怀柔应急水源地可持续供水与水源涵养研究

袁庆亮，任 宇，张景华（1.吉林大学建设工程学院，长春 1006；.北京市地质工程勘察院，北京 100048；.北京市京密引水管理处，北京 101400）

怀柔应急水源地可持续供水与水源涵养研究

袁庆亮1.2，任 宇3，张景华2
（1.吉林大学建设工程学院，长春 130026；2.北京市地质工程勘察院，北京 100048；3.北京市京密引水管理处，北京 101400）

怀柔应急水源地自运行以来一直续采至今，由于连续干旱和多年的超设计规模运行，导致区内水文地质条件发生了较大变化，为保证其“应急供水”的能力，具备随时启动供水的功能，结合南水北调水源进京的机遇，从资源回补涵养和供水系统的热备运行两方面开展研究工作。在综合分析区域水文地质条件和研究多年地下水动态变化规律的基础上，利用地下水数值模型对怀柔应急水源地在不同开采条件下的回补方式和效果进行模拟，拟定了南水北调进京后区域水资源人工回补方案及应急水源地的热备运行方案，并模拟预测了水源地热备运行和地下水涵养效果，为怀柔应急水源地可持续供水提供科学依据。分析结果表明：南水北调水源进京后，怀柔应急水源地可采用夏季高峰集中供水与日常保压相结合的“集中开采”方案和日常“稳压开采”方案。

水源地；数值模拟；地下水；水源涵养

0　引言

怀柔应急水源地自2003年8月30日并网运行，一直续采至今，由于连续干旱和多年的超设计规模运行，区内水文地质条件发生了较大变化。2015年南水北调水源进京后，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。在此背景下，本次研究结合南水北调水源进京的机遇，从资源回补涵养和供水系统的热备运行两方面开展研究工作，以确保水源地可持续应急供水的能力。

研究区地下水调蓄工作始于20世纪70年代，进行了潮白河入渗试验研究工作；90年代开展了南水北调中线北京段地下水调蓄工程勘察工作（北京市水文地质工程地质大队，1997）。21世纪，在南水北调中线工程实施的前提下，北京市完成了多个调蓄的综合性研究项目，由于潮白河冲洪积扇中上部是重要的调蓄区之一，各个项目均在该区域开展了研究工作。例如，2004年北京完成的《首都地区地下水资源和环境调查评价》（北京市地质工程勘察院，2004）项目论证了潮白河冲洪积扇地区地下水、地表水联合调蓄范围，计算了调蓄库容，对地下水回补可利用的调蓄水源、方式进行了调查，提出调蓄工程方案与建议，并进行了数值模拟；2007年《南水北调来水与地下水联合调度及调蓄规划方案研究报告》（北京市地质工程勘察院，2007）对地下水库可恢复空间进行了计算，分析了调蓄条件、能力，提出了水资源调蓄工程方案和优化配置、地下水开采调整方案。

综上所述，潮白河冲洪积扇中上部地区的农田水文地质勘察、城市供水水文地质勘察、地下水调蓄及相应的地下水资源评价、地下水动态监测等大量的水文地质勘查工作，取得了丰富的资料和成果，为本次工作奠定了扎实的基础。

本次工作中借鉴了北京（崔瑜等，2009）、乌鲁木齐（董新光等，2005）、大庆（高淑琴等，2007）、滹沱河（杜尙海等，2010）等区域地下水库调蓄的方案及研究方法。

1　区域水文地质条件

1.1含水层组特征及其富水性

研究区第四系含水层从北往南颗粒由粗变细，含水层由单层变多层。地下水在小罗山以北属潜水区，牛栏山以南为承压水区，两者之间为潜水—承压水变化过渡区。小罗山以北、密云康各庄一带广泛分布着单一厚层砂砾卵石含水层，厚度40～80m。小罗山向南至牛栏山，含水层一般为二至三层砂砾卵石，累计厚度20～50m；牛栏山以南顺义地区含水层以多层结构为主，岩性主要为粗中砂、细砂，累计厚度约40m。

依据地下水埋藏条件及其水动力与水质特征，结合本区的水文地质要素及开采利用条件，可将第四系松散岩类细分为：第一含水层，相当于全新统（Q4），40 m左右（主要农业开采层）；第二含水层，相当于上更新统（Q3），从40～100 m（主要水源地和自备井开采）；第三含水层，相当于中更统（Q2），主要是100 m以下（包括Q3、Q2和Q1）。

平面上研究区含水层岩性、富水性可划分为4个主区和5个亚区，见图1。区内含水层结构简单，大部分区域水位下降3m单井出水量大于5000m3/d。

1.2补径排条件

地下水主要接受大气降水入渗补给、侧向径流补给、水库渗漏、河流入渗补给、京密引水渠渗漏以及灌溉回渗补给。

研究区地下水总流向大致与盆地长轴方向平行，由东北流向西南，到顺义附近转向正南，东部径流条件比西部好，在冲洪积扇中上部地区地下径流条件比其南部地区优越。

本区第一含水层的排泄方式主要有两种。一是自然排泄，二是人工排泄。自然排泄主要是指地下水的溢出、蒸发及流向下游的地下径流。人工排泄主要是人工开采。

1.3区域地下水资源开采

区域地下水开采包括怀柔应急水源地、水源八厂水源地和当地工农业开采。

图1　含水层富水性分区图Fig.1 Water bearing zoning map

怀柔应急水源地自2003年8月30日启用，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—怀河水源地自2009年2月5日与应急水源地并网运行，至2013年12月底累计供水量1.089 亿m3。2013年两水源地开采量为0.945亿m3。

水源八厂设计日供水能力48万m3/d。1999年开始北京遭遇了连续枯水年，区内地下水位的大幅下降造成区内水源井出水能力逐年下降。2013年开采量为0.32亿m3，较设计供水量衰减了82%。

根据《怀柔区水资源综合规划报告》（2003），怀柔平原区多年平均（1956—2000年均）的地下水可采资源量为8000万m3/a。自2003年开始由于产业结构调整，地下水开采量呈逐年减小趋势，2013年开采量为0.48亿m3。

2013年怀柔平原区地下水的总开采量达到 1.42 亿m3，其中怀柔应急水源地的开采量占53%。

1.4区域地下水动态特征

依据怀柔应急备用地下水源地2014年度地下水动态监测资料（北京市地质工程勘察院，2014），利用水源地上游密云M318、中心区H8-39和下游水源八厂地区的G-8三个典型长观孔的资料来研究区域地下水位动态变化（图2）。

图2　潮白河地区地下水动态与降水量关系图Fig.2 The relationship between groundwater and precipitation map of Chaobai River area

从图中可见，1998年以前本区地下水多年处于动态平衡状态。自1999年以来，连遇连续干旱年份，使本地区地下水位逐年下降。区域地下水位年内动态变化规律为：3—6月份由于降水量少和农业开采量的加大，地下水位降速加大；6月进入丰水期，地下水位降幅变缓；10月至翌年2月为地下水位相对稳定期。

2　地下水数值模型

2.1总体概况

结合“北京市地下水库前期勘查项目”阶段性成果（北京市地质工程勘察院，2014），建模面积560km2，涵盖潮白河地下水库库区（355km2）。采用地下水模型软件Feflow对各层进行有限元离散，在河流、开采井、观测井等重要位置使用网格加密技术，共剖分三角单元144305个，节点84896个。根据资料掌握程度，模型模拟期选择2008年1月—2012年12月；并利用 2009 年至2012年的地下水源汇项资料和地下水动态监测资料，对模型进行了参数识别和验证。

2.2模式识别验证

本模型的识别与检验过程采用的方法也称试估-校正法，它属于反求参数的间接方法之一。本次利用地下水流场及典型的监测孔水位曲线进行模型验证。

验证期内潜水含水层模拟流场与实际流场对比图见图3，可见模拟潜水流场与实际流场总体流动方向相同，大部分结点水位拟合较好。此外，本次利用研究区内的20余眼长观孔的实测数据进行了观测孔水位曲线拟合验证，经统计，平均误差绝对值小于5m的观测孔占70%。因此，所建立的模拟模型基本达到模型精度要求，符合研究区水文地质条件，基本反映了地下水系统的动态特征，故可利用模型进行地下水位预测分析。

2.3区域地下水资源均衡分析

图3　2012年12月实测水位与模拟水位拟合图Fig.3 Fitting of measured water level and simulated water level in December， 2012

怀柔平原区多年平均（1956—2000年均）的地下水可采资源量为8000万m3/a。本次结合区域地下水水位多年动态观测资料和年开采量资料，利用地下水三维流数值模型，对怀柔平原区地下水资源进行了均衡分析计算。据统计，1999年连续十余年干旱以来，至2013年底怀柔平原区地下水资源累计亏损12亿m3，年均亏损约0.8亿m3。

3　怀柔应急水源地可持续供水研究

根据南水北调水源进京后的初步配水计划，2015年南水北调进京后，南水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，补充当地地下水亏损。依据怀柔应急水源地的供水实践经验，水源地的减采或停采对于水位恢复具有显著效果。根据上述计划，本文提出地下水人工回补、稳定开采、集中开采等方案，并利用数值模型对方案实施后地下水动态进行了预测，为保障怀柔应急水源地可持续供水功能及热备运行提供了科学依据。

3.1地下水人工回补方案

根据初步配水计划，2015年南水北调进京后，拟将来水调20m3/s至密怀一带，其中10m3/s调至密云水库，另10m3/s调至密怀一带回灌地下。拟定的地下水人工回补方案如下：

⑴ 规划入渗场及回补方式

综合本次野外调查成果，综合考虑地下水环境现状，包气带土壤环境、水文地质条件、河道入渗能力等因素，对比分析，本着“投资少、回补快、储存率高、水质安全”等原则，选择怀柔应急水源地上游的沙河和牤牛河附近作为拟回补场地。

⑵ 回补时段

根据市水务局南水北调进京的初步配水方案，冬季枯水期南水北调来水量较少，南水北调尾水只在春、夏、秋三季进行回灌。

⑶ 规划入渗场的入渗能力

根据规划入渗场内的河道及砂石坑分布范围，统计规划入渗场的入渗能力合计约6m3/s。其中沙河、牤牛河及其附近砂石坑的入渗能力合计约1.7m3/s；60眼回灌井入渗能力约4.17m3/s。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，河道入渗约0.45亿m3/a。

3.2热备运行方案

依据怀柔应急水源地十年来的供水实践经验，结合南水北调水源供水和北京用水的特点，优选以下2种热备运行方案，在涵养区域地下水资源的同时，保障应急水源工程的应急供水能力。

⑴ 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。热备运行期间，分别以北支、南支、干支水源井为基本单元进行轮换，保证在一年内北支、南支、干支水源井均得到一次轮换启动。

⑵ 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，为了缓解夏季城区高峰期的供水压力，应急水源地可在夏季供水高峰期（6—8月）启动供水模式，在保障城区高峰供水的同时，进行热机运行，开启34～36眼井，日供水量20万m3/d。其他月份几近停采涵养，为了维护工程安全、保障输水管处于满水压力状态，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。方案2年开采量合计1850万m3/a。

3.3效果分析

通过对不同热备方案实施后的水位进行预测，应急水源地中心区水位上升幅度及均衡计算见表1～表3。

表1　不同热备方案实施后应急水源地中心区水位变幅统计Tab.1 Variation of water level in the central area of emergency water source after different thermal preparation scheme

表2　地下水人工回补及热备方案同时实施后的地下水均衡Tab.2 Groundwater equilibrium after artificial recharge of groundwater and the implementation of the scheme

4　结论

本次研究通过对怀柔应急水源地多年监测资料综合分析，综合评价了连续干旱和应急开采影响下区域地下水资源的动态变化。结合南水北调进京后区域水资源的供给方式的变化，拟定了南水北调进京后区域水资源人工回补方案及应急水源地的热备运行方案，并模拟预测了水源地热备运行和地下水涵养效果，为怀柔应急水源地可持续供水提供科学依据。

［1］北京市水文地质工程地质大队. 南水北调中线北京段地下水调蓄工程勘察报告［R］. 1997.

［2］北京市地质工程勘察院. 首都地区地下水资源和环境调查评价［R］. 2004.

［3］北京市地质工程勘察院. 南水北调来水与地下水联合调度及调蓄规划方案研究报告［R］. 2007.

［4］崔瑜，李宇，谢振华，等. 北京市平原区地下水养蓄控高水位及其约束下的地下水库调蓄空间计算［J］. 城市地质，2009，4（1）：11～17.

［5］董新光，杜卫东，邹清，等. 新疆乌鲁木齐市乌拉泊洼地地下水库的调蓄功能研究［J］. 新疆农业大学学报，2005，28（3）：58～62.

［6］高淑琴，苏小四，杜新强，等. 大庆市西部地下水库人工回灌方案研究［J］. 灌溉排水学报， 2007，26（4）：68～71.

［7］杜尙海，苏小四，吕航，等. 滹沱河地下水库有效蓄水率研究［J］. 湖南科技大学学报（自然科学版），2010，25（1）：121～124.

［8］北京市地质工程勘察院. 北京市怀柔应急备用地下水源地2014年度地下水动态监测报告［R］. 2014.

［9］北京市地质工程勘察院. 北京市地下水库前期勘查项目［R］. 2014.

Study on Sustainable Water Supply and Water Conservation in Huairou Emergency Water Source

YUAN Qingliang1.2， REN Yu3， ZHANG Jinghua2
（1. Engineering College of Jilin University， Changchun 130026； 2.Beijing Institute of Geological and Prospecting Engineering，Beijing 100048； 3. Beijing Jingmi Water Diversion Management Office， Beijing 101400）

Huairou emergency water source has been continuously exploited since it began to be operated. Due to continuous drought and years of ultra-scale operation， the regional hydrogeological conditions have been changed greatly. To ensure its ability of "emergency water supply" and its function of ready-to-supply， this work has been done from the aspects of resource recovery conservation and water-supply system hot-standby operation under the circumstance of South-to-North Water Diversion into Beijing. On the basis of comprehensive study of regional hydrogeological conditions and groundwater perennial dynamic variations， it simulated the recharging ways and effects to Huairou emergency water source under different mining conditions by groundwater numerical model，made the plans of artificial recharging to regional water resource and hot-standby operation of water-supply system. It also simulated and predicted the effects of hot-standby operation and groundwater conservation， and provided the scientific basis for the sustainable water supply of Huairou emergency water source. The results showed that: at Huairou emergency water source， the centralized water supply in summer peak and the daily pressure-maintaining “centralized exploitation” and “stable-pressure exploitation” can be used after South-to-North Water Diversion into Beijing.

Water source； Numerical simulation； Groundwater； Water conservation

P641

A

1007-1903（2016）01-0069-06

10.3969/j.issn.1007-1903.2016.01.014

袁庆亮（1981- ），男，本科，高级工程师，主要从事环境地质、水文地质研究。Email∶ 51166281@163.com