永定河2020年春季生态补水对北京地下水涵养效果分析

李海军　崔一娇　任永强　姜媛　崔瑜　吴芮欣　王树芳

摘 要：为研究地表水对地下水的涵养效果，以2020年永定河春季生态补给过程为例，分析了永定河补水期间河道沿岸126眼地下水观测井的水位与水质等数据。研究结果显示，永定河生态补水2个月后，第四系地下水位上升区面积超过了450 km2，基岩地下水位上升区面积超过190 km2。受含水介质类型和河道过水量及水头的影响，基岩水的上升幅度最大可接近24 m，远远大于第四系地下水的升幅。地表水补给地下水后，地下水中的重碳酸盐和硝酸盐氮的浓度有所下降。永定河春季生态补水对沿岸地下水补给量约9800万m3。

关键词：永定河;生态补水;地下水涵养;水位响应

Analysis on the effect of ecological water replenishment of  Yongding River in spring 2020 on groundwater conservation in Beijing

LI Haijun1， CUI  Yijiao2， REN  Yongqiang1，  JIANG  Yuan1， CUI  Yu1， WU Ruixin2， WANG Shufang2

（1. Beijing Institute of Geology， Beijing 100195， China; 2. Beijing Institute of Hydrogeology and Engineering Geology

（Beijing Institute of Geological Environment Monitoring）， Beijing 100195， China）

Abstract： In order to study the effect of surface water on groundwater conservation， the water level and quality data of 126 groundwater observation wells along the Yongding River were analyzed during the ecological water replenishment period in the spring of 2020. The results show that after 2 months of replenishment， the Quaternary groundwater level rising area exceeded 450 km2， and the bedrock groundwater level rising area exceeded 190 km2. Affected by the type of water-bearing medium， as well as the flow volume and the water head， the maximum increase of the bedrock groundwater level can be close to 24 m， which is far greater than that of the Quaternary groundwater. After surface water replenished， the Bicarbonate and Nitrate nitrogen content in the groundwater decreased . The spring ecological replenishment of the Yongding River recharged approximately 98 million m3 of water to the aquifers along the River.

Keywords： Yongding River; ecological water replenishment; groundwater conservation; water level response

北京西部為太行山脉，北部为燕山山脉，地势西北高、东南低，东南是缓缓向渤海倾斜的由永定河、潮白河冲洪积物形成的平原，形象地称为“北京湾”。永定河流出山地进入“北京湾”后，因地势平缓，流速降低，河流携带的砾石、泥沙便在出山口后以扇形堆积下来，形成冲洪积扇，从扇顶到扇缘地势逐渐变低、沉积物颗粒逐渐变细。永定河出山以后，在平原上漫流摆动，形成不同历史时期的河道自北向南分别为古清河、古高梁河和古水（北京市文史研究馆，2016），3000年前北京地区最早的城市——蓟城建立在永定河故道沿岸，永定河被称为是北京的母亲河。由于自然环境变化和水资源过度开发，永定河北京平原段出现全年断流，地下水位持续下降（高飞等，2019;白鹏等，2018）。2014年南水进京后，北京市为涵养地下水，采取了地下水压采与减采等措施。同时，为恢复永定河生态环境，2016年国家多个部门联合印发了《永定河综合治理与生态修复总体方案》（国家发展改革委，2016），方案遵循用生态的办法解决生态问题的指导思想，以水开路，用水引路，开启了永定河生态补水工作，推动实现永定河“流动的河、绿色的河、清洁的河、安全的河”治理目标。2016年以来，针对水资源与生态环境，永定河流域相关部门探索性地进行了多次生态补水和生态修复工作（杨柠，2020;王远航等，2020;张君伟等，2020），逐步探索形成永定河生态修复与水资源涵养的优化方案（杨勇等，2019）。

2020年春季官厅水库向下游永定河集中补水1.67亿m3，后期采用小流量补水方式，断流25年的永定河北京段实现全线通水。本文以永定河北京段为研究区域，通过分布在山区和平原区的126眼地下水位监测井，监测补水前后地下水动态，分析生态补水对地下水水位、水质和储存量等特征指标的变化规律，研判永定河生态补水对地下水回补涵养的效果，为科学规划生态补水方案，实现永定河流域的整体保护与系统修复提供依据。

1 研究区概况

永定河流域在北京市境内主河道长189 km，流经门头沟区、石景山区、丰台区、房山区、大兴区5个区，自大兴区崔指挥营村东出市境域，流向河北省。研究区位于永定河北京段范围内，具体包括山区段（官厅水库出口—三家店）、平原城市段（三家店—卢沟桥）和平原郊野段（卢沟桥至市界）。永定河水系属于海河流域水系，也是其中最大的水系。为了研究永定河2020年春季生态补水对地下水的影响，本项目选取126眼地下水监测井对地下水位等进行了连续观测（图 1）。

研究区发育有基岩含水层和第四系含水层。岩溶含水层属于西山岩溶水系统中的三级系统玉泉山—潭柘寺岩溶水系统，取水层位为奥陶系含水岩组（王晓红等，2011;赵春红等，2017）。第四系松散岩类孔隙水主要分布于区内的山间沟谷及平原地区，包括潜水含水层和承压水含水层，以残、坡积相和冲洪积相为主，含水层岩性以砾石、卵石、砂卵砾石为主。

2 生态补水概况

2020年4月20日，官厅水库开始向永定河补水。根据有关部门发布的4月20日—5月20日的补水信息，4月20日—4月27日，官厅水库实际按流量40 m3·s-1放水，4月29日—5月13日，官厅水库按流量100 m3·s-1放水，随后实施了小流量生态补水（图2）（赵小伟等， 2020;王槿妍等，2020）。

3 生态补水对地下水的影响

3.1 对水位的影响

2020年永定河春季生态补水自4月20日开始，大流量补水持续到5月13日，随后开始小流量补水。为分析补水对地下水的影响，分别绘制了补水1个月（5月20日）及补水2个月（6月20日）与补水前（4月20日）永定河沿岸的地下水位对比图（图3）。考虑到2020年6月份之前降水量非常小，所以水位上升主要影响因素是永定河生态补水。与4月20日对比，5月20日平原区第四系地下水位上升区面积为402 km2，至6月20日平原区第四系地下水位上升区面积为450 km2，上升区范围扩大了50 km2左右。由于平原区主要分布在永定河的东侧，所以上升区范围的扩大区也分布在永定河的东侧。5月20日，上升区东侧锋面已经到达西二环附近（图3 a）。至6月20日，上升区范围已经扩展到北京市中轴线附近（图3b）。生态补水的第一个月（4月至5月），上升区前锋最大扩展速率达到了15 km/月，生态补水的第二个月（5月至6月），上升区前锋最大扩展速率约为5 km/月，扩展速率减缓了2/3，但是影响范围仍然在逐步扩大，地下水总体流向是自西向东流。

从地下水位上升幅度来看，在整个平原区，接近永定河出山口的门头沟区与石景山区的第四系地下水首先接受河水补给，而且上升幅度最大，最大的升幅可以达到5 m以上。地下水位上升幅度大于1 m的地区主要分布在永定河石景山段。

永定河生态补水除了对平原区第四系地下水补给外，还在很大程度上补给基岩地下水。在补水过程中，山区的基岩地下水得到了快速补给。根据已有的监测井，最远的影响范围已经达到了距离河道7 km的潭柘寺地区，山区水位上升区可圈定范围可达190 km2以上。从水位升幅来看，基岩水的升幅要大于第四系地下水，最大的升幅可以近24 m。

由于永定河河床与地下水面之间存在一定的非饱和带，所以在地表水补给地下水的过程中存在一定的滞后性（胡立堂等，2020），地下水位对地表水补给的响应时间也不相同。永定河山区门头沟丁家滩地区基岩地下水监测井对地表水的补给响应特别灵敏，4月21日地表水头到达该地区，4月24日前地下水就开始上升，时间滞后只有3 d左右（图4，监测井A）。永定河城市段石景山莲石湖第四系地下水监测井响应相对较慢，4月23日地表水水头到达该地区，地下水位4月27日开始上升，滞后时间约4 d（图4，监测井B）。永定河郊野段大兴赵村第四系地下水监测井响应时间更长，5月8日地表水头到达该地区，地下水位5月24日开始上升，滞后时间约16 d（图4，监测井C）。3个典型监测井距离永定河道的长度基本相近，但是响应时间不同，主要受以下几个因素的影响：

（1）含水层介质类型

门头沟丁家滩地区基岩地下水监测井A所在地区为基岩分布区，含水层以岩溶裂隙为主，地下水运移速率较快。一旦地表水由河床进入含水层，能够快速到达饱和带，使地下水位快速上升。莲石湖第四系地下水监测井B位于砂卵砾石含水介质分布区，地表水也能比较快的通过非饱和带，快速到达饱和带，从而使地下水位快速上升。而趙村第四系地下水监测井C位于第四系细颗粒分布区，含水层渗透性差，所以地表水由河床进入含水层需要较长的时间。另外，由于地下水在岩溶裂隙中的运动分为达西流和管道流两种流态，管道流的流速会大于达西流，从而使其基岩水的水头响应时间比孔隙水的响应时间短（焦友军等，2017）。

（2）河道过水量和水头的影响

永定河春季补水期间，从上游至下游，由于沿程的水量损失，河道的过水量也是逐步减少的。根据监测，补水期间丁家滩和莲石湖河道过水量要大于赵村段的过水量。过水量大又造成了河道水头较高，水头压力比较大，河道水头与地下水的水头差就大。较大的过流量和水头差都会促进地表水的下渗，从而使地表水能够更快的补给地下水。

3.2 对水质的影响

为研究生态补水对地下水水质的影响，在生态补水期间的2020年5月进行了地下水取样检测。结果显示，与2019年同期相比，2020年永定河生态补水后，地下水中的重碳酸盐和硝酸盐氮的浓度有所下降，其他化学成分变化不规律（图5）。根据2020年河水与地下水监测结果，永定河北京段河水重碳酸盐的浓度介于266～284 mg·L-1之间，硝酸盐氮的浓度值介于0.86～1.34 mg·L-1之间。总体情况是河水的重碳酸盐和硝酸盐氮的浓度低于地下水，所以河水与地下水混合后，两项指标浓度有所下降。

3.3 对储存量的影响

一般情况下，地下水储存变化量的计算是采用水量均衡法，通过计算各补给项与排泄项而得。本文地下水储存变化量计算时间为2020年4月中旬—5月中旬，在此期间，研究区处于枯水期，降水量非常少，所以降水补给可以忽略不计。地下水储存量的变化主要受地表水补给的影响。

根据春季生态补水期间有关部门的监测，截止到2020年5月中旬，永定河山区段蒸发及渗漏补给地下水3200万m3，平原区段蒸发及渗漏补给地下水6600万m3，其中绝大部分地表水的损失量都补给了地下水。总体来看，永定河春季生态补水对山区和平原区地下水都产生了显著的补给效果（总补给量约为9800万m3），增加了地下水的储存量，山区和平原区地下水位都呈现出显著的上升趋势。

4 结论与展望

（1）作为北京地区重要的水源地与生态涵养区，北京西部地区地下水储存量的增加具有重要的生态意义与资源意义，将会为北京市城乡供水安全提供重要的资源条件。永定河生态补水对北京西部地区地下水恢复及生态修复起到了积极作用，永定河流域山区和平原区地下水位总体回升，北京西部地区地下水水源地供水能力得到改善，地表水水面面积大幅增加，生物多样性得到了一定程度的恢复，取得了良好的生态效益和环境效益。

（2）2020年春季永定河生态补水期间，永定河山区段渗漏补给地下水约3200万m3，平原区段渗漏补给地下水约6600万m3。平原区第四系地下水位上升区面积可达450 km2，西部山区地下水位上升区面积可达190 km2，永定河平原段地下水上升区最大升幅超过了5 m，山区段地下水最大升幅近24 m。

（3）受含水介质类型、河道过水量与水头差的影响，岩溶水对永定河补水响应时间比第四系地下水短，最快响应时间只有3 d，平原段第四系地下水响应时间都大于4 d。与2019年地下水水质比较，地下水中的重碳酸盐和硝酸盐氮浓度有所下降，其他化学成分变化不规律。

（4）生态补水过程中虽然个别水质指标呈现向好趋势，但补水对整体地下水水质的影响还需要持续监测，特别是地表水环境质量标准中的COD、氨氮浓度高于地下水，可能会导致地下水相应指标浓度升高，要加强长期监测。

（5）补水是暂时性、阶段性的，要实现永定河全线不断流任重道远，永定河的综合治理与生态修复必须要坚持节约优先、保护优先、自然恢复为主的方针，遵循基于自然的解决方案，实施补水方案过程中要优先回补地下水，使受损的地下水生态得到修复与保护，使母亲河恢复生机和活力。

参考文献：

北京市文史研究馆，2016. 历史上的水与北京城[M]. 北京出版集团：62-63.

白鹏，刘昌明，2018. 北京市用水结构演变及归因分析[J]. 南水北调与水利科技， 16（4）：1-6+34.

国家发展改革委，2016. 永定河综合治理与生态修复总体方案[R].

高飞，王会肖，刘昌明，2019. 2001—2015年北京市地下水资源承载力变化特征分析[J]. 中国生态农业学报（中英文），27（7）：1088-1096.

胡立堂，郭建丽，张寿全，等，2020. 永定河生态补水的地下水位动态响应[J]. 水文地质工程地质，47（5）：5-11.

焦友军，潘晓东，曾洁，等，2017. 岩溶管道结构影响泉流量变化的数值模拟研究[J]. 中国岩溶，36（5）：736-742.

王晓红，刘文臣，沈媛媛，等，2011. 北京西山岩溶水应急水源地水文地质特征及开采潜力分析[J]. 中國岩溶，30（2）：216-221.

王槿妍，王材源，刘翠珠，等，2020. 永定河生态补水水文要素变化分析[J]. 北京水务（4）：28-31+39.

王远航，付原，王晓慧，等，2020. 二维数值模拟在永定河生态补水中的应用[J]. 北京水务（4）：1-8.

杨勇，谷健芬，李元春，2019. 永定河长时放水条件下的入渗能力及影响范围分析[J]. 工程勘察， 47（6）：29-35.

杨柠，2020. 永定河引黄生态补水长效机制初步探索[J]. 水利发展研究， 20（2）：13-16.

赵春红，梁永平，王维泰，等，2017. 北京西山泉域岩溶水系统特征探讨[J]. 中国岩溶，36（5）：641-647.

赵小伟，王阳，张欣，等，2020. 永定河2020年春季生态补水水文监测分析研究[J]. 北京水务（4）：18-22.

张君伟，万超，杜国志，等，2020. 永定河生态用水保障机制研究[J]. 北京水务（5）：1-4.