第1章绪论
1.1地下水战略储备研究背景
2014年2月和2017年2月，习近平总书记两次视察北京并发表重要讲话，为新时期*都发展指明了方向。为深入贯彻落实习近平总书记视察北京的重要讲话精神，紧扣迈向“两个一百年”奋斗目标和中华民族伟大复兴的时代使命，围绕“建设一个什么样的*都，怎样建设*都”这一重大问题，谋划*都未来可持续发展的新蓝图，北京市编制了《北京城市总体规划（2016年—2035年）》。该规划提出了严格控制用水总量，保障*都供水安全，提高人均可供水量，南水北调用足中线，开辟东线，打通西部应急通道，加强北部水源保护，形成外调水与本地水、地表水和地下水联合调度的多水源供水格局，到2020年人均水资源量（包括再生水量和南水北调等外调水量）由现状约176m3提高到约185m3，到2035年提高到约220m3的目标；提出加强本地水源恢复与保护，增加地表水调蓄能力，优先利用外调水，提高再生水利用比例，压采和保护本地地下水，加大地下水回灌量，逐步实现地下水采补平衡的要求。
北京市地下水的开发利用有着非常悠久的历史。自20世纪50年代以来，随着人口的增加及工农业规模的大幅增长，地下水的开采量也逐年增加。70年代开始，北京市地下水开采量增长较快；进入80年代以来，北京市地下水开始成为北京地区主力供水水源。根据80年代以来北京市水资源公报数据，1985～2007年的地下水供水量都在23亿m3/a以上，一直高居全市供水总量的70%左右。自2007年以来，由于节水技术的推广应用及再生水的利用，地下水供水量呈现逐年减少的趋势，尤其是2014年南水北调中线通水以来，由于大幅压采地下水，北京地区地下水供水量降到了20亿m3/a以下（图1-1）。
图1-1北京市地下水年供水量变化情况（1988~2019年）
根据北京水资源形势的变化，可以分三个阶段进行分析：①在2003年之前，北京市主要由地表水和地下水供水。地下水的年供水量在25亿m3左右，处于严重超采状态，导致地下水位持续快速下降。这一时期，由于自1999年以来的连续干旱，地表水资源量急剧减少，供水量也随之骤减。②2003～2014年，北京市开始大量利用再生水作为河湖环境、园林绿化、工业冷却和市政杂用。这一时期，地表水的年供水量基本稳定在5亿～7亿m3。为了涵养和保护地下水资源，北京市再生水利用量连续增长。所以在这一时期，虽然全市用水总量稳中有增，但是地下水的开采量却逐年减少。自2008年以来，南水北调京石段通水也在一定程度上缓解了地下水供水的压力，使地下水开采量得以持续下降。2014年底，丹江口水库水正式进入北京，有效缓解了北京的供水压力。自2015年开始，北京每年利用8亿m3左右的南水进行供水。③2015年以来，北京市总用水量从2015年的38.2亿m3增加到2022年的40.03亿m3，南水进京为保证北京市的供水安全和生活经济的稳定发展发挥了非常重要的作用，同时也为地下水的涵养和保护提供了非常好的条件。
北京市适宜开展地下水回补的地区主要集中在山前地带，包括密怀顺、西郊、昌平、平谷及房山五大地下水储备区，总面积为1246km2，总库容为40.5亿m3，其中，西郊地区位于永定河冲洪积扇以上（包括部分山区），范围涉及海淀、石景山、门头沟、丰台、房山、昌平等区，是北京市重要的地下水水源地，第三水厂、青龙桥水厂、门城自来水厂、杨庄水厂、稻香湖水厂、五里坨水厂等皆以该地区地下水为水源。长期过量开采地下水已经引起了区域地下水位下降等环境问题，历史上流量丰沛的玉泉山诸泉基本断流。因此，利用西郊地区进行地下水战略储备，有利于恢复地下水位，改善地下水环境，恢复玉泉山泉，补充河道水源，可在一定程度上修复已经衰退的西郊生态环境。
但西郊地区地质条件复杂，局部地区地下水补径排条件不清晰，岩溶水和第四系含水层关系有待查明。受地下建筑物和非正规垃圾填埋场等污染源制约的地下水红线水位急需确定。地下水回补场地、路径及回补技术的选择需要进行科学的论证。南水北调水源回补-地下水开采的调蓄方案和补、调、采一体化的调控机制建立需要开展大量的科研工作。为此，本研究梳理地质构造、水文地质特征、地下水补径排路径、水资源演变规律等方面文献资料，通过监测与勘查、现场试验与数值模拟、统计分析与数据挖掘等方法，研判水资源高效利用与地下水战略储备优化方案与实施路径。
1.2国内外研究现状
1.2.1地下水战略储备综述
人工回补地下水的水源主要有地表水，处理后的雨洪水，处理达标后的污水、废水，以及外地调水等。人工回补地下水的方法主要分为两大类：直接法和间接法。直接法是以完成人工回补地下水为直接目的的方法，包括直接入渗法、管井注入法和地下调节径流法。间接法是在达到工程设施本身兴建的目的之外，对地下水起到补充作用的方法。目前使用较多的方法是直接入渗法和管井注入法（李恒太等，2008），直接入渗法是利用河道的自然渗漏补给地下水，工程要求较低，但受地形地质条件约束。管井注入法是利用大口井或坑塘将水直接注入含水层中，不受地形地质条件约束，但是工程要求较高。人工回补地下水的主要目的是提高地下水位，作为水资源储备，防止海水入侵，改善水质等（Steenhuis和桑文静，2014）。
国外在地下水回补方面兴建了许多大型工程。例如，20世纪50年代，荷兰在沿海人口稠密的城市开始构建大规模的地下水补给工程，建立了阿姆斯特丹沙丘供水系统（AWDs），到1990年，荷兰地下水人工补给量达到了1.8亿m3/a。60年代德国就将处理后的水通过直接回灌的方式回补地下水，一段时间后在距离回补地点一定距离的地方再次抽取经过净化之后的水以满足生活生产需要（孙蓉琳和梁杏，2005）。80年代，美国提出了“含水层储存恢复（ASR）工程计划”。ASR是指在丰水季节将水通过人工入渗补给的方式储存到合适的含水层中，在需要利用水资源的时候，再通过取水工程（如开采井等）将水抽取使用。它是一套利用钻孔补给地下水的系统工程，是一种非常成功和经济有效的补给技术。1968年，在新泽西州建成了**个含水层储存和开采系统，用于储存经过处理的饮用水。到2002年，美国已运行的ASR系统有56个，而建成的系统则有100个以上，仅佛罗里达州南部的墨西哥海湾沿岸就已经修建了26个ASR工程，约有330口ASR井。这些ASR系统不仅可以满足用水需求，还可以改善回补水的水质（Pyne，1995）。南非开普敦的亚特兰蒂斯在1980年开始利用湖盆渗漏回补地下水，将雨洪水和污水中水质较好的水源经过水质处理用于回补地下水，补给水在地下停留2年后回采，用以生活生产供水；而水质一般的水源或者低盐的劣质水源则在处理后用于防止海水入侵，*终排向大海。日本为了防止海水入侵，在长崎野母崎町桦岛建设了全球**座有坝地下水库，利用防渗墙来储存地下水。在随后的几年，逐步修建了冲绳县宫古岛地下水库、福井县常神地下水库、冲绳县砂川地下水库等，地下水库的建设为相关地区农作物的生产提供了稳定的水源，防止了海水入侵（李旺林等，2005）。在其他的干旱地区，如以色列在20世纪60年代建立了太巴列湖-地下水库拦蓄工程，实行地表水-地下水统一调度，地下水库总库容达到了47亿m3。此外，希腊、比利时、法国、瑞士等国家也采取了一系列的措施以提升地下水位（Lucas and Robinson，1995；Alley et al.，2002；韩中华，2006）。
国内对地下水回补的研究起步较晚，上海在20世纪60年代利用回灌井对地下水进行回补（朱慧峰和顾慧人，2005）。70年代中期，北京、天津、河北、山东、河南、安徽和江苏等地区开展了大规模地下水人工调蓄的调查评价工作，提出了“地下蓄水”概念、地下调蓄类型划分依据和圈定“地下蓄水地段”技术要求，估算了74个地下蓄水地段的可蓄水能力（河北省地理科学研究所，1980）。1975年河北省开始研究采用深井回灌地下水建立地下水库，以黄河水为主要回补水源，利用渠道、灌井相结合的方式进行地表水回灌，这是我国地下水库发展的开端。北京西郊地下水库是山前倾斜平原区地下水回补研究的代表，地表入渗为主要补给方式。至90年代，我国许多地区开展了人工回补地下水的工作，特别是我国的北方地区，如河北、山东、河南及北京等地，并且取得了良好的效果。地下水回补方式主要有农灌、井灌和河道入渗。丁昆仑（1996）通过对各种回补方式的分析，认为沟渠回灌对于北方干旱地区特别是以开采地下水为主的井灌区来讲，是进行大面积回灌地下水的*佳方法。新疆、山东、辽宁、黑龙江、广西、贵州、福建等地也都研究了相应的地下水回补方案并尝试修建地下水库（谭世燕，1995；刘青勇等，2005；周志祥等，2008；朱思远等，2008；邓铭江等，2014）。由于地下水超采严重，济南地区出现了泉水断流的现象，吴兴波等（2003）在济南玉符河地区开展了人工回补实验，并分析了不同回补方案对于济南泉水水位的影响，发现在玉符河进行地下水回补可提升济南地下水位，并对济南泉水修复具有显著的作用。之后王维平等（2010）对济南地区的屋顶雨水进行收集处理，根据水中不同时期污染物浓度的变化，将水中有机污染物进行处理，使雨水中的污染物浓度达到饮用水标准后回补入裂隙岩溶含水层，并根据国内外对于回补深层裂隙岩溶水的工程实例，分析屋顶雨水回补浅层裂隙岩溶水的可能性。在北京的西郊、玉泉山及永定河等地区学者们也开展了一系列的地下水回补的相关研究，如对玉泉山和西郊地区的地质条件与地下水特征进行分析，并研究了永定河与北京市地下水的关系（王新娟等，2006；张院等，2013；*都师范大学，2014；杨庆等，2017）。为了防止地面沉降，牛磊等（2016）在天津开展了基坑回补地下水的研究，通过单井回灌实验，估算了回补地下水的影响范围，验证了基坑回补地下水防止地面沉降的可行性。在东部沿海地区建立的地下水库主要是用于存储地下水和抵制海水入侵。王卫东等（2004）研究了大连市在距海岸线不远的地方建造地下坝，以拦截入海的地下潜流量、抬升地下水位的可行性。
1.2.2地下水战略储备技术方法
1.河道试验
由于在地下水回补的方式中，利用河道直接入渗回补地下水工程要求较低，是实际工作中回补地下水*常采用的方法。要想获得水流在河道中的入渗量，就要对河道的入渗能力进行研究，以更好地对地下水进行回补。国内外对河道的入渗能力展开了一系列的实验研究。对于河道入渗能力的实验研究方法主要有基于水量平衡原理下的河道断面测流法、水文分析法、渗流槽法、地下水动力法、经验公式法等。目前采用*广泛的方法是水量均衡法。1956年席夫根据达西定律研究地下水入渗率和渗漏流场的不同情况，为地下水回补提供了理论依据。早期国外学者致力于饱和条件下的土壤入渗特征研究，后来Isabella等利用水量均衡法研究干旱地区的河道在洪水状况下的入渗补给量；Mohamed等利用水量均衡法对季节性河道中的渗漏损失进行了估算，并建立了渗漏损失量和入渗量的相关关系（杨诗秀等，1985）；Vassilios分析了各种研究方法的可行性（Allison，1988）。
我国在河道入渗实验的研究方面，小型实验主要有单环法、双环法、抽水试验法等。小型实验主要是测定小范围的渗透系数，使用该系数估算的河道入渗量误差较大。大型试验主要是在河道中进行野外入渗实验，选取实验河道利用水库放水或其他来水，通过水量平衡的方法计算河道入渗量从而推求河道的入渗能力，进而计算整个河道的入渗量。张磊和刘杨杨（2013）在辽宁省西部大凌河中下游河道中采用横断面流量测量法计算了河道的渗漏补给量。学者们在黑河（毛丽丽等，2011）、滹沱河（冯创业等，2013）、永定河（何平，2003）等河道上也进行过大型的河道入渗实验，利用长时间或短时间的上游放水量与该时间段内的降水、蒸发、滞留等水量计算河道的入渗量。为了查明南水北调水在密怀顺地区回补地下水的能力，张志永等（2014
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