11含水层组特征及其富水性

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。
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
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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。
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、
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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
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。
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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
能力约为 1.45 亿 m3/a，其中大口井回灌约 1 亿 m3/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）。
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%。
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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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。