南水北调进京后怀柔应急水源地地下水资源涵养研究

2015-01-28张景华范久达李世君

城市地质 2015年2期

张景华，范久达，李世君

（1.北京市地质工程勘察院，北京 100048；2.北京市地质工程设计研究院，北京 101500）

0 前言

北京市怀柔应急备用地下水源地，位于北京市东北部潮白河冲洪积扇的中上部，怀柔区庙城－高两河、北房－高两河－南年丰一带，作为北京最大的应急备用地下水源地，肩负着在连续干旱年和突发事件下城市供水不足时，通过应急供水以缓解城区供水紧张局势的重任。该水源地设计年供水能力1.2亿m3，共包括21对42眼深浅结合水源井，其中浅井深度为120m，单井设计出水量1.1万m3/d；深井深度为250m，单井设计出水量0.5万m3/d。设计开采方案为“开2养3”[1]。该水源地在2003年8月30日至2005年8月底完成了2年的设计供水任务后，鉴于连续干旱，为保障城区供水一直续采至今。至2013年底累计供水9.87亿m3，为缓解北京地区的水资源紧张局势作出了巨大贡献。同时，由于连年干旱和应急开采，水源地地区地下水位出现大幅下降，水资源亏损严重，水井出水量也出现衰减[2～4]，给水源地的可持续开采、运行管理等带来了诸多难题与挑战。

2014年底南水北调工程通水进京，将给北京地区的水资源带来机遇和挑战——北京地区的供水紧张局势将得以缓解，地下水资源将通过减采和人工回补等方式进行恢复涵养；但长距离的输水存在诸多不安全隐患。为了应对南水进京后的突发供水事件，地下水仍将作为保障城市供水安全的战备资源。因此，作为北京市最大的地下应急水源工程，怀柔应急水源工程应始终保持“应急供水”的能力，具备随时启动供水的功能。本次研究结合南水北调水源进京的机遇，开展水源地区域地下水资源涵养研究工作，旨在恢复并维持其应急供水能力，提高当地地下水资源战略储备，保障首都供水安全。

1 水源地地下水资源综合评价

1.1 应急水源地开采动态

怀柔应急备用地下水源地自2003年8月底启用，至2005年8月总供水量2.41亿m3，完成了设计开采2年的供水任务后，根据北京市城市供水的需求续采至今[2]。

由于连续干旱和长期超负荷运行，2008年后怀柔应急水源井单井出水量出现较大幅度的衰减。为了保证北京的城市供水安全，2009年2月怀柔应急水源地与潮河-怀河水源地实现了并网，开始联合供水。

2010年以来，怀柔应急水源地供水量较稳定，联合后总供水基本稳定在30万m3/d左右，其中怀柔应急水源日供水23.5万m3/d。2013年，怀柔应急水源地供水量为7557万m3/a；潮白河-怀河水源地供水量1893万m3/a（图1）。截至2013年12月底，怀柔应急水源地累计总供水量达9.87亿m3；潮河-怀河水源地累计供水量1.089亿m3。

1.2 地下水动态及水资源均衡分析

从地下水位多年动态曲线可见（图2）：随着10年多的应急开采，应急水源地附近水位也在逐年下降，水位由开采初期约27m（埋深16m）下降至2013年底的约0m（埋深44m）。具体为：开采初期2004～2008年，水源地水位下降幅度最大，年均降幅达4m以上；2009年以后应急水源地与潮白河-怀河水源地并网运行，开采量较前期减小（图1），水位年降幅1～3m，明显小于前两年的降幅；2011～2013年由于区域降水量偏丰，地下水补给量增加，水源地水位降幅变缓，2013年底较上一年度水位局部有所抬升。

图1 怀柔应急水源地及潮-怀水源地多年年开采量柱状图

北京市自1999年至2010年连续10年干旱，加之应急水源地运行10多年，区域地下水资源出现逐年亏损。据统计，1999年连续10余年干旱以来，至2013年底怀柔平原区地下水资源累计亏损约12亿m3，年均亏损约0.8亿m3。

图2 专门观测孔地下水位年际动态曲线图

2 地下水调蓄涵养研究

2014年底南水北调水进京后，将替代部分本地地下水开采量，同时南水北调余水还能用于回灌，补充地下水亏损，提高当地地下水的战略储备[5]。

本文结合南水北调进京契机，从“人工回补”和供水系统“热备运行”两方面开展当地地下水资源的调蓄涵养研究，为怀柔应急水源地始终保持“应急备用”功能做好资源储备和功能保障[5～6]。

2.1 地下水人工回补方案研究

本次通过对怀柔应急水源地所在的潮白河冲洪积扇进行综合地质调查，基本查明了地下水入渗补给等自然条件、城市垃圾坑/填埋场工程对可恢复水位的约束条件，为地下水人工回补方案的制定提供现实依据。经调查，怀柔应急水源地所在区为白河古河道，第四系含水层厚度大、地下水储存空间大；上游沙河、牤牛河河道内砂卵砾石直接出露，地表入渗条件好；垃圾坑分布较少；地下水质较好（图3）。综合考虑地下水环境现状、水文地质条件、河道入渗能力等因素，本文拟选择怀柔应急水源地上游的沙河和牤牛河附近作为规划回补场地（图4）。

目前地下水回渗方式最常用的有：地表入渗与井灌。经本次勘察，在局部河道段10～30m深度范围内存在粘性土弱透水层。因此本次地下水回补方式拟定为天然河道砂石坑与人工回灌井相结合的方式：拟在京密引水渠放水口以下2～5km的沙河两侧及牤牛河两侧共布置60眼大口井（50灌10备），井间距约200～500m；剩余水量沿沙河、牤牛河河道及附近砂石坑自然入渗消纳。通过计算，按每年回补3个季度（3～11月），规划入渗场内年入渗能力约为1.45亿m3/a，其中大口井回灌约1亿m3/a（据试验，单井回灌能力约6000m3/d），河道及砂石坑入渗约0.45亿m3/a。

图3 区域河道及砂石坑调蓄条件调查成果图

图4 规划入渗场位置图

2.2 热备运行方案研究

为了应对城市供水突发事件，地下水仍将作为保障城市供水安全的战备资源。怀柔应急水源地应始终保持“应急供水”的能力，其必要性主要有：若完全或长期停采，①在静水条件下井管的电化学腐蚀速度会变大，长期可能会导致水井的报废；②如遇到突发事件需紧急启动，需一定的调试时间以完成下泵、配电、检修等工序；③输水管线排空，对管道工程安全的影响目前尚未完全评估。

本文结合南水北调水源供水和北京用水的特点，制定了南水进京后怀柔应急水源地日常“稳压开采”、供水高峰期“集中开采”2种热备运行方案（表1）。

方案1，采用“稳压开采”模式。为了保障输水管道工程安全，始终处于满水压力状态，日常开启2组4眼井，按日恒定开采量2.7万m3/d开采，年开采量合计1000万m3/a。运行期间，以北支、南支、干支水源井为单元组分别进行轮换，保证在一年内所有水源井均得到一次轮换启动。

方案2，采用“集中开采”模式。由于夏季为北京市用水高峰期，供水负荷较重，为了缓解城区高峰供水压力，可在夏季供水高峰期（6～8月）启动供水模式，开启34～36眼井，日供水量20万m3/d；其他月份仅在水源地的北支和南支开启2眼井，每月开启1天，每天开采量约1.5万m3，进行热机运行，以保障输水管处于满水状态。方案2每年开采量合计1850万m3/a。

表1 南水进京后怀柔应急水源地热备运行方案拟定表

2.3 涵养方案效果预测

鉴于南水北调余水量以及用于回灌地下水量的不确定性，本文利用建立的潮白河冲洪积扇中上游（山前至顺义区向阳闸）地下水数值模型，分别预测考虑规划入渗场地下水人工回补及不考虑人工回补情况下，供水系统不同热备方案实施后的地下水位。从资源恢复效果，首推模式1“稳压开采”热备运行。应急水源地中心区水位上升幅度统计见表2。

经预测，若地下水人工回补方案实施，对于恢复和涵养地下水资源具有显著作用；加之怀柔应急水源地减采和潮白河-怀河水源地停采，与2014年底南水进京前相比，区域水位普遍抬升，且随着不同热备方案年开采量的减少，水位抬升幅度增加。方案1、2实施5年后水位分别抬升18m、16m。经统计，不同热备方案实施后，模拟区地下水均处于正均衡，方案1、2年均储变量分别约1.42、1.48亿m3/a。

表2 不同热备方案实施后应急水源地中心区水位升幅统计（m）

若不考虑地下水人工回补方案实施，由于怀柔应急水源地减采和潮白河-怀河水源地停采，区域水位也呈上升趋势，且随着不同热备方案年开采量减少，水位抬升幅度增加。方案1、2，实施5年后水位分别抬升4.8m、3.2m。由于区域地下水开采量的减少，各方案实施后模拟区地下水基本处于平衡状态，略有盈余，方案1、2的年均储变量约466、154万m3/a。

经计算，若地下水人工回补方案实施，回补实施5年内回灌水源的有效蓄水率[7]平均约80%。说明潮白河冲洪积扇具有优良的蓄水性能，若能有效进行地下水回灌，将为北京地下水战略储备发挥重要作用。