开展北京市平原区第四系孔隙承压水评价工作的探讨（杨忠山,王素芬,周东）

摘要：在综合分析地下水资源评价研究现状的基础上, 针对北京市平原区第四系承压水在城市供水中的重要贡献, 以及承压水开发利用过程中所存在的问题, 提出了开展北京市平原区承压水评价工作的初步方案, 建议有关部门尽快从基础工作开始开展承压水评价工作。

关键词：承压水 评价 北京市 平原区

中图分类号X824 文献标识码A 文章编号1673- 4637( 2006) 05- 0030- 04

1 地下水资源评价研究现状

地下水是一种宝贵的自然资源, 同时又是环境的基本要素。当今世界所面临的“人口、资源、环境”三大问题, 都直接或间接地与地下水有关。根据中国地质调查局的全国地下水资源与环境调查评价的统计资料, 新中国成立后, 我国地下水资源开发利用迅速增加。20 世纪50 年代只有零星开采, 70 年代增加到每年570 亿m3, 80 年代增加到每年750 亿m3, 目前地下水开采( 含少量微咸水) 已超过每年1 000 亿m3,约占全国总供水量的1 / 5。北方地区地下水现状开采量占全国开采总量的76%。目前北京地区约有4 万8 700多眼机井, 地下水年开采总量达到26 亿m3, 其中第四系地下水开采井约4 万5 000 眼, 年开采量约为23亿m3。可以说对地下水资源进行准确评价是对地下水资源进行有效开发、合理利用与保护的前提和必备的基础, 只有掌握了地下水资源的基本情况, 才能有据可依地开展地下水资源的开发、利用、规划和管理工作。因此开展高精度的地下水资源评价工作具有十分重要的意义。

国内外学者开展了大量的地下水资源评价工作。针对研究区不同的具体情况, 采用的评价方法不同。近年来, 随着计算机技术的迅速提高和各种地下水系统数值模拟软件的出现, 以及GIS 和同位素技术在水文地质学中的应用, 地下水资源评价工作更多地采用了基于FEFLOW、GMS、MODFLOW等软件平台的数值法以及GIS 与数值模拟技术相结合的评价方法和同位素测年法等新的评价方法[1 - 5 ]。随着在地下水开发利用过程中地下水超采、地下水位持续下降和局部地区地面沉降等各种环境地质问题的出现和地下水资源评价技术的发展, 人们开始对地下水评价结果的可靠性以及评价中的评价时段、降雨量以及各种水文地质参数等细节方面开展了专门的研究[6 - 9 ]。地下水资源评价方式也由过去针对地下水系统的整体评价, 开始出现了针对地下水系统各含水层的分层评价[ 10 - 11 ]。但分层评价多以浅层地下水评价为主, 国内只有上海和苏锡常地面沉降严重的地区开展过专门针对承压水的地下水资源评价工作[12 - 13 ]。

北京地区以往没有开展过承压水评价研究, 但是近年来承压水开采量却逐渐增加, 如朝阳、顺义、通州等区县主要依靠开采承压水满足工业用水需求。通过动态监测分析, 其地下水水位以每年1～2 m 的速度持续下降, 已呈现超采和不可持续的发展趋势。与此同时, 相对于浅层地下水而言, 深层地下水的水环境保护也格外重要, 因此, 开展北京市平原区第四系承压水评价, 研究北京平原承压水开发利用潜力, 建立水资源开发与水环境保护的合理模式是一项十分紧迫的任务。

2 北京市平原区承压水资源开发利用中存在的问题

2.1 承压水在城市供水中所占比例逐渐加大

北京是一座资源型缺水的城市, 水资源早已成为制约北京城市建设和发展乃至人民生活水平不断提高的重要因素。随着工农业发展和农村饮用水安全改造,地下水的需求量不断增加, 在长期的开发利用过程中,浅层含水层的水质受到了一定的污染, 水位普遍下降,各冲洪积扇顶部已经出现局部输干和地下水硬度升高等问题, 浅层地下水已经难以完成需水要求。为了保证首都供水安全, 地下水的目标开采层位逐渐加深,据不完全统计1958 年至1989 年31 年间, 所施工的井深大于150 m 的第四系水源井总数为898 眼, 而1990 年至2003 年14 年间新施工的井深大于150 m 的第四系水源井就有1 593 眼, 比过去31 年深井总数增加了77%多, 深层承压水在城市供水中发挥着越来越重要的作用。

2.2 承压水系统的基础研究不足

北京作为首都, 其地下水系统开展过大量的水文地质勘察和评价工作, 但是却没有开展过专门针对北京市地下水主要目标开采层- 承压含水层系统的调查与评价工作, 主要原因有以下几方面: ①由于在北京大部分农业井深较浅, 深层开采井主要集中在城镇和重点工业区, 所以在大部分农村地区承压含水层结构还没有被准确识别。②分层监测观测网不完善、部分监测井不是专门的分层监测孔, 而是混合开采井, 监测到的水位属于既不能代表潜水水位也不能代表承压水水位的混合水位。③开采量的历史资料较为粗略, 多数年份的开采量既没有分层统计也没有细化到乡镇, 每个区县只有一套各行业地下水开采量的总数。此外, 虽然大部分区县已经安装水表进行水量计量, 但是还存在大部分开采量数据是根据用水定额进行估算的情况。

2.3 承压水开采引起了一定的环境地质问题

由于北京市承压水的基本情况还不是十分清楚,水行政主管部门在承压水的开发利用过程中很难提出合理的管理、规划和保护措施, 已经造成了承压水位的持续下降而产生地下水超采和已形成5 个地面沉降中心等环境地质问题。

开展北京市平原区承压水评价工作, 通过研究潜水与承压水、浅层承压水与深层承压水的补排关系,科学地评价承压水的补给资源量、可开采资源量和储存资源量, 是研究如何科学适度地开采承压水、实行开发与保护并重的基础, 同时也是北京奥运建设和水资源可持续发展战略规划制定的基础依据; 是指导承压水合理开采和持续利用的基础数据支持及南水北调进京后科学地停采自备井和一些水源井规划的重要科学依据。所以说, 开展北京市平原区承压水资源评价工作, 既是合理开发利用地下水资源, 有效解决首都水资源紧缺问题的迫切要求, 也是首都经济持续发展的迫切需要。

但是基于北京市平原区承压水历史数据不完善,基础调研不足的现状, 建议以逐步深入的研究方式开展北京市平原区承压水评价工作。初期基础工作重点放在以下2 方面: ①对历史资料进行系统的调查统计和分析整理; ②对于评价过程中发现问题的区域通过开展补充调查进行反馈修正, 力求使包括水位、水量、水文地质条件、边界条件和水文地质参数在内的基础数据更加丰富和详实, 为合理开发利用和管理不同层位的地下水资源提供科学依据和为进一步研究提供重要的基础数据。

3 研究区水文地质条件

北京市平原区主要由拒马河、大石河、永定河、潮白河、蓟运河等冲洪积扇及南口洪积扇组成。其中以永定河和潮白河冲积扇最大, 两扇相邻互相交汇,几乎控制整个平原地区。第四纪沉积厚度受古地形控制, 而含水层岩性、分布规律和结构特征等, 皆受上述河流作用所控制, 明显反映出冲积洪积扇的特点,总的变化规律是: 从山前至平原, 沉积厚度由薄变厚,颗粒由粗变细, 由单一的砂砾石层变为多层砂和黏性土互层, 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。

北京市平原区承压水系统主要分布于各河流冲洪积扇的中下部, 含水层岩性结构以多层结构的砂砾石夹少数砂层、多层结构的砂层夹少数砂砾石层和多层结构的砂层为主。承压含水层的累计厚度和顶板埋藏深度随其所处的冲洪积扇位置的不同而不同, 典型冲洪积扇水文地质剖面图如图1 所示。

4 设计评价方案

根据研究区的研究现状和承压水评价的内容和目的, 建议确定研究区范围为北京市平原区, 面积约6 000 km2。为了完善现有地下水动态监测网存在的问题与不足, 在已有观测网的基础上, 通过在各水文地质单元分别建设成组分层对比监测孔, 逐步完善分层观测网; 以承压水系统为研究中心, 设计通过地下水动态、同位素、水化学等方法确定潜水含水层和浅层承压含水层的补给排泄关系、初步分析浅层承压含水层与深层承压含水层的补给排泄关系; 通过建立北京平原区承压水评价的三维数值模拟模型, 将不同手段获得的数据输入模型中进行综合处理, 提取可靠的基础信息, 指导信息缺乏或不足地区的补充勘察工作,为准确评价承压水系统的补给量和排泄量服务。评价不同水平年承压水的补给资源量, 进一步评价承压水的可开采资源量, 计算各区域的承压水开采潜力。具体开展以下评价工作:

(1) 潜水和承压水的补排关系分析。在已有的研究中, 只能定性分析和评价潜水和承压水的补排关系,不能定量分析和评价潜水和承压水补排关系。因此,本次设计通过分层地下水位、同位素分层取样和水化学分层取样, 运用同位素测年分析承压水的循环交替速度、年龄。在此基础上运用均衡法、数值模拟模型等方法初步定量分析潜水和承压水的补排关系, 初步计算深层承压水的越流补给量。

(2) 建立承压水评价数值模拟模型。根据北京市平原区复杂的水文地质条件、开展承压水评价的目的,设计采用既可以对地下水系统进行模拟再现, 又可以对不同开采条件下的地下水流场进行预测的数值法进行评价。北京市平原区第四系地下水系统属于水文地质条件复杂的大区域地下水系统, 为了提高研究成果的精度, 设计选用有限单元法进行资源量计算。

(3) 水资源评价。利用通过验证, 符合实际, 满足精度的数值模型进行评价。分别计算研究区降水概率P = 20%的丰水年、降水概率P = 50%的平水年, 降水概率P = 75%和P = 95%不同水平年的补给资源量;在充分考虑研究区内承压水含水层潜在的可以增加的补给资源量和可以减少的排泄资源量的基础上评价承压水可开采资源量; 以按各水文地质单元和各行政区两种划分方式, 分别分析各水文地质单元承压水开采潜力和各行政区承压水开采潜力。

5 结论与建议

北京市平原区承压水在城市供水中占据着越来越重要的地位。在以往的地下水研究中, 对承压水系统的研究不足, 伴随承压水开采已经出现了承压水位普遍下降, 部分区域地面沉降程度加重等环境地质问题,水行政主管部门在制定承压水开发利用的管理、规划和保护等措施时缺乏重要的基础依据, 因此开展北京市平原区承压水资源评价工作是指导首都经济发展、地下水资源开发利用与社会及生态环境可持续地协调发展的重要基础工作, 具有重大的社会效益和潜在的经济效益。

根据北京市平原区承压水系统开发利用中存在的问题和研究现状, 对于开展北京市平原区承压水资源评价工作提出以下几点建议:

(1) 为了尽早解决承压水开发利用中存在的问题,应尽快开展北京市平原区承压水评价工作。

(2) 将基础调研工作放在初期工作的首位, 在对水文地质条件进一步识别和数据进一步完善的基础上,逐步深入地开展承压水评价研究工作。

(3) 逐步建立分层地下水位动态观测孔组, 完善分层地下水位动态观测网。

(4) 充分收集研究区通过各种手段方法已获得的水文地质基础数据, 并利用数值模型进行综合处理,分析各种数据之间是否存在矛盾, 最终提炼出尽可能多的可用信息, 针对基础数据不足的区域开展进一步的勘察工作, 以将有限的投资应用到真正需要得到数据的地方同时降低工作量, 提高工作效率。

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作者简介: 杨忠山( 1960 — ) , 男, 高级工程师。

来源：《北京水务》2006.5