北京地下水源地可持续开发利用对策研究

张景华，范久达，许 海（.北京市地质工程勘察院，北京 00048；. 北京市地质工程设计研究院，北京 0500）

北京地下水源地可持续开发利用对策研究

张景华1，范久达2，许 海1
（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）

本文对北京市现有主要市属地下水源地（怀柔应急水源地、第八水厂牛栏山水源地、平谷应急水源地、水源三厂水源地、张坊应急水源地）多年开采动态进行调查。调查表明伴随多年干旱及地下水超采，上述水源地综合开采能力呈逐年下降趋势，2012年日供水能力合计约91×104m3/d，较设计初期衰减了46% 。其中，井布局不合理是张坊应急水源地供水能力的制约因素；其他水源地均为第四系水源，衰减原因为区域地下水位大幅下降，导致滤水管出露。为了保障水源地可持续开发，本文结合南水北调进京后新的供水形势，进一步提出了水资源回补涵养及洗井等保障措施。

水源地供水能力；可持续开发利用；对策

0　前言

北京市是国际上为数不多的以地下水作为主要供水水源的大都市，地下水资源一直肩负保障城市供水安全的重任，对保障社会经济发展具有十分重要的作用。北京市现有水源地多建设于20世纪50—80年代，其水源井结构是根据当时水文地质条件和水厂供水规模设计的。1999年开始北京遭遇连续十多年干旱；同时，伴随城市发展需水量逐年加大，为了保障城市供水，区域地下水超采严重，造成地下水位持续下降，水厂部分浅井相继报废，水厂供水能力大幅衰减。需水量的增加和供水能力的衰减矛盾给北京城市供水提出了新的挑战。

2014年底南水北调进京后，将缓解区内供水紧张局势，给区内地下水资源的涵养带来机遇。为提高首都地下水资源战略储备、保障城市供水安全、维护首都社会和经济稳定发展，本文结合南水北调进京的新形势，通过开展北京市主要水源地现状供水能力调查，提出恢复、保障水源地供水能力及可持续利用的措施建议。

1　地下水供水历程

北京城市供水在建国初期以地表水为主；伴随城市的发展，到20世纪80年代开始以地下水为主。

起步阶段。北京市地下水源地集中开采供给的历史开始于1937年，在东直门外凿井取水建成第一自来水厂，日供水量5×104m3，供水人口50万人。1949年5月安定门第二自来水厂建成投产，日供水能力达到8.62×104m3；至1949年，北京市共有机井123眼，开采地下水803×104m3。

规模开采阶段。新中国成立以后用水量急剧增加，开始了大规模的地下水开发。北京城区1956年建成万泉寺第四自来水厂，1958年建成花园村第三自来水厂，1959年建成酒仙桥第五自来水厂，1964年建成马家堡第七自来水厂，1973年建成丰台水厂，1978年建成南苑水厂，1979—1982年建成牛栏山第八自来水厂。20世纪80年代地下水开采规模达到24.4×108m3/a，地下水在城市供水中起到主导作用。

应急供水及河北调水阶段。1999年开始北京市遭遇历史罕见连续枯水年份，地表水剧减。为缓解城市供水危机、保障供水安全，2001年开始先后建设了怀柔、平谷、昌平马池口、房山张坊4个应急地下水源工程，增加日供水量80×104m3/d。此外，自2011年7月，利用南水北调中线京石段总干渠，从岗南、黄壁庄、王快、安格庄4座大型水库，每年共调水2.1～2.8×108m3/a进京。

2012年全市总供水量为35.9×108m3，其中地下水占57%，地表水占14%，再生水占21%，河北应急调水占8%（图1）。

图1　2012年北京市供水水源统计饼图Fig.1 The chart of water supply source of Beijing in 2012

2　水源地供水能力调查

本次工作调查了北京主要市属水源地（第三水厂、第八水厂、怀柔应急、平谷应急和张坊应急水源地）的多年地下水开采动态。调查表明，现状日供水能力合计90.6×104m3/d（表1），较总设计衰减了46%。

2.1牛栏山水源地与怀柔应急水源地

第八水厂牛栏山水源地和怀柔应急水源地均位于潮白河冲洪积扇中上部，含水层较厚、富水性强。

（1）牛栏山水源地

牛栏山水源始建于1978年，是北京建成的最大地下水水源地。水源井沿潮白河东岸呈北东向展布，南起牛栏山桥，北至韩辛庄，原建18对37眼井，井深60～80m，设计日供水能力48×104m3/d，取第四系孔隙水。自2005年开始先后更新200m左右的深井30眼，目前供水井共51眼。

表1　北京市主要市属水源地现状供水能力规模（2012年）Tab.2 The present water supply ability of the main municipal groundwater source fields of Beijing（2012）

投产初期，1980年正式投产，年开采量达4128×104m3/a，1981年增加到1.08×108m3/a；稳定开采期，1982—2003年均开采量约1.5×108m3/a；衰减期，主要受怀柔应急水源地启动及1999年以来的连续枯水影响，自2004年后，供水量严重下降（2014年开采1.12×108m3/a）（图2）。

图2　第八水厂多年开采量动态图Fig.2 The chart of multi-year exploitation dynamic of the Eighth Water Plant

2012年牛栏山水源地开采量为0.39×108m3/a，日均开采量约为11×104m3/d，相比设计衰减了77%。

（2）怀柔应急备用地下水源地

怀柔应急备用地下水源地为北京地区最大的应急后备水源，设计日供水能力33.5×104m3/d。水源井沿怀河、沙河和雁栖河两岸成倒“人”字分布，共21组42眼深（250m）浅（120m）结合井。

2003年8月30日正式并网供水，至2005年 8月31日，成功完成了设计两年的供水任务合计2.41×108m3。由于持续干旱，为了保障北京城区供水，继续开采至今2012年怀柔应急水源地开采8351.88×104m3/a（图3）。

目前，联合日供水量约30×104m3/d，其中怀柔应急水源地23.5×104m3/d，较设计衰减了29.8%。

图3　怀柔应急水源地及潮白河—怀河水源地多年开采量柱状图Fig.3 The chart of multi-year exploitation dynamic of Huairou emergency water source field and Chao-Huai River Water Source field

2.2第三水厂水源地

第三水厂水源地位于永定河冲洪积扇的上中部的海淀区四季青一带，始建于1958年。经几次扩建，现共有水源井107眼（第四系井64眼，基岩井43眼），设计地下水日供水能力达39×104m3/d。

水源地开采经历了开采层位由浅至深，由单一含水层开采至多个含水层联合开采供水的几个历程：①60m以上浅层水开采阶段：1958年建设初期到1990年，三厂水源井总数达53眼，日总供水能力29×104m3/d；②增采60～100m浅层承压水和岩溶水开采阶段：进入20世纪90年代，需水量不断增加而浅层地下水水质不断恶化，1997年再次进行扩建，新建16眼110m第四系井、10眼基岩井，日总供水能力39×104m3/d；③增采120m以下深层承压水和岩溶水开采阶段：伴随地下水位的下降和浅层水水质不断恶化，2005年进行了第三次扩建，新建4眼井深250m第四系井、15眼600m基岩井。

目前，三厂地下水开采以100m以下第四系深层承压水和奥陶系岩溶水为主。2011年开采量8554.18×104m3/a（基岩水3345.57×104m3，第四系水5218.61×104m3），水厂日供水量约23×104m3/d，较设计衰减了41%。

2.3平谷应急水源地

平谷应急水源地由王都庄水源地与中桥水源地构成，位于蓟运河冲洪积扇中上部。其中，王都庄水源地最早建于1993年，共19眼第四系井，井深70～132m，设计日开采量为16×104m3/d；中桥水源地水源井2005年建成，其中10眼深120～180m第四系井，9眼深600～800m基岩井，设计日开采量为11.4×104m3/d。

平谷应急水源地自2004年8月正式向北京城区供水，2006—2008年平谷应急水源地的年均供水量维持在8519×104m3/a；随后几年王都庄水源地的供水能力呈下降趋势。见图4。

图4　平谷王都庄和中桥应急水源地多年供水量动态图Fig.4 The multi-year exploitation dynamic of Wangduzhuang and Zhongqiao emergency water source field of Pinggu

2012年平谷应急水源地总供水量为7709×104m3/a。其中，王都庄水源地供水量为4477×104m3/a，较2006年（6460×104m3/a）衰减了31%；中桥水源地供水量为3232×104m3/a，近几年供水能力未出现明显衰减，日供水量基本维持在8.5×104m3/d左右。

2.4张坊应急水源地

张坊应急水源地位于拒马河山前区，开采蓟县系雾迷山组岩溶水，为目前北京地区最大的岩溶水应急水源地。从2006年开始运行，经扩建，目前水源井总数达60眼，井深在200～400m，井间距离50～100m左右，设计日供水能力可达20×104m3/d。

2006年供水量650×104m3/a；之后地下水开采量逐年加大，2013年总供水量为3984×104m3/a，日最大供水量15×104m3/d。经过多年应急开采，张坊水源地单井出水量及地下水位均未出现明显下降（图5）。地下水位呈现年内动态变化大、水位恢复迅速等两大特点，即3—5月枯水期，由于开采造成的水位降深在6—8月雨季到来后，得到快速回补（图6）。

由于区内地表水资源相对丰富，岩溶地下水补给快，具有一定开采潜力。供水实践表明：水源地的日开采量维持在10×104～13×104m3/d时，水位相对稳定；超过13×104m3/d，易引起动水位大幅下降。

3　衰减原因及应对措施

3.1影响衰减因素

根据国内外大量抽水试验资料分析表明，影响水源井出水能力的主要因素可归结为区域水文地质条件、水井结构两方面。其中，区域水文地质条件主要包括：含水层富水性（岩性、厚度、渗透性等）、地下水位等；水井结构主要包括：成井结构（井径、滤水管长度、滤水孔眼直径、孔隙率）、滤水管堵塞及淤积程度等。具体影响因素为：①含水层富水性（杨庆华，1994）：在砂卵石粗颗粒地层中，渗透性好且含水层较厚，则出水量大；反之出水量较小。②水位下降幅度（张焕智，1989）：对开采潜水的浅井，伴随水位下降，滤水管逐渐外露，有效过水断面减少，导致水井出水量下降；对开采深层承压水的深井，水位下降导致地下水压力水头降低，单井出水量也有下降，但相比潜水影响相对较小。③地层坍塌：在成井过程中或水井涌砂未及时处理情况下易出现上部坍塌，从而封闭原有的含水层。④成井结构：如井径（地质部水文地质工程地质第一大队，1964）、滤水管长度（张惠昌，1989；邱樹杭，1965）、孔眼直径、孔隙率等，对于建设初期的水井出水量影响较大。⑤滤水管淤积：水中含沙量过多，经长时间沉淀后，下部滤水管淤积掩埋。⑥滤水管腐蚀与堵塞：化学腐蚀与结垢是相互伴生的。井壁化学腐蚀产生的沉淀易堆积于滤水管缝隙处；当地下水中Ca2+、Mg2+含量过高时，易生成沉淀物（水垢），也会充填缝隙，造成滤水管堵塞（高藏英，2009）。

图5　张坊应急水源地月开采量与水位埋深动态曲线Fig.5 The monthly exploitation dynamic and water depth of Zhangfang emergency water source field

图6　张坊应急水源地月降水量与水位埋深关系图Fig.6 The monthly precipitation dynamic and water depth of Zhangfang emergency water source field

根据上述因素，分析北京市主要水源地出水能力衰减的原因。北京市主要水源地位于强富水区，根据对其开采-水位动态资料分析，2012年底，八厂牛栏山水源地水位埋深达47m，原60m浅井的滤水管外露率约80%，基本停用；三厂水源地区内水位埋深24m左右，原60～70m浅井近50%的滤水管外露，单井出水量较成井初期衰减了60%以上；怀柔应急水源地深120m井的单位出水量随着水位下降也出现降低趋势，2012年由于水位下降造成水源地55%浅井的滤水上端外露，出水量较开采之初衰减明显（图7）。

因此，对于北京市4个主要市属水源地（怀柔应急、第八水厂牛栏山水源地、平谷应急、水源三厂水源地），水井出水量衰减的主要原因是地下水位大幅度下降，改变了水文地质条件；而滤水管的淤积、腐蚀和堵塞对井出水量的影响较小，可以通过机械洗井措施在短时间内很快修复。另外，张坊岩溶水应急水源地的井间距较小，井的布局不合理是造成井间水位干扰较大的主要因素。

3.2水源地可持续利用对策

水源地的可持续开发利用，受区域水资源质量和水源井取水能力（井结构、取水设备）两大因素的限值。针对北京5个主要市属水源地水文地质条件、井结构、存在的问题等不同，从以下两方面分别采取对应的措施，以保障可持续利用。

（1）资源回补涵养措施

南水北调进京后，可充分利用南水北调来水的富裕水资源，选择合适的回补场所和回补方式，开展地下水的人工回补（张志永，2014；张景华，2015）。各冲洪积扇地下水调蓄模式如下：

潮白河冲洪积扇：上游地下水入渗条件好、水质较好、储存空间大，可作为南水北调余水优先选择回灌区。建议在京密引水渠附近沙河上游段开展地下水人工回补；同时，怀柔应急水源地和第八水厂牛栏山水源地应适当减采，尽快恢复区内水资源。

永定河冲洪积扇：位于北京城区西部，浅层垃圾分布较多，且城区地下建筑较多，为了环境及安全等问题，应控制地下水位过高。建议在上游选择合适区域采取少量的人工回灌和水源地减采相结合的方式，涵养当地地下水资源，恢复三厂供水能力。

蓟运河冲洪积扇：泃河、洳河上游汇水条件好，入渗能力较大，是地下水回灌的优良场地。在平谷应急水源地减采的基础上，适当开展地下水调蓄，提高水资源储备。

（2）工程措施

第三水厂和第八水厂水源地：因区域水位下降，导致浅井基本停用，建议采取钢丝刷、拉活塞、捞砂等机械洗井方式，清洗水井多年运行中形成的水垢、铁锈和井底沉砂（高藏英，2009），待区域水位恢复后，作为未来水源备用井使用。

怀柔和平谷应急水源地：因水源井建成年代较晚，水井设计较深。近年来，伴随区域水位的大幅下降，出水量出现一定程度的衰减，但均能正常供水。建议也采取钢丝刷、拉活塞、捞砂等机械洗井方式，对水源井进行清垢、清淤洗井，恢复水源井的出水能力。

张坊应急水源地。岩溶地下水补给条件好，多年运行期间地下水基本处于动态均衡状态。建议针对该水源地井距布局不合理的问题，结合区域水文地质条件，开展水源井干扰抽水试验，结合试验结果，进一步优化水源井的合理布局。

4　结论

（1）伴随多年干旱及持续超采，北京市地下水位持续下降，大部分市属水源地的供水能力发生衰减。通过对第三水厂、第八水厂、怀柔应急、平谷应急和张坊应急水源地的多年地下水开采动态进行调查，现状日供水能力合计约92×104m3/d，较设计总量衰减了46%。其中，第三水厂水源地、第八水厂牛栏山水源地的现状供水能力衰减程度较严重（分别为41%、77%）；怀柔应急水源地、王都庄水源地衰减程度适中（分别为30%、16%）；中桥水源地及张坊应急水源地，开采多年来供水能力未出现明显衰减，其中张坊地区岩溶水具有补给条件好、水位恢复迅速的特点，具备一定开采潜力。

（2）目前，近十几年来地下水位大幅度下降——水文地质条件的改变是导致第四系水源井出水量衰减的重要因素；而水井结构设计的局限性、布局不合理等是限制水源井可持续供水的人为因素。

（3）需结合南水北调进京后区域供水水资源条件的变化，采取资源回补涵养和洗井等相关措施，提高北京市第四系水源地的供水能力。

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

［2］张焕智. 管井出水量与降深、井径关系的研究［J］.勘察科学技术，1989，7（5）：42～46.

［3］地质部水文地质工程地质第一大队. 北京地区一九六三年不同井径与涌水量关系试验研究年度报告［R］. 1964.

［4］张惠昌，白凤龙. 兰州市马滩水源地大厚度含水层滤水管有效长度的研究［J］. 勘察科学技术，1989（2）：1～5

［5］张惠昌. 大厚度含水层“有效带”和滤水管合理长度的探讨［J］. 兰州大学学报（自然科学版），1989，25（3）：118～123.

［6］邱樹杭. 大厚度含水层中钻孔涌水量与滤水管长度关系的初步研究［J］. 地质学报，1965，45（4）：461～472.

［7］高藏英. 提高供水井出水量的有效措施［J］. 中国高新技术企业，2009，125（14）：24～25.

［8］张志永 焦剑妮. 地下水库回灌对地下水开采能力影响［J］. 南水北调与水利科技，2014，12（6）：127～131.

［9］张景华. 南水北调进京后怀柔应急水源地地下水资源涵养研究［J］. 城市地质，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

张景华（1987- ），女，硕士，工程师，主要从事地下水资源评价研究。E-mail：jinghua.as@163.com