摘 要：利用潮白河生态补水数据和冲洪积扇中上部150眼监测井数据，圈定补水期间地下水位上升区范围，计算补水期间河道入渗量和含水层储量变化。2021年春季潮白河累计补水量2.2亿m3，向阳闸以上各条河道累计入渗量为1.21亿m3。采用动态法计算，潮白河地下水库范围内地下水储量增加了5353.17万m3。截至补水结束，地下水位上升区面积为606 km2，最大上升幅度达14.38 m;距河道近的观测井，其地下水位上升对补水的响应时间更短;地下水库库区内上下游地区渗透性差异性非常小，监测井对补水的响应时间比较接近。2021年地下水位动态变化特征显示，在枯水期利用地表水对地下水进行连续性补给可以达到比较好的涵养效果。

关键词：潮白河;生态补水;储变量;地下水涵养

Analysis of effect on groundwater reservation of ecological water replenishment in middle and upper parts of alluvial-proluvial fan of Chaobai River

LI Haijun

（Beijing Institute of Geology， Beijing 100195， China）

Abstract： Groundwater level data of 150 monitoring wells and ecological replenishment data in the middle and upper parts of the alluvial-proluvial fan of Chaobai River are used to delineate the area of groundwater level rise， and calculate infiltration and aquifer reserve changes of the river channel during replenishment period. The results show that the cumulative amount of fresh water replenishment in spring 2021 was 220 million m3， and a total of 121 millions m3 surface water in all the rivers above Xiangyang flood gate infiltrated into the groundwater. The groundwater storage within Chaobai River Groundwater Reservoir increased by 53.5317 millions m3 calculated by groundwater dynamic method. At the end of the water replenishment， the rising area was up to 606 km2， with a maximum rise level of 14.38 m. It is found that the closer the distance between the monitoring well and the river， the shorter the response time of groundwater level rise to water replenishment. The permeability difference between upstream and downstream areas of the groundwater reservoir is very small， and the response time to water replenishment between monitoring wells is similar. The dynamic groundwater level change characteristics in 2021 indicates that continuous recharge of groundwater by surface water during dry season can achieve fairly good reservation effect.

Keywords： Chaobai River; ecological water replenishment; reserve change; groundwater reservation

2021年北京市累计降水量为924 mm，是近20年来降水最多的一年;2021年全年南水北调进京水量12.5亿m3，是南水北调通水以来入京水量最多的一年。在本地水和外调水水源充足的条件下，本市加大了地下水调蓄减采和回补涵养力度，分别实施了潮白河、永定河生态补水，2021年12月与年初相比，全市地下水平均水位上升了5.64 m。

潮白河冲洪积扇中上部分布多个大中型地下水水源地，该区域地下水超采引起的水位持续下降以及减采和生态补水的涵养成效，受到学者们的持续关注。由于多年连续超采，潮白河地区地下水位持续下降，1999—2013年地下水位下降最大达45 m，而且个别区域地下水硬度和硝酸盐氮超标（王新娟等，2016;何理等，2020）;2014 年南水北调中线一期工程通水后，北京利用南水替代部分地下水进行供水，多个大型水源地减采地下水，通过潮白河道对怀柔应急水源地、水源八厂、怀柔水源地等多個大型水源地进行人工补给，置换大量的自备井等综合措施，使北京地区地下水水位由整体下降转变为部分地区上升，2015—2017年怀柔应急水源地深层地下水最大上升幅度达到了11m（王树芳等，2019;杨会峰等，2021）。针对2021年春季永定河生态补水的地下水位动态响应研究发现，大流量补水条件下渗漏量要低于小流量补水情况（胡立堂等，2020），永定河大兴段第四系细颗粒分布区，含水层渗透性差，地下水水位对水头到达的响应时间明显变长（李海军等，2021）。2021年春季潮白河生态补水，已有学者利用GMS-UGrid模块构建非结构地下水流模型，评价生态补水效果和地下水响应，计算补水入渗量为1.57亿m3（李志强等，2022）;通过构建地下水数值模型，模拟2021年潮白河的生态补水过程，分析潮白河生态补水过程中的水量损耗，确定河道砂石坑的蓄水量和水头演进过程的影响，模拟预测对地下水的影响（刘文路等，2022;陈鹏等，2021）。目前没有学者对补水期间含水层储量进行计算分析，本文以潮白河生态补水专项监测工作部署的150眼地下水监测井监测数据为基础，分析研究2021春季生态补水始末潮白河地下水库范围内地下水储量变化及地下水响应规律。

1  材料与方法

1.1  研究区概况

潮白河发源于燕山北部山区，流经河北、北京、天津三省市，干流全长182 km，流域面积1.96万km2。潮白河北京境内流域面积0.55万km2，市内干流总长83.5 km，流经我市密云、怀柔、顺义、通州4区，箭杆河口以下有38.3 km河段为界河，至通州区西集镇牛牧屯村出市界入潮白新河。

潮白河地下水库位于潮白河冲洪积扇中上部，北部以密云水库白河主坝为边界，向南呈扇形展开，东西均以潮白河二级阶地前缘为边界，南至向阳闸，底界为基岩或厚度均一的砂土、黏土层，为相对隔水边界，库区面积397 km2（图1）（北京市地质矿产勘查开发局等，2008）。库区主要分布有河流冲洪积作用形成的砂及砂卵砾石含水层，由北往南含水层介质颗粒由粗到细，含水层由薄到厚，含水层由单一砂卵砾石层过渡到2～3层。该地区除了建有密云水库、怀柔水库、北台上水库等地表水库之外，自20世纪70-80年代开始陆续建立了水源八厂、怀柔应急水源地、引潮入城等地下水水源地（郑跃军，2012）。南水进京前，为保障城市供水，区域地下水连年超采，地下水位持续下降，形成大面积降落漏斗（北京市地质矿产勘查院，2021）。

1.2  集中补水情况

2014年底南水北调中线水进京，全市水资源紧缺状况有所改善，为推进落实华北地区地下水超采治理方案，开始对密怀顺地下水水源地进行回补，2015年8月—2021年5月累计回补水量约8.7亿m3（北京水务局，2021），大流量集中补水过程主要有2次。

第一次，2018年6月开始利用南水北调来水和汛期本地大中型水库弃水回补涵养地下水资源，实施密怀顺地区地下水生态回补工作，截至2018年12月1日，年度累计向以潮白河牛栏山橡胶坝以上河段为重点的密怀顺水源地补水3.13亿m3。

第二次，2021年春季潮白河生态补水过程。2021年3月，为进一步修复潮白河流域水生态环境，北京市水务局制定了《2021年春季潮白河生态补水调度方案》，该方案自2021年4月30日开始实施，至5月31日结束，历时31 d，累计补水量2.2亿m3。补水水头于5月29日在白庙橡胶坝下游与现有水面汇合，潮白河干流自1999年以来首次实现京津冀全线水流贯通（刘翠珠等，2021;邵惠芬等，2021）。见表1。

1.3  研究方法

1.3.1  计算方法

利用ArcGIS的图形叠加计算功能，计算补水期间地下水资源的储存变化量。基于地下水动态法计算公式，将计算期间地下水位变幅和地下水含水层给水度分区图叠加，计算地下水资源储存变化量（李鹏等，2017;刘予伟等，2004）。

地下水位的变化直接反映地下水资源量的变化，通过补水期间地下水位对比，计算潮白河地下水库地区第一含水层地下水资源的储存变化量。计算公式如下：

ΔQ=ΔH·μ·F

式中，ΔQ为地下水储存变化量（m3），ΔH为计算期水位变幅（m），μ为含水层平均给水度，F为水位（水头）上升区或下降区计算面积（m2）。

1.3.2  给水度的确定

采用动态法的优势是地下水位的变化直接反映地下水资源量的变化，唯一难确定的因素就是给水度，给水度是指潜水含水层水位变幅带内单位水位下降的出水量。整理潮白河冲洪积扇历年钻孔资料，选用352个钻孔，将其地层岩性信息概化为10类，并确定每种岩性的给水度经验值（表2）。

收集工作区内2009—2018年的地下水水位变幅图，提取10年间每个钻孔对应的水位最大变幅值和地层岩性，采用表2中的给水度经验值，将不同岩性的地层厚度作为各岩层的权重，加权计算出每个钻孔的给水度。将每个钻孔的给水度通过距离反比加权插值得到网格值，计算1 km网格内的平均值，根据每个网格的给水度值，对给水度进行分区，结果见图2。

2  結果与分析

选取工作区内2眼监测井26年长系列水位资料，150眼地下水监测井补水期间日监测数据资料以及水源地部分监测井的监测资料，共取得水位数据5000余个，计算了补水期间含水层储量变化量并与河道入渗量进行对比，针对不同位置、不同层位的监测井水位对地表水补给的响应时间做出分析，提出优化补水方案建议。

2.1  地下水位多年动态变化特征

1999年以后，受连续干旱和超采情况持续加重影响，区域地下水位持续下降。2011年怀柔杨宋—顺义北小营降落漏斗中心地下水埋深达44 m（王树芳等，2019），特别是2003年怀柔应急水源地投入运行，以日供水量20～33万m3的规模持续供水到2015年8月，伴随着区内地下水水源地持续供水，水源地中心区水位累计下降31.34 m（李阳等，2016）。在水源地周边选取2眼监测井，分别是距离水源地较近的1号监测井（井深30 m）和距离水源地相对较远的5号监测井（井深38 m）。从长系列资料分析可知，1号监测井1999—2015年地下水位累计降幅超过35 m，5号监测井由于距离水源地相对较远，水位持续下降16.6 m，下降幅度要远小于水源地附近的监测井（图3）。

2014年南水北调水进京，2015年首次利用南水回补潮白河区域内地下水，在减采和回补的双重作用下，区内深层地下水得到了明显的涵养，地下水位快速大幅回升，2015—2021年深层地下水位回升了近40 m（图3）。

潮白河2021年春季生态补水期间，利用150眼地下水位数据绘制了2021年5月31日与2021年4月30日地下水水位变幅图（图4）。潮白河冲洪积扇中上部地下水位上升幅度最高、范围最大，潮白河地下水库绝大部分范围内地下水位出现了明显的上升区，除西北部西田各庄到溪翁庄一带地下水位仍在下降外，上升区总面积为606 km2，地下水位上升最大值出现在密云区河南寨镇新兴村临近河道的监测井，升幅达14.38 m（北京市水文地质工程地质大队，2021）。

2.2  补水期间地下水储存变化量计算

补水期间地下水位变幅和给水度分布参数见图5，采用动态法，借助ArcGIS工具，计算潮白河地下水库范围地下水储存变化量。

春季补水期间潮白河地下水库范围地下水位上升区为241.22 km2。其中，地下水位上升大于3 m的范围为82.76 km2，地下水位上升2～3 m的范围为48.68 km2，地下水位上升1～2 m的范围109.78 km2。以4月30日—5月31日为均衡期，补水期间降水量很小，降水对地下水的补给可以忽略不计。经计算，春季补水期间潮白河冲洪积扇地下水储量增加了5353.17×104 m3。

补水结束时，向阳闸以上河道总补水量为2.2亿m3，向阳闸累计过水0.12亿m3（李述等，2021;张怀斌等，2021），向阳闸之上分布的各个砂石坑以及向阳闸区域库容量共计0.87亿m3（陈鹏等，2021），补水结束时各砂石坑为蓄满水状态。根据水量平衡原则，总补水量扣除过水量和砂石坑蓄水即为入渗量，计算结果入渗量为1.21亿m3。

根据水均衡原理，库区内入渗量为总补给量，其间各水源地开采、浸润带蓄水和河渠蒸发以及越流和侧向流出等为消耗量。为期1个月的潮白河春季生态补水，使潮白河地下水库库区储变量增加5353.17×104 m3，较好地实现了“蓄水于地”的目的。其余入渗量以开采、侧向径流、蒸发和包气带滞留等途径排泄出地下水库范围或者滞留在上部包气带中，随着时间的推移，还将有一部分水量进入到含水层当中。

2.3  地下水水位对地表水补给的响应时间分析

为研究地下水水位对补水的响应，分别选择垂直于潮白河河道2眼监测井和平行于潮白河河道的2眼监测井，从垂向、纵向两方面进行分析。

2.3.1  垂直于河道监测井响应情况

怀柔太平庄监测井（1号井）距离河道垂直距离为1.38 km，井深30 m;凤翔开发区监测井（2号井）距离河道垂直距离为6 km，井深60 m，两井都位于河道右岸垂直于河道方向，相距4.62 km（图1）。2021年5月3日水头到达小罗山村附近，1号井水位于5月11日开始上升，地下水位响应时间为8 d;2号井水位于5月12日开始上升，响应时间为9 d，二者相差1 d。由此可知，距河道近，水位响应时间早（图6）。

地表水头在小罗山村附近迟滞5 d时间，一直在大量补给地下水，地下水流向以河道为中心向两侧分流，1号井与2号井相距4.62 km，但响应时间仅相差1 d，根据当地的渗透系数与水力梯度估算，地下水的流速不能达到4.62 km·d-1，故推断水位上升的直接原因是地下水压力传导过程。

2.3.2  平行于河道监测井响应情况

沿河道上下游方向分别选择监测井，密云云蒙桥监测井（3号井，井深60 m），顺义大胡营村监测井（4号井，井深50 m），2眼井距河道垂直距离接近，纵向相距约10 km（图1）。地表水头5月1日到达3号井附近，3号井地下水位自5月2日即开始呈现出上升的趋势;地表水头5月18日到达4号井附近，4号井地下水位自5 月19日即开始呈现出上升的趋势，2眼井响应时间均为1 d（图7）。

3号井含水层以单一的砂砾石层为主，4号井含水层以砂砾石为主，中间夹薄层黏土，2眼井均处于潮白河地下水库范围内，对补水的响应时间接近，说明2个地区含水层在渗透性上没有太大的差异。

2.3.3  关于补水时间选择问题

为了分析全年度地下水位对补水的响应，选择4号井2021年度监测数据。分析可见：3月24日—5月5日，该井水位持续上涨，主要是受3月份以来的前期补水影响;5月5日—5月18日，水位达到稳定状态;5月19日该井水位开始明显上升，主要受潮白河春季补水的影响;到5月30日补水结束，水位开始回落;至7月10日左右，随着雨季的到来，降雨对地下水形成有效补给，地下水位继续上升达到稳定;由于防汛需要，潮白河仍然向下游泄水，使地下水始终處于接受补给的状态，而且补给量比较大，所以水位一直处于平稳状态（图8）。

根据补水、降雨与地下水位关系可知，如在枯水期通过河道对含水层进行补给会遏制地下水位下降的趋势。为了最大程度发挥生态补水效益，达到最佳涵养效果，宜在枯水期的春季、秋季和冬季利用河道对含水层进行补水，夏季通过降雨对含水层进行补给，可以使含水层全年都得到补给。如果利用水库放水对河道进行补水，则需要估算来年的降水量与库容情况，预估汛前放水量，合理安排放水时间，使含水层持续得到补给。

3  结论

1）2021年4月30日—5月31日实施的潮白河春季生态补水对该区地下水涵养修复起到了积极作用，补水期间地下水位上升区总面积为606 km2，地下水库范围内大部分区域地下水位出现了明显的上升，密云区河南寨镇新兴村一带升幅最高达14.38 m。

2）向阳闸以上各条河道累计入渗量为1.21亿m3，运用动态法计算潮白河地下水库范围内地下水储变量增加5353.17万m3，其余入渗量以开采、侧向径流、蒸发、包气带滞留等途径排泄出地下水库范围或者滞留在上部包气带中。补水过程有效回补密怀顺地下水源地，实现了藏水于地、修复地下水库、提升改善河道水生态和水环境的协同生态修复目标。

3）距离河道1.38 km的1号井地下水位对补水的响应时间为8 d，距离河道6 km的2号井地下水位对补水的响应时间为9 d，二者响应时间差别非常小，推断水位上升的直接原因是地下水压力传导作用的结果。与河道距离相近的上下游地区3号井与4号井的监测数据显示，2眼井地下水位对补水的响应时间均为1 d，反映出两个地区含水层的渗透性非常接近。

4）建议在地表水源充足，保证防洪调蓄的条件下，在枯水期实施常态化补水措施，保护和修复水生态系统，恢复生态基流，尽快实施潮白河综合治理与生态修复规划。在不引发地质环境问题的前提下，综合配置开采规模，维持地下水水源地相对稳定的开采量，使在用水源地处于热备状态，建立地下水安全储备，打造多水源供水格局，保障首都供水安全。

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