北京市建設地下水庫的思考

沈媛媛，姜 媛，劉久榮

（1北京市水文地質工程地質大隊，北京 100195）

0 引言

1999年以來，北京遭遇連續干旱年，水資源供需矛盾日益加劇。為保證城市供水安全，北京大力推進節水、建設應急水源地、水庫優化調度、擴大利用再生水、以及境外調水等措施，以有限的水資源支撐了城市用水需求。由于地表水資源不足，而地下水系統具有多年調節的特點，在枯水年份，超采地下水成為保障北京城市穩定供水的基本措施，地下水供水量約占總供水量的2/3。地下水作為應急水源長期過量開采，使得地下水位持續下降，地下水源地出水能力不斷減少，同時產生了河道干涸、含水層疏干、地下水質惡化和地面沉降等一系列環境地質問題。隨著南水北調工程向北京市供水的臨近，北京市的缺水形勢將有所緩解，為地下水的涵養提供了契機。如何使當地水和外調水實現聯合調蓄和調度，逐漸恢復地下水，改善生態環境，成為北京市水資源持續利用面臨的關鍵問題。

地下水庫是利用天然地下儲水空間興建的攔蓄、調節和利用水資源的地下工程，具有儲蓄和調節水資源的作用，是實現地表水和地下水聯合利用的重要措施。近年來，地下水庫在國內外均有較為成功的研究和實踐[1～5]。北京市早在20世紀60年代就開始了地下水回灌研究，80年代以來多次開展過地下水人工調蓄相關研究，為研究建設地下水庫提供了寶貴的經驗[6]。本文首先分析了在水資源短缺以及南水北調工程即將通水形勢下，北京建設地下水庫的必要性，其次闡述了北京市地下水庫的研究基礎，然后論述地下水庫的建設條件和工作方法，并對地下水庫運行管理提出需要關注的問題，以期為北京市建設地下水庫提供參考。

1 建設地下水庫的必要性

北京市屬于資源型缺水地區，近12年來，北京地區降水量比多年平均降水量減少了19%，作為主要地表水源的密云水庫和官廳水庫，年均來水量減少了79%[7]。由于地表水資源匱乏，為滿足供水需求，地下水持續過量開采，使得地下水位持續快速下降。2010年末地下水平均埋深為24.92m，與1960年相比，地下水位下降了21.73m，地下水儲量減少了111.3億m3[8]。2003年以來，北京市建成了懷柔、平谷、昌平等多個應急水源地，水源地地下水水位年均下降3～5m，已經接近開采極限值，地下水源地的出水能力顯著降低。持續超采地下水造成含水層疏干、地面沉降、地表植被退化，水質惡化等一系列生態環境地質問題，使地下水環境日益惡化，水資源可持續利用難以為繼，嚴重威脅了城市水資源保障能力。南水北調中線工程將于2014年通水進京，北京的水資源供需矛盾將得到緩解，地下水超采局面有望得到遏制。南水北調中線水進京后，需要有效調蓄本地水和中線水，提高中線水資源利用率，使地下水得到涵養，恢復生態環境，遏制環境地質災害。

近30年來，很多國家充分利用含水層的儲水空間建立地下水庫，來調節和緩解供水緊張局面[9～11]。地下水庫不同于地下含水層，其人為干預了地下含水層對水資源的調蓄能力，具有增加地下水可利用量的重要作用。實踐證明，建立地下水庫是一種經濟、可行的解決供水緊張的途徑。在北京開展地下水庫建設研究十分緊迫和必要。具體體現在如下幾方面：

（1）建立地下水庫，增加水資源可利用量，有利于提高北京城市供水保障能力。我國地表水資源的年際和年內變化大，因而地表水體流量變化大，在干旱年份和季節往往很難滿足用水需求，而在豐水季節大量的洪水不能被有效利用。地下水庫的巨大儲水空間，能夠儲存地表難以利用的水資源，實現“豐存枯采”，大大提高水資源的利用率，增加水資源可利用量，從而提高北京的供水保障能力。

（2）建立地下水庫，為南水北調工程來水提供調蓄空間，能夠提高外調水的有效利用率。南水北調中線工程從水源區到北京市輸水距離長達1400多公里，沿途沒有在線調節水庫。而南方水源區和北方受水區降雨豐枯變化大，在豐水期南水北調來水富余的情況下，可通過地下水庫儲存和調蓄水資源，提高南水北調中線工程的有效利用率。

（3）建立地下水庫能夠為北京提供水資源戰略儲備。利用地下水庫人工補給和儲存地下水，能夠遏制地下水位持續下降，增加地下水儲存量，對于北京城市應急供水和水資源儲備具有重要的戰略意義。

（4）涵養地下水，控制生態環境惡化，使地下水資源實現可持續利用。地下水位的持續下降，造成了局部地區含水層疏干，地面沉降，地表植被退化等一系列生態環境地質問題。持續超采地下水，難以保證水資源的可持續利用。建立地下水庫，使地表水、雨洪水等回灌到地下，恢復地下水位，有利于地下水系統良性發展，有效遏制生態環境惡化，實現地下水資源的可持續利用。

由此可見，充分發揮地下儲水空間大，調節能力強的特點，開展地下水庫建設工作，能夠實現水資源的儲存和調蓄，增加水資源可利用量，遏制地下水嚴重超采局面，改善生態環境，保證城市供水安全，提高北京市水資源戰略儲備，是北京市社會經濟穩定、持續發展的重要保證。

2 北京地下水庫研究的基礎

2.1 地質及水文地質研究

北京市的地質和水文地質條件研究程度較高，20世紀50年代以來，為滿足國民經濟發展和城市建設需求，北京市開展了一系列地質和水文地質調查。近50多年來，北京地區開展過兩輪1:5萬區域地質調查工作，取得了豐富的基礎地質數據。礦產勘查、城市地質調查、地熱資源調查、地質災害調查等工作的開展，加深了地質條件的研究程度，積累了大量地質資料和成果。區域水文地質普查、供水水文地質勘查、應急水源地勘查、地下水資源評價、地下水動態監測等大量的水文地質勘查工作積累了1.5萬余個地質、水文地質鉆孔數據和豐富的研究成果，為認識地下水系統空間結構提供了扎實的基礎資料。

1999—2002年開展的“首都地區地下水資源和環境調查評價”項目進行了北京市地下水系統劃分，全面闡述了地下水的賦存、水動力和水化學特征[12]。2003—2005年開展的“華北平原地下水可持續利用調查評價（北京）”項目詳細開展了平原地下水系統空間結構及其分布研究，進一步查明了地下水形成與演化規律，完善了地下水循環演化模式[13]。2004年開展的“北京市多參數立體地質調查”項目，對北京平原區地層進行了詳細綜合性研究，查明了地層結構空間展布規律，并建立了三維立體地質結構模型[14～15]。在對北京平原區地質結構、含水層的分布規律等地下水系統空間結構進行了深入研究基礎上，開展了地下水系統數值模擬等定量評價工作[16]。

2.2 地下水調蓄研究

早在1965年北京市水文地質工程地質大隊就在北京市東郊棉紡織廠開展了“冬灌夏用”地下水回灌試驗研究，之后相繼進行了大口井回灌試驗、砂石坑地下水人工回灌、空調冷卻水深井回灌、雨水回灌等研究。先后建立了廖公莊均衡試驗場、西黃村人工回灌試驗站和雨洪利用示范工程，進行了永定河河道、潮白河河道入滲試驗，西黃村砂石坑入滲試驗。

北京西郊地區西黃村砂石坑從1978年到1995年進行過一系列回灌試驗[17]，將密云水庫和官廳水庫棄水引入砂石坑進行人工回灌研究，對回灌坑以及其周圍水位和水質、回灌淤積情況進行了觀測，回灌區地下水位明顯升高，水質得到改善。1981年開展了“北京西郊地區人工調蓄地下水資源（地下水庫）實驗研究”，分析了西郊地區的回灌水源條件，研究了含水層入滲性能、回灌引滲條件和技術方法，分析了人工補給對地下水系統的影響，提出了建設地下水庫的技術方案，為北京平原區地下水庫的論證、建設工作提供了可供借鑒的模式[18]。1987年和1990年分別進行了“北京市潮白河牛欄山地區水源地下水調蓄試驗研究”[19]和“北京市水資源地下調蓄勘察”[20]。“首都地區地下水資源和環境調查評價”項目，對永定河、潮白河沖洪積扇中、上部地區展開回灌場地及水利工程設施狀況調查，確定調蓄工程區范圍、地下水庫調蓄空間、規模及入滲能力，提出地表水、地下水聯合調蓄的實施方案建議。2007年完成的南水北調來水與地下水聯合調度調蓄規劃工作，論證了北京平原區五大沖洪積扇進行了頂部地區水資源聯合調度及調蓄的可行性。2009年“雨洪資源地下回灌原型試驗與示范區建設”以平谷盆地作為示范區，研究了儲水空間特征、地下水回灌入滲能力和雨洪利用工程規劃方案。2010年開展的“北京市地下水調蓄能力與利用模式研究”項目以北京西郊和潮白河地區為重點，提出利用地下空間蓄存水資源的布局方案及調度預案，并預測了回灌效果[21]。2010年，北京市地質礦產勘查開發局在北京市豐臺區的嚴重缺水村李家峪，利用小型溝谷施工建設了一座截潛壩，大大改變了該村缺水現狀，為在山區溝谷建設小型地下水庫工程提供了成功的經驗。

以往研究工作為北京建設地下水庫提供了寶貴的經驗，對地下水庫建設關于地下水庫的選址、地下水庫容、地下水庫組成、及運行管理等一系列問題深入開展提供了基礎依據[22～25]。

3 地下水庫的建設條件和工作方法

地下水庫作為解決水資源緊缺問題的有效途徑，主要目的是調節水資源時空分配，增加水資源可利用量。建設地下水庫需要適宜的地質條件、補給條件和工程條件[26]，從而解決“灌得進、存得住、取得出”的問題。

3.1 地下水庫建設條件

北京位于華北平原的西北邊緣，東、西、北三面環山，東南為傾斜的平原，行政區面積為16410.54km2。西部為太行山脈，北部為燕山山脈，山區多屬于中低山地形。北京平原區地勢平坦廣闊，由洪、沖積扇及沖、洪積平原聯合而成，平原區面積約為6400km2（不包括延慶盆地），約占全市面積的39%。

3.1.1 平原區

北京平原區是由永定河、潮白河、溫榆河、大石河、薊運河等幾大河流沖、洪（湖）積作用形成[6]，尤其以永定河、潮白河沖洪積扇為北京平原的主要組成部分。各河流第四系松散沉積物沉積規律大致相同，即河流沖洪積扇頂部和中上部，含水層結構簡單，顆粒粗、厚度大，入滲條件和富水性好，沖洪積扇底部具有相對天然的隔水邊界，是理想的儲水場所。

沖洪積扇頂部，砂卵石埋藏淺或直接裸露地表，大氣降水入滲及河水入滲條件良好，是平原區地下水的主要補給區，富水條件好，單井涌水量一般大于5000m3/d。沖洪積扇中上部，含水層為二至三層砂卵礫石層，單井涌水量可達3000～5000m3/d。城市水源地的主要開采區多位于河流沖洪積扇中上部，連續多年的地下水過量開采，使區域地下水位不斷下降，形成了巨大的庫容空間。根據“北京市地下水調蓄能力與利用模式研究”成果[22]，僅潮白河地區的地下水調蓄庫容就達25.5億m3。沖洪積扇下部，含水層結構逐漸過渡為多層結構，巖性顆粒逐漸變細，滲透性能減弱，是地下水庫的相對阻水邊界。因此，北京平原區建設地下水庫具備“灌得進、存得住”的地質和水文地質條件。北京平原區各大沖洪積扇中上部，是北京市主要地下水廠的所在地，具備成熟的取水工程，可以完成“取得出”的任務。另外，北京市具備較完備的輸水、配水網絡，為建設地下水庫提供了良好的輸配水條件。南水北調中線工程將于2014年向北京供水，成為潛在的地下水庫補給水源。除此之外，地表水庫的棄水，以及雨洪水、再生水等都可作為補給水源加以利用。

以北京西郊地區為例，該區由永定河沖洪積作用形成。永定河沖洪積扇的西部和西北部邊界為北京西山，石炭—二疊及侏羅系的砂頁巖和火山巖組成了不透水邊界；東部由昆明湖、紫竹院、陶然亭至西紅門一線，南部由西紅門經狼垡至南崗洼，第四系巖性顆粒細，滲透性能弱，是天然的弱透水邊界；底部為第四系冰磧泥礫或第三系半膠結的砂礫巖、泥巖，屬于不透水邊界。因此，該地區具有構成地下水庫得天獨厚的地質條件（圖1）[6]。平原區第四系含水層主要由砂卵石、砂礫石、砂含礫石及砂組成，沉積厚度大，最厚可達200m以上。單層砂卵礫石含水層分布區，單井出水量一般可達5000m3/d以上。大口井入滲、沙石坑入滲及永定河河道入滲回灌試驗表明，該區入滲效果極好，地下水位上升明顯。總體來說，該地區顆粒粗、富水性好、入滲能力強，具有接受雨洪水或地表徑流補給的優良條件。同時，北京西郊是北京市重要的地下水源地，由于多年過量開采地下水，地下水位呈下降趨勢，形成區域地下水位降落漏斗，地下含水層形成了巨大的庫容空間。

圖1 北京西郊地下含水層結構剖面圖

由上述水文地質條件及試驗研究可以看出，北京西郊地區具有建立地下水庫的儲水條件、良好的入滲條件和巨大的庫容空間。只要通過適當的工程措施將上游雨洪水、地表水等水源回補地下，大部分的地下水就能儲存在該地下水庫之中，起到儲存、調節地下水的作用。

3.1.2 山區小流域

小流域出山口處地形條件適宜建設小型地下水庫，是解決局部缺水的重要措施。在北京豐臺山區李家峪村已經有了地下水庫的工程實踐經驗。2010年，北京市地質礦產勘查開發局根據地形地貌、水文地質、工程地質條件，在豐臺區的嚴重缺水村李家峪，利用小型溝谷建設了一座截潛壩，將降雨補給的潛水截留下來，供灌溉果園和大棚蔬菜使用，工程施工完成后，截潛壩上游水位明顯抬升，大大改變了該村缺水現狀，為北京市在山區溝谷建設小型地下水庫工程提供了成功的經驗（圖2）。

圖2 豐臺區李家峪小型地下水庫工程示意圖

3.2 工作方法

北京地區開展過一系列地質及水文地質調查以及地下水調蓄的相關工作，為地下水庫建設的專項研究提供了參考。地下水庫建設涉及多學科、多領域，需要解決水庫選址、水庫邊界、水庫結構、水庫庫容、補給水源、補給途徑、取水條件等問題，工作方法總結如下：

①確定地下水庫建設的目標。如地下水庫的用戶，庫容目標，建設地下水庫的目的等。②確定地下水庫區位置。綜合分析區域地質和水文地質條件，結合地下水庫建設目標，選取重點工作區，開展野外地質和水文地質、工程地質調查等工作，并借助物探、鉆探、原位測試、室內試驗等方法，確定地下水庫的底部邊界、調蓄適宜水位和地下壩位置。③確定補給條件。開展地下水庫補給水源、調水、取水工程專項調查，評估補給水源和補給水量。開展不同回灌方式的入滲試驗，確定回灌能力和回灌方式。④進行地下水庫工程性試驗。根據已確定壩址的地質條件，選擇適應的施工工藝和壩體材料，通過注水試驗、壓水試驗等手段確定壩底進入不透水層或弱透水層的深度；通過取樣試驗和物探手段檢測壩體強度和完整性以及壩體透水率，對壩體漏水部位采用注漿等措施封堵。⑤進行地下水庫庫容計算，地下水庫調蓄方案評價，分析建庫對地質環境影響評價，以及社會經濟效益分析等，提出地下水庫規劃建議。

4 地下水庫的運行管理

地下水庫的運行管理，包括地下水庫監測系統建立，以及對建成的地下水庫的維護、管理等，目前國內沒有一個明確的指導原則，嚴重影響了地下水庫的建設和推廣。國內根據學者專家的研究，初步提出了一系列地下水庫管理體系和相關法律法規的建議。主要包括：①地下水庫的隸屬、管理權限；②地下水庫管理的組織機構；③地下水庫的水權問題；④庫區范圍內的地下水開發與管理；⑤庫區范圍內地表水、地下水、水質、水量的監測、管理與調度；⑥庫區范圍內水資源工程建設；⑦庫區范圍(包括影響范圍)與水有關的生態環境問題等[27]。

地下水庫的運行通常是大規模、高強度的對水資源的時空調節過程，因此，為保證地下水庫運行不引起環境惡化等問題，需要對地下水庫在水資源調配的各個環節進行合理規劃，對其運行狀態進行人為控制[27]。

5 結束語

地下水庫是近年來得到不斷發展的解決水資源不足的重要工程措施。對于嚴重缺水的北京市，建設地下水庫具有十分重要的現實意義。北京市具有建設地下水庫的天然地質條件和良好的工作基礎。在系統地開展勘察研究工作基礎上建設地下水庫，有利于提高北京市供水保證程度和南水北調工程來水利用效率，遏制地下水生態環境惡化，實現水資源可持續利用。地下水庫運行管理，需要加強管理體系規范，制定相應法律法規，使地下水庫發揮最大工程效益。

[1]Christian Stefanescu,Alain Dassargues.Simulation of Pumping And Artificial Recharge In a Phreatic Aquifer Near Bucharest,Romania[J].Hydrogeology Journal, 1996,(4): 72～83.

[2]Herman Bouwer.Artificial recharge of groundwater:hydrogeology and engineering [J].Hydrogeology Jouranal,2002,10(1):121～142.

[3]王文科,孔金玲,王 釗等.關中盆地秦嶺山前地下水庫調蓄功能模擬研究[J].水文地質工程地質，2002（4）：5～9.

[4]杜尚海,蘇小四,呂 航.不同降雨豐枯遭遇條件下滹沱河地下水庫人工補給效果[J].吉林大學學報（地球科學版）,2010,40（5）：1090～1097.

[5]束龍倉,李 偉,李硯閣.地下水庫庫容不確定性分析[J].水文地質工程地質,2006（4）：45～47.

[6]北京市地質礦產勘查開發局,北京市水文地質工程地質大隊.北京地下水[M].北京：中國大地出版社,2008.

[7]北京市“十二五”時期水資源保護劑利用規劃[J].北京水務,2012,（2）：1～6.

[8]北京市水務局.北京市水資源公報[R]，2010.

[9]Aquifer storage and recovery(ASR)：a strategic costeffective facility to balance water production and demand for Sharjah .Desalination 174(2005)193～204.

[10]Zhuping Sheng, An aquifer storage and recovery system with reclaimed wastewater to preserve native groundwater resources in El Paso, Texas.Journal of Environmental Management 75(2005)367～377.

[11]李 偉,束龍倉,李硯閣.濟寧市地下水庫特征參數分析[J].水科學進展,2005：65～71.

[12]北京市地質調查研究院,河北省地質調查院,中國地質大學（北京）等.首都地區地下水資源和環境調查評價[R].2003.

[13]北京市地質調查研究院.華北平原地下水可持續利用調查評價（北京）[R],2005.

[14]蔡向民,欒英波,郭高軒等.北京平原地區地質系統[J].城市地質,2009,4（3）:6～12.

[15]明鏡,潘懋,屈紅剛等.北京市新生界三維地質結構模型構建[J].北京大學學報（自然科學版）,2009,45（1）:111～119.

[16]王麗亞,韓錦平,劉久榮等.北京平原區域地下水流模擬[J].水文地質工程地質,2009（1）:11～17.

[17]北京市水文地質工程地質大隊.北京西郊[石景山]西黃村砂石坑回灌情況總結[R],1996.

[18]北京市水文地質工程地質大隊.北京西郊地下水庫試驗研究報告[R],1985.

[19]北京市水文地質工程地質大隊.北京市潮白河牛欄山地區水資源地下調蓄試驗研究報告[R],1987.

[20]北京市水文地質工程地質大隊.北京市水資源地下調蓄勘察報告[R],1990.

[21]北京市水文地質工程地質大隊.北京市地下水調蓄能力與利用模式研究[R],2011.

[22]崔 瑜,李 宇,謝振華等.北京市平原區地下水養蓄控高水位及其約束下的地下水庫調蓄空間計算[J].城市地質,2009,4（1）:12～17.

[23]李 宇,邵景力,葉 超等.北京西郊地下水庫模式研究[J].地學前緣,2010,17（6）:192～199.

[24]李志萍,謝振華,楊 艷等.北京平谷盆地地下水庫建庫條件分析[J].上海國土資源,2011,32（1）:20～23,37.

[25]劉記來,劉 超,黃天明等.基于調蓄試驗及數值模擬的北京市西郊地下水庫人工補給效果評估[J].水文,2010,30（3）:33～37.

[26]李硯閣.地下水庫建設研究[M].北京:中國環境科學出版社,2007.

[27]王津津.超采漏斗區漏斗填充式地下水庫研究[D].山東農業大學碩士學位論文,2009.