11含水层组特征及其富水性

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2 地下水数值模型
2.1 总体概况
结合“北京市地下水库前期勘查项目”阶段性 成果(北京市地质工程勘察院,2014),建模面积 560km2,涵盖潮白河地下水库库区(355km2)。采 用地下水模型软件 Feflow 对各层进行有限元离散, 在河流、开采井、观测井等重要位置使用网格加密 技术,共剖分三角单元 144305 个,节点 84896 个。 根据资料掌握程度,模型模拟期选择 2008 年 1 月— 2012 年 12 月;并利用 2009 年至 2012 年的地下水 源汇项资料和地下水动态监测资料,对模型进行了 参数识别和验证。
能力约为 1.45 亿 m3/a,其中大口井回灌约 1 亿 来自百度文库3/a, 河道入渗约 0.45 亿 m3/a。
3.2 热备运行方案
依据怀柔应急水源地十年来的供水实践经验, 结合南水北调水源供水和北京用水的特点,优选以 下 2 种热备运行方案,在涵养区域地下水资源的同 时,保障应急水源工程的应急供水能力。 ⑴ 方案 1:采用“稳压开采”模式 为了保障输水管道工程安全,始终处于满水压 力状态,日常开启 2 组 4 眼井,按日恒定开采量 2.7 万 m3/d 开采,年开采量合计 1000 万 m3/a。热备运 行期间,分别以北支、南支、干支水源井为基本单 元进行轮换,保证在一年内北支、南支、干支水源 井均得到一次轮换启动。 ⑵ 方案 2:采用“集中开采”模式 由于夏季为北京市用水高峰期, 供水负荷较重, 为了缓解夏季城区高峰期的供水压力,应急水源地 可在夏季供水高峰期(6—8 月)启动供水模式, 在保障城区高峰供水的同时,进行热机运行,开启 34~36 眼井,日供水量 20 万 m3/d。其他月份几近停 采涵养,为了维护工程安全、保障输水管处于满水 压力状态,仅在水源地的北支和南支开启 2 眼井, 每月开启 1 天,每天开采量约 1.5 万 m3。方案 2 年 开采量合计 1850 万 m /a。
图 2 潮白河地区地下水动态与 2 潮白河地区地下水动态与 2 潮白河地区地下水动态与 2 潮白河地区地下水动态与 2 潮白河地区地下水动态与 2 潮白河地区地下水动态与 2 潮白河地区地下水动态与 2 潮白河地区地下水动态与 2 潮白河地区地下水动态与 2 潮白河地区地下水动态与 2 潮白河地区地下水动态与 2 潮白河地区地下水动态与 2 潮白河地区地下水动态与 2 潮白河地区地下水动态与 2 潮白河地区地下水动态 2 潮白河地区地下水 2 潮白河地区地下 2 潮白河地区地 2 潮白河地区 2 潮白河 2 潮白 2潮
1.3 区域地下水资源开采
区域地下水开采包括怀柔应急水源地、水源八 厂水源地和当地工农业开采。
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动态监测资料(北京市地质工程勘察院,2014), 利用水源地上游密云 M318、中心区 H8-39 和下游 水源八厂地区的 G-8 三个典型长观孔的资料来研究 区域地下水位动态变化(图 2)。
1 区域水文地质条件
1.1 含水层组特征及其富水性
研究区第四系含水层从北往南颗粒由粗变细, 含水层由单层变多层。地下水在小罗山以北属潜水 区,牛栏山以南为承压水区,两者之间为潜水—承 压水变化过渡区。小罗山以北、密云康各庄一带广 泛分布着单一厚层砂砾卵石含水层,厚度 40~80m。 小罗山向南至牛栏山,含水层一般为二至三层砂砾 卵石,累计厚度 20~50m;牛栏山以南顺义地区含水 层以多层结构为主,岩性主要为粗中砂、细砂,累 计厚度约 40m。 依据地下水埋藏条件及其水动力与水质特征, 结合本区的水文地质要素及开采利用条件,可将第 四系松散岩类细分为:第一含水层,相当于全新统 (Q4),40 m 左右(主要农业开采层);第二含水层, 相当于上更新统(Q3),从 40~100 m(主要水源地 和自备井开采) ;第三含水层,相当于中更统(Q2), 主要是 100 m 以下(包括 Q3、Q2 和 Q1)。 平面上研究区含水层岩性、富水性可划分为 4 个主区和 5 个亚区,见图 1。区内含水层结构简单, 大部分区域水位下降 3m 单井出水量大于 5000m3/d。
2.3 区域地下水资源均衡分析
怀柔平原区多年平均(1956—2000 年均)的地 下水可采资源量为 8000 万 m /a。本次结合区域地下
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3.1 地下水人工回补方案
根据初步配水计划,2015 年南水北调进京后, 拟将来水调 20m3/s 至密怀一带,其中 10m3/s 调至密 云水库,另 10m3/s 调至密怀一带回灌地下。拟定的 地下水人工回补方案如下: ⑴ 规划入渗场及回补方式 综合本次野外调查成果,综合考虑地下水环境 现状,包气带土壤环境、水文地质条件、河道入渗 能力等因素,对比分析,本着“投资少、回补快、 储存率高、水质安全”等原则,选择怀柔应急水源 地上游的沙河和牤牛河附近作为拟回补场地。 ⑵ 回补时段 根据市水务局南水北调进京的初步配水方案, 冬季枯水期南水北调来水量较少,南水北调尾水只 在春、夏、秋三季进行回灌。 ⑶ 规划入渗场的入渗能力 根据规划入渗场内的河道及砂石坑分布范围, 统计规划入渗场的入渗能力合计约 6m3/s。其中沙河、
从图中可见,1998 年以前本区地下水多年处于 动态平衡状态。自 1999 年以来,连遇连续干旱年份,
图 1 含水层富水性分区图 Fig.1 Water bearing zoning map
使本地区地下水位逐年下降。区域地下水位年内动 态变化规律为:3—6 月份由于降水量少和农业开采 量的加大,地下水位降速加大;6 月进入丰水期, 地下水位降幅变缓;10 月至翌年 2 月为地下水位相 对稳定期。
1.2 补径排条件
地下水主要接受大气降水入渗补给、侧向径流 补给、水库渗漏、河流入渗补给、京密引水渠渗漏 以及灌溉回渗补给。 研究区地下水总流向大致与盆地长轴方向平行, 由东北流向西南,到顺义附近转向正南,东部径流 条件比西部好,在冲洪积扇中上部地区地下径流条 件比其南部地区优越。 本区第一含水层的排泄方式主要有两种。一是 自然排泄,二是人工排泄。自然排泄主要是指地下 水的溢出、蒸发及流向下游的地下径流。人工排泄 主要是人工开采。
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表 2 地下水人工回补及热备方案同时实施后的地下水均衡 Tab.2 Groundwater equilibrium after artificial recharge of groundwater and the implementation of the scheme
1.4 区域地下水动态特征
依据怀柔应急备用地下水源地 2014 年度地下水
2.2 模式识别验证
本模型的识别与检验过程采用的方法也称试估 -
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袁庆亮等:怀柔应急水源地可持续供水与水源涵养研究
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校正法,它属于反求参数的间接方法之一。本次利用 地下水流场及典型的监测孔水位曲线进行模型验证。 验证期内潜水含水层模拟流场与实际流场对比 图见图 3,可见模拟潜水流场与实际流场总体流动 方向相同,大部分结点水位拟合较好。此外,本次 利用研究区内的 20 余眼长观孔的实测数据进行了观 测孔水位曲线拟合验证,经统计,平均误差绝对值 小于 5m 的观测孔占 70%。因此,所建立的模拟模 型基本达到模型精度要求,符合研究区水文地质条 件,基本反映了地下水系统的动态特征,故可利用 模型进行地下水位预测分析。
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袁庆亮等:怀柔应急水源地可持续供水与水源涵养研究
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0 引言
怀柔应急水源地自 2003 年 8 月 30 日并网运行, 一直续采至今,由于连续干旱和多年的超设计规模 运行,区内水文地质条件发生了较大变化。2015 年 南水北调水源进京后,怀柔应急水源工程应始终保 持“应急供水”的能力,具备随时启动供水的功能。 在此背景下,本次研究结合南水北调水源进京的机 遇,从资源回补涵养和供水系统的热备运行两方面 开展研究工作,以确保水源地可持续应急供水的能 力。 研究区地下水调蓄工作始于 20 世纪 70 年代, 进行了潮白河入渗试验研究工作;90 年代开展了南 水北调中线北京段地下水调蓄工程勘察工作(北京 市水文地质工程地质大队,1997)。21 世纪,在南 水北调中线工程实施的前提下,北京市完成了多个 调蓄的综合性研究项目,由于潮白河冲洪积扇中上 部是重要的调蓄区之一,各个项目均在该区域开展 了研究工作。例如,2004 年北京完成的《首都地区 地下水资源和环境调查评价》(北京市地质工程勘 察院, 2004) 项目论证了潮白河冲洪积扇地区地下水、 地表水联合调蓄范围,计算了调蓄库容,对地下水 回补可利用的调蓄水源、方式进行了调查,提出调 蓄工程方案与建议,并进行了数值模拟;2007 年《南 水北调来水与地下水联合调度及调蓄规划方案研究 报告》(北京市地质工程勘察院,2007)对地下水 库可恢复空间进行了计算,分析了调蓄条件、能力, 提出了水资源调蓄工程方案和优化配置、地下水开 采调整方案。 综上所述,潮白河冲洪积扇中上部地区的农田 水文地质勘察、城市供水水文地质勘察、地下水调 蓄及相应的地下水资源评价、地下水动态监测等大 量的水文地质勘查工作, 取得了丰富的资料和成果, 为本次工作奠定了扎实的基础。 本次工作中借鉴了北京(崔瑜等,2009)、乌 鲁 木 齐( 董 新 光 等,2005)、 大 庆( 高 淑 琴 等, 2007)、滹沱河(杜尙海等,2010)等区域地下水 库调蓄的方案及研究方法。
图 3 2012 年 12 月实测水位与模拟水位拟合图 Fig.3 Fitting of measured water level and simulated water level in December, 2012
牤牛河及其附近砂石坑的入渗能力合计约 1.7m3/s; 60 眼回灌井入渗能力约 4.17m3/s。通过计算,按每 年回补 3 个季度(3—11 月),规划入渗场内年入渗
水水位多年动态观测资料和年开采量资料,利用地 下水三维流数值模型,对怀柔平原区地下水资源进 行了均衡分析计算。据统计,1999 年连续十余年干 旱以来,至 2013 年底怀柔平原区地下水资源累计亏 损 12 亿 m3,年均亏损约 0.8 亿 m3。
3 怀柔应急水源地可持续供水研究
根 据 南 水 北 调 水 源 进 京 后 的 初 步 配 水 计 划, 2015 年南水北调进京后,南水将替代部分本地地下 水开采量,同时南水北调余水还能用于回灌,补充 当地地下水亏损。依据怀柔应急水源地的供水实践 经验,水源地的减采或停采对于水位恢复具有显著 效果。根据上述计划,本文提出地下水人工回补、 稳定开采、集中开采等方案,并利用数值模型对方 案实施后地下水动态进行了预测,为保障怀柔应急 水源地可持续供水功能及热备运行提供了科学依据。
怀柔应急水源地自 2003 年 8 月 30 日启用,至 2013 年 12 月底, 怀柔应急水源地累计总供水量达 9.87 亿 m ;潮河—怀河水源地自 2009 年 2 月 5 日与应急 水源地并网运行, 至 2013 年 12 月底累计供水量 1.089 亿 m3。2013 年两水源地开采量为 0.945 亿 m3。 水源八厂设计日供水能力 48 万 m3/d。1999 年开 始北京遭遇了连续枯水年,区内地下水位的大幅下 降造成区内水源井出水能力逐年下降。2013 年开采 量为 0.32 亿 m ,较设计供水量衰减了 82%。 根据《怀柔区水资源综合规划报告》(2003), 怀柔平原区多年平均(1956—2000 年均)的地下水 可采资源量为 8000 万 m /a。自 2003 年开始由于产 业结构调整,地下水开采量呈逐年减小趋势,2013 年开采量为 0.48 亿 m3。 2013 年怀柔平原区地下水的总开采量达到 1.42 亿 m ,其中怀柔应急水源地的开采量占 53%。
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热备方案
方案 1 (万 m3/a)
比例 0.23 0.08 0.06 0.01 0.01 0.02 0.07 0.19 0.33 1.00 0.98 0.00 0.02 1.00
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