北京西郊玉泉山泉水复涌条件及方案预测分析

董殿伟　马如林　李玉虎　林佳旭

摘 要：由于地下水的大量开采及永定河补水的减少，玉泉山泉水自1975年断流。随着南水北调工程的实施，在西山地区进行回灌和压采区域地下水成为可能。利用GMS数值模型，以河道补给、人工回灌、关井压采等手段设计4种调蓄方案，分析玉泉山泉复涌可行性及复涌后对地质环境的影响。研究表明，方案四可优先作为玉泉山泉复涌的调蓄方案，该方案主要利用在永定河引水渠和南旱河沿岸进行大口井回灌，回灌量约为8000万m3·a-1，同时，岩溶水集中水厂停采，其余开采量保持现状不变。在此方案下，区域水位平均每年上升0.84 m，预计到2050年末，玉泉山泉水位51.9 m，达到出流水位。

关键词：玉泉山泉;泉水恢复;岩溶水;地下水调蓄方案;GMS;回灌;数值模拟

Predictive analysis of conditions and schemes for Yuquan Mountain spring water recovery in western suburbs of Beijing

DONG Dianwei1， MA Rulin2， LI  Yuhu1， LIN Jiaxu1

（1. Beijing Institute of Geological & Prospecting Engineering， Beijing 100048， China;

2. Beijing Chaobai River Management Office， Beijing 101300， China）

Abstract： Due to massive groundwater exploitation and reduction of  Yongding River water replenishment， Yuquan Mountain's spring water has been dry since 1975. With the implementation of the South-to-North Water Diversion Project， it is possible to recharge and press regional groundwater in the Xishan area. Using the GMS numerical model， four kinds of regulation and storage schemes are designed by means of river recharge， artificial recharge， shut-in and pressure production， to analyze the feasibility of  Yuquan Mountain spring recovery and its impact on the geological environment. Studies show that Option 4 can be prioritized as the regulation and storage plan for Yuquan Mountain spring recovery. The plan mainly recharges the large wells along the diversion canal of  Yongding River and Nanhan River， with a recharge volume of about 80 million m3.a-1. At the same time，  concentrated water plants stopped exploring karst water， and the rest of the water exploitation volume remained unchanged. Under this plan， the regional water level will rise by 0.84 m per year on average. It is estimated that by the end of 2050， the water level of the Yuquan Mountain spring will be 51.9 m， reaching the outflow level.

Keywords： Yuquan Mountain spring; recovery of the spring water; karst water; groundwater regulation and storage schemes; GMS; recharge; numerical simulation

玉泉山泉有“天下第一泉”之稱，自元代便专供皇宫使用，并作为源头，补给北长河、昆明湖、高水湖及金河等河道，河道的生态环境优美宜人，著名的“京西稻”就是由玉泉山泉水浇灌的。由于地下水的大量开采，玉泉山泉自1975年断流，不复当年“水清而碧，澄洁似玉”之盛景。面对此种现象，2005年李裕宏提出“涵养京西水源，恢复玉泉山泉”的设想，但由于当时北京西山地区为北京市重要的岩溶水开采基地，肩负着北京城区的供水任务，恢复玉泉山泉难以实现。而随着南水北调工程的实施，在西山地区进行回灌和压采区域地下水成为可能，玉泉山泉有望实现复涌（王莉蛟等，2016）。因此，本文根据玉泉山泉水的出流特征，分析泉水补给来源和径流通道，利用地下水数值模拟模型，探讨泉水复涌的途径和方案。

1 泉水出流原因

断裂构造发育是玉泉山泉水的出露的重要条件。目前研究表明，玉泉山区域岩溶水主要有3个补给路径，第一是军庄—雁翅地区岩溶裂隙水接受大气降水补给后，沿永定河张性断裂，经石景山区向北东转折流向玉泉山，补给玉泉山泉水;第二是潭柘寺地区降水入渗补给岩溶裂隙水向南东方向汇流，沿八宝山断裂及北侧裂隙-岩溶发育带流向四季青方向，补给玉泉山泉水;第三是永定河河水入渗补给地下水，渗流方向首先沿河床向南运移，在古城一带折向东北，朝向四季青方向运移，补给玉泉山泉水（图1）。玉泉山位于岩溶水系统的排泄区，又呈现“天窗”即奥陶系灰岩裸露，具有西山奥陶系岩溶水进入平原后获得释放的自然条件，出露成泉（北京市水文地质工程地质大队，2017）（图2），由于奥陶系直接出露地表，与第四系的砂卵石含水层呈不整合接触，在玉泉山附近第四系地下水与奥陶系岩溶水水力联系密切。

2 玉泉山泉水的历史变化及断流原因分析

2.1 玉泉山泉水的历史变化

北京西郊的玉泉山位于海淀区昆明湖以西1.5 km，是古都北京近八百年来唯一持续供水的水源，对北京城的起源、发展和繁荣有重要意义。泉群主要出露于玉泉山东南山麓，由北向南依次有宝珠泉、五孔闸泉、试墨泉、裂帛泉、玉泉，西南山麓仅一迸珠泉，水由地下喷涌而出、淙淙有声、水量极大，各泉涌出地表后形成泉湖并互相汇通。后经乾隆验证：“凡出山下而有冽者，城不如京师之玉泉”，并钦定为“天下第一泉”和“玉泉趵突”，列为燕京八景之一。据1928年、1934年考察资料，泉水总流量达到2.01 m3·s-1，1949年减少为5处，总流量1.54 m3·s-1，1951年仅为1.0 m3·s-1，1975年5月断流（表1）。

据泉志资料记载，玉泉山泉眼出露高程为50.0 m左右，1974年泉水断流前附近钻孔地下水位为51.3 m，若泉水复涌，地下水位则需达到1974年的水平。

2.2 玉泉山泉水枯竭的原因分析

玉泉山泉水涌流了数百年，却于20世纪70年代中期干涸了，其原因是多方面的：

（1）官厅水库建成后，拦蓄了上游来水。官厅水库自1954年5月完成竣工并调蓄运用，由于水库大坝截流，永定河原有基流没有了，河道每年断流时间很长，河水渗漏量逐年减少，北京西郊地区的地下水补给量也随着减少（秦大军等，2019）。

（2）地下水开采量逐年增加。新中国成立后，随着城市规模扩大，城市建设迅速发展，工农业用水大量开采地下水，导致市区地下水位大幅度持续下降。

此外，华北地区自60年代初开始连年干旱少雨，多年没有普降大雨也是原因之一。

3 泉水复涌途径分析

由于玉泉山泉水处于北京西山奥陶系岩溶地下水系统，受特殊的地质构造影响，玉泉山泉水的复涌，需要由岩溶水的水位回升而实现。由于入渗条件和大气降水量等客观条件不易改变，但可借“南水北调”地表水源的到来，通过增加补给量、减少开采量，实现水位回升。

（1）增加永定河道入渗补给

依据多年数据统计，永定河雁翅—三家店段的最大渗漏量约为18 500万m3·a-1，最小渗漏量约为3800万m3·a-1，1960—2013年多年平均渗漏量约为9500万m3。开展河道入渗实验，利用水库水源向永定河下苇甸电站下游试验回补，自2017年2月24日进行连续补水，截至5月26日，补水93 d，累計补水6200万m3，有水河段长度最长达8.34 km，3次河道入渗试验得到河道入渗强度平均值为0.61 m·d-1。综合多年统计数据和试验数据，并考虑到下游河道的人工防渗处理等因素，若将“南水北调”水源引至永定河山峡段自然入渗，永定河雁翅—三家店段可增加的入渗量为8000万m3·a-1。

（2）地下水禁采或压采

北京西山地区地下水开采量包括第四系地下水和基岩水。第四系模拟区包括房山区北部、门头沟区东南部、石景山区、海淀区、丰台区西北部分地区及昌平区西南部分地区，2017年第四系地下水年总开采量为25 730万m3;奥陶系岩溶水模拟区包括海淀、石景山、门头沟、丰台西部、房山东北部以及昌平中南部。据统计，基岩裂隙类地下水开采总量为430万m3·a-1;岩溶水自备井开采总量为6300万m3·a-1，集中水源地岩溶水开采量为

5480万m3·a-1，则基岩水总的开采量为12 220万m3·a-1。集中水源地中水源三厂和水源四厂位于城近郊区，水源三厂2017年总开采量为6850万m3·a-1，其中第四系3500万m3·a-1，基岩水3350万m3·a-1;水源四厂2017年开采量320万m3·a-1，全部为第四系地下水。

随着“南水北调”进京后，将逐步建设门城、石景山及温泉等地表水厂，并由外调水源替代水源三厂等地下水源，因此可实现地下水大量减采以及管网覆盖区禁采。

（3）地下水回灌

利用在西郊玉泉山地区新开挖的2眼辐射大口井进行入渗试验研究，辐射井井径3 m、井深18 m，井管8 m以上为死管、8～20 m井壁有辐射孔及20根2 m长的辐射管，进行了多次回灌量为280～680 m3·h-1的试验，西郊玉泉山地区最终确定最优的辐射井回灌能力为400 m3·h-1。1980年利用首钢大口井开展回灌试验，大口井深25 m，直径8 m，试验初期最大回灌量可达0.5 m3·s-1，试验数据表明，大口井的单位面积入渗能力3.38～7.58 m·h-1。通过对西郊玉泉山岩溶水与第四系含水层直接接触地区的调查，选定了大口井回灌适宜场地27处，通过永定河引水渠和南旱河，引“南水北调”水源进行回灌，考虑逐年维护清洗等因素，年回灌量可达到8000万m3左右。

4 玉泉山泉水复涌方案预测研究

4.1 地下水数值模拟模型构建

利用《北京岩溶水资源勘查评价工程成果报告》建立的地下水数值模拟模型，岩溶水数值模型范围1226 km2，第四系含水层模拟面积1642 km2，模拟层为第四系含水层和奥陶系含水岩组，整个区域概化为5层：第四系潜水含水层、第四系弱透水层、第四系承压水含水层、基岩隔水层和奥陶系含水岩组。奥陶系含水岩组东北边界为南口-孙河断裂，东南边界为黄庄-高丽营断裂，南部边界在三福村—东庄子一线，西部边界为大安山-红煤厂断裂，北界以百花山—髫髻山—妙峰山一线为界。第四系含水层模拟范围以山前平原分界线为界，东部、东南和西南以第四系单一卵砾石层与多层砂卵砾石层过渡边界为界。第四系含水层西部边界为平原山区分界线，第四系含水层一般为单一潜水含水层，主要岩性为砂卵砾石，富水性好，易于接受山区降水的侧向补给，其补给量与降水密切相关（杨平，1984），为流量边界;东北部及东南部边界在模型中被设定为流量边界（图3），其流量根据每年的地下水流场图进行计算。依据本次研究成果重新率定了水文地质参数、地下水源汇项，选用地下水模拟软件GMS，建立了非均质、各向异性的非稳定三维地下水流模型，利用2017年数据对数值模型进行识别、验证，并以2019年数据为初始流场，用于北京西郊地区地下水调蓄和玉泉山泉水复涌预测研究。

4.2 调蓄预测方案

以2017年6月实测地下水流场作为预测期的初始流场。预测期降水条件为平水年，年降水量510 mm。边界流入量根据平水年条件计算相应流入量。边界流出量根据达西定律计算给定，在预测期内认为边界处水力梯度保持不变。第四系地下水与岩溶水之间的交换量由模型自动计算。方案预测期根据开采方案分为2019年6月—2030年末和2019年6月—2050年末。

目前，在平水年条件下，研究区通过永定河补水量为6276万m3·a-1，第四系地下水开采量为34 514万m3·a-1，岩溶水开采量11 785m3·a-1。随着南水北调持续供水和规划永定河陈家庄地表水水库的修建，北京将在西山地区开展永定河渗漏补水和大口井回灌的地下水回补措施，并逐步压采地下水。因此，模拟调蓄方案将以现状开采方案为基础，调整河道渗漏、大口井回灌补水量及水厂开采量。方案一为现状开采方案，即在现状补给和排泄条件下进行的方案预测。方案二为增渗+极限限采方案，补给条件为增加永定河山峡段渗漏量8000万m3·a-1;岩溶水全部停采，海淀区区域第四系地下水全部停采。方案三为增渗+减采方案，永定河山峡段渗漏量在现状基础上增加8000万m3·a-1;岩溶水集中水厂停采，四季青镇区域岩溶水开采量停采，杨庄水厂和第三水厂第四系地下水全部停采。方案四为回灌+减采方案，在永定河引水渠和南旱河沿岸进行大口井回灌，回灌量为8000万m3·a-1;仅岩溶水集中水厂停采，其余开采量保持现状不变，即岩溶水开采量为6305万m3·a-1，杨庄水厂和第三水厂第四系地下水停采，海淀区第四系地下水减采551万m3·a-1。具体调蓄预测方案见表2。

4.3 预测及分析

根据各调蓄方案预测期满后岩溶水流场图显示（图4）：方案一条件下，岩溶水地下水位呈逐年下降趋势，岩溶水地下水位不断下降，到2030年玉泉山处水位约为8.3 m，每年下降约1.2 m;方案二条件下，岩溶水系统地下水位整体呈上升趋势，平均水头升幅为2.72 m·a-1，玉泉山泉水位到2030年末为52.1 m，每年水头上升2.38 m。高于泉水最低出流水位51.6 m，到2030年末玉泉山泉水恢复出流;方案三条件下，岩溶水水头上升约1.22 m·a-1，玉泉山泉水位到2050年末为52.0 m，每年水头上升1.0 m，高于泉水最低出流水位51.6 m，到2050年末玉泉山泉水恢复出流;方案四条件下，岩溶水系统从补给区到排泄区，水头均呈逐年上升趋势，区域平均上升0.84 m·a-1，到2050年末，玉泉山泉水位51.9 m，达到出流水位（图5）。

从以上4种方案预测的水位变化趋势知，方案二、方案三、方案四均可以在不同阶段实现玉泉山泉复涌。方案二是在永定河山峡段河道自然入渗，总需水量50.01亿m3，同时需要全面限采地下水，但从实际情况出发，岩溶水地区地下水全部压采比较难实现，因此，方案二仅在南水北调水源有充分保证率的条件下采用。方案三和方案四可在2050年实现玉泉山泉复涌，虽然时间上比方案二晚20年，但对水厂限采的要求不如方案二那么严格，易于执行。在同样的回灌量情况下，大口井回灌工程比较大，规划陈家庄水库的建设后在永定河山峡段增加河道渗漏补给，相对大口井回灌，工程量较小，从经济上来看，方案四要占优。因此，综合考虑，方案四可作为玉泉山泉复涌的调蓄方案。

5 玉泉山复涌后地质環境影响

虽然可以通过回灌和减采地下水实现玉泉山泉水复涌，但会引起第四系地下水位的抬升（图6），方案四永定河大宁水库至芦村一带预测水位标高没有超出1983年的限高水位，其他地区均超出了1983年水位，且超出的水位基本在5～10 m。这将引发如下的地质环境问题：1）造成非正规的垃圾场被浸泡，使得地表污染物向含水层入渗的途径变短，加剧对地下水产生污染（高咏等，2002）;2）重大建筑物的抗浮及地下水渗漏问题将凸显出来（北京市水科学技术研究院等，2017）;3）砂土液化的可能性增大。

6 结论与建议

（1）玉泉山区域岩溶水主要补给来源为军庄—雁翅地区岩溶裂隙水接受大气降水补给、潭柘寺地区降水入渗补给以及永定河河水入渗补给。

（2）从调蓄预测方案的模拟结果知，要实现玉泉山的恢复，需要回灌和限采同时进行，在集中水厂岩溶水全部停采的条件下，大口井和河道回灌8000万m3·a-1均可实现玉泉山泉的复涌，而规划陈家庄水库的建设使得永定河回灌的成本较低，可作为玉泉山复涌的主要方案。

（3）在实现泉水复涌的同时，也会带来一定的地质环境问题，例如引起地基不稳，抗浮设防水位提高，地下水污染等问题。因此，在调蓄方案实施前，应对以上问题开展专项研究工作。

（4）在玉泉山补给区域及周边应加强对地下水资源开采的限制，严禁超采、偷采等个、企行为，合理优化水资源分配，涵养区域地下水源。

参考文献：

北京市水文地质工程地质大队，2017. 北京岩溶水资源勘查评价工程成果报告[R].

北京市水科学技术研究院，北京市地质工程勘察院，2017.北京市西郊地区地下水战略储备关键技术研究与示范成果报告[R].

高咏，梁聪，车增光，2002. 南京典型段地铁工程对地下水流动态的影响[J].科学技术与工程，20（28）：11711 -11717.

李裕宏，2005. 涵养京西地下水源恢复玉泉山泉流[J].北京规划建设（6）：162-165.

秦大军，孙杰，郭艺，等，2019. 永定河对北京西山岩溶水和玉泉山泉的影响[J].工程地质学报，27（1）：162-169.

王莉蛟，张有全，宫辉力，等，2016. 北京市玉泉山泉恢复条件研究[J]. 水文地质工程地质，43（3）：22-28.

杨平， 1984.论北京玉泉山泉补给源：北京西山山前奥陶系岩溶水径流特征[J].水文地质工程地质（2）：15-19.