地下水库库容和调蓄能力研究——以北京密怀顺地下水库为例

分类号： 密 级： U D C： 单位代码： 10078

华北水利水电大学硕士学位论文

地下水库库容和调蓄能力研究

——以北京密怀顺地下水库为例

The research on storage and storage capacity of Groundwater reservoir——Take Beijing Mihuaishun Groundwater reservoir

study area as an example

研 究 生 姓 名： 赵元

指导教师： 邱林 教授

谢新民 教授

专

所业在名学称： 水文学及水资源 院： 水利学院

2014年5月

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摘 要

地下水水库库容和调蓄能力研究

——以北京密怀顺地下水库为例

摘 要

在我国社会经济不断迅速发展的大背景下，供水压力也在不断加大，地下水资源的超采现象也越来越严重。为了解决这一问题，各地区的跨流域外调水工程也在陆续上马，其中影响和规模最大的就是南水北调工程，但是包括南水北调在内的跨流域调水工程普遍缺少蓄水工程。本文尝试从进行地下水库回灌，发挥地下水调蓄作用的角度来论证解决这一问题的可行性。

本文以北京市密怀顺地下水库为例，通过野外调查、资料收集和软件模拟等方式计算了密怀顺研究区的地下水库最大库容，死库容和最大可调蓄库容等；并通过不同的回灌方案的对比分析，最后给出了研究区的推荐回灌方案，为研究区进行地下水回灌提供了理论支撑。最后得出了本文的主要创新点：

（1）地下水库特征水位和库容精细计算方法。创造性地提出一种基于三维地层空间结构模型和面向地下水上下限临界水位分区控制的地下水库特征水位及库容计算方法。该方法综合考虑每个分区的水文地质环境、垃圾填埋场和加油站等控制性约束，分别计算出地下水上限临界水位和下限临界水位，并根据每个地质分区含水层特点和水文地质参数，计算得出每个单元特征库容，最终给出地下水库最大总库容、死库容和最大可调蓄库容等系列成果。

（2）地下水库调蓄能力分析方法。提出一种基于三维地层空间结构模型、地下水数值模拟模型和面向地下水上下限临界水位分区控制、不同开采与回灌组合的地下水库调蓄能力分析方法和全视角多方案系列成果。

关键词：地下水库；库容；调蓄能力；地下水数值模型；北京市密怀顺

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ABSTRACT

ABSTRACT

Under the rapid development of our economy, the supply pressure is increasing and over-exploitation of groundwater is also becoming more and more serious. To solve this problem, inter-basin water transfer project has also being launched in various regions. South-North Water Transfer Project’s influence is the greatest. However, inter-basin water transfer projects, including South-North Water Transfer Project has a common problem- lacking of water storage projects. This paper attempts to demonstrate the feasibility of solving this problem from two different angles, recharging underground reservoirs and ground water regulation.

Taking Mihuaishun underground reservoir as an example, We calculate the maximum capacity, dead storage and maximum flood storage capacity, etc of Mihuaishun underground reservoir by field investigation, data collection and software simulation methods. And through the different recharge analysis and scheme comparison, finally gives the study areas recommended recharge program. It provides theoretical support for recharging underground reservoirs in study areas.

(1)Underground reservoir characteristics of the water level and the Fine calculation methods of capacity. Creatively put forward the formation of a three-dimensional model based on the spatial structure and characteristics of underground reservoirs for water and groundwater storage capacity calculation methods on the lower critical level zoning control. This method takes into account each partition hydrogeological environment, landfill and gas stations controlling constraints, calculates the upper critical groundwater level and lower critical level,. According to partition each geological and hydrogeological characteristics of the aquifer parameters calculated for each unit features storage capacity, Ultimately gives the maximum total capacity of underground reservoirs, dead storage and maximum flood storage capacity and other achievements.

(2)Underground reservoir storage capacity analysis. Proposed the formation of a three-dimensional spatial structure model based on the lower critical level partition control groundwater numerical simulation model for groundwater and underground reservoir storage capacity analysis of a combination of different methods of mining and recharge and wide viewing angle multi-program series of results.

Key words: Underground reservoir, Capacity of reservoir; Regulation and storage capacity; Numeric groundwater model; Mihuaishun of Beijing

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目 录

目 录

万方数据摘 要 ...................................................................................................................... I ABSTRACT ........................................................................................................... I 1 绪 论 .................................................................................................................. 1 1.1 选题背景及研究意义 ............................................................................ 1 1.1.1 选题背景 ..................................................................................... 1 1.1.2 研究意义 ..................................................................................... 3 1.2 国内外相关研究进展 ............................................................................ 4 1.2.1 国外研究进展 ............................................................................. 4 1.2.2 国内研究进展 ............................................................................. 4 1.3 研究目的及研究内容 ............................................................................ 5 1.3.1 研究目的 ..................................................................................... 5 1.3.2 研究内容 ..................................................................................... 5 1.4 研究方法及技术路线 ............................................................................ 6 1.4.1 研究方法 ..................................................................................... 6 1.4.2 技术路线 ..................................................................................... 6 2 概 况 .................................................................................................................. 7 2.1 地理位置 ................................................................................................ 7 2.2 地形、地貌 ............................................................................................ 7 2.3 气候特征 ................................................................................................ 7 2.4 河流水系 ................................................................................................ 9 2.5 地质与水文地质概况 .......................................................................... 10 2.5.1 地质概况 ................................................................................... 10 2.5.2 水文地质概况 ........................................................................... 13 3 地下水库库容和特征水位研究 ...................................................................... 15 3.1 地下水库概念及其分类 ...................................................................... 15 3.1.1 地下水库概念 ........................................................................... 15 3.1.2 地下水库分类 ........................................................................... 15 3.2 地下水库分析 ...................................................................................... 16 3.2.1 水库边界条件 ........................................................................... 16 3.2.2 水库结构特征 ........................................................................... 16 3.3 地下水库特征水位与库容 .................................................................. 20 I

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万方数据3.3.1 特征水位和库容的划分及计算方法 ....................................... 20 3.3.2 库容计算 ................................................................................... 22 4 地下水数值模拟模型构建 .............................................................................. 41 4.1 地下水概念模型 .................................................................................. 41 4.2 地下水数学模型构建 .......................................................................... 45 4.3 网格剖分 .............................................................................................. 45 4.4 地下水均衡要素的计算 ...................................................................... 47 4.5 定解条件的处理 .................................................................................. 52 4.6 模拟期的处理 ...................................................................................... 53 4.7 源汇项的处理 ...................................................................................... 53 4.8 水文地质参数的处理 .......................................................................... 53 4.9 模型的识别与检验 .............................................................................. 54 5 地下水库调蓄能力计算与分析 ...................................................................... 59 5.1 地下水库调蓄能力 .............................................................................. 59 5.1.1 地下水库调蓄能力分析 ........................................................... 59 5.1.2 地下水库最大可调蓄库容计算 ............................................... 59 5.2 地下水开采及回灌方案 ...................................................................... 59 5.2.1 地下水开采及压采方案 ........................................................... 59 5.2.2 地下水回灌方案 ....................................................................... 61 5.3 地下水库调蓄能力计算 ...................................................................... 62 5.3.1 拟定回灌方案 ........................................................................... 62 5.3.2 调蓄能力分析 ........................................................................... 66 5.3.3 推荐方案 ................................................................................... 76 6 结论和展望 ...................................................................................................... 79 6.1 结论 ...................................................................................................... 79 6.2 创新点 .................................................................................................. 80 6.3 展望 ...................................................................................................... 80 攻读学位期间发表的学术论文及参加的科研项目 .......................................... 81 致 谢 .................................................................................................................... 83 参考文献 .............................................................................................................. 85 II

绪 论

1 绪 论

1.1 选题背景及研究意义

1.1.1 选题背景

随着中国社会的发展和经济的不断增长，各地区（尤其是北方地区）的供水压力越来越大，许多地表水供水能力不足的地区不得不通过大量超采地下水来平衡供需水之间的矛盾；然而地下水长时间的超采可能会导致一系列严重的地质和环境问题，所以地下水超采现象是需要迫切解决的问题。

为了改变由于自身缺水所导致的供水压力持续增大的局面，北方许多地区陆续兴建了许多的跨流域的外调水工程，这其中规模最大、影响最大的当属“南水北调工程”，跨流域调水工程[1]确实可以在一定程度上缓解受水地区在干旱年份的供水压力，减轻当地地下水超采现象并为当地社会经济的发展和人民生活水平的提高做出贡献，这是其有利的一面。但跨流域调水也有很多需要解决的问题，有其自身的局限性[2]。跨流域调水工程能起到应有作用的前提是，供水区丰水的同时受水区缺水；但是当受水区处于丰水年，此时受水区首选用水是比外调水廉价很多的当地地表水，外调水的重要性就会大大下降；或者供水区和受水区同时处于枯水年，供水区或许不能保证给受水区提供足够的外调水，此时受水区的缺水问题还是不能得到根本解决；最为遗憾的是，已知的外调水工程都没有修建相应的地表蓄水工程。有鉴于此，解决受水区在丰水年外调水的存储问题是很有必要的，此时尝试通过修建地下水库，来解决这个问题就变得很有现实意义。

北京市的多年平均降水量为585mm，其多年平均水资源总量（1956-2000年）为37.4亿m3，其中人均水资源量是249m3，北京市的人均量只是全国平均人均量的八分之一，是全球人均量的三十分之一，国际标准的人均水资源量的最低限为1000 m3，由此可以看出北京市缺水的现象非常严重。并且自1999年开始，北京市进入了持续干旱少雨的时期，多年平均降水量仅为450mm，多年平均水资源总量只有26亿m3，人均水资源量不到200m3。[3]不断增长的人口规模，连续的干旱和南水北调进京时间的推迟都对北京市的水资源供需平衡提出了严峻的考验，水资源短缺和水资源的刚性需求之间的矛盾越来越突出[4]。

由于连年干旱以及北京市不断增加的人口规模，加上经济不断发展的客观现实，北京市的需水量不断加大；城市需水和水承载能力的矛盾不断加大。在这种情况下，只有不断加大地下水的超采来缓解经济人口的增长对城市供水的压力。所以地下水供水占总供水量的比例越来越大；近年来由于北京市地下水连续超采，地下水储存也已经连续出现亏损，到2000年其亏损量达到26亿m3。而地下水持续超采很容易引发例如地面沉降[5]等很严重的生态环境和地质问题[6]。截止2005年，北京市已经有5980km2的地下水超采区[7]，占北京市平原区总面积的

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86.7%。其中有2288km2的面积属于严重超采区。北京市地下水的平均埋深也由1988年的6.3m增大到2008年的22.8m（见图1-1）。截止到2010年北京市累计地面沉降量超过200mm的面积高达2474.70km2，已占全市平原面积的1/3（见图1-2）。

Figure1-1 The relationship figure between Groundwater extraction,Groundwater depth and

precipitation

Figure 1-2 The District of Groundwater Overdraft and the figuer of land subsidence contour

from 1955 to 2008

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绪 论

为了应对这种不利局面，《2010年北京市政府工作报告》提出要实现城市的可持续发展，保障城市用水的安全供应；就必须要从根本上重视起来，把城市供水安全问题提高到战略角度上来，采取建设节水型城市[8]、增加新的应急水源[9]和再生水利用等多种措施，从根本上改变北京市供水窘迫的现状。

同时《2010年北京市水务工作会议报告》也重点提出，南水北调工程通水对于北京市意义重大、深远，可以有效增强北京市的供水保障能力，并为保证北京市社会稳定、促进经济发展起到关键的作用。

因为南水北调进京水对北京市的重要意义，而如何保证南水北调进京水初期多余水量能够得到更合理安全的利用，就变成了一个刻不容缓、需要马上解决的问题，本文重点研究的就是南水北调进京水初期多余水量的回灌地点和回灌量等问题。本文经过对北京市地质和水文地质资料的详细考察了解，发现北京市因为连续多年的地下水超采，地下水水位下降情况很严重，特别是因为密怀顺地区存在怀柔应急水源地和第八水场，当地地下水连年超采形成了地下漏斗，具有相当的地下水储存空间（见图1-3），具备修建地下水库的先决条件。

Figure1-3 The miyun Stratigraphic section in Figure

1.1.2 研究意义

南水北调进京水对北京市具有十分重要的意义，，而如何保证南水北调进京水初期多余水量能够得到更合理安全的利用就显得尤为重要。本次研究的主要研究意义如下：

1）利用南水北调中线工程通水初期多余外调水量实施地下水人工回灌

2）提高南水北调中线工程通水初期运行负荷不足和效率低下的问题

3）改善密怀顺水源地因地下水大量超采导致区域性水位急剧下降而造成的 水源八厂、怀柔应急水源井开采量衰减等问题;

4）可达成首都水资源战略性储备，弥补南水北调中线工程在枯水年份供水不足的缺点，并且有效提高北京市安全供水保障程度。

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1.2 国内外相关研究进展

1.2.1 国外研究进展

从上个世纪50年代开始，美国就开始进行地下咸水层贮存淡水的实验，用来缓解用水高峰期的供水压力，并在上世纪70年代发展成为ASR技术(ASR技术就是在丰水期通过一定方式将水资源注入地下并保存起来，在枯水期将水资源开采出来进行利用)；目前美国已经修建成并已经运行的ASR系统，总共有100余个，分布范围也很广，例如佛罗里达州[10]内布拉斯加州的Platte河中部、美国加州南部Orange县、内华达州[11]等。

日本[12-18]于1972年，在长崎县野母崎町桦岛建造了第一座有坝地下水库(集水面积0.6km，总库容9000m3)，以后又陆续建造了福井县常神地下水库、冲绳县宫古岛地下水库、冲绳县砂川地下水库等[19]。日本建造的地下水库起到了防止海水入侵和更科学合理利用地下水的作用，并增强了日本当地居民生活和农业用水的保障能力。

关于国外的地下水模型进展，GuptaS K，Cole CR[20]，Giao P H．，Phien—wejN.[21]等探索并剖析了如何利用有限元法，去进行地下水三维模型回灌；Eastwood J．C.[22]，Lindner w．，LindnerK[23]介绍了如何把优化理论和地下水管理模型结合起来。Guo Weixingc[24]做了地下水回灌的瞬态分析；MartinP．J．，FrindE Q[25]详细解释了加拿大复合含水层地下水模型的建立过程。

1.2.2 国内研究进展

我国南北水资源分布不均，南方水资源丰富，北部地区水资源可利用量相对要少，并且北部很多地区具有年降水分布不均、季节性河流多、含沙量大、干旱少雨等特点。为了解决这一问题，我国从上个世纪70年代开始就进行了很多地下水调蓄可行性分析的准备工作[26]，例如地下水调蓄调查评价和绘制地下水位地质图等等，为日后的地下水库建设提供了丰富的理论基础和资料支撑。自二十世纪八十年代起，中国进行了关于地下水回灌技术的实验研究，并且取得了一定的经验；

上个世纪八十年代开始，经过理论的发展成熟和实践经验的积累，在北部地区我国修建了很多非常具有代表性的地下水库。其中在河北建造的南宫水库是中国自己建设的第一座地下水库；北京也在西郊地区修建了一座地下水库[27]；我国第一个功能较为完整的地下水库（山东龙口黄水河地下水库[28]）也修建在这一时期，其年调蓄能力是11934~5967.0万m3；此外这一时期修建的地下水库还包括郑州市新石桥-黄庄地下水库、滹沱河地下水库、关中盆地秦岭山前地下水库、包头市地下水库和三工河流域山前地下水库等；辽宁省，结合自身降水特点和地质构造的优势，建立了三涧堡地下水库、龙河地下水库和老龙湾地下水库等；另外广西和贵州结合自身地质和水文地质的情况和特点，陆续兴建了后寨地下水

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绪 论

库、马官地下水库和小平阳地下水；我国南方滨海及岛屿地区结合自身地质构造兴建了库容达到115万立方米的媚洲岛地下水库[29]；2000以后，北京师范大学的张光辉教授给出了优化地下水人工调蓄形式的机制和策略；费宇红灯提出了在山前大型冲洪积扇的主要河流二级阶地以上划定地下调蓄区，实施地表和地下水联合调蓄的模式[30]。

近些年来地下水库为我国的社会经济发展做出了一定的贡献，起到了缓解枯水期供水紧张局面的作用；但因为我国还没有专门关于地下水库的法律法规，对水权和水量分配等的界限也不是很明确，这从很大程度上妨碍了地下水库的进一步发展。

1.3 研究目的及研究内容

1.3.1 研究目的

本文的主要研究目的包括以下三个方面：

（1）通过调查分析和水文地质条件分析，确定回灌场地。

（2）明确地下水库库容和特征水位的概念，给出计算方法；

（3）利用抽水试验、三维地质模型和数值模拟模型等，模拟不同开采和回灌方案，确定地下水库调蓄能力，确保南水北调中线工程外调水量实现有效调控和高效利用。

1.3.2 研究内容

（1）通过进行密怀顺研究区的地下水资源调查评价，摸清研究区地质与水文地质条件、地下水资源量；全面了解和定量刻画地表水与地下水相互转化关系，给出密怀顺研究区地下水补给量、可开采量等成果；查清研究区内污染源的分布位置、数量和埋深等，为分析和确定地下水回灌上限临界控制水位（简称上限水位）奠定基础。

（2）通过收集到的研究区钻孔资料，建立三维空间结构模型，并在此基础上给出了地下水库库容（最大库容、死库容等）及其特征（上限水位、下限水位），并给出了研究区最大可调蓄库容。

（3）在搜集并分析气象、水文地质边界条件和参数的基础上，建立水文地质概念模型和数值模拟模型，利用区域地下水位长期观测资料，对已建的数值模型进行识别和检验。

（4）)利用构建密怀顺研究区地下水数值模拟模型，通过不同情景不同组合方案的全方位多视角系统调节计算和对比分析，最后给出潮白河回灌场地推荐回灌规模。

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