地下水库回灌对地下水开采能力影响

摘要：稳定的水源对城市发展十分重要，南水北调中线工程启用后，可将盈余来水人工回灌到地下水库中进行存储，以提高北京市供水保证程度。南水北调中线工程于2014年末对北京供水，并在未来五年间通过潮白河河道补给地下水。根据密云调蓄工程已批复的设计方案，每年的回补时段为3月1日至12月15日，共计290天，补水量为1～3 亿m3 /a，自牛栏山橡胶坝向上游回水约12 km，形成水面约480 hm2。通过地下水模拟软件GMS建立受水区地下水流模型，据此预测评价了3种补水方案对研究区地下水位及地下水开采能力的影响。

关键词：南水北调；地下水人工回灌；GMS；数值模拟；地下水库

中图分类号：P641.25 文献标志码：A 文章编号：1672-1683（2014）06-0127-05

国内外大量成功经验表明，地下水库是一种有效调节和利用地下水资源的工程措施[1-4]。北京地区持续多年的地下水超采使含水层腾出巨大的蓄水库容，为建立地下水库创造了条件。北京市密怀顺地区潮白河冲洪积扇的中上部，是理想的地下水存储空间。通过采用河道拦蓄、大口井回灌和砂石坑回灌等方式将地表水大量回灌补源地下水，不仅可抬高区域性地下水位、实现和回复地下水的多年调节性能，同时还可以改善自然生态环境、减缓或解除因地下水资源超采而引发的地面沉降等次生灾害[5-9]。因此，利用南水北调中线工程通水初期的多余外调水量，实施地下水人工回灌补源，既可提高南水北调中线工程通水初期运行负荷不足和效率低下的问题，又可改善密怀顺水源地因地下水大量超采导致区域性水位急剧下降而造成水源八厂、怀柔应急水源井开采量衰减等问题。更为重要的是，地下水回灌可实现首都水资源战略储备，弥补南水北调中线工程在枯水年份供水不足，有效提高北京市安全供水保障程度[10-14]。

1 研究区概况

研究范围为北京市密云县、怀柔区以及顺义区潮白河向阳闸以北的平原区（图1），面积约为600 km2。研究区作为地下水库计划于2014年底投入使用。地理坐标为东经116°30′-117°，北纬40°10′-40°30′，南部开阔，北部狭窄，地形北高南低。研究区地处温暖半湿润大陆性季风区，四季分明，区域多年平均降雨量656.5 mm，其中1999年-2009年的年均降水量488.9 mm。年内降水主要集中在5月-9月的汛期，历年平均汛期降水量占年降水总量的72%～85%，其中6月-8月的降水量年总降水量的65%，在7月-8月份常有暴雨出现。区内蒸发强烈，不同年份蒸发量差别不大，蒸发最强烈为5月-7月份，2006年-2011年怀柔平均水面蒸发量为892.5 mm。

2 地下水流模型

2.1 水文地质概念模型

根据研究区水文地质概况、水文地球化学特征以及钻井资料，将研究地层结构划分成两个含水层和一个弱透水层，其中弱透水层厚度为5～10 m，水文地质结构模型概化为：潜水含水层、弱透水层以及承压含水层。潜水含水层自由水面为模型上边界，地下水补给的主要方式为天然河道渗漏和降水。将承压含水层的底板作为本次模型的底部边界，为隔水边界。将侧向边界定为：（1）潜水含水层，模拟区东北部、北部和西北部，定为流量流入边界接受山区侧向补给；南部为流量边界，模型的东南部和平谷西部的边界大致与等水位线基本垂直，为零通量边界；（2）承压含水层是模拟区的集中开采层，补给量来自上游侧向补给和潜水含水层越流补给，南部边界为地下水流出边界，作为流量边界。

2.2 地下水流数值模型

根据水文地质条件，研究区地下水流有明显的三维流特征，且孔隙水运动规律基本符合达西定律，因而可用地下水运动的基本方程及其定界条件来描述。

式中：K为渗透系数（m/d）；h（x，y，z，t）为水位标高（m）；μ为给水度；p为蒸发强度和降雨入渗强度（m/d）；Ω为渗流区域；Kn为边界面法向渗透系数（m/d）；h0为含水体的初始水位分布（m）；S为储水系数（1/m）；ε为源汇项；Γ0为上边界，即地下水自由水面；Γ1为下边界，即底部的隔水边界；Γ2为渗流区域的侧向边界；为边界面的法线方向；q（x，y，z，t）为单宽流量（m/d）。

2.3 模型的识别和验证

根据研究区内水位动态变化特征，每年的 3月份为枯水期，7月份为丰水期，11月为平水期。因此，选取2009年11月至2010年11月一个水文年为识别期，以2010年3月、7月、11月的统测水位作为模型的识别流场，即应力期为三个月。初始流场选取2009年11月的地下水位。将识别期末2010年11月地下水实测流场与模型模拟计算得到的地下水流场进行拟合，拟合效果见图2，模拟结果可靠。

经过对模型的识别，利用2010年11月至2011年11月的源汇项数据，以2011年3月、7月、11月的统测水位作为模型的验证流场，应力期为1个月。将2011年11月的地下水实测流场与模型模拟计算的地下水流场进行拟合，拟合效果见图3，两个流场的水位变化趋势和地下水等值线相符，模拟结果基本反映了地下水运动的趋势和规律，因此可利用该模型进行地下水位预测。

2014年末至2019年末通过潮白河河道，利用南水北调工程回补地下水。根据南水北调办公室密云调蓄工程已批复的设计方案，回补时段为每年的3月1日至12月15日，共计290天，在补水期间地下水保持原开采量不变。在充分分析研究区水文地质条件及地形地貌的基础上，预定补水位置为自牛栏山橡胶坝向上游回水12 km，形成水面约480 hm2的回灌场地。根据南水北调来水量的大小制定了3种补水方案（表1）。

3.1 河道回灌方案一

按方案一回灌时，对比2019年末与2014年末地下水流场，发现：地下水降落漏斗向南部移动（图5）；2019年末研究区北部水位下降1 m左右，回灌河道中心水位上升0.95 m左右，地下水水源地中心水位比2014年末水位上升了0.7 m左右，南部地区由于维持原开采量不变，距离补给河道较远，水位下降了1.6 m左右，见图6、图7。

3.2 河道回灌方案二

按方案二回灌时，对比2019年末与2014年末的地下水流场，发现：2019年末地下水降落漏斗向南部移动（图8）；2019年末研究区北部水位下降0.5 m左右，回灌河道中心水位上升2.6 m左右，地下水水源地中心水位比2014年末水位上升了2.4 m左右，南部地区由于维持原开采量不变，距离补给河道较远，水位下降了1.2 m左右，见图9、图10。

3.3 河道回灌方案三

按方案三回灌时，对比2019年末与2014年末地下水流场，发现：2019年末降落漏斗向南部移动（图11）；2019年末研究区北部水位上升0.04 m左右，回灌河道中心水位上升4.1 m左右，地下水水源地中心水位比2014年末水位上升了3.7 m左右，南部地区由于维持原开采量不变，距离补给河道较远，水位下降了0.9 m左右，见图12、图13。

4 对地下水开采能力影响

为了定量给出不同回灌方案对地下水开采量的影响，在模型中增加地下水在2014年末至2019年末的开采量，在其它条件不变的情况下，使地下水水源地特征点2019年末水位达到与回灌前2014年末的水平。此时，增加的开采量即为不同回灌方案对地下水开采能力的增加量。模型模拟结果见表2。

5 结论

（1）在北京密怀顺水源地，通过潮白河河道，利用南水北调初期多余供水回补地下水时，三种回灌方案条件下，地下水位均有一定程度的抬升，地下水开采能力分别增加了2.91 万m3/d、8.94 万m3/d、15.93 万m3/d。

（2）模拟结果表明，随着回灌量的增加，南部的漏斗中心会相应南移，漏斗中心均在研究区内。年回灌规模在1～3 亿m3范围内时，南部边界一直为侧向流入边界，即回灌水资源量不会因侧向流出而损失。

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