南水北調來水后北京市調蓄系統布局新思

李萬智 李啟升 王 雷 楊進新

（北京市水利規劃設計研究院 北京 100048）

1 引言

南水北調中線一期工程是解決北京市缺水的根本性措施，2014年汛后工程建成通水，長江水將進入北京市。受水源地丹江口水庫來水豐枯不均影響，進京水量存在年際年內變化大的特點，與北京市城市工業生活相對均勻的用水過程不匹配。南水北調總體規劃提出新建張坊水庫作為在線調節水庫，同時利用密云水庫作為補償調節水庫，使之與南水北調水豐枯相濟，確保北京供水安全。但受規劃、資金等影響，近期修建張坊水庫難度很大，本文結合南水北調來水調入密云水庫調蓄工程方案，分析了調整北京市南水北調來水后調蓄系統布局的可行性，提出了賦予密云水庫和潮白河水源地地下水庫在線調節功能，不再考慮新建張坊水庫作為在線調節水庫的新思路。

2 北京市調蓄系統規劃情況

由于南水北調中線水源地丹江口水庫來水豐枯不均，年際、年內變化大，導致供水過程不均勻，需要通過調蓄工程調蓄，使之與城市相對均勻的需水過程相匹配，實現水資源的合理配置。南水北調中線干線工程沒有規劃建設調蓄水庫，水量調節問題需在各省市配套工程中解決。其中河南省規劃利用白龜山等7座水庫進行調蓄，河北省規劃利用大浪淀等 10座水庫進行調蓄，天津市規劃利用王慶坨等5座水庫進行調蓄。

針對南水北調來水存在年內分配不均及年際變化大且輸水距離長、安全保證率不高等特點，北京規劃采用大、中、小型多級調蓄及在線與補償相結合調蓄的模式。

2.1 大型調蓄系統4

大型調節水庫具備多年調節功能，適應南水北調來水量年際變化大、年內分配不均勻、事故及檢修期停水情況。北京的大型調蓄系統包括地表水庫和地下水庫，其中地表水庫有密云水庫、擬建張坊水庫，地下水庫有永定河水源地、潮白河水源地、平谷水源地。

2.1.1 密云水庫

密云水庫總庫容 43.75億 m3，其中興利庫容35.5億m3，防洪庫容9.3億m3，死庫容4.2億m3，水庫正常蓄水位 157.5m，死水位 126.0m，汛限水位 152.0m。設計洪水位為 157.5m，可能最大洪水位為158.5m。

2.1.2 擬建張坊水庫

在原 1985年《張坊水庫可行性研究報告》基礎上，根據擬建張坊水庫庫區現狀、水庫區域地質及地形地質建設條件、南水北調中線工程北京段首段總干渠及惠南莊泵站技術指標等綜合因素考慮，初步進行了兩個選址方案比選。

（1）片上壩址方案

擬建張坊水庫位于房山區張坊鎮片上村，壩址距南水北調管線約12km，總庫容7.9億m3，最大可調蓄庫容6.09億m3，多年平均供水量約1.26億m3，汛后最高蓄水位 186.8m，死水位 138.0m。非汛期以調蓄南水北調水量為主，汛期維持水庫設計防洪標準及調度方式，以防洪為主。

（2）千河口壩址方案

擬建張坊水庫位于房山區張坊鎮千河口村，壩址距南水北調管線約15km，總庫容6.0億m3，最大可調蓄庫容4.35億m3，多年平均供水量約1.23億m3，汛后最高蓄水位186.8m，死水位138.0m。非汛期以調蓄南水北調水量為主，汛期維持水庫設計防洪標準及調度方式，以防洪為主。

經初步比選，片上壩址方案可調蓄庫容較大，拆遷量較多，工程量較大，投資較高，工程難度較大；而千河口壩址方案可調蓄庫容相對較小，拆遷量較少，工程量較小，總投資稍低，工程難度相對較小。

2.1.3 地下水庫

永定河水源地地區集中供水的有市第三水廠水源地、航天部三院水源地、石景山楊莊水廠水源地、北京大學水源地、玉泉山水源地等，此外還包括中央黨校、國防大學、軍科院等單位生活自備井等。其中第三水廠水源地設計供水能力達到 39萬m3/d。潮白河水源地現狀總的集中開采能力約 106萬m3/d，目前有懷柔應急水源地與水源八廠水源地共計53萬m3/d可通過既有管線向中心城供水。平谷水源地目前設計供水能力60.4萬m3/d。

2.2 中型調蓄系統

中型調蓄系統要求具備多月或多日調節功能，適應南水北調來水量年內分配不均勻、短期事故及檢修期停水情況，要求庫容規模在1000萬m3以上，可調節 10天以上供水。中型調蓄系統由大寧在線調蓄水庫及懷柔補償調蓄水庫組成。

（1）大寧在線調蓄水庫

在線調蓄水庫是在現狀大寧水庫的基礎上改建而成，總庫容為4611萬m3，最大調蓄庫容3753萬 m3，受汛期蓄洪影響，汛期可調蓄庫容為 1006萬m3。

（2）懷柔水庫

懷柔水庫于 1958年建成，是一座防洪、灌溉等綜合利用水庫，自 1960年修建京密引水渠道又成為京引的調蓄水庫。由于防洪標準偏低，先后于1964年、1976年、1988年三次進行擴建，于1992年全面竣工，擴建后總庫容1.44億 m3，其中興利庫容0.655億m3，防洪庫容1.045億m3，死庫容0.085億m3。

2.3 小型調蓄系統

具備多日調節功能，適應各水廠短期供水變化及雙水源切換情況。西北：擬建團城湖調節池；東南：擬建亦莊調節池。

（1）團城湖調節池

團城湖調節池位于團城湖南側，水面面積33hm2，調蓄容積127萬m3，擬于2014年建成并投入使用。團城湖調節池工程主要任務為滿足自來水廠 12~24h供水變化及雙水源切換要求，并向第九水廠、第八水廠、城子水廠、燕化田村水廠及石景山水廠分配水量。

（2）亦莊調節池

亦莊調節池工程地處北京市東南部三海子東，亦莊調節池分期建設，遠景調蓄容積為262.5萬m3，一期調蓄容積為52.5萬m3。亦莊調節池擬于2014年前建設完成。

3 大型調蓄系統存在 分析

從北京市調蓄系統規劃及實施情況可知，中小型調蓄系統中除懷柔水庫為現有工程設施，可直接投入使用外，其它調蓄設施隨著南水北調配套工程的實施，至 2014年均可投入運行，可解決南水北調來水的多月或多日調節。大型調蓄系統雖有規劃，但存在種種原因，不能實現其功能。

3.1 密云水庫存在 分析

由于上游經濟社會的發展，密云水庫上游來水減少明顯。上世紀 50年代前年平均入庫水量 15.5億 m3。50年代由于幾個豐水年，年均入庫水量為19.2億m3。60年代和70年代年均入庫水量為12.1和13.2億m3。上世紀80年代以后密云水庫實測入庫水量大為減少，1980~2000年平均每年入庫水量為7.6億m3。尤其是1999年以來，密云水庫來水繼續減少，1999~2009年密云水庫年均來水2.7億m3，比多年平均相比減少了72%。

由于上游來水的減少，密云水庫近年一直處于11億m3庫容以下的低水位運行，目前的蓄水量僅約10億m3。根據南水北調總體規劃，密云水庫作為補償調節水庫，其補償調節庫容需不低于 17億m3，目前的蓄水量遠小于規劃要求，根據近年密云水庫來水條件分析，在短期內密云水庫上游來水量和水庫蓄水量大幅增加的可能性也不大，因此，在南水北調事故斷水工況下，密云水庫不足以保證北京市供水安全。

圖1 密云水庫來水變化圖

圖2 1999年以來密云水庫來水變化圖

3.2 擬建張坊水庫存在 分析

新建張坊水庫作為調蓄水庫存在以下幾方面問題：

（1）征地移民量大。庫區大部分位于北京市房山區張坊鎮及十渡鎮，小部分位于河北省淶水縣。現狀庫區內主要為十渡風景區，是中國北方唯一一處大規模喀斯特巖溶地貌，為中國國家AAA景區和中國國家地質公園。庫區總淹沒面積20余km2，其中涉及村莊20余個，涉及人口約3萬余人（戶籍人口約 1.2萬人，新建住宅小區人口估算約 1.8萬人）。估算征地移民補償投資約500億元。

（2）需要建設連接干線的大型輸水工程為了發揮張坊水庫調蓄作用，需要建設向張坊水庫輸水的加壓泵站以及輸水干線至張坊水庫長約20km的大型輸水管道。

（3）需與河北省及海委進一步協調有關事宜。張坊水庫庫區淹沒范圍包括部分河北地區，需與河北省進一步協調；同時海河流域委員會近期編制的《海河流域規劃》近期并未考慮建設張坊水庫。

（4）工程全部新建，工期長（約 5.5年）、投資大（工程總投資約550億元，其中工程投資約50億元）。

通過以上分析可知，近期修建張坊水庫實施難度較大，規劃利用張坊水庫作為南水北調北京段的在線直接調節水庫短期內已難以實現。

3.3 地下水庫存在 分析

原規劃中地下水源地主要作用包括兩方面內容：一是遇南水北調中線干線水源地丹江口水庫枯水年向北京供水量減小，南水北調來水量小于城市供水需求時，作為補償調節水源向水廠供水，二是當南水北調事故停水工況下城市供水的備用水源。

隨著城市人口的增加、工農業發展，在官廳、密云水庫來水減少、地表水嚴重不足的情況下，對地下水的依賴程度加劇，導致對地下水開采程度大幅提高，超采嚴重，開采量的增加使得地下水位下降速度逐步加快，形成了大面積的地下水降落漏斗。一方面隨著地下水水位下降和開采井群過密，使單井出水量衰減，另一方面，嚴重超采也導致地下水質的下降。

通過以上分析可知，利用地下水源地作為調蓄水庫存在著開采能力不足導致供水保證率降低以及水質下降的風險。

綜上所述，北京市南水北調配套工程如期建設完成后，可利用規劃的中、小調蓄系統來解決月日調節和調度過程中具體工況變化的調節。而利用原調蓄規劃中的大調蓄系統由于存在補償調節庫容不足、建設滯后等問題，不足以滿足南水北調來水后年際年內調節，需對現有規劃系統進行調整，從而能夠做到與南水北調豐枯相濟，保證北京的供水安全。

4 大型調蓄系統調整

4.1 調整原則

（1）遵循統籌兼顧原則。保證原規劃水資源配置和水量配置方案。

（2）遵循全面規劃原則。綜合考慮北京市供水系統布置及聯合調度運行方式，調整后的調蓄系統不改變原布置，不影響原調度運行。

（3）充分利用現有水利設施原則。充分利用北京現有的具備年際調節能力的地表、地下水庫。

（4）保持原大型調蓄系統密云水庫和地下水庫的補償調節功能。

4.2 擬調整方案

本次對調蓄系統的調整主要為規劃中的大型調蓄系統，在保證原調蓄系統設置原則以及不影響供水系統規劃的基礎上進行，結合北京市南水北調配套工程總體規劃、實施方案、向密云調水調蓄方案以及輸水環路、調蓄系統等多個專項規劃，提出以下調整：

（1）通過新建南水北調來水調入密云水庫調蓄工程，在密云水庫和潮白河水源地由原規劃的補償調節功能基礎上增加直接調節功能，實現對南水北調來水的年際和年內調節。

（2）取消建設張坊水庫。

（3）永定河水源地和平谷水源地調蓄功能維持不變。

4.3 擬調整方案調蓄條件分析

4.3.1 密云水庫調蓄條件分析

利用密云水庫作為南水北調來水的直接調節水庫，相比于張坊水庫具備以下優勢：

（1）有完善的水質保護體系。密云水庫作為北京重要的地表水源地，經過多年的建設，形成了水質保護工程措施和相關法律法規等完善的水質保護體系。

（2）可調蓄庫容大，有能力成為南水北調的在線調節水庫。密云水庫總庫容43.75億m3，其中興利庫容35.5億m3，相對于張坊水庫7.9億m3的總庫容和最大6.09億m3可調蓄庫容，密云水庫在調節能力上大大強于張坊水庫。且目前蓄水僅約10億m3，根據密云水庫近年來水和供水情況分析，在2014年南水北調通水后，密云水庫的蓄水量也不會發生大的變化，完全具備在線調節能力。

（3）有完善的供水系統。現有京密引水渠和第九水廠輸水管線與城市供水系統連接，應急供水響應速度快，規模大，可向城區供水58m3/s，能夠滿足城區供水需求，同時也與北京市南水北調調度運行方案中南水北調事故工況下調運行吻合。

（4）密云水庫區位優勢好。通過新建南水北調來水調入密云水庫調蓄工程將來水調入密云水庫總調水揚程與張坊水庫基本相當，存蓄在密云水庫，全市除延慶外均可自流利用。

（5）工程投資低，工期快。相對于新建張坊水庫作為在線調節水庫約550億元的工程投資和5年半的工期，新建南水北調來水調入密云水庫調蓄工程利用密云水庫作為在線調節水庫工程投資僅約37億元，工期也僅為2年半，可與南水北調中心干線工程同期發揮工程效益。

4.3.2 潮白河水源地調蓄條件分析

利用潮白河水源地地下水庫作為南水北調在線調節水庫，當南水北調來水量高于北京用水量時，通過南水北調來水調入密云水庫調蓄工程將來水提升到懷柔水庫后，經懷柔水庫放水回補潮白河水源地地下水庫存蓄；當南水北調來水不足時，利用現有的工程設施將水由水源地抽出輸送至城區供水。潮白河水源地作為地下調蓄水庫具有其自身的優勢：

（1）地下調蓄庫容大，有能力進行年際調蓄。該區現建有水源八廠水源地、懷柔應急水源地、潮白河綠化水源地等集中開采水源地，因近十多年連續干旱，大氣降雨入滲補給減少，地下水開采量增加，形成多年超采，地下水位持續下降，水位埋深35~40m。目前地下庫容約 25×108m3，若按現在降水及開采水平繼續開采至2014年，預計2014年地下庫容可達30×108m3左右。

（2）水源地保護措施完善，回灌水質有保證。通過多年的截污治污以及生態治理工程，建立健全了水源地水質保護措施。

（3）河道回灌能力強。本次選擇的回灌區為自京秦鐵路至牛欄山橡膠壩段長約 7km潮白河河道，目前河床多年干涸，大部分河床砂卵石直接裸露，是目前潮白河密懷順平原地區最大的地下水降落漏斗中心區，具有天然的回灌補給地下水條件。經測算，利用河道天然回灌能力可達8~10m3/s，如增加大口井等其它人工措施，回灌能力可達20m3/s。

（4）現狀水源地開采輸水設施齊備，目前密懷順水源地的總開采能力約為 106×104m3/d，向城區供水能力53×104m3/d。

通過以上分析可知，密云水庫和潮白河水源地具備成為直接調節水庫的各項條件，有能力作為北京市大型直接調節水庫，解決南水北調來水后的年際年內調節問題，且在工程投資、建設周期、調節能力等各方面均優于新建張坊水庫，該調整是可行的。

4.4 調蓄系統調整后影響分析

（1）在線調節能力加大

調整后利用密云水庫和潮白河水源地進行在線調節，兩座調節水庫調節庫容合計超過60億m3，調節能力大大高于新建張坊水庫最大調蓄庫容6.09億m3。

（2）取消建設張坊水庫，節約在線調節工程建設費用。調蓄系統調整后，從對南水北調來水的在線調節角度出發，可不再建設張坊水庫，一方面可節省建設張坊水庫高達約550億的工程投資，另一方面可不必面對修建張坊水庫導致大量移民帶來的社會穩定問題。

（3）恢復密云水庫供水功能，增加北京水資源戰略儲備

本次調蓄系統調整是結合北京近期將要建設的南水北調來水調入密云水庫調蓄工程進行，該工程計劃 2014年與中線干線同步建成發揮效益。工程建成后可利用南水北調通水初期上游省市用水量小的有利時間，將約18億m3的富裕水量調入密云水庫和潮白河水源地，增加北京水資源戰略儲備。同時，隨著密云水庫蓄水量的增加，在條件成熟的情況下，可恢復其對津冀地區的供水功能。

（4）彌補地下水庫虧空，改善生態環境

由于連年的超采，潮白河水源地形成的大面積的地下水漏斗，地下水位的降低也導致周邊生態環境越發惡劣，將南水北調水調入潮白河水源地進行回補，一方面可彌補連年超采導致的地下水虧空，另一方面隨著回補后地下水位抬升，可大大改善周邊生態環境，緩解生態壓力。

5 結論

（1）北京市調蓄系統布局調整后，在不改變原補償調節水庫功能的情況下，實現了密云水庫和潮白河水源地的在線調節，加大了北京市南水北調來水后的調蓄能力，提高了北京市的供水保障能力。

（2）調整調蓄系統為實現南水北調、密云水庫、地下水混合及聯合調度創造了條件；為解決水質指標差異可能帶來的相關問題創造了條件。可聯合調節南水北調來水過程，應對斷水事件，減小供水風險；有利于各種水源水質調配，提高供水對象用水安全；在北京市遠景的水源格局中將繼續發揮重要作用。

（3）利用京密引水渠反向輸水分級加壓將水調入密云水庫和潮白河水源地，在保證渠道運行安全和輸水水質安全的情況下，可對該段渠道兩側進行綠化美化，作為北京北部地區的濱河綠色生態走廊，促進區域經濟社會發展。