下水库工程前期论证和建设提供设计依据。

1 区域概况

潮白河冲洪积扇位于北京东北部，包括密云、怀柔、顺义平原地区及通州部分地区，属暖温带半湿润大陆性季风区气候，多年平均降水量625mm左右，降水年际差别大、年内80%集中在7—9月份，常出现连续丰水年或枯水年。区域北部为山区，平原地形由北向南倾斜，坡降1‰～2‰。地表河流主要是潮白河、怀河、小东河等，河流上游分布有密云、怀柔、大水峪、北台上等水库。

区域第四系由河流冲洪积作用形成，岩性为卵砾石、砂及粘性土，厚度由北部山前十余米向南部增加到300余米，顺义后沙峪地区的第四系沉积中心厚度大于600m。从冲洪积扇顶部到平原含水层由单一、2～3层结构砂卵砾石逐渐变化为多层砂，地下水类型由单一潜水转化为潜水和承压水。区域地下水接受山前侧向、河流入渗、降水入渗和灌溉回归补给，向东、东南径流；地下水排泄以开采为主，有侧向流出和少量潜水蒸发。

2 地下水库建设条件分析

2.1 水文地质条件与库容空间

潮白河地下水库位于北京市顺义区县城北部的潮白河冲洪积扇中上部，南起向阳闸，北至山前，东、西均以二级阶地前缘为界，面积约415km2，水库边界范围见图1。

潮白河地下水库东北、北、西北边界为山前坡洪积物，岩性混杂，透水及储水性差；东、西边界处于潮白河二级阶地前缘，与一级阶地连通性差，可视为相对隔水边界；南边界为向阳闸—马辛庄一带，是地下水流出区，岩性变细，过水断面变窄，含水层厚度变小，实为一相对阻水屏障；地下水库底界北部为基岩，南部埋深90～100m处分布着厚度大于15m的稳定的粘质砂土、砂质粘土层，为相对隔水边界。

图1 潮白河地下水库范围图Fig.1 Distribution range of Chaobai River groundwater reservoir in Beijing

地下水库区域第四系沉积物厚度变化较大，地下水库东北部和中部地区小罗山、平头地区基岩埋藏较浅，甚至出露地表，西部怀柔王化至彩各庄一带，基岩埋深大，第四系沉积厚度达335m。区域含水层岩性以砂卵石、砂砾石为主，顺义河南寨、怀柔范各庄一线以北含水层为单层砂卵石厚度40～90m；沙坞—牛栏山—庙城一线以北含水层为2～3层砂卵砾石，累计厚度20～50m；牛栏山以南顺义地区含水层为多层砂砾石夹砂结构，累计厚度40m左右（图2）。库区砂卵砾石埋藏浅，一般3～5m或直接裸露地表，地下水补给条件好，单井出水量一般大于5000m3/d。20世纪80年代潮白河地区建设了北京市水源八厂，区域地下水进入大规模开发阶段，其后陆续建设了区县水厂、怀柔应急等水源地。1999—2008年，受连续干旱、怀柔应急水源地启动等影响，地下水补给量减少、严重超采，区域地下水持续下降，怀柔杨宋—顺义北小营形成面积255km2的地下水降落漏斗，漏斗中心地下水位埋深达44m（北京市水文地质工程地质大队，2011），水源八厂、怀柔应急等水源地供水能力出现不同程度下降，水源八厂供水能力衰减了70%以上，怀柔应急供水能力衰减了25%左右。

图2 北京潮白河水库水文地质剖面图Fig.2 Hydrogeological cross-section in Chaobai River groundwater reservoir of Beijing

地下水位的下降为地下水调蓄提供了巨大的空间，以1983年地下水位作为地下水库最高限制水位，以2010年地下水位为现状水位，运用公式（1）计算潮白河地下水库调蓄空间为25.2×108m3。

式中：V为调蓄库容；i为水位变动的分区编号，n为总分区数；μi为第i分区含水层的给水度；Fi为第i分区的面积；Δhi为第i分区的1983年与2010年的水位差。

2.2 调蓄水源

潮白河地下水库具有丰富的调蓄水源，调蓄水源包括地表水库水、雨洪水及南水北调水等。

潮白河水系总流域面积1.9万km2，山区面积占87%，北京境内潮白河流域面积5688 km2。主要河流潮河、白河、怀河、沙河、燕栖河上游修建有密云密云、怀柔、大水峪、北台上、沙厂、黄松峪、西峪等大中型水库水库，库容总量达45.8×108m3，防洪库容为19.7×108m3。潮白河地下水库所在密怀顺地区为北京市降雨中心之一，潮白河水系流域山区面积大、汇水条件好，形成了丰富的地表水资源，例如1980—2005年密云、怀柔、大水峪、北台上以及沙厂水库共向河道内弃水39.12×108m3，年均弃水1.32×108m3。因此，潮白河地下水库可以利用丰水期地表水人工补给地下水。

为消纳南水北调来水、实现北京水资源优化配置，北京市目前正在实施南水北调来水调入密云水库调蓄工程，主要内容是将南水北调来水通过京密引水渠反向输水逐级加压经怀柔水库至北台上倒虹吸，由新建的北台上—密云水库管线、溪翁庄泵站调水至终点密云水库。工程实施后调水最大流量20m3/s，其中团城湖—怀柔水库段流量20m3/s，怀柔水库—密云水库段流量10m3/s。因此，南水北调水可有10～20m3/s的水量可以通过怀柔水库、密云水库放水作为潮白河地下水库的调蓄水源。

2.3 地下水人工补给方式与入渗能力

（1）人工补给方式

北京市地下水人工补给的方式有河道、砂石坑、大口井、辐射井等。潮白河地下水库区河流水渠密布，在河流两侧历史采砂形成了数量众多、面积大的砂石坑，未衬砌的河床及砂石坑砂卵石裸露，可以作为地表水入渗的回灌场地，同时河流渠道又可作为输水的渠道。据2012—2013年调查，潮白河地下水库库区未衬砌河床长度达82.8km，可蓄水2.6×108m3；可回灌地下水的砂石坑有21个，分布面积421×104m2，回灌方式分布见图3。

图3 潮白河地下水库回灌方式分布图Fig.3 Distribution of artif cial recharge ways in Chaobai River groundwater reservoir

（2）入渗能力

20世纪90年代后北京市严重缺水，不具备大规模回灌试验的条件，可以利用历史回灌试验的数据，确定目前河道、砂石坑、大口井的入渗能力。20世纪70年代开始北京市在潮白河冲洪积扇开展过大量的回灌试验工作，主要有：1974—1980年潮白河密云—苏庄闸河床入渗试验，放水4.9×108～6.9×108m3的情况下河床入渗量达1.47×108～1.88×108m3；1985—1986年东坝头至向阳闸段潮白河回灌试验，水库放水量小于15 m3/s时，地表水全部入渗；1985年京密引水渠南干渠回灌试验，试验渠长3600m，入渗量为9.87×104m3/d。1984年在密云城南潮河河床中进行砂石坑回灌入渗试验，砂石坑平均入渗能力为1.081m3/s。

利用上述试验数据，通过对比河道长度、面积、衬砌情况及砂石坑底面积、侧面积、蓄水深度的试验数据和调查现状数据，结合第四系含水层岩性分析，采用类比法确定了潮白河地下水库人工补给方式的理论入渗能力，见表1与表2。

表1 潮白河地下水库河道理论入渗能力Tab.1 Theoretically recharge capacity of riverways in Chaobai River groundwater reservoir

3 地下水人工补给工程建议方案

根据不同的输水方式、调蓄目的及库区水文地质条件，潮白河地下水库可将各回灌方式进行组合，建设回灌工程进行地下水的人工补给。潮白河地下水以小罗山—牛栏山可分为潮白河冲洪积扇和怀河冲洪积扇，以此界线为界，可建设2个回灌工程：怀柔应急回灌工程、水源八厂回灌工程，工程位置见图4。

（1）人工补给工程I

工程利用京密引水渠、怀河与水库泄洪渠引密云水库、怀柔水库、大水峪水库等地表水和南水北调水，进入沙河、燕栖河、牤牛河及附近砂石坑进行回灌，目的是增加怀柔应急及怀柔区水源地供水能力，做好应急战略储备，提高城市应急供水能力。将该区域的回灌方式进行组合，据表1和表2成果计算工程方案总理论入渗能力为9.17m3/s。

表2 潮白河地下水库砂石坑理论入渗能力Tab.2 Theoretically recharge capacity of riverways in Chaobai River groundwater reservoir

图4 地下水人工补给工程分布图Fig.4 Groundwater artif cial recharge project distribution map

（2）人工补给工程Ⅱ

潮白河冲洪积扇顶部地区潮白河河道全部衬砌，河道中段第四系存在较为连续的粘性土层，不利于回灌水的入渗，因此工程Ⅱ利用潮白河、潮河总干渠引密云水库、沙厂水库地表水和南水北调水，进入小东河及附近砂石坑进行回灌，目的是增加水源八厂、顺义地区水厂水源地供水能力，恢复地下水资源量，改善环境。该区域回灌方式组合后，据表1和表2成果工程方案总理论入渗能力为69.18m3/s。

4 建议调蓄方案与效果

2014年底南水北调全面向北京供水，北京市可利用南水北调的契机进行水资源的回灌，调整开采格局，恢复地下水资源量，改善地质环境状况。南水北调水将改变潮白河地区地下水的供水格局，怀柔应急水源地应当关停涵养，市水源八厂可适度减采减少北京市供水水量；同时为消纳丰水期的本地地表水和南水北调水，潮白河地下水库可进行水资源的回灌人工补给地下水。因此，根据南水北调水的配水量、水源地开采调整、本地水库弃水量设计调蓄方案：南水北调水20m3/s，分别以10m3/s调入回灌工程I和Ⅱ河道，回灌时间为每年3—11月；本地水库弃水量取1980—2005年平均弃水量，即1.32×108m3；怀柔应急停采，停采量为30×104m3/d，水源八厂减采为2000—2010年开采量的一半，停采量为14.8×104m3/d。

利用区域水文地质资料建立潮白河地下水库的Visual modflow数值模型，利用2010年地下水位作为初始水位进行对调蓄方案进行模拟预测，预测期为1年。预测的水位对比图显示，在水源地调整开采、水资源回灌条件下，潮白河地下水库地下水出现了大面积的地下水位上升，最大上升幅度在10～15m（图5）。

对该区地下水进行均衡分析，模型范围内地下水储存量增加3.2×108m3，实施调蓄对地下水资源的恢复起到了良好的作用，干涸河道的输水将形成沿河生态走廊，对区域生态环境改善起到积极作用。

图5 地下水库调蓄方案水位变幅图Fig.5 The water level variation map of groundwater reservoir project

5 结论

作为北京市重要的供水水源地和应急水源地分布地，潮白河地下水库的建设和水资源调蓄，对于南水北调后，北京市水资源合理配置、城市供水保障、供水安全及环境改善，具有重要的意义。潮白河地下水库可将南水北调水、地表水，通过本区河渠引入库区的河道、渠道及砂石坑，进行地下水资源的人工补给。针对怀柔应急、水源八厂及密怀顺地区地下水源地的供水能力恢复，潮白河地下水库可建设怀柔应急和水源八厂2个地下水人工补给工程，工程理论入渗能力达78.35m3/s。利用南水北调水、地表水库进行回灌，同时停采怀柔应急水源地开采、水源八厂开采减少开采，潮白河地下水库地下水水位大面积上升，最大上升15m，地下水储存量增加3.2×108m3，极大恢复该区地下水资源亏损情况，带来了较好的资源和环境效应。建议进行人工补给工程的专门论证，实施工程建设，实现潮白河地区水资源的可持续利用，保障城市供水和地区生态文明。

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Suggestions on the Conditions of Building the Chaobai River Groundwater Reservoir in Beijing

OU Zhiliang
(Beijing Institute of Hydrogeology and Engineering Geology, Beijing 100195)

There are more than 10 large-medium well felds for pumping groundwater for water treatment plants in the Chaobai River alluvial fan of Beijing. In this area, a huge storage space has been produced due to sharply decline of water table w ith the massive exploitation of groundwater. The construction of the Chaobai River groundwater reservoir can enhance the emergency water supply capacity, increase the sustainable utilization capacity of water resources, improve the geological environment in Beijing. Taking the Chaobai River alluvial fan as the research object, the basic conditions of building groundwater reservoir are analyzed in the paper such as hydrogeological conditions, recharge water source, and artif cial replenishment mode. The recharge engineering model, the capacity and storage plans on groundwater reservoir are studied as well. The result demonstrated that two artif cial recharge projects of Huairou emergency and Bachang water source on the Chaobai River groundwater reservoir can be constructed, the inf ltration capacity in theory is 136 m3/s. Executing recharge plans for a year, groundwater level can be improved 5 to 15m, and storage capacity can be increased 4.8×108m3. Resources and environment benef t is obvious.

The Chaobai River groundwater reservoir; Artif cial recharge; Groundwater numerical simulation

TV623

A

1007-1903（2017）02-0007-06

10.3969/j.issn.1007-1903.2017.02.002

欧志亮（1967- ），男，本科，工程师，从事地下水资源开发利用、工程地质与环境地质工作，E-mail：Lr88858321@sina.com。