北京张坊岩溶地下水库联合调蓄研究

王小松，杨利锦，许 海，欧志亮（. 北京市地质工程勘察院，北京 00048；. 北京市水文地质工程地质大队，北京 0095）

北京张坊岩溶地下水库联合调蓄研究

王小松1，杨利锦1，许 海1，欧志亮2
（1. 北京市地质工程勘察院，北京 100048；2. 北京市水文地质工程地质大队，北京 100195）

北京张坊岩溶地下水库位于北京市房山区，属半开放式山前浅埋岩溶地下水系统，其补给条件好。文章应用多种技术手段，对区域构造应力场、水动力场等进行综合对比分析。研究结果表明，张坊水源地地区是一个相对独立的岩溶地下水库，区内岩溶水的分布明显受构造控制，富水性不均匀。拒马河自西北向东南纵穿整个水源地，为地表水和地下水的联合调蓄创造了条件。区内拒马河平均年径流量在五渡以上为7800×104m3/a，地下水可采资源为2330×104m3/a，年内最大可调蓄库容为4690×104m3/a。张坊应急水源地和拒马河河水具备联合调蓄条件，二者结合可满足年平均供水1～1.2×108m3/a。

岩溶地下水库；地表水；地下水；联合调蓄

0　研究背景

北京地区降水具有时空分布不均、丰枯交替出现特点，造成区域水灾、旱灾频繁，水资源供需矛盾突出。解决水资源分布不均的途径一般是通过工程措施调蓄水资源，传统方法有二：一是利用地表水库，包括江河湖泊等天然地表水体和修建地表水库；二是建设集中地下水源地，利用地下库容，实现地下水开采与地表水回灌涵养的联合调蓄（张永波，2001；林学钰，1984）。但地表水库直接与外界环境接触，水量受降水量的影响波动较大，水质易污染，水资源的保护难度大。与地表水库相比，地下水库或地下含水层是利用天然含水层储存空间来调蓄水资源，具有储存空间大、资源量大、多年调蓄能力强、水质相对稳定、蒸发损失小、建设投资小等优点（杜汉学等，2002；杜新强等，2008）。国内外诸多工程实践表明，地下水库是调蓄水资源的最有效手段（向华龙，2003；Told D K.，1980；Fetter C W.，2001；戴长雷等，2003；罗伯特P阿姆布罗格，1995；杜新强等，2008）。

张坊岩溶水源地是目前北京地区建成的最大的岩溶水源地，受下游断裂构造及侧向岩脉控制，形成了相对独立的岩溶地下水库。区内岩溶裂隙发育，含水岩组厚度大，地下水易采易补。拒马河从水源地穿过，河水与岩溶地下水联系紧密，具备地表水和地下水联合调蓄供水条件，为地表水和地下水联合调蓄研究提供试验基地。

1　区域水文地质条件

房山地区地处华北平原西北边缘，太行山脉北部。区内地层发育比较齐全，以蓟县系和长城系碳酸盐类岩石为主，硅镁含量高，性脆，可溶性稍差，在内外地质应力作用下，溶蚀现象不均匀，裂隙普遍发育，接受大气降水补给。岩溶裂隙发育，发育有大量溶洞。岩溶水的补给来源主要有大气降水入渗补给；地下水排泄主要包括地表流出、人工开采和向下游径流（图1）。

2　张坊岩溶地下水库特征

2.1张坊岩溶地下水库边界的确定

综合区域地质、水文地质条件，圈定张坊岩溶地下水库边界如下：

（1）北部以蓟县系洪水庄组（Jxh）为界，岩性为页岩、板岩，呈条带状，为隔水边界。

（2）东北部以圣水峪-罗家峪地表分水岭为界，为隔水边界；向东南延伸经轩辕寺至方正村为界，为侧向补给边界。

（3）西部以煌斑岩脉为界，为隔水边界。

（4）南部以牛口峪-长沟断裂为界。牛口峪-长沟断裂为逆断层，断裂南段东南侧南部为石炭-二叠系页岩和砂岩，北部为寒武-奥陶系灰岩。逆断层阻水作为隔水边界。

图1　项目区基岩地质构造图Fig.1 Geological structure of bedrock in the project area

2.2张坊岩溶地下水库开采动态

综合对比张坊应急水源地月开采量（地下水）、月降水量和地下水位埋深关系，由于应急水源地的开采量的变化，引起区内地下水排泄量的变化，从而导致地下水位年内出现大幅波动（图2）。年内1—3月份张坊应急水源地的开采量较小，降水量也很小，区内地下水位逐月下降。4月份开始应急水源地开采量加大，地下水位降幅在6月份达到年内最低值，最大降幅达14～15m。6月份后降水量增大，地下水位出现快速回升（图3）。

通过水位动态分析可见，地下水位受应急开采影响年内波动大，但由于其水源井分布于拒马河北岸，易得到地表水补给，随着雨季的到来，地下水开采量减少，地下水位能够较快的恢复。在枯水期通过应急开采，满足城市供水同时，腾出了地下存储空间，为丰水期地表水的回补腾出了库容。

图2　张坊应急水源地月供水量与地下水位埋深关系图Fig.2 Relationship between monthly water supply and groundwater level of Zhangfang emergency water source

图3　张坊应急水源地地下水位埋深与降水量关系图Fig.3 Relationship between precipitation and groundwater level of Zhangfang emergency water source

3　地下水与地表水联合调蓄研究

3.1调蓄条件及范围

张坊应急水源地位于山前地带，岩溶裂隙含水层为蓟县系雾迷山组白云岩，直接隐伏与第四系之下。第四系厚度仅几米到20多米，主要为砂砾石，颗粒粗大，渗透性好。其北部为山区，基岩直接出露，接受大气降水补给，东部、南部和西部均为相对隔水边界。受地形、地层和构造控制，形成一个相对对立的岩溶地下水库。

拒马河自张坊岩溶地下水库西北测流入，河道内砂卵石直接出露，入渗能力强。据河道监测资料显示，拒马河河水流出五渡后，向下游一般至山前在丰水期会出现地表径流，枯水期基本全部入渗。近年来由于连续干旱，第四系孔隙水基本已疏干，河水到下游平原区很快入渗补给地下水，河道的入渗能力很强。区内具备地表水和地下水联合调蓄的条件。

区内现有水利工程包括胜天渠和张坊应急水源工程2处（图4），其中胜天渠自五渡拦蓄坝引水，至下寺村蓄水池与张坊应急水源汇合，联合给北京西部企事业单位供水。每年1—6月枯水期，由于拒马河来水减少，需要通过张坊应急水源地供水来弥补胜天渠供水量的不足。

图4　水利工程和水文站分布图Fig.4 Distribution of water conservancy projects and hydrological stations

3.2地表水资源量分布特征

区内地表水与地下水存在相互补排关系，在山区河床深切，低于地下水位，地下水向河流排泄；进入平原后，河床抬升，高于地下水位，河水补给地下水。

据张坊水文站监测资料，1998—2005年拒马河年均流量为1.36×108m3，其中最大2.84×108m3（2008年），最小0.38×108m3（2005年），2006年五渡地区胜天渠拦蓄坝加高，截留了大部分河水，年取水量为约8600×104m3。导致2007年1—7月拒马河下游断流。2012年3—6月拒马河张坊站为断流，7 月21日暴雨后，流量突增，月均流量达到57.2m3/s（合计1.53 ×108m3）。在丰水期，拒马河河水丰沛，是区内地下水的主要补给资源。

3.3 张坊岩溶地下水库调蓄库容

调蓄库容指现状开采条件下已疏干潜水含水层的储水空间。调蓄库容计算公式：

式中：V—调蓄区库容（m3）；H—含水层疏干厚度（m）；F—含水层面积（m2）；μ—含水层给水度。

根据区域数值模型计算，研究区地下水多年平均补给资源量为6910×104m3，总排泄量6074.4×104m3。张坊应急水源地按照6.4×104m3规模开采，年开采量维持在2332×104m3，区内地下水位基本维持动态均衡。开采量增加至10×104m3，区内地下水位将出现大幅下降，降幅将达到15m左右。按照12×104m3规模开采，区内地下水位降幅18～30m，消耗地下水储存资源约2000×104m3。

经过模拟计算，控制地下水位下降至深35m，张坊岩溶地下水库年调蓄库容4690×104m3；地下水位下降至60m时，张坊岩溶地下水库年调蓄库容为7300×104m3。

3.4地表水和地下水联合调蓄能力评价

张坊岩溶地下水库为一相对独立的、山前半开放式地下水库。拒马河与区域岩溶地下水水力联系密切，补给条件好，年内相互补给和调蓄功能强。张坊应急水源地的开采，加大了区内地下水资源的开采量，进而也激发了拒马河水与岩溶地下水的补给。根据区域地下水数值模型分析研究，控制地下水位降深15m以内，张坊岩溶地下水库年调蓄库容2330×104m3，可以满足日供水6.4×104m3的开采规模；控制地下水位降深35m以内，张坊岩溶地下水库年调蓄库容4690×104m3，可以满足日供水12.8×104m3的开采规模，停采后经过1个丰水年回补后地下水位可以恢复至多年平均水平。

区内地表水资源相对比较丰富，据监测统计资料，2008—2010年拒马河平均年径流量在五渡以上为7800×104m3/a，五渡截流后，五渡下游年平均年径流量为4296×104m3/a，该水量基本可以满足张坊水源地的应急开采。

综合分析，区内具备地表水和地下水联合调蓄条件，拒马河与张坊岩溶水源地联合调度，可满足年供水1～1.2×108m3/a。

4　结论

张坊岩溶水源地地处房山山前，受地层、构造控制，在张坊地区形成一个相对独立的山前半开放式岩溶地下水库。区内地表水资源相对丰富，地表水和地下水水力联系紧密，具备地表水和地下水联合调蓄条件。张坊应急水源地的枯水期加大开采以弥补地表水资源的不足，同时腾出地下空间，在丰水期很快能够得到回补。张坊岩溶地下水库的均衡调蓄能力2330×104m3/a；应急开采条件下，年可调蓄库容为4690×104m3/a。拒马河年均可调度量为7800×104m3/a，二者联合调度，可满足年供水1～1.2×108m3/a。

［1］张永波. 水工环研究的现状与趋势［M］. 北京：地质出版社，2001.

［2］林学钰. 论地下水库开发利用中的几个问题［J］. 长春地质学院学报，1984，14（2）：113～121.

［3］杜汉学，常国纯，张乔生，等. 利用地下水库蓄水的初步认识［J］. 水科学进展，2002，13（5）：618～622.

［4］杜新强，李砚格，冶雪艳，等. 地下水库的概念、分类和分级问题研究［J］. 地下空间与工程学报，2008，4（2）：209～204.

［5］向华龙. 论天然地下水库的开发和利用［C］. 中国水利学会2003年学术年会论文集：106～109.

［6］Told D K. Groundwater Hydrology［M］. New York∶ John Willey & Sons， 1980∶ 353～356， 458～488.

［7］Fetter C W. Applied Hydrogeology［M］. New Jersey∶Pren-tice-Hall Inc.， 2001∶ 511～541.

［8］戴长雷，迟宝明. 地下水库调蓄能力分析［J］. 水文地质工程地质，2003，（2）：37～40.

［9］罗伯特P阿姆布罗格，刘立明译. 控制水循环的地下水库［J］，地下水，1995，17（3）.

［10］杜新强，廖资生，李砚阁，等. 地下水库调蓄水资源的研究现状与展望［J］，科技进步与对策，2005，2：178～180.

Study on United Regulation-storage of the Zhangfang Karst Groundwater Reservoir in Beijing

WANG Xiaosong1， YANG Lijin1， XU Hai1， OU Zhiliang2
（1.Beijing Institute of Geological and Prospecting Engineering， Beijing， 100048； 2. Beijing Institute of Hydrogeology and Engineering Geology， Beijing 100195）

The Zhangfang karst groundwater reservoir is located in Fangshan district， Beijing. It is a semiopen shallow buried karst-water system and has good recharge conditions. The regional tectonic stress field and groundwater dynamic field were analyzed by varied methods. The research results show that a relatively independent karst groundwater reservoir has been formed in Zhangfang， where the distribution of karst-water is apparently dominated by geological structure， and the water yield property distributes unevenly. Also， the Juma River， which runs through the Zhangfang karst groundwater reservoir from northwest to southeast， provides good conditions for regulation-storage between surface water and groundwater. The average annual flow of the Juma River above Wudu is 7800×104m3/a， and the average annual groundwater that can be exploited is 2330×104m3/ a， and the largest regulation-storage capacity is 4690×104m3/a. Zhangfang emergency water source can be jointed with the Juma River surface water， and can reach annual total water supply of 1×108～1.2×108m3/a.

Karst groundwater reservoir； Surface water； Groundwater； United regulation-storage

P641

A

1007-1903（2016）01-0026-04

10.3969/j.issn.1007-1903.2016.01.006

王小松（1982- ），男，硕士研究生，工程师，主要研究方向为水文地质与环境地质。电子邮箱：wangxiaosong6560@126.com