永定河2020年春季生態補水對北京地下水涵養效果分析

李海軍　崔一嬌　任永強　姜媛　崔瑜　吳芮欣　王樹芳

摘 要：為研究地表水對地下水的涵養效果，以2020年永定河春季生態補給過程為例，分析了永定河補水期間河道沿岸126眼地下水觀測井的水位與水質等數據。研究結果顯示，永定河生態補水2個月后，第四系地下水位上升區面積超過了450 km2，基巖地下水位上升區面積超過190 km2。受含水介質類型和河道過水量及水頭的影響，基巖水的上升幅度最大可接近24 m，遠遠大于第四系地下水的升幅。地表水補給地下水后，地下水中的重碳酸鹽和硝酸鹽氮的濃度有所下降。永定河春季生態補水對沿岸地下水補給量約9800萬m3。

關鍵詞：永定河;生態補水;地下水涵養;水位響應

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

北京西部為太行山脈，北部為燕山山脈，地勢西北高、東南低，東南是緩緩向渤海傾斜的由永定河、潮白河沖洪積物形成的平原，形象地稱為“北京灣”。永定河流出山地進入“北京灣”后，因地勢平緩，流速降低，河流攜帶的礫石、泥沙便在出山口后以扇形堆積下來，形成沖洪積扇，從扇頂到扇緣地勢逐漸變低、沉積物顆粒逐漸變細。永定河出山以后，在平原上漫流擺動，形成不同歷史時期的河道自北向南分別為古清河、古高梁河和古水（北京市文史研究館，2016），3000年前北京地區最早的城市——薊城建立在永定河故道沿岸，永定河被稱為是北京的母親河。由于自然環境變化和水資源過度開發，永定河北京平原段出現全年斷流，地下水位持續下降（高飛等，2019;白鵬等，2018）。2014年南水進京后，北京市為涵養地下水，采取了地下水壓采與減采等措施。同時，為恢復永定河生態環境，2016年國家多個部門聯合印發了《永定河綜合治理與生態修復總體方案》（國家發展改革委，2016），方案遵循用生態的辦法解決生態問題的指導思想，以水開路，用水引路，開啟了永定河生態補水工作，推動實現永定河“流動的河、綠色的河、清潔的河、安全的河”治理目標。2016年以來，針對水資源與生態環境，永定河流域相關部門探索性地進行了多次生態補水和生態修復工作（楊檸，2020;王遠航等，2020;張君偉等，2020），逐步探索形成永定河生態修復與水資源涵養的優化方案（楊勇等，2019）。

2020年春季官廳水庫向下游永定河集中補水1.67億m3，后期采用小流量補水方式，斷流25年的永定河北京段實現全線通水。本文以永定河北京段為研究區域，通過分布在山區和平原區的126眼地下水位監測井，監測補水前后地下水動態，分析生態補水對地下水水位、水質和儲存量等特征指標的變化規律，研判永定河生態補水對地下水回補涵養的效果，為科學規劃生態補水方案，實現永定河流域的整體保護與系統修復提供依據。

1 研究區概況

永定河流域在北京市境內主河道長189 km，流經門頭溝區、石景山區、豐臺區、房山區、大興區5個區，自大興區崔指揮營村東出市境域，流向河北省。研究區位于永定河北京段范圍內，具體包括山區段（官廳水庫出口—三家店）、平原城市段（三家店—盧溝橋）和平原郊野段（盧溝橋至市界）。永定河水系屬于海河流域水系，也是其中最大的水系。為了研究永定河2020年春季生態補水對地下水的影響，本項目選取126眼地下水監測井對地下水位等進行了連續觀測（圖 1）。

研究區發育有基巖含水層和第四系含水層。巖溶含水層屬于西山巖溶水系統中的三級系統玉泉山—潭柘寺巖溶水系統，取水層位為奧陶系含水巖組（王曉紅等，2011;趙春紅等，2017）。第四系松散巖類孔隙水主要分布于區內的山間溝谷及平原地區，包括潛水含水層和承壓水含水層，以殘、坡積相和沖洪積相為主，含水層巖性以礫石、卵石、砂卵礫石為主。

2 生態補水概況

2020年4月20日，官廳水庫開始向永定河補水。根據有關部門發布的4月20日—5月20日的補水信息，4月20日—4月27日，官廳水庫實際按流量40 m3·s-1放水，4月29日—5月13日，官廳水庫按流量100 m3·s-1放水，隨后實施了小流量生態補水（圖2）（趙小偉等， 2020;王槿妍等，2020）。

3 生態補水對地下水的影響

3.1 對水位的影響

2020年永定河春季生態補水自4月20日開始，大流量補水持續到5月13日，隨后開始小流量補水。為分析補水對地下水的影響，分別繪制了補水1個月（5月20日）及補水2個月（6月20日）與補水前（4月20日）永定河沿岸的地下水位對比圖（圖3）。考慮到2020年6月份之前降水量非常小，所以水位上升主要影響因素是永定河生態補水。與4月20日對比，5月20日平原區第四系地下水位上升區面積為402 km2，至6月20日平原區第四系地下水位上升區面積為450 km2，上升區范圍擴大了50 km2左右。由于平原區主要分布在永定河的東側，所以上升區范圍的擴大區也分布在永定河的東側。5月20日，上升區東側鋒面已經到達西二環附近（圖3 a）。至6月20日，上升區范圍已經擴展到北京市中軸線附近（圖3b）。生態補水的第一個月（4月至5月），上升區前鋒最大擴展速率達到了15 km/月，生態補水的第二個月（5月至6月），上升區前鋒最大擴展速率約為5 km/月，擴展速率減緩了2/3，但是影響范圍仍然在逐步擴大，地下水總體流向是自西向東流。

從地下水位上升幅度來看，在整個平原區，接近永定河出山口的門頭溝區與石景山區的第四系地下水首先接受河水補給，而且上升幅度最大，最大的升幅可以達到5 m以上。地下水位上升幅度大于1 m的地區主要分布在永定河石景山段。

永定河生態補水除了對平原區第四系地下水補給外，還在很大程度上補給基巖地下水。在補水過程中，山區的基巖地下水得到了快速補給。根據已有的監測井，最遠的影響范圍已經達到了距離河道7 km的潭柘寺地區，山區水位上升區可圈定范圍可達190 km2以上。從水位升幅來看，基巖水的升幅要大于第四系地下水，最大的升幅可以近24 m。

由于永定河河床與地下水面之間存在一定的非飽和帶，所以在地表水補給地下水的過程中存在一定的滯后性（胡立堂等，2020），地下水位對地表水補給的響應時間也不相同。永定河山區門頭溝丁家灘地區基巖地下水監測井對地表水的補給響應特別靈敏，4月21日地表水頭到達該地區，4月24日前地下水就開始上升，時間滯后只有3 d左右（圖4，監測井A）。永定河城市段石景山蓮石湖第四系地下水監測井響應相對較慢，4月23日地表水水頭到達該地區，地下水位4月27日開始上升，滯后時間約4 d（圖4，監測井B）。永定河郊野段大興趙村第四系地下水監測井響應時間更長，5月8日地表水頭到達該地區，地下水位5月24日開始上升，滯后時間約16 d（圖4，監測井C）。3個典型監測井距離永定河道的長度基本相近，但是響應時間不同，主要受以下幾個因素的影響：

（1）含水層介質類型

門頭溝丁家灘地區基巖地下水監測井A所在地區為基巖分布區，含水層以巖溶裂隙為主，地下水運移速率較快。一旦地表水由河床進入含水層，能夠快速到達飽和帶，使地下水位快速上升。蓮石湖第四系地下水監測井B位于砂卵礫石含水介質分布區，地表水也能比較快的通過非飽和帶，快速到達飽和帶，從而使地下水位快速上升。而趙村第四系地下水監測井C位于第四系細顆粒分布區，含水層滲透性差，所以地表水由河床進入含水層需要較長的時間。另外，由于地下水在巖溶裂隙中的運動分為達西流和管道流兩種流態，管道流的流速會大于達西流，從而使其基巖水的水頭響應時間比孔隙水的響應時間短（焦友軍等，2017）。

（2）河道過水量和水頭的影響

永定河春季補水期間，從上游至下游，由于沿程的水量損失，河道的過水量也是逐步減少的。根據監測，補水期間丁家灘和蓮石湖河道過水量要大于趙村段的過水量。過水量大又造成了河道水頭較高，水頭壓力比較大，河道水頭與地下水的水頭差就大。較大的過流量和水頭差都會促進地表水的下滲，從而使地表水能夠更快的補給地下水。

3.2 對水質的影響

為研究生態補水對地下水水質的影響，在生態補水期間的2020年5月進行了地下水取樣檢測。結果顯示，與2019年同期相比，2020年永定河生態補水后，地下水中的重碳酸鹽和硝酸鹽氮的濃度有所下降，其他化學成分變化不規律（圖5）。根據2020年河水與地下水監測結果，永定河北京段河水重碳酸鹽的濃度介于266～284 mg·L-1之間，硝酸鹽氮的濃度值介于0.86～1.34 mg·L-1之間。總體情況是河水的重碳酸鹽和硝酸鹽氮的濃度低于地下水，所以河水與地下水混合后，兩項指標濃度有所下降。

3.3 對儲存量的影響

一般情況下，地下水儲存變化量的計算是采用水量均衡法，通過計算各補給項與排泄項而得。本文地下水儲存變化量計算時間為2020年4月中旬—5月中旬，在此期間，研究區處于枯水期，降水量非常少，所以降水補給可以忽略不計。地下水儲存量的變化主要受地表水補給的影響。

根據春季生態補水期間有關部門的監測，截止到2020年5月中旬，永定河山區段蒸發及滲漏補給地下水3200萬m3，平原區段蒸發及滲漏補給地下水6600萬m3，其中絕大部分地表水的損失量都補給了地下水。總體來看，永定河春季生態補水對山區和平原區地下水都產生了顯著的補給效果（總補給量約為9800萬m3），增加了地下水的儲存量，山區和平原區地下水位都呈現出顯著的上升趨勢。

4 結論與展望

（1）作為北京地區重要的水源地與生態涵養區，北京西部地區地下水儲存量的增加具有重要的生態意義與資源意義，將會為北京市城鄉供水安全提供重要的資源條件。永定河生態補水對北京西部地區地下水恢復及生態修復起到了積極作用，永定河流域山區和平原區地下水位總體回升，北京西部地區地下水水源地供水能力得到改善，地表水水面面積大幅增加，生物多樣性得到了一定程度的恢復，取得了良好的生態效益和環境效益。

（2）2020年春季永定河生態補水期間，永定河山區段滲漏補給地下水約3200萬m3，平原區段滲漏補給地下水約6600萬m3。平原區第四系地下水位上升區面積可達450 km2，西部山區地下水位上升區面積可達190 km2，永定河平原段地下水上升區最大升幅超過了5 m，山區段地下水最大升幅近24 m。

（3）受含水介質類型、河道過水量與水頭差的影響，巖溶水對永定河補水響應時間比第四系地下水短，最快響應時間只有3 d，平原段第四系地下水響應時間都大于4 d。與2019年地下水水質比較，地下水中的重碳酸鹽和硝酸鹽氮濃度有所下降，其他化學成分變化不規律。

（4）生態補水過程中雖然個別水質指標呈現向好趨勢，但補水對整體地下水水質的影響還需要持續監測，特別是地表水環境質量標準中的COD、氨氮濃度高于地下水，可能會導致地下水相應指標濃度升高，要加強長期監測。

（5）補水是暫時性、階段性的，要實現永定河全線不斷流任重道遠，永定河的綜合治理與生態修復必須要堅持節約優先、保護優先、自然恢復為主的方針，遵循基于自然的解決方案，實施補水方案過程中要優先回補地下水，使受損的地下水生態得到修復與保護，使母親河恢復生機和活力。

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