南水北调来水后北京市调蓄系统布局新思

李万智 李启升 王 雷 杨进新

（北京市水利规划设计研究院 北京 100048）

1 引言

南水北调中线一期工程是解决北京市缺水的根本性措施，2014年汛后工程建成通水，长江水将进入北京市。受水源地丹江口水库来水丰枯不均影响，进京水量存在年际年内变化大的特点，与北京市城市工业生活相对均匀的用水过程不匹配。南水北调总体规划提出新建张坊水库作为在线调节水库，同时利用密云水库作为补偿调节水库，使之与南水北调水丰枯相济，确保北京供水安全。但受规划、资金等影响，近期修建张坊水库难度很大，本文结合南水北调来水调入密云水库调蓄工程方案，分析了调整北京市南水北调来水后调蓄系统布局的可行性，提出了赋予密云水库和潮白河水源地地下水库在线调节功能，不再考虑新建张坊水库作为在线调节水库的新思路。

2 北京市调蓄系统规划情况

由于南水北调中线水源地丹江口水库来水丰枯不均，年际、年内变化大，导致供水过程不均匀，需要通过调蓄工程调蓄，使之与城市相对均匀的需水过程相匹配，实现水资源的合理配置。南水北调中线干线工程没有规划建设调蓄水库，水量调节问题需在各省市配套工程中解决。其中河南省规划利用白龟山等7座水库进行调蓄，河北省规划利用大浪淀等 10座水库进行调蓄，天津市规划利用王庆坨等5座水库进行调蓄。

针对南水北调来水存在年内分配不均及年际变化大且输水距离长、安全保证率不高等特点，北京规划采用大、中、小型多级调蓄及在线与补偿相结合调蓄的模式。

2.1 大型调蓄系统4

大型调节水库具备多年调节功能，适应南水北调来水量年际变化大、年内分配不均匀、事故及检修期停水情况。北京的大型调蓄系统包括地表水库和地下水库，其中地表水库有密云水库、拟建张坊水库，地下水库有永定河水源地、潮白河水源地、平谷水源地。

2.1.1 密云水库

密云水库总库容 43.75亿 m3，其中兴利库容35.5亿m3，防洪库容9.3亿m3，死库容4.2亿m3，水库正常蓄水位 157.5m，死水位 126.0m，汛限水位 152.0m。设计洪水位为 157.5m，可能最大洪水位为158.5m。

2.1.2 拟建张坊水库

在原 1985年《张坊水库可行性研究报告》基础上，根据拟建张坊水库库区现状、水库区域地质及地形地质建设条件、南水北调中线工程北京段首段总干渠及惠南庄泵站技术指标等综合因素考虑，初步进行了两个选址方案比选。

（1）片上坝址方案

拟建张坊水库位于房山区张坊镇片上村，坝址距南水北调管线约12km，总库容7.9亿m3，最大可调蓄库容6.09亿m3，多年平均供水量约1.26亿m3，汛后最高蓄水位 186.8m，死水位 138.0m。非汛期以调蓄南水北调水量为主，汛期维持水库设计防洪标准及调度方式，以防洪为主。

（2）千河口坝址方案

拟建张坊水库位于房山区张坊镇千河口村，坝址距南水北调管线约15km，总库容6.0亿m3，最大可调蓄库容4.35亿m3，多年平均供水量约1.23亿m3，汛后最高蓄水位186.8m，死水位138.0m。非汛期以调蓄南水北调水量为主，汛期维持水库设计防洪标准及调度方式，以防洪为主。

经初步比选，片上坝址方案可调蓄库容较大，拆迁量较多，工程量较大，投资较高，工程难度较大；而千河口坝址方案可调蓄库容相对较小，拆迁量较少，工程量较小，总投资稍低，工程难度相对较小。

2.1.3 地下水库

永定河水源地地区集中供水的有市第三水厂水源地、航天部三院水源地、石景山杨庄水厂水源地、北京大学水源地、玉泉山水源地等，此外还包括中央党校、国防大学、军科院等单位生活自备井等。其中第三水厂水源地设计供水能力达到 39万m3/d。潮白河水源地现状总的集中开采能力约 106万m3/d，目前有怀柔应急水源地与水源八厂水源地共计53万m3/d可通过既有管线向中心城供水。平谷水源地目前设计供水能力60.4万m3/d。

2.2 中型调蓄系统

中型调蓄系统要求具备多月或多日调节功能，适应南水北调来水量年内分配不均匀、短期事故及检修期停水情况，要求库容规模在1000万m3以上，可调节 10天以上供水。中型调蓄系统由大宁在线调蓄水库及怀柔补偿调蓄水库组成。

（1）大宁在线调蓄水库

在线调蓄水库是在现状大宁水库的基础上改建而成，总库容为4611万m3，最大调蓄库容3753万 m3，受汛期蓄洪影响，汛期可调蓄库容为 1006万m3。

（2）怀柔水库

怀柔水库于 1958年建成，是一座防洪、灌溉等综合利用水库，自 1960年修建京密引水渠道又成为京引的调蓄水库。由于防洪标准偏低，先后于1964年、1976年、1988年三次进行扩建，于1992年全面竣工，扩建后总库容1.44亿 m3，其中兴利库容0.655亿m3，防洪库容1.045亿m3，死库容0.085亿m3。

2.3 小型调蓄系统

具备多日调节功能，适应各水厂短期供水变化及双水源切换情况。西北：拟建团城湖调节池；东南：拟建亦庄调节池。

（1）团城湖调节池

团城湖调节池位于团城湖南侧，水面面积33hm2，调蓄容积127万m3，拟于2014年建成并投入使用。团城湖调节池工程主要任务为满足自来水厂 12~24h供水变化及双水源切换要求，并向第九水厂、第八水厂、城子水厂、燕化田村水厂及石景山水厂分配水量。

（2）亦庄调节池

亦庄调节池工程地处北京市东南部三海子东，亦庄调节池分期建设，远景调蓄容积为262.5万m3，一期调蓄容积为52.5万m3。亦庄调节池拟于2014年前建设完成。

3 大型调蓄系统存在 分析

从北京市调蓄系统规划及实施情况可知，中小型调蓄系统中除怀柔水库为现有工程设施，可直接投入使用外，其它调蓄设施随着南水北调配套工程的实施，至 2014年均可投入运行，可解决南水北调来水的多月或多日调节。大型调蓄系统虽有规划，但存在种种原因，不能实现其功能。

3.1 密云水库存在 分析

由于上游经济社会的发展，密云水库上游来水减少明显。上世纪 50年代前年平均入库水量 15.5亿 m3。50年代由于几个丰水年，年均入库水量为19.2亿m3。60年代和70年代年均入库水量为12.1和13.2亿m3。上世纪80年代以后密云水库实测入库水量大为减少，1980~2000年平均每年入库水量为7.6亿m3。尤其是1999年以来，密云水库来水继续减少，1999~2009年密云水库年均来水2.7亿m3，比多年平均相比减少了72%。

由于上游来水的减少，密云水库近年一直处于11亿m3库容以下的低水位运行，目前的蓄水量仅约10亿m3。根据南水北调总体规划，密云水库作为补偿调节水库，其补偿调节库容需不低于 17亿m3，目前的蓄水量远小于规划要求，根据近年密云水库来水条件分析，在短期内密云水库上游来水量和水库蓄水量大幅增加的可能性也不大，因此，在南水北调事故断水工况下，密云水库不足以保证北京市供水安全。

图1 密云水库来水变化图

图2 1999年以来密云水库来水变化图

3.2 拟建张坊水库存在 分析

新建张坊水库作为调蓄水库存在以下几方面问题：

（1）征地移民量大。库区大部分位于北京市房山区张坊镇及十渡镇，小部分位于河北省涞水县。现状库区内主要为十渡风景区，是中国北方唯一一处大规模喀斯特岩溶地貌，为中国国家AAA景区和中国国家地质公园。库区总淹没面积20余km2，其中涉及村庄20余个，涉及人口约3万余人（户籍人口约 1.2万人，新建住宅小区人口估算约 1.8万人）。估算征地移民补偿投资约500亿元。

（2）需要建设连接干线的大型输水工程为了发挥张坊水库调蓄作用，需要建设向张坊水库输水的加压泵站以及输水干线至张坊水库长约20km的大型输水管道。

（3）需与河北省及海委进一步协调有关事宜。张坊水库库区淹没范围包括部分河北地区，需与河北省进一步协调；同时海河流域委员会近期编制的《海河流域规划》近期并未考虑建设张坊水库。

（4）工程全部新建，工期长（约 5.5年）、投资大（工程总投资约550亿元，其中工程投资约50亿元）。

通过以上分析可知，近期修建张坊水库实施难度较大，规划利用张坊水库作为南水北调北京段的在线直接调节水库短期内已难以实现。

3.3 地下水库存在 分析

原规划中地下水源地主要作用包括两方面内容：一是遇南水北调中线干线水源地丹江口水库枯水年向北京供水量减小，南水北调来水量小于城市供水需求时，作为补偿调节水源向水厂供水，二是当南水北调事故停水工况下城市供水的备用水源。

随着城市人口的增加、工农业发展，在官厅、密云水库来水减少、地表水严重不足的情况下，对地下水的依赖程度加剧，导致对地下水开采程度大幅提高，超采严重，开采量的增加使得地下水位下降速度逐步加快，形成了大面积的地下水降落漏斗。一方面随着地下水水位下降和开采井群过密，使单井出水量衰减，另一方面，严重超采也导致地下水质的下降。

通过以上分析可知，利用地下水源地作为调蓄水库存在着开采能力不足导致供水保证率降低以及水质下降的风险。

综上所述，北京市南水北调配套工程如期建设完成后，可利用规划的中、小调蓄系统来解决月日调节和调度过程中具体工况变化的调节。而利用原调蓄规划中的大调蓄系统由于存在补偿调节库容不足、建设滞后等问题，不足以满足南水北调来水后年际年内调节，需对现有规划系统进行调整，从而能够做到与南水北调丰枯相济，保证北京的供水安全。

4 大型调蓄系统调整

4.1 调整原则

（1）遵循统筹兼顾原则。保证原规划水资源配置和水量配置方案。

（2）遵循全面规划原则。综合考虑北京市供水系统布置及联合调度运行方式，调整后的调蓄系统不改变原布置，不影响原调度运行。

（3）充分利用现有水利设施原则。充分利用北京现有的具备年际调节能力的地表、地下水库。

（4）保持原大型调蓄系统密云水库和地下水库的补偿调节功能。

4.2 拟调整方案

本次对调蓄系统的调整主要为规划中的大型调蓄系统，在保证原调蓄系统设置原则以及不影响供水系统规划的基础上进行，结合北京市南水北调配套工程总体规划、实施方案、向密云调水调蓄方案以及输水环路、调蓄系统等多个专项规划，提出以下调整：

（1）通过新建南水北调来水调入密云水库调蓄工程，在密云水库和潮白河水源地由原规划的补偿调节功能基础上增加直接调节功能，实现对南水北调来水的年际和年内调节。

（2）取消建设张坊水库。

（3）永定河水源地和平谷水源地调蓄功能维持不变。

4.3 拟调整方案调蓄条件分析

4.3.1 密云水库调蓄条件分析

利用密云水库作为南水北调来水的直接调节水库，相比于张坊水库具备以下优势：

（1）有完善的水质保护体系。密云水库作为北京重要的地表水源地，经过多年的建设，形成了水质保护工程措施和相关法律法规等完善的水质保护体系。

（2）可调蓄库容大，有能力成为南水北调的在线调节水库。密云水库总库容43.75亿m3，其中兴利库容35.5亿m3，相对于张坊水库7.9亿m3的总库容和最大6.09亿m3可调蓄库容，密云水库在调节能力上大大强于张坊水库。且目前蓄水仅约10亿m3，根据密云水库近年来水和供水情况分析，在2014年南水北调通水后，密云水库的蓄水量也不会发生大的变化，完全具备在线调节能力。

（3）有完善的供水系统。现有京密引水渠和第九水厂输水管线与城市供水系统连接，应急供水响应速度快，规模大，可向城区供水58m3/s，能够满足城区供水需求，同时也与北京市南水北调调度运行方案中南水北调事故工况下调运行吻合。

（4）密云水库区位优势好。通过新建南水北调来水调入密云水库调蓄工程将来水调入密云水库总调水扬程与张坊水库基本相当，存蓄在密云水库，全市除延庆外均可自流利用。

（5）工程投资低，工期快。相对于新建张坊水库作为在线调节水库约550亿元的工程投资和5年半的工期，新建南水北调来水调入密云水库调蓄工程利用密云水库作为在线调节水库工程投资仅约37亿元，工期也仅为2年半，可与南水北调中心干线工程同期发挥工程效益。

4.3.2 潮白河水源地调蓄条件分析

利用潮白河水源地地下水库作为南水北调在线调节水库，当南水北调来水量高于北京用水量时，通过南水北调来水调入密云水库调蓄工程将来水提升到怀柔水库后，经怀柔水库放水回补潮白河水源地地下水库存蓄；当南水北调来水不足时，利用现有的工程设施将水由水源地抽出输送至城区供水。潮白河水源地作为地下调蓄水库具有其自身的优势：

（1）地下调蓄库容大，有能力进行年际调蓄。该区现建有水源八厂水源地、怀柔应急水源地、潮白河绿化水源地等集中开采水源地，因近十多年连续干旱，大气降雨入渗补给减少，地下水开采量增加，形成多年超采，地下水位持续下降，水位埋深35~40m。目前地下库容约 25×108m3，若按现在降水及开采水平继续开采至2014年，预计2014年地下库容可达30×108m3左右。

（2）水源地保护措施完善，回灌水质有保证。通过多年的截污治污以及生态治理工程，建立健全了水源地水质保护措施。

（3）河道回灌能力强。本次选择的回灌区为自京秦铁路至牛栏山橡胶坝段长约 7km潮白河河道，目前河床多年干涸，大部分河床砂卵石直接裸露，是目前潮白河密怀顺平原地区最大的地下水降落漏斗中心区，具有天然的回灌补给地下水条件。经测算，利用河道天然回灌能力可达8~10m3/s，如增加大口井等其它人工措施，回灌能力可达20m3/s。

（4）现状水源地开采输水设施齐备，目前密怀顺水源地的总开采能力约为 106×104m3/d，向城区供水能力53×104m3/d。

通过以上分析可知，密云水库和潮白河水源地具备成为直接调节水库的各项条件，有能力作为北京市大型直接调节水库，解决南水北调来水后的年际年内调节问题，且在工程投资、建设周期、调节能力等各方面均优于新建张坊水库，该调整是可行的。

4.4 调蓄系统调整后影响分析

（1）在线调节能力加大

调整后利用密云水库和潮白河水源地进行在线调节，两座调节水库调节库容合计超过60亿m3，调节能力大大高于新建张坊水库最大调蓄库容6.09亿m3。

（2）取消建设张坊水库，节约在线调节工程建设费用。调蓄系统调整后，从对南水北调来水的在线调节角度出发，可不再建设张坊水库，一方面可节省建设张坊水库高达约550亿的工程投资，另一方面可不必面对修建张坊水库导致大量移民带来的社会稳定问题。

（3）恢复密云水库供水功能，增加北京水资源战略储备

本次调蓄系统调整是结合北京近期将要建设的南水北调来水调入密云水库调蓄工程进行，该工程计划 2014年与中线干线同步建成发挥效益。工程建成后可利用南水北调通水初期上游省市用水量小的有利时间，将约18亿m3的富裕水量调入密云水库和潮白河水源地，增加北京水资源战略储备。同时，随着密云水库蓄水量的增加，在条件成熟的情况下，可恢复其对津冀地区的供水功能。

（4）弥补地下水库亏空，改善生态环境

由于连年的超采，潮白河水源地形成的大面积的地下水漏斗，地下水位的降低也导致周边生态环境越发恶劣，将南水北调水调入潮白河水源地进行回补，一方面可弥补连年超采导致的地下水亏空，另一方面随着回补后地下水位抬升，可大大改善周边生态环境，缓解生态压力。

5 结论

（1）北京市调蓄系统布局调整后，在不改变原补偿调节水库功能的情况下，实现了密云水库和潮白河水源地的在线调节，加大了北京市南水北调来水后的调蓄能力，提高了北京市的供水保障能力。

（2）调整调蓄系统为实现南水北调、密云水库、地下水混合及联合调度创造了条件；为解决水质指标差异可能带来的相关问题创造了条件。可联合调节南水北调来水过程，应对断水事件，减小供水风险；有利于各种水源水质调配，提高供水对象用水安全；在北京市远景的水源格局中将继续发挥重要作用。

（3）利用京密引水渠反向输水分级加压将水调入密云水库和潮白河水源地，在保证渠道运行安全和输水水质安全的情况下，可对该段渠道两侧进行绿化美化，作为北京北部地区的滨河绿色生态走廊，促进区域经济社会发展。