北京市建设地下水库的思考

沈媛媛，姜 媛，刘久荣

（1北京市水文地质工程地质大队，北京 100195）

0 引言

1999年以来，北京遭遇连续干旱年，水资源供需矛盾日益加剧。为保证城市供水安全，北京大力推进节水、建设应急水源地、水库优化调度、扩大利用再生水、以及境外调水等措施，以有限的水资源支撑了城市用水需求。由于地表水资源不足，而地下水系统具有多年调节的特点，在枯水年份，超采地下水成为保障北京城市稳定供水的基本措施，地下水供水量约占总供水量的2/3。地下水作为应急水源长期过量开采，使得地下水位持续下降，地下水源地出水能力不断减少，同时产生了河道干涸、含水层疏干、地下水质恶化和地面沉降等一系列环境地质问题。随着南水北调工程向北京市供水的临近，北京市的缺水形势将有所缓解，为地下水的涵养提供了契机。如何使当地水和外调水实现联合调蓄和调度，逐渐恢复地下水，改善生态环境，成为北京市水资源持续利用面临的关键问题。

地下水库是利用天然地下储水空间兴建的拦蓄、调节和利用水资源的地下工程，具有储蓄和调节水资源的作用，是实现地表水和地下水联合利用的重要措施。近年来，地下水库在国内外均有较为成功的研究和实践[1～5]。北京市早在20世纪60年代就开始了地下水回灌研究，80年代以来多次开展过地下水人工调蓄相关研究，为研究建设地下水库提供了宝贵的经验[6]。本文首先分析了在水资源短缺以及南水北调工程即将通水形势下，北京建设地下水库的必要性，其次阐述了北京市地下水库的研究基础，然后论述地下水库的建设条件和工作方法，并对地下水库运行管理提出需要关注的问题，以期为北京市建设地下水库提供参考。

1 建设地下水库的必要性

北京市属于资源型缺水地区，近12年来，北京地区降水量比多年平均降水量减少了19%，作为主要地表水源的密云水库和官厅水库，年均来水量减少了79%[7]。由于地表水资源匮乏，为满足供水需求，地下水持续过量开采，使得地下水位持续快速下降。2010年末地下水平均埋深为24.92m，与1960年相比，地下水位下降了21.73m，地下水储量减少了111.3亿m3[8]。2003年以来，北京市建成了怀柔、平谷、昌平等多个应急水源地，水源地地下水水位年均下降3～5m，已经接近开采极限值，地下水源地的出水能力显著降低。持续超采地下水造成含水层疏干、地面沉降、地表植被退化，水质恶化等一系列生态环境地质问题，使地下水环境日益恶化，水资源可持续利用难以为继，严重威胁了城市水资源保障能力。南水北调中线工程将于2014年通水进京，北京的水资源供需矛盾将得到缓解，地下水超采局面有望得到遏制。南水北调中线水进京后，需要有效调蓄本地水和中线水，提高中线水资源利用率，使地下水得到涵养，恢复生态环境，遏制环境地质灾害。

近30年来，很多国家充分利用含水层的储水空间建立地下水库，来调节和缓解供水紧张局面[9～11]。地下水库不同于地下含水层，其人为干预了地下含水层对水资源的调蓄能力，具有增加地下水可利用量的重要作用。实践证明，建立地下水库是一种经济、可行的解决供水紧张的途径。在北京开展地下水库建设研究十分紧迫和必要。具体体现在如下几方面：

（1）建立地下水库，增加水资源可利用量，有利于提高北京城市供水保障能力。我国地表水资源的年际和年内变化大，因而地表水体流量变化大，在干旱年份和季节往往很难满足用水需求，而在丰水季节大量的洪水不能被有效利用。地下水库的巨大储水空间，能够储存地表难以利用的水资源，实现“丰存枯采”，大大提高水资源的利用率，增加水资源可利用量，从而提高北京的供水保障能力。

（2）建立地下水库，为南水北调工程来水提供调蓄空间，能够提高外调水的有效利用率。南水北调中线工程从水源区到北京市输水距离长达1400多公里，沿途没有在线调节水库。而南方水源区和北方受水区降雨丰枯变化大，在丰水期南水北调来水富余的情况下，可通过地下水库储存和调蓄水资源，提高南水北调中线工程的有效利用率。

（3）建立地下水库能够为北京提供水资源战略储备。利用地下水库人工补给和储存地下水，能够遏制地下水位持续下降，增加地下水储存量，对于北京城市应急供水和水资源储备具有重要的战略意义。

（4）涵养地下水，控制生态环境恶化，使地下水资源实现可持续利用。地下水位的持续下降，造成了局部地区含水层疏干，地面沉降，地表植被退化等一系列生态环境地质问题。持续超采地下水，难以保证水资源的可持续利用。建立地下水库，使地表水、雨洪水等回灌到地下，恢复地下水位，有利于地下水系统良性发展，有效遏制生态环境恶化，实现地下水资源的可持续利用。

由此可见，充分发挥地下储水空间大，调节能力强的特点，开展地下水库建设工作，能够实现水资源的储存和调蓄，增加水资源可利用量，遏制地下水严重超采局面，改善生态环境，保证城市供水安全，提高北京市水资源战略储备，是北京市社会经济稳定、持续发展的重要保证。

2 北京地下水库研究的基础

2.1 地质及水文地质研究

北京市的地质和水文地质条件研究程度较高，20世纪50年代以来，为满足国民经济发展和城市建设需求，北京市开展了一系列地质和水文地质调查。近50多年来，北京地区开展过两轮1:5万区域地质调查工作，取得了丰富的基础地质数据。矿产勘查、城市地质调查、地热资源调查、地质灾害调查等工作的开展，加深了地质条件的研究程度，积累了大量地质资料和成果。区域水文地质普查、供水水文地质勘查、应急水源地勘查、地下水资源评价、地下水动态监测等大量的水文地质勘查工作积累了1.5万余个地质、水文地质钻孔数据和丰富的研究成果，为认识地下水系统空间结构提供了扎实的基础资料。

1999—2002年开展的“首都地区地下水资源和环境调查评价”项目进行了北京市地下水系统划分，全面阐述了地下水的赋存、水动力和水化学特征[12]。2003—2005年开展的“华北平原地下水可持续利用调查评价（北京）”项目详细开展了平原地下水系统空间结构及其分布研究，进一步查明了地下水形成与演化规律，完善了地下水循环演化模式[13]。2004年开展的“北京市多参数立体地质调查”项目，对北京平原区地层进行了详细综合性研究，查明了地层结构空间展布规律，并建立了三维立体地质结构模型[14～15]。在对北京平原区地质结构、含水层的分布规律等地下水系统空间结构进行了深入研究基础上，开展了地下水系统数值模拟等定量评价工作[16]。

2.2 地下水调蓄研究

早在1965年北京市水文地质工程地质大队就在北京市东郊棉纺织厂开展了“冬灌夏用”地下水回灌试验研究，之后相继进行了大口井回灌试验、砂石坑地下水人工回灌、空调冷却水深井回灌、雨水回灌等研究。先后建立了廖公庄均衡试验场、西黄村人工回灌试验站和雨洪利用示范工程，进行了永定河河道、潮白河河道入渗试验，西黄村砂石坑入渗试验。

北京西郊地区西黄村砂石坑从1978年到1995年进行过一系列回灌试验[17]，将密云水库和官厅水库弃水引入砂石坑进行人工回灌研究，对回灌坑以及其周围水位和水质、回灌淤积情况进行了观测，回灌区地下水位明显升高，水质得到改善。1981年开展了“北京西郊地区人工调蓄地下水资源（地下水库）实验研究”，分析了西郊地区的回灌水源条件，研究了含水层入渗性能、回灌引渗条件和技术方法，分析了人工补给对地下水系统的影响，提出了建设地下水库的技术方案，为北京平原区地下水库的论证、建设工作提供了可供借鉴的模式[18]。1987年和1990年分别进行了“北京市潮白河牛栏山地区水源地下水调蓄试验研究”[19]和“北京市水资源地下调蓄勘察”[20]。“首都地区地下水资源和环境调查评价”项目，对永定河、潮白河冲洪积扇中、上部地区展开回灌场地及水利工程设施状况调查，确定调蓄工程区范围、地下水库调蓄空间、规模及入渗能力，提出地表水、地下水联合调蓄的实施方案建议。2007年完成的南水北调来水与地下水联合调度调蓄规划工作，论证了北京平原区五大冲洪积扇进行了顶部地区水资源联合调度及调蓄的可行性。2009年“雨洪资源地下回灌原型试验与示范区建设”以平谷盆地作为示范区，研究了储水空间特征、地下水回灌入渗能力和雨洪利用工程规划方案。2010年开展的“北京市地下水调蓄能力与利用模式研究”项目以北京西郊和潮白河地区为重点，提出利用地下空间蓄存水资源的布局方案及调度预案，并预测了回灌效果[21]。2010年，北京市地质矿产勘查开发局在北京市丰台区的严重缺水村李家峪，利用小型沟谷施工建设了一座截潜坝，大大改变了该村缺水现状，为在山区沟谷建设小型地下水库工程提供了成功的经验。

以往研究工作为北京建设地下水库提供了宝贵的经验，对地下水库建设关于地下水库的选址、地下水库容、地下水库组成、及运行管理等一系列问题深入开展提供了基础依据[22～25]。

3 地下水库的建设条件和工作方法

地下水库作为解决水资源紧缺问题的有效途径，主要目的是调节水资源时空分配，增加水资源可利用量。建设地下水库需要适宜的地质条件、补给条件和工程条件[26]，从而解决“灌得进、存得住、取得出”的问题。

3.1 地下水库建设条件

北京位于华北平原的西北边缘，东、西、北三面环山，东南为倾斜的平原，行政区面积为16410.54km2。西部为太行山脉，北部为燕山山脉，山区多属于中低山地形。北京平原区地势平坦广阔，由洪、冲积扇及冲、洪积平原联合而成，平原区面积约为6400km2（不包括延庆盆地），约占全市面积的39%。

3.1.1 平原区

北京平原区是由永定河、潮白河、温榆河、大石河、蓟运河等几大河流冲、洪（湖）积作用形成[6]，尤其以永定河、潮白河冲洪积扇为北京平原的主要组成部分。各河流第四系松散沉积物沉积规律大致相同，即河流冲洪积扇顶部和中上部，含水层结构简单，颗粒粗、厚度大，入渗条件和富水性好，冲洪积扇底部具有相对天然的隔水边界，是理想的储水场所。

冲洪积扇顶部，砂卵石埋藏浅或直接裸露地表，大气降水入渗及河水入渗条件良好，是平原区地下水的主要补给区，富水条件好，单井涌水量一般大于5000m3/d。冲洪积扇中上部，含水层为二至三层砂卵砾石层，单井涌水量可达3000～5000m3/d。城市水源地的主要开采区多位于河流冲洪积扇中上部，连续多年的地下水过量开采，使区域地下水位不断下降，形成了巨大的库容空间。根据“北京市地下水调蓄能力与利用模式研究”成果[22]，仅潮白河地区的地下水调蓄库容就达25.5亿m3。冲洪积扇下部，含水层结构逐渐过渡为多层结构，岩性颗粒逐渐变细，渗透性能减弱，是地下水库的相对阻水边界。因此，北京平原区建设地下水库具备“灌得进、存得住”的地质和水文地质条件。北京平原区各大冲洪积扇中上部，是北京市主要地下水厂的所在地，具备成熟的取水工程，可以完成“取得出”的任务。另外，北京市具备较完备的输水、配水网络，为建设地下水库提供了良好的输配水条件。南水北调中线工程将于2014年向北京供水，成为潜在的地下水库补给水源。除此之外，地表水库的弃水，以及雨洪水、再生水等都可作为补给水源加以利用。

以北京西郊地区为例，该区由永定河冲洪积作用形成。永定河冲洪积扇的西部和西北部边界为北京西山，石炭—二叠及侏罗系的砂页岩和火山岩组成了不透水边界；东部由昆明湖、紫竹院、陶然亭至西红门一线，南部由西红门经狼垡至南岗洼，第四系岩性颗粒细，渗透性能弱，是天然的弱透水边界；底部为第四系冰碛泥砾或第三系半胶结的砂砾岩、泥岩，属于不透水边界。因此，该地区具有构成地下水库得天独厚的地质条件（图1）[6]。平原区第四系含水层主要由砂卵石、砂砾石、砂含砾石及砂组成，沉积厚度大，最厚可达200m以上。单层砂卵砾石含水层分布区，单井出水量一般可达5000m3/d以上。大口井入渗、沙石坑入渗及永定河河道入渗回灌试验表明，该区入渗效果极好，地下水位上升明显。总体来说，该地区颗粒粗、富水性好、入渗能力强，具有接受雨洪水或地表径流补给的优良条件。同时，北京西郊是北京市重要的地下水源地，由于多年过量开采地下水，地下水位呈下降趋势，形成区域地下水位降落漏斗，地下含水层形成了巨大的库容空间。

图1 北京西郊地下含水层结构剖面图

由上述水文地质条件及试验研究可以看出，北京西郊地区具有建立地下水库的储水条件、良好的入渗条件和巨大的库容空间。只要通过适当的工程措施将上游雨洪水、地表水等水源回补地下，大部分的地下水就能储存在该地下水库之中，起到储存、调节地下水的作用。

3.1.2 山区小流域

小流域出山口处地形条件适宜建设小型地下水库，是解决局部缺水的重要措施。在北京丰台山区李家峪村已经有了地下水库的工程实践经验。2010年，北京市地质矿产勘查开发局根据地形地貌、水文地质、工程地质条件，在丰台区的严重缺水村李家峪，利用小型沟谷建设了一座截潜坝，将降雨补给的潜水截留下来，供灌溉果园和大棚蔬菜使用，工程施工完成后，截潜坝上游水位明显抬升，大大改变了该村缺水现状，为北京市在山区沟谷建设小型地下水库工程提供了成功的经验（图2）。

图2 丰台区李家峪小型地下水库工程示意图

3.2 工作方法

北京地区开展过一系列地质及水文地质调查以及地下水调蓄的相关工作，为地下水库建设的专项研究提供了参考。地下水库建设涉及多学科、多领域，需要解决水库选址、水库边界、水库结构、水库库容、补给水源、补给途径、取水条件等问题，工作方法总结如下：

①确定地下水库建设的目标。如地下水库的用户，库容目标，建设地下水库的目的等。②确定地下水库区位置。综合分析区域地质和水文地质条件，结合地下水库建设目标，选取重点工作区，开展野外地质和水文地质、工程地质调查等工作，并借助物探、钻探、原位测试、室内试验等方法，确定地下水库的底部边界、调蓄适宜水位和地下坝位置。③确定补给条件。开展地下水库补给水源、调水、取水工程专项调查，评估补给水源和补给水量。开展不同回灌方式的入渗试验，确定回灌能力和回灌方式。④进行地下水库工程性试验。根据已确定坝址的地质条件，选择适应的施工工艺和坝体材料，通过注水试验、压水试验等手段确定坝底进入不透水层或弱透水层的深度；通过取样试验和物探手段检测坝体强度和完整性以及坝体透水率，对坝体漏水部位采用注浆等措施封堵。⑤进行地下水库库容计算，地下水库调蓄方案评价，分析建库对地质环境影响评价，以及社会经济效益分析等，提出地下水库规划建议。

4 地下水库的运行管理

地下水库的运行管理，包括地下水库监测系统建立，以及对建成的地下水库的维护、管理等，目前国内没有一个明确的指导原则，严重影响了地下水库的建设和推广。国内根据学者专家的研究，初步提出了一系列地下水库管理体系和相关法律法规的建议。主要包括：①地下水库的隶属、管理权限；②地下水库管理的组织机构；③地下水库的水权问题；④库区范围内的地下水开发与管理；⑤库区范围内地表水、地下水、水质、水量的监测、管理与调度；⑥库区范围内水资源工程建设；⑦库区范围(包括影响范围)与水有关的生态环境问题等[27]。

地下水库的运行通常是大规模、高强度的对水资源的时空调节过程，因此，为保证地下水库运行不引起环境恶化等问题，需要对地下水库在水资源调配的各个环节进行合理规划，对其运行状态进行人为控制[27]。

5 结束语

地下水库是近年来得到不断发展的解决水资源不足的重要工程措施。对于严重缺水的北京市，建设地下水库具有十分重要的现实意义。北京市具有建设地下水库的天然地质条件和良好的工作基础。在系统地开展勘察研究工作基础上建设地下水库，有利于提高北京市供水保证程度和南水北调工程来水利用效率，遏制地下水生态环境恶化，实现水资源可持续利用。地下水库运行管理，需要加强管理体系规范，制定相应法律法规，使地下水库发挥最大工程效益。

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