北京張坊巖溶地下水庫(kù)聯(lián)合調(diào)蓄研究

王小松，楊利錦，許 海，歐志亮（. 北京市地質(zhì)工程勘察院，北京 00048；. 北京市水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊(duì)，北京 0095）

北京張坊巖溶地下水庫(kù)聯(lián)合調(diào)蓄研究

王小松1，楊利錦1，許 海1，歐志亮2
（1. 北京市地質(zhì)工程勘察院，北京 100048；2. 北京市水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊(duì)，北京 100195）

北京張坊巖溶地下水庫(kù)位于北京市房山區(qū)，屬半開放式山前淺埋巖溶地下水系統(tǒng)，其補(bǔ)給條件好。文章應(yīng)用多種技術(shù)手段，對(duì)區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)、水動(dòng)力場(chǎng)等進(jìn)行綜合對(duì)比分析。研究結(jié)果表明，張坊水源地地區(qū)是一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的巖溶地下水庫(kù)，區(qū)內(nèi)巖溶水的分布明顯受構(gòu)造控制，富水性不均勻。拒馬河自西北向東南縱穿整個(gè)水源地，為地表水和地下水的聯(lián)合調(diào)蓄創(chuàng)造了條件。區(qū)內(nèi)拒馬河平均年徑流量在五渡以上為7800×104m3/a，地下水可采資源為2330×104m3/a，年內(nèi)最大可調(diào)蓄庫(kù)容為4690×104m3/a。張坊應(yīng)急水源地和拒馬河河水具備聯(lián)合調(diào)蓄條件，二者結(jié)合可滿足年平均供水1～1.2×108m3/a。

巖溶地下水庫(kù)；地表水；地下水；聯(lián)合調(diào)蓄

0　研究背景

北京地區(qū)降水具有時(shí)空分布不均、豐枯交替出現(xiàn)特點(diǎn)，造成區(qū)域水災(zāi)、旱災(zāi)頻繁，水資源供需矛盾突出。解決水資源分布不均的途徑一般是通過(guò)工程措施調(diào)蓄水資源，傳統(tǒng)方法有二：一是利用地表水庫(kù)，包括江河湖泊等天然地表水體和修建地表水庫(kù)；二是建設(shè)集中地下水源地，利用地下庫(kù)容，實(shí)現(xiàn)地下水開采與地表水回灌涵養(yǎng)的聯(lián)合調(diào)蓄（張永波，2001；林學(xué)鈺，1984）。但地表水庫(kù)直接與外界環(huán)境接觸，水量受降水量的影響波動(dòng)較大，水質(zhì)易污染，水資源的保護(hù)難度大。與地表水庫(kù)相比，地下水庫(kù)或地下含水層是利用天然含水層儲(chǔ)存空間來(lái)調(diào)蓄水資源，具有儲(chǔ)存空間大、資源量大、多年調(diào)蓄能力強(qiáng)、水質(zhì)相對(duì)穩(wěn)定、蒸發(fā)損失小、建設(shè)投資小等優(yōu)點(diǎn)（杜漢學(xué)等，2002；杜新強(qiáng)等，2008）。國(guó)內(nèi)外諸多工程實(shí)踐表明，地下水庫(kù)是調(diào)蓄水資源的最有效手段（向華龍，2003；Told D K.，1980；Fetter C W.，2001；戴長(zhǎng)雷等，2003；羅伯特P阿姆布羅格，1995；杜新強(qiáng)等，2008）。

張坊巖溶水源地是目前北京地區(qū)建成的最大的巖溶水源地，受下游斷裂構(gòu)造及側(cè)向巖脈控制，形成了相對(duì)獨(dú)立的巖溶地下水庫(kù)。區(qū)內(nèi)巖溶裂隙發(fā)育，含水巖組厚度大，地下水易采易補(bǔ)。拒馬河從水源地穿過(guò)，河水與巖溶地下水聯(lián)系緊密，具備地表水和地下水聯(lián)合調(diào)蓄供水條件，為地表水和地下水聯(lián)合調(diào)蓄研究提供試驗(yàn)基地。

1　區(qū)域水文地質(zhì)條件

房山地區(qū)地處華北平原西北邊緣，太行山脈北部。區(qū)內(nèi)地層發(fā)育比較齊全，以薊縣系和長(zhǎng)城系碳酸鹽類巖石為主，硅鎂含量高，性脆，可溶性稍差，在內(nèi)外地質(zhì)應(yīng)力作用下，溶蝕現(xiàn)象不均勻，裂隙普遍發(fā)育，接受大氣降水補(bǔ)給。巖溶裂隙發(fā)育，發(fā)育有大量溶洞。巖溶水的補(bǔ)給來(lái)源主要有大氣降水入滲補(bǔ)給；地下水排泄主要包括地表流出、人工開采和向下游徑流（圖1）。

2　張坊巖溶地下水庫(kù)特征

2.1張坊巖溶地下水庫(kù)邊界的確定

綜合區(qū)域地質(zhì)、水文地質(zhì)條件，圈定張坊巖溶地下水庫(kù)邊界如下：

（1）北部以薊縣系洪水莊組（Jxh）為界，巖性為頁(yè)巖、板巖，呈條帶狀，為隔水邊界。

（2）東北部以圣水峪-羅家峪地表分水嶺為界，為隔水邊界；向東南延伸經(jīng)軒轅寺至方正村為界，為側(cè)向補(bǔ)給邊界。

（3）西部以煌斑巖脈為界，為隔水邊界。

（4）南部以?？谟?長(zhǎng)溝斷裂為界。?？谟?長(zhǎng)溝斷裂為逆斷層，斷裂南段東南側(cè)南部為石炭-二疊系頁(yè)巖和砂巖，北部為寒武-奧陶系灰?guī)r。逆斷層阻水作為隔水邊界。

圖1　項(xiàng)目區(qū)基巖地質(zhì)構(gòu)造圖Fig.1 Geological structure of bedrock in the project area

2.2張坊巖溶地下水庫(kù)開采動(dòng)態(tài)

綜合對(duì)比張坊應(yīng)急水源地月開采量（地下水）、月降水量和地下水位埋深關(guān)系，由于應(yīng)急水源地的開采量的變化，引起區(qū)內(nèi)地下水排泄量的變化，從而導(dǎo)致地下水位年內(nèi)出現(xiàn)大幅波動(dòng)（圖2）。年內(nèi)1—3月份張坊應(yīng)急水源地的開采量較小，降水量也很小，區(qū)內(nèi)地下水位逐月下降。4月份開始應(yīng)急水源地開采量加大，地下水位降幅在6月份達(dá)到年內(nèi)最低值，最大降幅達(dá)14～15m。6月份后降水量增大，地下水位出現(xiàn)快速回升（圖3）。

通過(guò)水位動(dòng)態(tài)分析可見，地下水位受應(yīng)急開采影響年內(nèi)波動(dòng)大，但由于其水源井分布于拒馬河北岸，易得到地表水補(bǔ)給，隨著雨季的到來(lái)，地下水開采量減少，地下水位能夠較快的恢復(fù)。在枯水期通過(guò)應(yīng)急開采，滿足城市供水同時(shí)，騰出了地下存儲(chǔ)空間，為豐水期地表水的回補(bǔ)騰出了庫(kù)容。

圖2　張坊應(yīng)急水源地月供水量與地下水位埋深關(guān)系圖Fig.2 Relationship between monthly water supply and groundwater level of Zhangfang emergency water source

圖3　張坊應(yīng)急水源地地下水位埋深與降水量關(guān)系圖Fig.3 Relationship between precipitation and groundwater level of Zhangfang emergency water source

3　地下水與地表水聯(lián)合調(diào)蓄研究

3.1調(diào)蓄條件及范圍

張坊應(yīng)急水源地位于山前地帶，巖溶裂隙含水層為薊縣系霧迷山組白云巖，直接隱伏與第四系之下。第四系厚度僅幾米到20多米，主要為砂礫石，顆粒粗大，滲透性好。其北部為山區(qū)，基巖直接出露，接受大氣降水補(bǔ)給，東部、南部和西部均為相對(duì)隔水邊界。受地形、地層和構(gòu)造控制，形成一個(gè)相對(duì)對(duì)立的巖溶地下水庫(kù)。

拒馬河自張坊巖溶地下水庫(kù)西北測(cè)流入，河道內(nèi)砂卵石直接出露，入滲能力強(qiáng)。據(jù)河道監(jiān)測(cè)資料顯示，拒馬河河水流出五渡后，向下游一般至山前在豐水期會(huì)出現(xiàn)地表徑流，枯水期基本全部入滲。近年來(lái)由于連續(xù)干旱，第四系孔隙水基本已疏干，河水到下游平原區(qū)很快入滲補(bǔ)給地下水，河道的入滲能力很強(qiáng)。區(qū)內(nèi)具備地表水和地下水聯(lián)合調(diào)蓄的條件。

區(qū)內(nèi)現(xiàn)有水利工程包括勝天渠和張坊應(yīng)急水源工程2處（圖4），其中勝天渠自五渡攔蓄壩引水，至下寺村蓄水池與張坊應(yīng)急水源匯合，聯(lián)合給北京西部企事業(yè)單位供水。每年1—6月枯水期，由于拒馬河來(lái)水減少，需要通過(guò)張坊應(yīng)急水源地供水來(lái)彌補(bǔ)勝天渠供水量的不足。

圖4　水利工程和水文站分布圖Fig.4 Distribution of water conservancy projects and hydrological stations

3.2地表水資源量分布特征

區(qū)內(nèi)地表水與地下水存在相互補(bǔ)排關(guān)系，在山區(qū)河床深切，低于地下水位，地下水向河流排泄；進(jìn)入平原后，河床抬升，高于地下水位，河水補(bǔ)給地下水。

據(jù)張坊水文站監(jiān)測(cè)資料，1998—2005年拒馬河年均流量為1.36×108m3，其中最大2.84×108m3（2008年），最小0.38×108m3（2005年），2006年五渡地區(qū)勝天渠攔蓄壩加高，截留了大部分河水，年取水量為約8600×104m3。導(dǎo)致2007年1—7月拒馬河下游斷流。2012年3—6月拒馬河張坊站為斷流，7 月21日暴雨后，流量突增，月均流量達(dá)到57.2m3/s（合計(jì)1.53 ×108m3）。在豐水期，拒馬河河水豐沛，是區(qū)內(nèi)地下水的主要補(bǔ)給資源。

3.3 張坊巖溶地下水庫(kù)調(diào)蓄庫(kù)容

調(diào)蓄庫(kù)容指現(xiàn)狀開采條件下已疏干潛水含水層的儲(chǔ)水空間。調(diào)蓄庫(kù)容計(jì)算公式：

式中：V—調(diào)蓄區(qū)庫(kù)容（m3）；H—含水層疏干厚度（m）；F—含水層面積（m2）；μ—含水層給水度。

根據(jù)區(qū)域數(shù)值模型計(jì)算，研究區(qū)地下水多年平均補(bǔ)給資源量為6910×104m3，總排泄量6074.4×104m3。張坊應(yīng)急水源地按照6.4×104m3規(guī)模開采，年開采量維持在2332×104m3，區(qū)內(nèi)地下水位基本維持動(dòng)態(tài)均衡。開采量增加至10×104m3，區(qū)內(nèi)地下水位將出現(xiàn)大幅下降，降幅將達(dá)到15m左右。按照12×104m3規(guī)模開采，區(qū)內(nèi)地下水位降幅18～30m，消耗地下水儲(chǔ)存資源約2000×104m3。

經(jīng)過(guò)模擬計(jì)算，控制地下水位下降至深35m，張坊巖溶地下水庫(kù)年調(diào)蓄庫(kù)容4690×104m3；地下水位下降至60m時(shí)，張坊巖溶地下水庫(kù)年調(diào)蓄庫(kù)容為7300×104m3。

3.4地表水和地下水聯(lián)合調(diào)蓄能力評(píng)價(jià)

張坊巖溶地下水庫(kù)為一相對(duì)獨(dú)立的、山前半開放式地下水庫(kù)。拒馬河與區(qū)域巖溶地下水水力聯(lián)系密切，補(bǔ)給條件好，年內(nèi)相互補(bǔ)給和調(diào)蓄功能強(qiáng)。張坊應(yīng)急水源地的開采，加大了區(qū)內(nèi)地下水資源的開采量，進(jìn)而也激發(fā)了拒馬河水與巖溶地下水的補(bǔ)給。根據(jù)區(qū)域地下水?dāng)?shù)值模型分析研究，控制地下水位降深15m以內(nèi)，張坊巖溶地下水庫(kù)年調(diào)蓄庫(kù)容2330×104m3，可以滿足日供水6.4×104m3的開采規(guī)模；控制地下水位降深35m以內(nèi)，張坊巖溶地下水庫(kù)年調(diào)蓄庫(kù)容4690×104m3，可以滿足日供水12.8×104m3的開采規(guī)模，停采后經(jīng)過(guò)1個(gè)豐水年回補(bǔ)后地下水位可以恢復(fù)至多年平均水平。

區(qū)內(nèi)地表水資源相對(duì)比較豐富，據(jù)監(jiān)測(cè)統(tǒng)計(jì)資料，2008—2010年拒馬河平均年徑流量在五渡以上為7800×104m3/a，五渡截流后，五渡下游年平均年徑流量為4296×104m3/a，該水量基本可以滿足張坊水源地的應(yīng)急開采。

綜合分析，區(qū)內(nèi)具備地表水和地下水聯(lián)合調(diào)蓄條件，拒馬河與張坊巖溶水源地聯(lián)合調(diào)度，可滿足年供水1～1.2×108m3/a。

4　結(jié)論

張坊巖溶水源地地處房山山前，受地層、構(gòu)造控制，在張坊地區(qū)形成一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的山前半開放式巖溶地下水庫(kù)。區(qū)內(nèi)地表水資源相對(duì)豐富，地表水和地下水水力聯(lián)系緊密，具備地表水和地下水聯(lián)合調(diào)蓄條件。張坊應(yīng)急水源地的枯水期加大開采以彌補(bǔ)地表水資源的不足，同時(shí)騰出地下空間，在豐水期很快能夠得到回補(bǔ)。張坊巖溶地下水庫(kù)的均衡調(diào)蓄能力2330×104m3/a；應(yīng)急開采條件下，年可調(diào)蓄庫(kù)容為4690×104m3/a。拒馬河年均可調(diào)度量為7800×104m3/a，二者聯(lián)合調(diào)度，可滿足年供水1～1.2×108m3/a。

［1］張永波. 水工環(huán)研究的現(xiàn)狀與趨勢(shì)［M］. 北京：地質(zhì)出版社，2001.

［2］林學(xué)鈺. 論地下水庫(kù)開發(fā)利用中的幾個(gè)問(wèn)題［J］. 長(zhǎng)春地質(zhì)學(xué)院學(xué)報(bào)，1984，14（2）：113～121.

［3］杜漢學(xué)，常國(guó)純，張喬生，等. 利用地下水庫(kù)蓄水的初步認(rèn)識(shí)［J］. 水科學(xué)進(jìn)展，2002，13（5）：618～622.

［4］杜新強(qiáng)，李硯格，冶雪艷，等. 地下水庫(kù)的概念、分類和分級(jí)問(wèn)題研究［J］. 地下空間與工程學(xué)報(bào)，2008，4（2）：209～204.

［5］向華龍. 論天然地下水庫(kù)的開發(fā)和利用［C］. 中國(guó)水利學(xué)會(huì)2003年學(xué)術(shù)年會(huì)論文集：106～109.

［6］Told D K. Groundwater Hydrology［M］. New York∶ John Willey & Sons， 1980∶ 353～356， 458～488.

［7］Fetter C W. Applied Hydrogeology［M］. New Jersey∶Pren-tice-Hall Inc.， 2001∶ 511～541.

［8］戴長(zhǎng)雷，遲寶明. 地下水庫(kù)調(diào)蓄能力分析［J］. 水文地質(zhì)工程地質(zhì)，2003，（2）：37～40.

［9］羅伯特P阿姆布羅格，劉立明譯. 控制水循環(huán)的地下水庫(kù)［J］，地下水，1995，17（3）.

［10］杜新強(qiáng)，廖資生，李硯閣，等. 地下水庫(kù)調(diào)蓄水資源的研究現(xiàn)狀與展望［J］，科技進(jìn)步與對(duì)策，2005，2：178～180.

Study on United Regulation-storage of the Zhangfang Karst Groundwater Reservoir in Beijing

WANG Xiaosong1， YANG Lijin1， XU Hai1， OU Zhiliang2
（1.Beijing Institute of Geological and Prospecting Engineering， Beijing， 100048； 2. Beijing Institute of Hydrogeology and Engineering Geology， Beijing 100195）

The Zhangfang karst groundwater reservoir is located in Fangshan district， Beijing. It is a semiopen shallow buried karst-water system and has good recharge conditions. The regional tectonic stress field and groundwater dynamic field were analyzed by varied methods. The research results show that a relatively independent karst groundwater reservoir has been formed in Zhangfang， where the distribution of karst-water is apparently dominated by geological structure， and the water yield property distributes unevenly. Also， the Juma River， which runs through the Zhangfang karst groundwater reservoir from northwest to southeast， provides good conditions for regulation-storage between surface water and groundwater. The average annual flow of the Juma River above Wudu is 7800×104m3/a， and the average annual groundwater that can be exploited is 2330×104m3/ a， and the largest regulation-storage capacity is 4690×104m3/a. Zhangfang emergency water source can be jointed with the Juma River surface water， and can reach annual total water supply of 1×108～1.2×108m3/a.

Karst groundwater reservoir； Surface water； Groundwater； United regulation-storage

P641

A

1007-1903（2016）01-0026-04

10.3969/j.issn.1007-1903.2016.01.006

王小松（1982- ），男，碩士研究生，工程師，主要研究方向?yàn)樗牡刭|(zhì)與環(huán)境地質(zhì)。電子郵箱：wangxiaosong6560@126.com