北京密怀顺水源地最高水位预测定量分析研究

孙毅力 郭晓光 于鸿坤 魏 宁 甄 振

（北京市勘察设计研究院有限公司，北京 100038）

0 引言

美国、荷兰等国家很早就开展利用地表水补给地下水的工程实践，取得了较多成功经验。北京是国内最早开展地下水补给试验的地区，自20世纪70年代开始，北京地区曾在永定河、潮白河冲洪积扇中上部地区开展过地下水库人工调蓄试验[1]。2015年以来，随着南水北调进京，北京开始逐渐缩减地下水的开采量，并利用永定河、潮白河等对地下水进行回补，以涵养水源地，地下水水位急剧回升，如2015年至今，潮白河影响范围内的怀柔梭草村观测孔潜水水位上升约28 m。

未来一段时间内，北京密怀顺水源地区域地下水减采、南水北调及河道补水将持续进行，区域地下水水位变化特征对地下结构工程的影响，尤其对抗浮设防水位的确定有待进一步研究。

工程建筑抗浮设防水位的确定涉及所在区域的气象、水文和工程地质条件，需要结合工程的具体情况进行分析[2]，目前地下水远期最高水位预测主要采用历史最高水位法，数值分析方法和基于宏观数据反演方法等[3]。历史水位并不等于远期水位，只能代表地下水动态规律的“过去时”，无法预测地下水动态规律的“将来时”；数值分析方法需要大量资料和数据作为建模分析的支持，并且模型需要根据最新数据实时更新；基于宏观数据反演方法是根据地下水位监测数据生成等值线图和动态曲线图，以识别影响地下水位的主要影响因素，然后利用类比法，找出未来影响因素和当前影响因素之间的换算关系，最后将未来影响因素作为预测输入条件，实现远期最高水位的预测，该方法是以大量实测数据分析为基础的，具有可靠性，但同时又是一种对数据样本依赖性较强的半经验方法[4−5]，该种方法在北京地区的永定河及潮白河区域单一含水层区域有较好的应用。

本文针对北京密怀顺单一含水层区域，从较大时间尺度上，分析不同时期地下水位动态变化情况，探讨压采、补水等人为因素对地下水位的影响，运用数据反演分析方法进行远期最高地下水位定量预测分析，对区域内建筑工程抗浮设防水位的合理确定以及基坑地下水控制工程具有一定的指导意义。

1 研究区概况

密怀顺水源地位于北京市东北部的密云区、怀柔区和顺义区行政区域内（见图1），其地势由北向南倾斜，坡降0.1% ～0.2%。北部狭窄，西北部、北部和东北部三面环山，东、西均以二级阶地前缘为界，南部开阔、平坦。研究区为目前北京市重点建设工程区，怀柔科学城位于该区域，它是北京建设具有全球影响力的科技创新“三城一区”主要平台之一，是国家批复的北京怀柔综合性国家科学中心的核心承载区，承载国家战略，肩负国家使命。2017年9月8日，北京怀柔科学城以怀柔区为主体，并拓展到密云区部分区域，建设规划由原41.2 km2调整到100.9 km2，规划出“一核四区”的空间功能布局，发展潜力巨大。

图1 研究区地理位置

2 区域气象条件

研究区属暖温带型半湿润气候区。春季干旱，多风沙；夏季受海洋气团影响，温暖湿润；秋季风轻气爽，冷暖适宜；冬季受西伯利亚干冷气团控制，寒冷干燥。从历年降水量资料看(1977年−2019年)，研究区内最大年份降雨量高达948.3 mm，最小年份仅300.1 mm。年际降水量分布极不均匀，区内多年平均年降水量为619 mm，其中20世纪80年代相对少雨，年均降水599 mm；90年代整体降水偏多，1990年−1998年年均降水696 mm，1999年−2009年降水量持续偏少，年均降水量为521 mm，2010年−2019年降水量明显回升，年均降水量为635 mm。

3 地层概述

研究区内发育的地层主要为第四系松散沉积层和白垩系、侏罗系、寒武系沉积岩、火山岩以及燕山期侵入岩。

3.1 第四系

研究区第四系沉积物主要由潮白河冲洪积作用形成，广泛分布于平原和山间沟谷，沉积物粒径自北向南呈现由粗到细的变化规律，沉积层次由单一层逐渐过渡为多层。第四系厚度从山前向平原由薄变厚，其中北部怀北镇地区厚度为20～50 m，雁栖镇−西田各庄镇地层厚度为80～100 m；中部安各庄村地区厚度为200 m，南部北房镇地区厚度大于250 m；杨宋镇一带厚度达350 m左右。

3.2 白垩系(K)

出露于怀柔水库四周、雁栖镇一带，地层岩性主要为紫色安山岩。

3.3 侏罗系(J)

区内该系地层分布于第四系之下，主要由灰黑、紫红色或黄褐色安山岩，安山集块岩、安山角砾岩、安山质凝灰岩及玄武岩等火山岩组成。

3.4 寒武系(∈)

区内该系地层主要为灰黑色、灰白色、黄灰色豹皮灰岩，夹有薄层板岩及页岩，出露于下辛庄、石厂一带，在杨宋庄东南一带下伏于第四系。

3.5 燕山期侵入岩(γ)

以肉红色或黄褐色花岗闪长岩为主。岩石成分以长石、石英、云母为主，并含角闪石等暗色矿物。其分布范围：密云区西田各庄镇−怀柔区北房镇−怀柔镇，占研究区内平原基底的绝大部分。

4 水文地质条件

研究区位于潮白河冲洪积扇的上部，属潮白河−蓟运河−温榆河地下水系统的次级子系统，地下水以单一潜水为主，由北向南含水层结构为单一卵砾石变为多层结构，属于相对独立的水文地质单元[6]（见图2）。区内分布有潮河、白河、潮白河、雁栖河、小中河和怀河等河流。

图2 研究区水文地质剖面

天然条件下研究区地下水总流向大致由东北流向西南。主要接受大气降水入渗补给、侧向径流补给、地表水体补给(包括河渠入渗、水库渗漏等)和灌溉入渗补给。排泄方式主要有侧向径流和人工开采，区内大部分地区以农业为主，灌溉需水量较大，水源地地下水开采显著，以农业灌溉和水源地人工开采为主要排泄方式。多年来，受人工开采和地下水回补影响，区域地下水位变化较大。

5 地下水位动态特征及影响因素分析

通过分析地下水位动态规律，了解地下水位变化与各种自然及人为因素(开采、补水等)造成的补排量变化之间的关系，确定影响地下水位动态的主要因素。人为开采及生态补水是地下水位动态变化的主要因素，根据地下水开采及生态补水特征，将研究区分为4个特征时期进行分析。

5.1 地下水均衡期（20世纪60年代−70年代末）

20世纪60年代北京市地下水开采量小，地下水系统处于水均衡状态，潜水的水位动态受开采影响较小，地下水水位动态主要受河渠渗漏和大气降水影响，水位年变幅在2～3 m。

5.2 地下水超量开采期（20世纪80年代−2003年）

从20世纪80年代始，随着社会发展的需要，地下水人工开采量逐年增加，地下水位开始出现缓慢下降趋势，自1999年开始，下降速率明显加大（见图3）。

图3 潜水水位年动态曲线(1979年−2003年)

（1）1980年北京市水源八厂水源地建成，设计供水能力4.8×105m3/d，多年平均开采量4.1×105m3/d，地下水开采量大幅度增加，造成区域地下水水位下降；

（2）1985年−1999年，北京市开展水资源管理并采取多种措施控制地下水开采量，区域地下水水位下降趋势减缓，局部地区地下水水位有所回升，地下水水位保持相对稳定；

（3）1999年−2003年，随着1999年以来北京地区遭遇连续多年干旱，降水量明显偏少，开采量增加，造成密怀顺区域地下水位持续下降，位于研究区的监测点自1999年以来年均降幅约为2.0 ～2.5 m/a。

5.3 怀柔应急水源地影响期（2003年−2015年）

2003年怀柔应急水源地投产，其供水历程主要分为以下三个阶段[7−9]：

第一阶段：设计供水阶段（2003年8月−2005年8月），水源地于2003年8月30日正式运行，至2005年8月31日，安全稳定运行2年，日均供水量33.5万 m3，设计阶段总供水量为2.41亿 m3，成功完成了设计供水任务。

第二阶段：减量续采阶段 （2005年9月−2015年8月），2006年应急水源地进入续采年份以后，年开采量呈逐年下降趋势，2009年水源地年总开采量为7204.44万m3，较2004年−2005年均开采1.2亿m3减少了近40%。

截至2015年8月底，怀柔应急水源地已累计开采12年，累计供水量已达11.15亿m3，年均开采9292万m3/a，在首都供水任务最艰巨的时刻，发挥了应有的作用。

第三阶段：热备涵养阶段（2015年9月至今），2014年12月，南水北调工程通水进京，北京市水资源供需紧张局面得到极大缓解。鉴于怀柔应急水源地已发挥到了极致，急需涵养恢复。但是为了应对中心城区的突发供水事件，该水源地不能完全停采，需保持少量开采的热备运行状态，以保证其始终具备应急开采能力。怀柔应急水源地于2015年9月7日正式按照10万m3/d左右的开采规模进入热备涵养期。

2003年 −2015年，怀柔应急水源地的开采，造成区域地下水下降幅度较大（见图4）。

图4 潜水水位年动态曲线(2003年−2019年)

2003年 −2010年，研究区内的监测井地下水水位急剧下降，基本呈线性特征，地下水水位累计下降约25～30 m，地下水位的下降速率约为3.0～4.0 m/a；2011年 −2015年，研究区的总开采量减少，但区域地下水水位仍呈缓慢下降趋势，地下水水位累计下降约2～5 m，下降的速率约为0.4～1.0 m/a，明显小于2003年 −2010年间的下降速率。

5.4 生态补水影响期（2015年至今）

2015年以后，大气降水量基本继续在多年平均值上下，但随着南水北调水进京，水源开始试验性地向密怀顺地区引水回灌，利用潮白河、怀河和雁栖河对地下水进行回补以涵养水源地。

2015年−2019年每年都进行生态补水， 2018年补水量最多，2016年补水量相对较少[10]（见表1)。补水期间区域地下水位呈明显回升态势，每次补水后呈现出前期速率较快；停止放水后水位达到最高值，并开始逐步回落，逐渐呈现平缓的趋势，累计上升约15～28 m，上升的速率约为3.7 ～5.0 m/a（见图4）。

表1 2015年−2019年潮白河区域地下水回补情况

6 潜水最高水位预测

2015年8月是区域地下水减采及生态补水的时间转折点，地下水位开始由下降逐步转为上升趋势。因此可将该时间潜水水位做为基准，考虑怀柔应急水源地、水源八厂等其他水源地开采量的减少以及“生态补水”工程等人类活动的影响，进行密怀顺水源地潜水远期最高水位预测分析。

6.1 水源八厂等水源地减采影响

1980年水源八厂水源地正式投产后，引起地下水超量开采，导致密怀顺水源地的水位持续下降，1979年−2003年间区域地下水位累计下降约15～25 m。

2007年，密怀顺水源地引潮入城0.35亿 m3，水源八厂开采0.90亿 m3，农业机井开采3.2亿 m3，其它开采0.6137亿 m3，除怀柔应急水源地外的年总开采量为5.06亿m3，多年来开采规模基本一致。按照北京市总体水资源管理政策和城市化进程的发展，未来北京市地下水压采和地下水涵养将成为常态，农业机井及其他开采均将进一步减少[11−12]。

假设密怀顺水源地水源八厂、农业机井及其他开采减少40%考虑，减采量约2.0亿m3/a，推算由此引起的潜水水位上升幅度ΔH1。

式中：Δh1为1980年8月−2003年8月水位的累计下降量，m。

6.2 怀柔应急水源地减采影响

2003年8月至2015年8月，怀柔应急水源地累计开采地下水约11.15亿m3，年最大开采量1.2亿m3，年均开采9292万m3／a，导致研究区地下水位整体下降约27～35 m，水源地于2015年9月7日正式按照10万m3/d左右的开采规模进入热备涵养期，远期地下水受怀柔应急水源地的影响逐渐减小，推算未来由怀柔应急水源地减采引起的潜水水位上升幅度ΔH2。

式中：Δh2为2003年8月−2015年8月水位的下降量，m。

6.3 生态补水工程实施影响

2014年以来因南水北调中线沿线配套工程的总体建设进度相对落后，致使中线工程通水初期北京市可引进水量比其原计划分配量要多，未来南水对密怀顺水源地的补水会常态化，但补水规模不会超过2019年。

通过分析2015年−2019年生态补水后区域地下水位动态曲线与补水量关系，建立生态补水量与地下水升幅的拟合关系，预测因生态补水引起的地下水升幅ΔH3。

以距潮白河较近的梭草村观测孔（见图5）为例，建立2015年以来生态补水量与观测孔地下水升幅的拟合关系（见图6）。

图5 梭草村观测孔位置

图6 生态补水量与梭草村观测孔地下水升幅拟合关系

6.4 潜水最高水位预测

综合考虑未来水源八厂等水源地减采、怀柔应急水源地热备涵养以及生态补水常态等人为因素影响及水位年变幅，通过叠加法定量预测研究区潜水最高水位标高H。

式中：H1为2015年8月潜水水位标高，m；ΔH1为水源八厂水源地等其他开采量减采引起的水位升幅，m；ΔH2为怀柔应急水源地减采引起的水位升幅，m；ΔH3为生态补水引起的水位升幅，m；ΔH4为水位年变幅（水位年变幅按3 m考虑）。

7 结论与讨论

（1）通过分析多年来区域地下水位变化情况及主要影响因素，可将研究区地下水水位动态特征分为4个阶段：地下水均衡期（20世纪60年代−70年代末），地下水水位动态主要受河渠渗漏和大气降水影响，水位年变幅在2～3 m；地下水超量开采期（20世纪80年代−2003年），地下水人工开采量逐年增加，地下水位下降明显，区域地下水位累计下降约15～25 m；怀柔应急水源地影响期（2003年−2015年），受怀柔应急水源地影响，地下水位下降剧烈整体下降约27～35 m；生态补水影响期（2015年至今），2015年−2019年生态补水后区域地下水累计上升约15～28 m，上升的速率约为3.7 ～5.0 m/a。

（2）2015年8月是区域地下水减采及生态补水的时间转折点，地下水位开始由下降逐步转为上升趋势，可将该时间点潜水水位标高作为基准，进行密怀顺水源地潜水远期最高水位预测分析。

（3）通过分析2015年−2019年生态补水后区域地下水位动态曲线与补水量的关系，建立了补水量与地下水升幅的拟合关系，可预测因生态补水引起的地下水升幅。

（4）未来水源八厂等水源地进入限产期、怀柔应急水源地进入热备涵养期以及生态补水常态化，推算各个因素影响下地下水水位的上升幅度，通过在基准水位的基础上，运用叠加法进行区域地下水最高水位定量预测分析，研究成果可为该地区抗浮设防水位合理确定及深基坑地下水控制工程提供指导和参考。该方法需要持续跟踪北京市总体水资源管理政策和城市化进程的发展需求，修正区域水源地的压采量及生态补水量。

（5）密怀顺水源地区域最高水位预测分析需要搜集研究区不同时间序列的水位观测数据，主要是1980年、2003年、2015年 −2019年等关键时间节点的水位数据，方法简单，易于操作。针对场地的最高水位研究可用文中的方法进行定量分析，也可以建立水文地质模型，进行高水位预测。