张景华，李世君，李 阳，付吉铖，刘全国

（1.北京市地质工程勘察院，北京 100048；2.平谷区水务局，北京 101200）

北京地下水库建库条件及可利用库容初步分析

张景华1，李世君1，李 阳1，付吉铖2，刘全国1

（1.北京市地质工程勘察院，北京 100048；2.平谷区水务局，北京 101200）

通过对北京地区地下水库建设条件的全面分析，基本明确了北京市平原区五大地下水库“渗得进、存得住、取得出、用得好”的建库基本条件，初步计算了调蓄库容，探究了南水北调水源、地表水库水源、雨洪水源作为调蓄水源的条件；利用以往试验资料分析了河渠入渗、滞洪水库入渗、砂石坑回灌、井灌等补给方式的特点，进一步对五大地下水库输汇水条件、入渗能力和取水条件进行分析，得出在北京主要冲洪积扇上游建设地下水库是可行的结论，为地下水库建设提供设计依据。

地下水库；人工调蓄；建库条件；南水北调工程

0 前言

地下水库是指修建于地下并以含水层为调蓄空间的蓄水实体（李砚阁，2007）。建立地下水库是北京市水资源调控最主要的手段之一，也是保障城市供水安全的重要措施之一。

南水北调中线工程进京前，北京是国际上为数不多的以地下水作为主要供水水源的大都市，地下水占全市总供水量的60%～80%。加之自1999年遭遇连续干旱年，为了保障城市供水，北京平原区地下水呈持续超采状态。2014年12月27日南水北调中线工程正式向北京供水。北京急需建立地下水库，将沿线省市剩余南水北调水量、汛期地表雨洪水、河水和水库弃水等通过人工干预引渗到地下水库中，有效存储并加以利用，实现地表水-地下水联合调蓄，对于保证供水安全、提高城市水资源战略储备、水环境生态修复以及维持社会稳定、经济发展都具有重大的现实意义（杜新强等，2005）。

本文对北京市主要地下水库的建库条件进行分析，为北京市多水源联合调蓄及地下水库的进一步规划、设计、开发等提供依据。

1 北京地下水库概况

1.1 分布范围

图1 平原区地下水库分布范围图Fig.1 Underground reservoir in plain area distribution diagram

自20世纪70年代开始，北京市以年均动用2亿m3左右的地下水储存量来支持首都社会经济的发展，城近郊地下水出现超采，此后超采程度逐步积累。截至到2014年底，平原区地下水位埋深20～55m，与1960年比，北京平原区地下水资源总亏损量为106.86亿m3，地下水漏斗总面积达1900km2。尤其潮白河、永定河、温榆河及泃河冲洪积扇中上部属极富水区，地下水源地分布众多，由于多年地下水持续超采，形成了大面积的采空区，含水层已腾出了巨大的库容，是理想的地下水储存空间，可视为北京市平原区五大地下水库，根据所在水系分别称为潮白河地下水库、永定河地下水库、泃错河地下水库、温榆河、大石河地下水库（北京市地质矿产勘查开发局等，2008）（图1）。

1.2 水文地质条件

北京平原区主要由永定河、潮白河、泃（洳）河（曾称“泃错河”）、温榆河、拒马河和大石河冲洪积作用形成。这些冲洪积扇，交错沉积、相互切割，致使饱气带岩性、含水层岩性分带较复杂，沉积厚度和岩性各地变化不一，总的变化规律是：从山前至平原，第四系沉积厚度由薄变厚，颗粒岩性由粗变细，由单一的砂砾石层变为多层砂和粘性土互层，渗透性能减弱，水位埋深由大变小，地下水类型也由单一的潜水变为多层的承压水（图2）。

其中永定河、潮白河、温榆河、泃（洳）河洪积扇中上部属极富水区，是北京市主要集中地下水源地所在地，含水层主要由单、双层砂卵石组成，颗粒粗、厚度大，具备良好的地下水开采及储存条件。大石河地下水库第四系较薄，厚度小于50m，地下水的调蓄空间较小。

图2 永定河冲洪积扇东西向水文地质剖面Fig.2 The East-West hydrogeological section of the diluvial fan of the yongding river ran

2 建库条件分析

建设地下水库的必要条件是适宜的水文地质条件、自然地理条件，包括储水空间、补给水源、输汇水条件、入渗条件和取水条件等（李志萍等，2011）。

2.1 储水空间

封闭或近封闭的边界及其范围内足够大的储水空间是地下水调蓄的重要前提条件之一。储水空间愈大，调蓄能力愈强，效益愈高。

（1）地下水库边界

北京市主要冲洪积扇边缘相，岩性由粗变细，渗透性减弱，地下水类型由潜水转为承压水，是调蓄空间良好的天然边界。且水库底部为第四系冰碛泥砾或新近系或古近系半胶结的砂砾岩、泥岩，也不透水。因此，以上构成地下水库的相对封闭边界。

（2）地下水库调蓄库容

现状调蓄库容是指：现状水位埋深条件下的已疏干的储水空间，即所具有的储存外来客水的容积。调蓄库容计算的关键因素是调蓄上限水位（可恢复最高水位）的选取，需按照不引起环境负效应的原则确定。由于近年来地下空间开发利用进入快速发展阶段，为了避免因地下水位上升引发地基土软化（屠洪权等，1994）、承载力下降、地下室渗漏、建筑物开裂、变形甚至漂浮等工程地质问题，地下水调蓄须控制地下水位的恢复高度。结合区域工程地质条件、现状设防水位等因素，暂时确定北京平原区的安全限制水位埋深为10m。

调蓄库容的计算公式如下：

式中：V为调蓄库容；V*为含水层疏干体积（m3）；μ为给水度（近似孔隙度）；Hi为计算单元含水层疏干厚度（m）（高、低水位之差）；Fi为计算单元面积（m）；μi为计算单元含水层给水度。

以2012年底的水位作为现状水位，按公式（1）计算北京市五大地下水库的现状调蓄空间容量（调蓄上限水位与现状水位之间的疏干含水层在饱和状态时的重力释水体积）为24～35亿m3，除大石河地下水库外，其余四大地下水库的调蓄空间容量为23.5～34亿m3。

以上计算的地下水库现状调蓄库容只是理论上的可调蓄空间，事实上，地下水库的调蓄过程受到环境、政策、经济发展等多方面的制约和影响，运行管理实践中，往往地下水库可利用的空间及范围有限。因此在综合分析各地下水库地层结构、入渗能力及回补场地范围、地下水漏斗范围、现有取水工程分布等因素基础上，提出“建议利用库容”，需具备“储存、回渗、开采”等关键功能。由于大石河地下水库调蓄空间小，现阶段不建议利用。除大石河地下水库外，北京市四大地下水库的建议利用库容约20亿m3（表1）。

表1 北京市平原区五大地下水库调蓄库容及可利用库容（2012年）Tab.1 Beijing plain fi ve underground reservoir storage capacity and storage capacity available（2012）

2.2 调蓄水源

北京市地下水库可利用的调蓄水源主要包括大气降水、河水、水库弃水以及汛期山区洪水。

（1）南水北调水

2014年12月南水北调中线工程正式向北京供水，计划每年为北京提供10～15亿m3水资源，为北京市地下水库的调蓄水源提供了一定保障。据市水务局初步配水计划，在满足北京市正常供水的情况下，南水北调水源余水应首先考虑回补地下、恢复地下水资源储存资源量，以防不时之需。

中线通水初期或南北同为丰水年等情况下，南水北调来水量充足，剩余水量将成为北京市地下水库最重要的调蓄水源。

（2）地表水库水

目前，北京市共拥有地表水库87座，总库容约93.94亿m3，控制了北京山区面积70%以上的径流。其中大型水库4座，分别为官厅水库、密云水库、怀柔水库及海子水库。地表水库在汛期6—9月，出于防洪需要，通常向下游弃水，可作为地下水库的回灌水源。

（3）雨洪水

山区洪水，主要是小流域的地表径流与雨洪水。北京地处华北平原东北部，属典型暖温带半湿润半干旱大陆性季风气候，降水时空分布不均，年内、年际变化大。在丰水时节会出现汛期降水、山峡洪水、上游洪水、水库弃水的现象，可通过引水渠将雨洪水引至冲洪积扇中上部的河道、砂卵石或大口井回灌。

2.3 补给方式

地下水人工补给方式大致可分为两类：地表回渗（如天然河道、砂石坑）；井灌（大口井、深井）（费宇红等，2006）。自20世纪70年代开始，北京曾多次开展不同入渗途径的地下水人工调蓄的试验研究，取得了丰富的资料和成果，多年来的实践使人工回灌在各地区取得了不同程度的发展（刘家祥等，1988）。

（1）河渠

北京市属海河流域，河网发育，区内共有干、支河流100余条。潮白河、永定河、泃河、错河、温榆河等河道冲洪积物主要为卵石夹漂石，由于近十几年连续干旱，河床及岸坡砂卵砾石裸露地表或杂草覆盖，入渗能力强。

（2）砂石坑

北京市河道内采砂现象极为普遍，使河道加深并变宽，遍布的砂石坑可起到拦蓄、滞留地表水的作用，为降水、山区洪水以及水库弃水迅速入渗补给地下水创造了条件。以上采砂后的砂石坑为地下水回灌提供了有利的场所。

（3）滞洪水库

除河道、砂石坑、回灌井等回灌方式外，在河流泄洪情况下，滞洪水库作为防洪工程的同时也是水资源入渗的场地。

其中，潮白河地下水库可作为滞洪水库的有潮河总干渠及唐指山水库。永定河地下水库的可作为滞洪水库的有稻田水库和马厂水库。泃错河地下水库可作为滞洪水库的为海子水库。

（4）大口井及竖井

大口井(辐射井)或竖井是进行地下水回灌的有效工程措施。相比地表回渗，具有垂向接触砂卵砾石面广、水平占地面积小、便于管理、运行安全等特点。当地面至地下水位之间存在低渗透性地层或没有足够的土地用于地表回灌等情况下，适宜采取井灌。

经勘查，北京各冲洪积扇局部区域地面至地下水位之间存在弱透水层或透镜体。结合地形地貌、水文地质特点，北京市地下水库入渗方式建议选择：成本低、简便易行的地表引渗工程为主（如干枯河道、砂石坑、沟渠等）、大口井回灌方式为辅的综合手段，增加地下水入渗量。

2.4 输汇水条件和入渗能力

地下水库所具备的输汇水条件和入渗能力，直接影响着地下水调蓄的经济效益。良好的入渗补给场所，具有地表渗透性强、垂向渗透途径畅通、还应有利于地表水的暂时蓄存等特点。根据北京市各地下水库调蓄条件、调蓄功能的不同，需因地制宜地制定可行有效的回灌工程方案，选择适合的回灌入渗方式。

（1）潮白河地下水库

潮白河地下水库含水层主要由单或双层砂卵石组成，局部存在粘性土层，上游地层颗粒粗，入渗能力较强。回灌的主要目的为：恢复区域地下水资源量、兼顾改善地下水水质。

可利用的回灌入渗场地主要有两处：①怀柔两河地区入渗工程。位于京密引水渠以下、怀柔应急水源地以上的未衬砌河道附近区域。勘查发现库区范围内局部河道下10～30m范围内存在一两层厚度2～5m的粘性土层透镜体，因此建议采用天然河道及人工回灌井相结合的回灌方式——包括上游未衬砌的沙河、牤牛河、雁栖河河道及附近砂石坑；人工大口井50眼回灌、10眼备用（单井日入渗能力约5000～8000m3/d）。②潮白河河道入渗工程。位于河漕村滚水坝至牛栏山橡胶坝段的潮白河河道，未衬砌，河宽约500m，入渗能力较大。回补方式以潮白河河道为主，必要时采用大口井回灌。

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，南水北调余水只在春、夏、秋三季进行回灌。按每年回补3个季度（3—11月）计算，规划场地I内年入渗能力约1.45亿m3/a：其中，大口井回灌约1亿m3/a（约4m3/s），河道入渗约0.45亿m3/a（约2m3/s）；规划场地II内年入渗能力约0.7～1.17亿m3/a（约3～5m3/s）。

回灌水源包括南水北调余水、雨洪水、水库弃水（密云水库、怀柔水库、大水峪水库、雁栖湖等）。其中，利用南水北调水回补的路径有：①将南水北调水沿着京密引水渠反向供水，在雁栖河、沙河、牤牛河预留的放水口处泄水。②将南水北调水沿着京密引水渠反向输水，在李史山闸放水，通过区内灌渠、怀河下游流至牛栏山橡胶坝，向潮白河河道补水（图3）。

（2）永定河地下水库

永定河地下水库，入渗能力较强、调蓄空间大，但靠近城区，地下建筑密集，受人类活动影响潜在污染源较多，地下水质普遍较差。若进行大规模回灌可能会造成垃圾浸泡，水源污染及地下建筑浸渗等危险，应严控地下水位过高。因此，建议进行少量南水北调水回灌，回灌的主要目的为改善区域地下水水质。

图3 潮白河地下水库补水途径示意图Fig.3 The Chaobai river underground reservoir fi lling water

可利用的入渗场位于库区上游的南旱河、永定河引水渠附近。回灌方式包括金河、南旱河河道；砂石坑（西黄村、阜石路、北坞砂石坑）。按每年春、夏、秋回补三个季度计算，以上规划入渗砂石坑的年入渗能力约3000～5000万m3。

回灌水源包括南水北调余水、雨洪水、水厂引水等。西黄村砂石坑利用永定河引水渠引山区雨洪水、南水北调水；西郊砂石坑利用南水北调管线从田村山水厂引水；北坞砂石坑利用京密引水渠从团城湖引“南水北调水”，经金沟河、南旱河支渠引入砂石坑（图4）。

（3）温榆河地下水库

可利用的入渗场为温榆河地下水库，调蓄空间较大，局部地下水水质超标，具有一定的调蓄能力及条件。可利用的入渗场地包括：狻猊沟东岸的大型砂石坑、土楼村西砂石坑、京密引水渠大口井回灌工程。

狻猊沟东岸砂石坑，可回灌水源包括响潭水库弃水、未控制山区雨洪水，砂石坑的入渗能力约1m3/s。土楼村西砂石坑，可回灌水源主要为高崖口沟汛期洪水，砂石坑的入渗能力约1.5m3/s。京密引水渠回灌工程，计划在京引渠西岸开凿20眼大口井，初步设计深25m，直径8m，单井日回灌能力约5000m3/d，井灌能力合计1.16m3/s。以上3处回灌工程的总入渗能力约3.66 m3/s，按每年回补3季度计算，以上规划入渗场地的年入渗能力合计0.85亿m3。

图4 永定河地下水库补水途径示意图Fig.4 The Yongding river underground reservoir fi lling water

区域可利用的回灌水源有南水北调余水、雨洪水、水库弃水（十三陵水库、响潭水库、水沟水库）。由于京密引水渠穿越区内，为引南水北调水进行回灌提供了便利，可利用京密引水渠将南水引入河道、砂石坑、大口井中，必要时修建管线、渠道等引水设施。

（4）泃错河地下水库

地下水库可利用的入渗场地：泃（洳）河上游河道——海子村至西沥津村的泃河上游河道，长约12km，宽100～211m，河道无水，河道内砂石坑分布较广；翟各庄村至中桥村的洳河（原错河）上游河道，长约5.4km，宽约90m，砂卵砾石裸露，河道无水，河道内有砂石坑分布。

回补方式以河道及附近砂石坑为主。此外，为了拦蓄滞留地表水，增加入渗时间，可在泃河西沥津村及洳河中桥村桥北拟建橡胶坝，目的为延长滞留时间、增加入渗量。

初步估算拟建橡胶坝以上泃（洳）河河道及附近砂石坑的回灌能力约5～6m3/s，其中泃河上游约为4～5m3/s，洳河上游约约为1～2m3/s。按每年回渗南水北调水源三个季度（3—11月），年回灌能力约1.2～1.4亿m3/a。

回灌水源包括南水北调余水、雨洪水、水库引水（海子水库、黄松峪水库）。其中，海子水库、黄松峪水库丰水期弃水通过溢洪道直接向泃河放水，西峪水库弃水向洳河放水；还可利用平谷应急水源地管线将“南水北调水”引至泃河及洳河分水处放水，分别利用拟建的西沥津村及中桥村橡胶坝拦蓄地表水，并向上游河道回水入渗（图5）。

泃错河地下水库，可调蓄空间较大，入渗能力较强，地下水水质较好，具有一定的能力；但南水北调输水管线及分水口距其较远，是限制其利用的制约条件。

图5 平谷区规划调水路由及拟建橡胶坝示意图Fig.5 Pinggu district planning water diversion route and proposed rubber dam

（5）大石河地下水库

大石河地下水库可利用的入渗场地有大石河河道、砂石坑。回灌水源有南水北调余水、雨洪水。但是第四系厚度较薄（＜50m），调蓄空间小，且位于北京市下游边界，调蓄空间小、利用效率低，现阶段不建议利用。

2.5 地下水取水条件

良好的取水条件是发挥地下水库水资源有效利用效益的保证。北京市平原区地下水库均位于山前冲洪积扇中上部，地层颗粒大，富水性强，分布有众多地下水源地，为北京市的经济社会发展发挥了巨大效益。其中，永定河地下水库分布有市第一、二、三、四、五、七水厂和石景山水厂等水源地；潮白河地下水库分布有市第八水厂，怀柔应急、区县水厂水源地；泃错河地下水库分布有王都庄和中桥应急水源地；温榆河地下水库分布有马池口应急水源地。

3 结论

（1）通过对北京市五大地下水库的“渗得进、存得住、取得出、用得好”的建库基本条件进行调查、分析研究，得出在北京市主要冲洪积扇上游建设地下水库是可行的。

含水层由卵砾石构成，颗粒粗大、结构单一，含水层厚，具有相对天然的隔水边界。在2012年底地下水位条件下，除大石河地下水库外，北京市四大地下水库总现状调蓄库容为23.5～34亿m3，建议利用库容约20亿m3。

调蓄水源主要来自南水北调水、地表水库弃水、雨洪水。尤其是，南水北调中线通水后，为北京市地下水库的调蓄水源提供了一定保障。

北京市地下水库均位于各冲洪积扇中上部，河道发育、含水层主要由单或双层砂卵石组成，入渗能力较强。地下水回灌入渗方式建议采用：地表引渗工程为主（如干枯河道、砂石坑、沟渠等），大口井为辅的综合方式。

北京市地下水库均位于山前冲洪积扇中上部，地层颗粒大，富水性强，具有完整的地下水开采系统，保障地下水库地下水的有效利用。

（2）综合考虑各库区的水文地质条件、回灌条件、取水工程条件、调蓄空间大小等诸多因素，提出北京市平原区地下水库利用优先次序的建议——潮白河地下水库、永定河地下水库、温榆河地下水库、泃错河地下水库。大石河由于调蓄空间小，现阶段暂不考虑利用。

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中国地质调查局，2012. 水文地质手册(第二版)[M].北京：地质出版社.

Analysis of Construction Conditions and Available Storage Capacity of the Underground Reservoir in Beijing Basin

ZHANG Jinghua1, LI Shijun1, LI Yang1, FU Jicheng2

(1. Beijing Institute of Geological Engineering, Beijing 100048; 2.Pinggu Water Authority, Beijing, 101200)

Through the comprehensive analysis of the construction condition of the underground reservoir in Beijing area, it made clear basically the construction conditions of Beijing fi ve underground reservoirs, namely that“penetrable, storable, exploitable and useable”. Then the storage capacity is preliminary calculated; water resources from South-to-North Water Diversion Project, from surface water reservoirs, and from rainwater as water storage are studied. On the basis of previous experimental data, the characteristics of river inf i ltration, fl ood inf i ltration, gravel pit recharge, recharge wells etc. are analyzed. At the same time, catchment conditions, inf i ltration capacity and mining conditions of the fi ve large underground reservoirs are also studied. The result shows that constructing underground reservoirs in the upstream of main alluvial fan in Beijing is feasible and this research could provide the design basis for the construction of underground reservoir.

Underground reservoir; Artif i cial regulation; Construction conditions, South-to-North Water Diversion Project

TV623

A

1007-1903（2017）01-0070-07

10.3969/j.issn.1007-1903.2017.01.012

北京市地下水库前期勘查项目

张景华（1987- ），女，硕士，从事地下水资源、地下水环境研究。E-mail：729600808@qq.com

李阳（1986- ），男，工程师，主要从事水文水资源方面研究。E-mail：bjdky_ly@163.com