南水北调对北京地下水涵养的影响

王树芳 ，李 捷 ，刘元章 ，刘久荣 ，王 旭

（1.北京市水文地质工程地质大队，100195，北京；2.北京师范大学，100875，北京）

地下水是北京最主要的供水水源，长期大量开采使北京地下水水位持续下降。为解决我国北方水资源短缺问题，国家实施了南水北调中线工程。自2014年南水北调中线一期工程正式通水以来，截至2017年已经运行了3年多，但是目前还没有公开出版的文献对南水进京以来全市的地下水状况进行全面的评估。世界范围内多个国家和地区都曾经为了解决当地的用水问题实施过跨流域调水工程，并在运行当中对调水效果进行了跟踪评价，为水资源的优化配置提供重要支撑。因此，及时评价南水北调对北京供水格局和地下水产生的影响，才能制定出最优的地下水开发利用方案，实现南水与地下水资源的优化配置，使南水北调效益达到最大化。

本文充分利用覆盖北京平原区的400多眼地下水监测井，对比了2000—2014年 （南水进京前）以及2014—2017年（南水进京后）北京平原区浅层地下水与深层地下水的动态变化特征，并选取两个典型地区分析了南水北调对北京地下水涵养效果的影响。

一、研究区概况

北京位于华北平原的西北部，除东南局部地区与天津接壤外，其余皆与河北毗邻。北京平原区第四系松散孔隙水系统由山前冲积洪积扇顶部单一的砂卵砾石层，向下逐渐过渡为多层结构的砂层，富水性由大到小。在垂直方向上，第四系含水层百米以内富水性最好，而百米以下富水性和透水性较差。因为第四系含水层百米以内富水性最好，是地下水的主要开采层，也是城市水源地主要开采层，所以本文以平原区百米以内的地下水作为主要研究对象。百米以内的含水层在埋深50 m左右发育一层比较稳定的隔水层，所以在垂向上以50 m为界划分了浅层地下水和深层地下水。浅层地下水基本覆盖了整个北京平原区6500km2的范围，而深层地下水覆盖了北京平原区4 700 km2的面积。

选择2000年作为对比的起始点是因为1999年以来，北京地区连续干旱，地下水作为主要供水水源被大量开采，导致水位大幅度下降。2014年南水正式进京，所以将2014年作为一个节点进行对比。利用北京平原区地下水水位监测井452眼 （见图1），分浅层和深层地下水分别绘制2000年与 2014年 （2014年水位减2000年水位）、2014年与 2017年（2017年水位减2014年水位）的水位对比图。为了解水位自2000—2017年的变化过程，选取了4眼典型井，绘制了2000—2017年的月平均水位变化过程曲线图。

二、南水北调对区域地下水水位的影响

2000年与2014年浅层地下水水位的对比图显示（见图2左），自2000年以来全平原区地下水整体上处于下降趋势。水位下降最大的地区出现在北部地区。以水位埋深10 m为界，浅部含水层已经形成了一个面积达到500 km2的地下水降落漏斗，漏斗中心区水位累积下降超过40 m。

图1 北京平原地下水水位浅层地下水（左）和深层地下水（右）监测井分布图

图2 北京平原区2014年与2000年浅层地下水水位（左）和深层地下水水位（右）对比图

2000年与2014年深层地下水水位的对比图显示（见图2右），深层地下水水位变化与浅层地下水变化趋势类似，但是水位下降情况更严重，全区水位下降超过5 m的范围已达全区的70%以上，达到3 200 km2。水位下降最大的地区仍然出现在北部地区。以水位埋深10 m为界，已经形成了一个面积达到1 400 km2的地下水降落漏斗，漏斗中心区水位累积下降超过40 m。

2014年南水进京以后，北京平原区西部和北部山前地带浅层地下水水位都呈现上升趋势（见图3左），尤其是怀柔和顺义地区，海淀区西北部山前地区的上升幅度最大，都超过5 m。海淀区西北部山前地区的深层地下水水位上升幅度最大，超过5 m（图3右）。怀柔和顺义地区的深层地下水上升幅度也超过4 m。除这两个地区之外，其他地区的地下水仍然呈现出下降的趋势。下降幅度最大的地区位于东北部的平谷地区，降幅超过3 m。

图3 北京平原区2017年与2014年浅层地下水水位（左）和深层地下水水位（右）对比图

图4 北京市水源三厂（位置在海淀区四季青镇）附近代表性监测井水位变化曲线

通过对比2014年南水进京前后地下水水位的变化情况可知，2014年以前全平原区浅层和深层地下水绝大部分都处于下降的趋势，反映出北京平原区地下水处于超采的状态。2014年年底南水进京以来，水位上升区的范围逐年增大。截至2017年年底，浅层地下水上升区的面积已经占到全区面积的50%以上，深层地下水上升区面积也达到了全区的30%。

三、南水北调对典型地区地下水水位的影响

南水进京对北京市的地下水产生了深刻的影响，下文以北京西郊和北部怀柔、顺义两个地下水水位上升最为明显的典型地区为例分析南水进京前后地下水水位的变化情况及其主要影响因素。

1.北京西郊地区

以海淀区西郊水源三厂及附近地区两眼典型监测井为例，浅层地下水1号监测井深30 m，深层地下水3号监测井深 72 m（见图 4）。2011年以前，该地区地下水一直处于持续下降的状态。虽然水位的波动也受降水的影响，但是水位整体呈下降趋势。2000—2011年浅层地下水水位累积下降13.48 m，平均每年下降1.12 m。2000—2011年深层地下水水位累积下降14.24 m，平均每年下降1.18 m。2012—2014年出现了短期的上升，浅层地下水水位上升5 m，深层地下水水位上升7 m。2014年之后又开始下降。2016年以后该地区地下水水位开始持续上升，浅层地下水水位上升4 m，平均每年上升2m；深层地下水水位上升9 m，平均每年上升4.5 m。

2011年以前，该地区最大的地下水用户是水源三厂，日供水量约为29万m3。另外，周围的农村和规模较大单位都建有自备井开采地下水。这些集中和分散式的开采使该地区的地下水长期处于超采的状态，导致地下水水位持续下降。

自2011年以来，该地区作为北京的第一道绿化隔离带，附近的农村根据新规划进行了搬迁，相应的自备井也已经关停和封存，日常用水由市政管网供应。2015年南水进京以来，为涵养地下水，水源三厂开始减采地下水，部分地区的供水任务由市政管网分担。

另外，2011年、2012年和 2016年，海淀区经历了三个比较大的丰水年，降水量分别达到774.8 mm、906.7 mm和739.4 mm，有效增加了地下水的补给。

由此可知，2015年南水进京以来自备井封存、水源三厂减采和大气降水补给增加使该地区地下水水位出现了大幅度上升的趋势。由于该地区的含水层以砂卵砾石为主，浅层地下水与深层地下水之间的隔水层断续分布，两个含水层在局部地区存在“天窗”，所以水力联系较强，从而使两个含水层地下水水位的变化趋势一致性很强。

2.北部怀柔和顺义地区

以怀柔和顺义集中水源地及其附近地区水位变幅最大的两眼典型监测井为例，代表浅层地下水的2号井深45 m；代表深层地下水的4号监测井深80 m（见图5）。自2000—2014年，由于地下水的连续大量开采，水位持续下降，2014年年底至2015年中期达到了最低值。由于该地区同时开采浅层水和深层水，所以两个含水层的水位都在持续下降。浅层水的水位14年下降46 m，深层水的水位14年下降43 m。

2014年南水进京后，深层地下水水位自当年年底开始出现回升，浅层地下水水位也在2015年开始回升。自南水进京以来，浅层地下水水位从-17 m上升到-6 m，回升幅度达到9 m，平均每年上升3 m。深层地下水水位从-19 m上升至-8 m，上升幅度达到11 m，平均每年上升3.6 m。

作为北京市最大的应急水源地，怀柔应急水源地自2003年运行以来，开采量基本稳定在30万m3/d。南水进京以后，怀柔应急水源地开始逐步进入减采热备状态，2015年9月7日正式按照10万m3/d的开采规模进入热备涵养期，地下水的开采量减少了2/3。

地下水库可以为水资源的调节与储备提供重要的场地，因此南水北调沿线多个地区都利用当地天然地下水库对水资源进行调蓄，以促进地下水的涵养。根据北京市南水北调工程建设委员会办公室统计数据，2015年北京利用南水通过潮白河向怀柔应急水源地补水3 380万m3，2016年补水 783万 m3，2017年补水 5 684万m3。至2017年11月底，已经利用南水通过河道对地下水累积补水超过了10 亿 m3。

由上述可知，大型水源地的减采和南水的补给是本地区地下水水位大幅度上升的最主要影响因素。

图5 北京顺义和怀柔集中水源地（位置在顺义区北部和怀柔区南部）附近代表性监测井水位变化曲线

四、结 论

通过对南水进京前后北京市地下水动态特征的分析，得出以下结论：

①南水北调通水之前，北京多个大型应急备用水源地被迫持续开采，形成漏斗中心最大水位下降幅度超过46 m，许多地区的地下水漏斗已经连成一体。广大农村和市政管网不能供水的地区大量开采地下水，造成北京全区地下水水位整体下降。1999—2007年的持续干旱迫使地下水开采量大幅度增加，加剧了地下水水位下降的趋势。

②南水进京后，北京每年增加了10亿m3的水资源。北京利用南水替代部分地下水进行供水，同时减少了部分大型水源地的开采量，并利用南水进行人工补水，而且置换了城区用水大户的自备井。地下水减采与人工补给措施对北京地下水的涵养与恢复起到了非常显著的作用，2015年以来的持续丰水年也使北京地下水的补给量有所增加。以上多个因素的共同作用使北京大部分地区的地下水水位都呈现出上升的趋势，浅层和深层地下水在局部地区的上升幅度甚至可以分别达到9 m和11 m。

③目前每年10亿m3的南水虽然已经大大缓解了地下水的供水压力，但是每年仍然需要开采16.6亿m3的地下水。农村和市政管网不能支撑的地区，仍然持续大量地开采地下水，使得地下水水位继续下降。因此，要使北京地区地下水得到全面的涵养和恢复，还需要继续寻找新的替代水源，同时大力探索和推广节水技术。