永定河沖洪積扇中上部地下水庫水資源給付方案研究

永定河沖洪積扇中上部地下水庫水資源給付方案研究

0北京市建設(shè)地下水庫的必要性建設(shè)地下水庫和人工湖是解決國內(nèi)外水資源供需矛盾的重要舉措。國外地下水庫研究歷史較久,1889年美國開始采用人工干預(yù)手段增加地下水儲存量的研究,到2002年7月建成的ASR(含水層儲存恢復(fù))系統(tǒng)有100個(gè)以上;日本提出了利用地下水壩建設(shè)地下水庫的概念,在長崎、福井縣、福岡縣等地建立了10余座有壩地下水庫;荷蘭發(fā)展一種人工回灌和出水系統(tǒng)ARPS(ArtificialRecharge-PumpingSystems);此外法國、巴西、瑞典、德國、沙特、利比亞等國均有地下水庫的研究及實(shí)踐工作。國內(nèi)20世紀(jì)50年代末上海、北京、天津等地開始地下水人工補(bǔ)給的實(shí)踐;70年代后提出了地下水調(diào)蓄和人工補(bǔ)給的概念,進(jìn)行了地下水庫相關(guān)的調(diào)查、試驗(yàn)、調(diào)蓄方案研究等工作,在河北、山東、新疆、遼寧等地修建了多處地下水庫;經(jīng)多年研究,我國在地下水庫的概念、分類、組成和建庫條件、回補(bǔ)滲流、工程建設(shè)、運(yùn)行管理等理論、實(shí)踐方面都取得了很大的發(fā)展。北京市是以地下水作為主要供水水源的大都市,地下水供水量常年占到總供水量的2/3左右,地下水多年處于超采狀態(tài),環(huán)境地質(zhì)問題嚴(yán)重。北京建設(shè)地下水庫,為確保南水北調(diào)后北京地表水和南水北調(diào)水的高效利用,增強(qiáng)水資源可持續(xù)利用能力,有效修復(fù)超采地下水的環(huán)境問題提供了途徑。北京市西部地帶地層顆粒粗大、結(jié)構(gòu)單一,是南水北調(diào)中線末端,分布有市水源一、二、三、四、七廠等水源地,建設(shè)永定河地下水庫對南水北調(diào)水的合理配置、城市供水安全保障、改善地質(zhì)環(huán)境具有重要意義。永定河地下水庫的勘察研究需解決“灌得下、存得住、取得出、用得好”的問題,因此,本文對永定河地下水庫水資源人工補(bǔ)給方式進(jìn)行了調(diào)查,對人工補(bǔ)給方式的入滲能力進(jìn)行了分析,結(jié)合調(diào)蓄水源、輸水途徑提出了水資源調(diào)蓄方案,根據(jù)地下水?dāng)?shù)值模擬結(jié)果,首次計(jì)算地下水庫的有效儲水率,重點(diǎn)分析了地下水庫的蓄水性能及調(diào)蓄效果,研究成果為地下水庫的設(shè)計(jì)、實(shí)施提供了依據(jù)。1地下水分布及演變研究區(qū)位于北京西部地帶,西部與西北部為山區(qū),為相對不透水的砂頁巖和火山巖。東部平原為永定河沖洪積扇,受永定河沖洪積作用影響第四系厚度由西北10余米向東南增厚到300余米,巖性為卵礫石、砂及粘性土,從沖洪積扇頂部之前緣含水層由單一結(jié)構(gòu)、2～3層結(jié)構(gòu)逐漸變化為多層結(jié)構(gòu)。昆明湖、紫竹院、陶然亭、西紅門一線以西地區(qū)為單一含水層分布區(qū),地層巖性為砂卵石、砂礫石夾薄層粘性土,顆粒粗、富水性大,單井出水量一般可達(dá)5000m3/d以上;以東地區(qū)為2～3層砂卵礫石及多層砂結(jié)構(gòu)分布區(qū),地層顆粒逐漸變細(xì),層次增多,含水層由2～3層砂卵礫石層變成多層砂組成,地下水類型由單一潛水轉(zhuǎn)化為潛水和承壓水,單井出水量均由3000m3/d減少到500m3/d以下。區(qū)域地下水接受山前側(cè)向河流入滲、降水入滲和灌溉回歸補(bǔ)給,向東、東南徑流;地下水排泄以開采為主,有側(cè)向流出和少量潛水蒸發(fā)。永定河沖洪積扇地下水儲量豐富且水質(zhì)優(yōu)良,分布有北京市第一、二、三、四和石景山、豐臺等水廠大中型水源地,在北京城市供水中具有不可忽視的地位。由于多年超量開采,地下水位呈下降趨勢。地下水位多年變化圖(圖1)顯示20世紀(jì)70年代水位開始下降,80年代中期水位持續(xù)降到低峰值,1999年后北京遭遇連續(xù)枯水年,地表水銳減,地下水承擔(dān)了更多的供水任務(wù),地下水位普遍下降了10～15m。地下水位下降導(dǎo)致的降落漏斗、水質(zhì)惡化、濕地退化、地面沉降等地質(zhì)環(huán)境問題日趨嚴(yán)重。2地下水的天然邊界地下水庫的范圍圈定要求適宜的水文地質(zhì)條件,包括相對隔水的邊界、一定厚度與范圍的含水層等,以保證調(diào)蓄水源在一段時(shí)間內(nèi)存儲在庫內(nèi)。根據(jù)北京市西部地帶地質(zhì)條件與永定河沖洪積扇地層巖性、結(jié)構(gòu)、分布、水力特性,考慮開采條件,圈定了北京市永定河地下水庫的分布范圍,位置見圖2。地下水庫西部和西北部為北京西山,為石炭—二疊系及侏羅系的砂頁巖和火山巖,組成了不透水邊界;東部自北向南由昆明湖、紫竹院、陶然亭至西紅門一線以西,南部由西紅門經(jīng)狼垡至南崗?fù)?是永定河沖洪積扇溢出帶,地層滲透性能減弱,是地下水的天然邊界;水庫底部為第四系冰磧泥礫或第三系半膠結(jié)的砂礫巖、泥巖,為不透水邊界,水庫面積約為333km2。受古地形及河道多次改道的影響,永定河地下水庫內(nèi)部第四系沉積物厚度變化很大,由數(shù)十米至200余米不等,巖性山前為殘、坡積粉土夾碎石,平原為卵礫石、砂及薄層粘性土;含水層為單雙層砂卵石結(jié)構(gòu)(圖3),含水層顆粒粗,累計(jì)最大厚度在70m左右,導(dǎo)水性、富水性好,滲透系數(shù)在100～500m/d,水位下降5m單井出水量在3000～5000m3/d。永定河地下水庫較為封閉的邊界條件與地下水良好的恢復(fù)條件為水資源的儲存提供了良好的基礎(chǔ)。據(jù)統(tǒng)計(jì)永定河地下水庫范圍內(nèi)地下水開采量每年約60×108m3,1999年以來連續(xù)超采已使本區(qū)地下水位普遍下降10～15m,騰出巨大的儲水空間。與地表水庫類似,地下水庫的水資源儲存受其特征水位的控制,以保證地下水庫建設(shè)和運(yùn)行不引發(fā)環(huán)境地質(zhì)問題和調(diào)蓄效益的發(fā)揮。北京地區(qū)地下水庫地下水的可恢復(fù)水位(限制高水位)受市政建筑地下室、垃圾填埋場等地下工程及地下水天然恢復(fù)性能限制,1983年6月的地下水位可以作為北京地區(qū)地下水庫的限高水位。經(jīng)計(jì)算,2010年永定河地下水庫的可調(diào)蓄庫容達(dá)9.6×108m3。3人工補(bǔ)給地下水的入滲能力采用適當(dāng)?shù)姆绞綄⑺Y源回灌是地下水庫建設(shè)研究的重要內(nèi)容,20世紀(jì)60—80年代北京開展了大量的水資源回灌試驗(yàn)工作,并在1980年建立了北京西黃村回灌試驗(yàn)站。以往工作成果顯示引水渠、河道、砂石坑、地表水庫、管井等均是北京水資源回灌的有效方式。統(tǒng)籌考慮水源、引水條件、河渠襯砌、整治及未來規(guī)劃用途等條件,永定河地下水庫可利用的人工回灌方式具體為西黃村、老山、廖公莊、北塢4個(gè)砂石坑和南旱河河道與支渠,并可在南旱河、永定河引水渠兩側(cè)修建大口井回灌,其中4個(gè)砂石坑具體參數(shù)見表1,南旱河及其支渠長7150m,河床寬2.8～9m,坡度在24°～33°;大口井推薦為井徑為4m,井間距為50m,濾管長度25m。由于北京市目前屬于缺水情況,不能進(jìn)行回灌試驗(yàn),歷史上曾多次利用庫區(qū)內(nèi)的各種方式進(jìn)行回灌試驗(yàn),取得了豐富的數(shù)據(jù),由于各方式水文地質(zhì)條件基本一致,其入滲能力僅與其入滲的側(cè)面、底面及植被覆蓋等參數(shù)相關(guān),本文將選取的砂石坑、河道、大口井與歷史試驗(yàn)回灌方式參數(shù)進(jìn)行對比,確定了目前人工補(bǔ)給地下水可利用方式的入滲能力(表2),其中大口井可最多修建180眼,入滲能力為9m3/s。經(jīng)研究可知永定河地下水庫回灌能力可達(dá)18.93m3/s。4數(shù)值模型的建立及顯著性分析考慮水資源調(diào)蓄的水源、輸水方式、回灌方式,本文提出了永定河地下水庫水資源回灌的工程方案。永定河地下水庫人工回灌的水源有官廳水庫水、南水北調(diào)水,官廳水庫水可通過永定河—三家店水庫—永定河引水渠輸送至砂石坑、大口井;南水北調(diào)水可從團(tuán)城湖放水經(jīng)南旱河渠道及河道引入到砂石坑與大口井。地下水庫人工回灌引起地下水位上升必須在合理的限度之下,即不對公共設(shè)施產(chǎn)生危害和不產(chǎn)生次生環(huán)境地質(zhì)問題。因此,永定河地下水庫需要確定回灌方案中啟用大口井的數(shù)目及各回灌方式的回灌時(shí)間,保證回灌后地下水位不超過限高水位。為研究地下水庫調(diào)蓄效果及儲存能力,本文建立了永定河地下水庫的地下水?dāng)?shù)值模型,模型的范圍及各回灌方式分布位置見圖4。根據(jù)各回灌方式的入滲能力研究成果,采用數(shù)值模型進(jìn)行試算,最終確定方案的回灌時(shí)間最長為8個(gè)月,大口井啟用132眼,總回灌量為2.42×108m3。利用調(diào)蓄模型,以2010年6月實(shí)測水位作為初始水位,分別對回灌和無回灌條件下的地下水變化進(jìn)行模擬預(yù)測,對比論證了方案實(shí)施的效果。數(shù)值模型結(jié)果顯示,人工回灌8個(gè)月后地下水位明顯上升,回灌結(jié)束時(shí)水位最大升幅為32m,影響范圍為191.2km2;結(jié)束后兩年水位最大升幅仍達(dá)5m,影響范圍是343.2km2,大部分水源地都在水位上升的影響范圍內(nèi)(圖5),對保障水源地供水能力會產(chǎn)生積極影響。隨著水位的上升永定河地下水庫內(nèi)地下水儲存量隨之增加。地下水均衡結(jié)果顯示,回灌結(jié)束時(shí)與無回灌同期對比地下水庫儲存量增加了2.09×108m3,回灌結(jié)束兩年后地下水庫儲存量仍然比無回灌同期多19383.6×104m3。水資源回灌有效的改變了地下水的虧損狀態(tài),回灌之前模擬區(qū)地下水均衡處于負(fù)均衡狀態(tài),地下水虧損量為4971.2×104m3,回灌條件下地下水均衡處于正均衡狀態(tài),地下水儲量增加為1.56×108m3,水資源人工回灌起到了良好的資源效益。5回灌保障型儲存量預(yù)測永定河地下水庫作為無壩型地下水庫,儲水能力研究對其十分重要。地下水庫作為儲水工程,回灌的水資源大部分儲存在庫中,但少量會以邊界流出、蒸發(fā)等形式消耗,水庫有效蓄水量會隨時(shí)間發(fā)生變化,為了定量研究地下水庫的儲水能力,本文提出有效蓄水率的計(jì)算公式(1),即在一定時(shí)間內(nèi)由于水資源回灌引起地下水儲存資源量的增加量與回灌量的比值,其中回灌水引起的地下水儲存量的增加值可以利用數(shù)值模擬預(yù)測回灌與無回灌條件的儲存量變化求出。式中:β—有效蓄水率;△Q1儲—回灌后每個(gè)應(yīng)力期儲存量的變化量;△Q2儲—無回灌時(shí)每個(gè)應(yīng)力期儲存量的變化量;Q灌—總回灌量;i—應(yīng)力期。利用建立的調(diào)蓄模型對調(diào)蓄方案進(jìn)行模擬分析,計(jì)算得出回灌后不同時(shí)間的有效蓄水率及有效蓄水率隨時(shí)間變化圖(圖6)。回灌后1年地水庫有效蓄水率為78.6%,隨著時(shí)間的延長有效蓄水率逐漸減小,3年后仍有66.2%的回灌量儲存在地下水庫范圍內(nèi),5年后有效蓄水率仍可達(dá)到46.8%。說明北京西郊地下水庫具有優(yōu)良的蓄水性能,若能有效進(jìn)行地下水回灌,其較好的調(diào)蓄能力也將為北京地下水戰(zhàn)略儲備發(fā)揮重要作用。由圖中可以看出,有效蓄水率隨著時(shí)間的延長逐漸減小,且前期減小速率明顯大于后期。原因是回灌剛結(jié)束時(shí)水力梯度較大,促使邊界流出迅速增加,隨時(shí)間延長水力梯度變小,邊界流出量的增加量也變小。因此,回灌后在一定時(shí)間內(nèi)增加地下水庫區(qū)的地下水開采,庫區(qū)地下水資源量能得到更充分的利用。值得注意的是,流出地下水庫的回灌水量并不是無效的消耗,永定河沖洪積扇中下游含水層顆粒較細(xì),依據(jù)地下水滲流理論計(jì)算流出庫區(qū)的回灌水將在超過50年的時(shí)間流出北京平原,回灌水將對中下游的地下水起到良好的補(bǔ)充作用。6回灌水資源及其蓄蓄效果北京市西部的永