永定河春季生态补水对北京地下水涵养效果分析.docx

永定河春季生态补水对北京地下水涵养效果分析 李海军　崔一娇　任永强　姜媛　崔瑜　吴芮欣　王树芳摘 要：为研究地表水对地下水的涵养效果，以2020年永定河春季生态补给过程为例，分析了永定河补水期间河道沿岸126眼地下水观测井的水位与水质等数据研究结果显示，永定河生态补水2个月后，第四系地下水位上升区面积超过了450 km2，基岩地下水位上升区面积超过190 km2受含水介质类型和河道过水量及水头的影响，基岩水的上升幅度最大可接近24 m，远远大于第四系地下水的升幅地表水补给地下水后，地下水中的重碳酸盐和硝酸盐氮的浓度有所下降永定河春季生态补水对沿岸地下水补给量约9800万m3关键词：永定河;生态补水;地下水涵养;水位响应Analysis on the effect of ecological water replenishment of Yongding River in spring 2020 on groundwater conservation in BeijingLI Haijun1， CUI Yijiao2， REN Yongqiang1， JIANG Yuan1， CUI Yu1， WU Ruixin2， WANG Shufang2（1. Beijing Institute of Geology， Beijing 100195， China; 2. Beijing Institute of Hydrogeology and Engineering Geology（Beijing Institute of Geological Environment Monitoring）， Beijing 100195， China）Abstract： In order to study the effect of surface water on groundwater conservation， the water level and quality data of 126 groundwater observation wells along the Yongding River were analyzed during the ecological water replenishment period in the spring of 2020. The results show that after 2 months of replenishment， the Quaternary groundwater level rising area exceeded 450 km2， and the bedrock groundwater level rising area exceeded 190 km2. Affected by the type of water-bearing medium， as well as the flow volume and the water head， the maximum increase of the bedrock groundwater level can be close to 24 m， which is far greater than that of the Quaternary groundwater. After surface water replenished， the Bicarbonate and Nitrate nitrogen content in the groundwater decreased . The spring ecological replenishment of the Yongding River recharged approximately 98 million m3 of water to the aquifers along the River.Keywords： Yongding River; ecological water replenishment; groundwater conservation; water level response北京西部為太行山脉，北部为燕山山脉，地势西北高、东南低，东南是缓缓向渤海倾斜的由永定河、潮白河冲洪积物形成的平原，形象地称为“北京湾”。

永定河流出山地进入“北京湾”后，因地势平缓，流速降低，河流携带的砾石、泥沙便在出山口后以扇形堆积下来，形成冲洪积扇，从扇顶到扇缘地势逐渐变低、沉积物颗粒逐渐变细永定河出山以后，在平原上漫流摆动，形成不同历史时期的河道自北向南分别为古清河、古高梁河和古水（北京市文史研究馆，2016），3000年前北京地区最早的城市——蓟城建立在永定河故道沿岸，永定河被称为是北京的母亲河由于自然环境变化和水资源过度开发，永定河北京平原段出现全年断流，地下水位持续下降（高飞等，2019;白鹏等，2018）2014年南水进京后，北京市为涵养地下水，采取了地下水压采与减采等措施同时，为恢复永定河生态环境，2016年国家多个部门联合印发了《永定河综合治理与生态修复总体方案》（国家发展改革委，2016），方案遵循用生态的办法解决生态问题的指导思想，以水开路，用水引路，开启了永定河生态补水工作，推动实现永定河“流动的河、绿色的河、清洁的河、安全的河”治理目标2016年以来，针对水资源与生态环境，永定河流域相关部门探索性地进行了多次生态补水和生态修复工作（杨柠，2020;王远航等，2020;张君伟等，2020），逐步探索形成永定河生态修复与水资源涵养的优化方案（杨勇等，2019）。

2020年春季官厅水库向下游永定河集中补水1.67亿m3，后期采用小流量补水方式，断流25年的永定河北京段实现全线通水本文以永定河北京段为研究区域，通过分布在山区和平原区的126眼地下水位监测井，监测补水前后地下水动态，分析生态补水对地下水水位、水质和储存量等特征指标的变化规律，研判永定河生态补水对地下水回补涵养的效果，为科学规划生态补水方案，实现永定河流域的整体保护与系统修复提供依据1 研究区概况永定河流域在北京市境内主河道长189 km，流经门头沟区、石景山区、丰台区、房山区、大兴区5个区，自大兴区崔指挥营村东出市境域，流向河北省研究区位于永定河北京段范围内，具体包括山区段（官厅水库出口—三家店）、平原城市段（三家店—卢沟桥）和平原郊野段（卢沟桥至市界）永定河水系属于海河流域水系，也是其中最大的水系为了研究永定河2020年春季生态补水对地下水的影响，本项目选取126眼地下水监测井对地下水位等进行了连续观测（图 1）研究区发育有基岩含水层和第四系含水层岩溶含水层属于西山岩溶水系统中的三级系统玉泉山—潭柘寺岩溶水系统，取水层位为奥陶系含水岩组（王晓红等，2011;赵春红等，2017）第四系松散岩类孔隙水主要分布于区内的山间沟谷及平原地区，包括潜水含水层和承压水含水层，以残、坡积相和冲洪积相为主，含水层岩性以砾石、卵石、砂卵砾石为主。

2 生态补水概况2020年4月20日，官厅水库开始向永定河补水根据有关部门发布的4月20日—5月20日的补水信息，4月20日—4月27日，官厅水库实际按流量40 m3s-1放水，4月29日—5月13日，官厅水库按流量100 m3s-1放水，随后实施了小流量生态补水（图2）（赵小伟等， 2020;王槿妍等，2020）3 生态补水对地下水的影响3.1 对水位的影响2020年永定河春季生态补水自4月20日开始，大流量补水持续到5月13日，随后开始小流量补水为分析补水对地下水的影响，分别绘制了补水1个月（5月20日）及补水2个月（6月20日）与补水前（4月20日）永定河沿岸的地下水位对比图（图3）考虑到2020年6月份之前降水量非常小，所以水位上升主要影响因素是永定河生态补水与4月20日对比，5月20日平原区第四系地下水位上升区面积为402 km2，至6月20日平原区第四系地下水位上升区面积为450 km2，上升区范围扩大了50 km2左右由于平原区主要分布在永定河的东侧，所以上升区范围的扩大区也分布在永定河的东侧5月20日，上升区东侧锋面已经到达西二环附近（图3 a）至6月20日，上升区范围已经扩展到北京市中轴线附近（图3b）。

生态补水的第一个月（4月至5月），上升区前锋最大扩展速率达到了15 km/月，生态补水的第二个月（5月至6月），上升区前锋最大扩展速率约为5 km/月，扩展速率减缓了2/3，但是影响范围仍然在逐步扩大，地下水总体流向是自西向东流从地下水位上升幅度来看，在整个平原区，接近永定河出山口的门头沟区与石景山区的第四系地下水首先接受河水补给，而且上升幅度最大，最大的升幅可以达到5 m以上地下水位上升幅度大于1 m的地区主要分布在永定河石景山段永定河生态补水除了对平原区第四系地下水补给外，还在很大程度上补给基岩地下水在补水过程中，山区的基岩地下水得到了快速补给根据已有的监测井，最远的影响范围已经达到了距离河道7 km的潭柘寺地区，山区水位上升区可圈定范围可达190 km2以上从水位升幅来看，基岩水的升幅要大于第四系地下水，最大的升幅可以近24 m由于永定河河床与地下水面之间存在一定的非饱和带，所以在地表水补给地下水的过程中存在一定的滞后性（胡立堂等，2020），地下水位对地表水补给的响应时间也不相同永定河山区门头沟丁家滩地区基岩地下水监测井对地表水的补给响应特别灵敏，4月21日地表水头到达该地区，4月24日前地下水就开始上升，时间滞后只有3 d左右（图4，监测井A）。

永定河城市段石景山莲石湖第四系地下水监测井响应相对较慢，4月23日地表水水头到达该地区，地下水位4月27日开始上升，滞后时间约4 d（图4，监测井B）永定河郊野段大兴赵村第四系地下水监测井响应时间更长，5月8日地表水头到达该地区，地下水位5月24日开始上升，滞后时间约16 d（图4，监测井C）3个典型监测井距离永定河道的长度基本相近，但是响应时间不同，主要受以下几个因素的影响：（1）含水层介质类型门头沟丁家滩地区基岩地下水监测井A所在地区为基岩分布区，含水层以岩溶裂隙为主，地下水运移速率较快一旦地表水由河床进入含水层，能够快速到达饱和带，使地下水位快速上升莲石湖第四系地下水监测井B位于砂卵砾石含水介质分布区，地表水也能比较快的通过非饱和带，快速到达饱和带，从而使地下水位快速上升而趙村第四系地下水监测井C位于第四系细颗粒分布区，含水层渗透性差，所以地表水由河床进入含水层需要较长的时间另外，由于地下水在岩溶裂隙中的运动分为达西流和管道流两种流态，管道流的流速会大于达西流，从而使其基岩水的水头响应时间比孔隙水的响应时间短（焦友军等，2017）2）河道过水量和水头的影响永定河春季补水期间，从上游至下游，由于沿程的水量损失，河道的过水量也是逐步减少的。

根据监测，补水期间丁家滩和莲石湖河道过水量要大于赵村段的过水量过水量大又造成了河道水头较高，水头压力比较大，河道水头与地下水的水头差就大较大的过流量和水头差都会促进地表水的下渗，从而使地表水能够更快的补给地下水3.2 对水质的影响为研究生态补水对地下水水质的影响，在生态补水期间的2020年5月进行了地下水取样检测结果显示，与2019年同期相比，2020年永定河生态补水后，地下水中的重碳酸盐和硝酸盐氮的浓度有所下降，其他化学成分变化不规律（图5）根据2020年河水与地下水监测结果，永定河北京段河水重碳酸盐的浓度介于266～284 mgL-1之间，硝酸盐氮的浓度值介于0.86～1.34 mgL-1之间总体情况是河水的重碳酸盐和硝酸盐氮的浓度低于地下水，所以河水与地下水混合后，两项指标浓度有所下。