热备涵养运行模式在怀柔应急备用水源地的应用研究

荣 倩 郝 邺 郑 瀚

(北京市京密引水管理处，北京 101400)

巨大的地下水漏斗已经成为华北地区生产、生活、生态发展的一个制约因素。作为北京地区最大的应急备用水源地[1]，怀柔应急备用水源地工程自2003年8月建成至2019年底，累计供水14.20亿m3，为首都供水保障做出了巨大的贡献。由于设计开采和续采阶段备用水源地下水开采量巨大，且区域内除降水外的补给较少，造成地下水水位下降、水质污染指标上升，开采几乎达到极限。减量开采的同时开展地下水回补是解决上述问题行之有效的方法，目前已在北京、河北、山东等地广泛应用。借南水北调水进京的契机，2015年9月，备用水源正式开启热备涵养运行模式[2]，即开采量降至10万m3/d 的热备运行，同时通过沿途生态放水涵养回补密怀顺水源地[3]。至2019年底，区域引南水回补地下水量累计41458万m3，平均地下水水位埋深30.84m，较热备涵养前平均上升了17.51m，涵养成效显著。然而，通过监测发现仍存在地下水水位波动较大、部分水质指标上升等情况。为此，通过分析备用水源各个阶段的地下水水位、水质，研究热备涵养模式运行效果和影响因素，并对现行运行模式提出合理化建议，以期对今后备用水源运行提供参考，并为相似地区运用热备涵养运行模式提供借鉴。

1 概 况

1.1 怀柔应急备用水源地工程

怀柔应急备用水源地工程(以下简称备用水源)位于潮白河冲洪积扇中西部怀河冲洪积扇上，西接怀柔水库，北靠京密引水渠，东南紧靠水源八厂(见图1)，占地面积25km2，共有21组42眼水源井和11眼观测井[4]。水源井设计为深浅结合分层对井开采，浅井井深120m，取水深度45～110m，单井开采量为1.00万～1.10万m3/d；深井井深250m，取水深度120～240m，单井开采量为0.50万～0.55万m3/d。

图1 怀柔应急备用水源地工程位置

1.2 备用水源运行模式

备用水源运行供水至今，共经历了3个阶段：

a.设计开采阶段(2003年8月至2005年8月)。备用水源设计开采方案为“采二养三[5]”，即在枯水年供水2年，之后停采涵养3年。此阶段日均供水量33.50万m3/d，总供水量为2.41亿m3。

b.减量续采阶段(2005年9月至2015年8月)。鉴于北京地区供水紧张的局势，备用水源在完成两年的设计供水任务后，并未采用“采二养三”运行模式，而是继续按照日开采30.00万～33.00万m3的规模续采至2008年底，累计供水5.92亿m3。至2009年，备用水源已接近开采极限，区域内地下水埋深由开采前的13～15m下降至40m左右。自2009年2月起，备用水源按照20.00万～23.50万m3/d减量开采，同时对水源井进行彻底清洗，并安装变频设备，在保证供水能力的前提下减少负荷，尽量维持备用水源稳定运行。

图2 南水北调水地下水回补路线

c.热备涵养阶段(2015年9月至今)。2014年底，南水北调水开始向北京市供水。借此契机，备用水源从2015年9月起开始试行热备涵养运行模式，按照10.00万m3/d 的开采规模热备运行，又通过沿途生态放水回补密怀顺水源地(见图2)。

2 运行效果分析

2.1 开采与补给分析

备用水源区域内地下水补给主要为降水和河流补给(包含人工补水)，地下水开采主要为工程机井开采[6]。2019年各月份降水量、回补量、开采量与地下水水位关系见图3、图4、图5。

图3 2019年各月降水量与地下水水位埋深关系

图4 2019年各月回补量与地下水水位埋深关系

图5 2019年各月开采量与地下水水位埋深关系

2019年上半年开采量多于下半年，且在6月达到最高；降水与回补期(3—11月)基本重合，降水与回补在8月达到最高，浅井与深井地下水水位变化趋势相似。上半年地下水水位呈现低位波动状态，即在持续开采且几乎无补给的情况下，水位下降，随着降水和回补水的到来，水位出现上升，5月、6月随着开采量增多，水位又出现下降，之后汛期再加上开采量减少，水位出现大幅回升，之后则一直保持上升状态。12月停止供水，地下水水位出现较大幅度的回升。地下水水位与降水量、回补量及开采量存在着明显的相关关系。

区域内历年降水量、回补量数据见图6、图7，各月供水量与地下水水位埋深关系见图8。

图6 备用水源区域内历年降水量

图7 备用水源区域内历年地下水回补量

地下水水位变化可分为3个阶段：第一阶段为2003年8月至2009年2月，开采量巨大，各年份降水偏少，地下水水位急剧降低；第二阶段为2009年3月至2015年8月，开采量有所减少，2011年、2012年为相对丰水年，地下水水位继续降低，但降幅较前一阶段已明显放缓，在丰水年的汛期，地下水水位会出现小幅的上升；第三阶段为2015年9月至2019年12月，开采量进一步减少，2015—2018年均为丰水年，并配合有回补水，此阶段内每年的补水期，地下水水位均会有一定程度的上升，尤其是2018年回补量最多，该年汛期地下水水位增幅达到最大，局部地下水水位上涨9m以上，2019年降水偏少，通过调蓄回补了一定的地下水，地下水水位在一定范围内波动，2019年12月开始，备用水源停止供水，地下水水位又出现了回升。可见在开采量减少的情况下，区域降水与回补对地下水回升共同起到了作用，尤其是在枯水年，回补水对地下水水位回升起到了重要作用。

图8 备用水源各月供水量与地下水水位埋深关系

值得注意的是，自备用水源开始供水起，每次停采都会出现地下水水位在一定程度上升高，复采地下水水位又回落的现象，说明开采量是地下水水位变化的决定性因素。热备涵养模式运行通过控制开采量，增加回补量的方式，对地下水水位的回升起到了较为理想的效果。

自热备涵养模式运行以来，地下水水位虽有明显回升，但与开采前年平均地下水水位仍有差距，若要使区域地下水水位恢复至备用水源开采运行前的水平，热备涵养模式仍需继续保持运行。

2.2 水源地地下水水质分析

选取区域最北端南房村西的1号水源井和最南端赵各庄村东的8号水源井水质情况进行分析，其中浅井(1-1、8-1)取水层位为40～120m，深井(1-2、8-2)取水层为120～250m。热备涵养模式运行以来地下水水质硬度、矿化度、硝酸盐含量的变化特征见图9、图10、图11。

图9 备用水源热备涵养以来地下水质硬度变化

图10 备用水源热备涵养以来地下水矿化度变化

图11 备用水源热备涵养以来地下水硝酸盐含量变化

2015年8月深井水质指标均有突然性的上升，这是由于进入热备涵养初期，地下水水位快速恢复上升，浅层水向深层水的越流量增加造成的，随着热备涵养的持续，各指标趋于稳定且有下降趋势。每年回补期与丰水期基本重合，补给期间浅井水质指标会出现较大波动，补给期以后水质指标会出现回落(或返升)，说明补给水对地下水水质影响很大。

备用水源供水以来地下水水质硬度、矿化度、硝酸盐含量的变化特征见图12、图13、图14。

图12 备用水源供水以来地下水质硬度变化

图13 备用水源供水以来地下水矿化度变化

图14 备用水源供水以来地下水硝酸盐含量变化

地下水水质变化也可分为3个阶段：第一阶段为2003年8月至2009年2月，浅井硬度、矿化度、硝酸盐含量均出现快速升高，深井水质指标也出现小幅升高，但大体能够保持稳定；第二阶段为2009年3月至2015年8月，浅井水质指标继续升高，但升高幅度较前一阶段变小，且会出现小幅度波动的现象，深井水质指标基本保持稳定；第三阶段为2015年9月至2019年12月，浅井水质指标在一定范围内出现波动，整体呈现下降的趋势，深井水质指标也出现小范围的波动，且整体呈现向好的趋势。可见开采量大小直接决定了地下水水质。

2015年9月至2019年12月阶段补给(降水和回补)期间浅井水质指标会出现较大波动，补给期以后水质指标会出现回落(或返升)的现象，这在前两个阶段(只有降水补给)是未出现的，说明在保持低开采量的条件下，回补水对地下水水质起到重要作用。因此，在热备涵养模式运行中，利用较好水质的回补水，对地下水水质的改善能起到重要作用。

3 热备涵养运行模式合理性分析及建议

3.1 热备开采规模

不考虑地表水补水条件下，现状10.00万m3/d的热备开采规模，区域浅水地下水水位年变幅在-0.2～2.8m之间，平均预计回升1.3m。即使是极枯水年，地下水水位也不至于大幅下降，另外从2017年5月、8—9月两次短期增加至20.00万m3/d的规模应急供水情况来看，地下水水位未出现明显下降(见图8)，现热备开采规模较为合理。

3.2 涵养调蓄方案

根据南水北调水资源配置情况，南水有3种回补途径(见图2)。

路径一: 在顺义区内，京密引水渠从小中河分水闸放水，经小中河、牤牛河，自流至怀河、潮白河，进入牛栏山橡胶坝以上的潮白河河道，自然入渗补给地下水。

路径二：在密云区内，密云水库在汛期通过潮白河向下游补水，在恢复河道生态环境的同时，自然入渗补给地下水。

路径三：在怀柔区内，京密引水渠从雁栖泄洪闸向雁栖河补水，补水时间与路径一相同，在恢复下游河道生态环境的同时，自然入渗补给地下水。

选取雁栖河附近2眼水质监测井WR-76、WR-78和潮白河附近2眼水质监测井HJ-492、HJ-493的监测数据进行分析，2019年不同月份的水质监测情况见图15、图16、图17。

图15 雁栖河与潮白河地下水质硬度对比

图16 雁栖河与潮白河地下水溶解性总固体含量对比

图17 雁栖河与潮白河地下水硝酸盐含量对比

潮白河回补区(HJ)地下水水质指标普遍高于雁栖河回补区(WR)，且水质波动较大，由此区域回补地下水，水质风险较高，不建议采用路径二进行补水。

结合不同水文年，根据南水补水路径和水源地压采情况，以区域环境工程限高水位为限制条件，建立回归模型进行预测，在现状开采条件下共设计3种不同的调蓄方案。

方案一：平水年，将0.5亿m3/a的南水沿路径一引至牛栏山橡胶坝以上潮白河河道，主要恢复漏斗中心的地下水水位。预计补水到2028年底，漏斗中心水位可达-1.6m，水位上升4.0～7.0m。

方案二：丰水年，将1.0亿m3/a的南水沿路径一引至牛栏山橡胶坝以上潮白河河道，将0.5亿m3/a的南水利用路径三引入雁栖河。预计补水到2028年底，回补区周围最大升幅达20.9m。

方案三：枯水年，无补给水源，保持现状。到2028年底，区域最低水位-9.3m，相比初始时刻，水位下降10.3m。

4 结 论

a.开采量大小是备用水源地下水水位和水质变化的最主要因素；在保持低开采量的条件下，回补水对地下水水位回升和水质改善起到了重要的作用，利用较好水质的回补水是很有必要的。

b.建议保持10.00万m3/d的开采量热备运行，平水年将0.5亿m3/a的南水沿路径一(京密引水渠小中河分水闸—小中河—牤牛河—怀河、潮白河—牛栏山橡胶坝以上潮白河河道)补给地下水；丰水年将1.0亿m3/a的南水沿路径一、0.5亿m3/a的南水沿路径三(京密引水渠雁栖泄洪闸—雁栖河)补给地下水；枯水年无补给水源，保持现状。预计至2028年底，可取得较好的地下水涵养效果。

c.备用水源自实施热备涵养运行 模式以来，地下水水位有明显升高，地下水质趋势向好，热备涵养取得了较好的效果。但必须注意的是，地下水水位、水质与备用水源开采前仍有着不小的差距，此模式需继续保持运行。怀柔应急备用水源地工程热备涵养运行模式可对其他相似地区的地下水开采和回补起到一定的借鉴作用。