基于人工示蹤法的位山灌區地下水補給特征研究

王玉偉，王 鳳，徐征和，潘維艷，王 通

(1.臨清市水務局，山東 聊城 252600；2.濟南大學水利與環境學院，濟南 250022)

0 引 言

地下水補給是地下水系統的基本組成部分[1]。灌區地下水系統屬于半自然生態系統，頻繁的人類活動導致灌區的水循環愈發復雜[2,3]。隨著工農業快速發展，水資源供需矛盾日趨嚴重，同時對灌區地下水系統的補給、徑流、排泄等認識不足和灌區地下水不合理的開發利用，致使灌區地下水開采條件不斷惡化、地面塌陷、微咸水和咸水入侵等次生災害[4,5]。

20世紀80年代中期以來，國內外專家和學者開始采用不同方法研究地下水補給機理。例如采用地中滲透儀方法、物理方法(地下水位動態方法、水均衡分析法)、化學示蹤法和數值模型模擬法等研究不同區域的地下水補給理論[6,7]。受地下水補給過程、補給項的時空變化、資料收集難度大等因素影響，地中滲透儀法、物理法等無法精確量化地下水補給量，難以準確摸清研究區域地下水補給的演變特征。與這些方法相比，化學示蹤方法在研究地下水補給方面具有所需資料較少，數據獲取容易，可根據需求控制試驗時間和地點等優點，在研究地下水補給的同時還可以判斷補給源、測定水流運動速度和運移時間、標識優先流路徑等[8,9]。通過示蹤試驗可以揭示變化環境下研究區地下水的補給變化規律，為區域社會經濟與生態環境協調發展提供理論支撐。除此之外，人工示蹤劑還具有選擇性廣的特點，只要物質具有較高的水溶性、化學性質穩定、環境污染低、測量簡單、測試精度高、測試費用低廉等特點均可作為示蹤劑。因此，國內外學者多采用人工示蹤方法進行地下水補給相關特性研究。例如，K?hne等[10]利用溴離子研究瓦管排水和物理結構不平衡對溶解物在結構性土壤中運輸的影響；Lassaad Dassi[11]利用人工示蹤劑氚和氯質量平衡法(CMB)得到突尼斯潛水含水層的補給量；Th. Müller[12]等利用多種示蹤劑(4He,14C和36Cl)對阿曼西南地區含水層的地下水停留時間進行了測定，證明多爾法山脈補給區的地下水年代更久，研究還發現采用多種示蹤劑評價地下水的評價結果更精確；譚秀翠等[13]采用溴示蹤法研究了華北平原山前沖積平原和中部平原在有灌溉和無灌溉區的地下水補給情況；李杰彪等[14]利用人工示蹤劑氚研究了甘肅省北山預選區四十里井盆地地下水補給，確定在180 d的試驗期間內，得到的淺層地下水補給量僅為0.007～0.018 mm/d；帥品等[15]以華北平原為例，利用人工示蹤劑溴離子和氚研究了該地區不同灌溉方式、不同土地利用方式、不同包氣帶巖性以及秸稈覆蓋狀況等條件下的地下水補給，并揭示了補給強度的時間變異性。

位山灌區屬于黃河沖淤積平原，淺層地下水埋藏深度淺，地下水循環過程受多種因素影響而復雜多變[16-18]。為分析灌區地下水補給特征，采用溴離子作為示蹤劑，分析位山灌區地下水時空補給特征，探討灌區地下水系統的演變規律，研究結果將為灌區地下水資源可持續開發利用以及灌區生態環境和社會發展提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

位山引黃灌區位于山東省聊城市(115°16′～116°30′，35°47′～37°03′)(圖1)，灌區屬暖溫帶半干旱季風氣候區，平均氣溫由西北向東南遞增，在12.8℃～13.4℃之間，多年平均降水量為554.1 mm，其中6～9月份降水410.5 mm，占全年降水量的73.51%，降水的年際變化大，多年平均水面蒸發量為1 287.7 mm，是降水量的1.67倍。位山灌區是黃河下游最大的引黃灌區，設計灌溉面積為3 600 km2。農田主要采取漫灌的灌溉方式，每年3-5月和9-10月進行灌溉，每年灌溉4次，平均灌溉水量為1 200 m3/hm2，灌溉定額為1 800～3 300 m3/hm2。灌水的均勻性差，易造成土地鹽堿化，且配套設施老化失修，水量浪費較大。研究區地下水補給主要受大氣降水和地表水灌溉影響，灌區土壤巖性、農作物種類具有空間分布差異性。試驗區邊界：南部局部區域以黃河為邊界，北部以衛河為邊界，東西邊界則是黃河沖積平原在自然條件下形成的天然邊界。

圖1 研究區域位置圖Fig.1 Location of the study area

1.2 人工示蹤試驗

1.2.1 示蹤試驗原理

示蹤試驗原理如圖2所示，選定試驗點后，為防止地下水蒸發、動植物和人類活動對示蹤劑源產生影響，在地下一定深度處，一般是在接近當地最大零通面以下，人工投放一定量示蹤劑。在自然條件下，示蹤劑會隨著大氣降水和灌溉水向下運移產生富集現象，經過一定時間后，定期采集不同深度土壤樣品，測定不同深度剖面土壤中示蹤劑質量濃度以及相應土層的土壤含水量，確定示蹤劑濃度峰值下移速率，采用公式(1)確定該區域地下水垂向入滲補給強度[19]。

(1)

式中：Rd為地下水垂向入滲補給強度，mm/d；v為土壤水垂直入滲速率，mm/d；Δt為人工示蹤劑取樣的時間間隔，d；Δz為人工示蹤劑濃度峰值下移深度，mm；θ為Δt時段內示蹤劑濃度峰值下移深度Δz上的土壤平均體積含水率，cm3/cm3。

采用地下水綜合入滲補給系數Rc以區分研究區大氣降水和農田灌溉入滲補給強度，Rc是指在一定時間內地下水補給量與降水量和灌溉量之和的比值。計算公式如下：

(2)

式中：P為研究區域在研究時段內的降雨量，mm；I為研究區域在研究時段內的灌溉量，mm。

圖2 示蹤試驗原理圖Fig.2 The principles diagram of the tracer experiment

1.2.2 試驗布置與試驗過程

人工示蹤劑種類繁多，如無機鹽類，容易獲取且分析簡單；醇類，價格低廉但易受細菌降解；水溶性放射性示蹤劑容易檢測，但具有危險性且對環境有污染，目前只有低毒性的氚水得以廣泛應用[20]。本文根據灌區地下水水質和水文地質情況，選擇具有較高水溶性、化學性質穩定、環境污染低、測試簡單的無機鹽類NaBr作為示蹤劑。為避免動植物和人類活動對示蹤劑的影響，確保示蹤劑在投放深度上形成相對均勻的示蹤劑濃度分布，采用多孔深層注入法投放示蹤劑。采用三孔布置方法，三個示蹤劑投放點是按照正三角形布置，中心位置是土樣采集點，布置方案如圖3。

圖3 示蹤劑投樣點和取樣點示意圖Fig.3 Schematic diagram of sampling and tracer injecting points

示蹤劑投放過程：首先用土壤取土器鉆取深1.2 m鉆孔，然后將50 g飽和NaBr溶液通過聚乙烯塑料管注入鉆孔，NaBr溶液投放結束后將鉆取的土壤再逐層回填鉆孔，回填過程中每隔5 cm進行土壤夯實，以使回填土和原狀土有相近的土壤孔隙特征。鉆孔過程中，采集不同深度(0～20、20～40、40～60、60～80、80～100、100～120 cm)土壤樣本，分別測定各土樣的質量含水率、土壤容重和溴離子質量濃度[21]。

投樣結束后，采集不同深度(0～400 cm)的示蹤劑土壤，其中，0～120 cm每20 cm采集1個土樣，120～400 cm處每10 cm采集1個土樣，測定其質量含水率和溴離子濃度。土樣含水率采用烘干法測定，溴離子濃度采用離子選擇電極法[22,23](儀器型號：雷磁PBr-1-01)測定。

位山灌區上中游地表水灌溉量充足，下游灌溉水量較少，并且灌區土壤巖性、農作物種類間具有分布差異性。因此示蹤劑投放點分別選擇在灌區上中游和下游區域，并在每個區域的投樣點再分為有無地表水灌溉區域以及不同農作物種植區。本試驗共布置16個試驗點(表1)，試驗點的空間分布如圖4所示。試驗期間于2015年2月9日-2月11日投放示蹤劑，分別在2015年7月25日-7月29日和2016年5月3號-5月7號采集各試驗點土樣。

表1 試驗處理Tab.1 Experimental design

注：其他類型主要包括林地、荒地等。

圖4 試驗點空間分布圖Fig.4 Spatial distribution of test points

2 結果分析

2.1 示蹤試驗結果

4個典型區域，上游灌溉區(1號試驗點)、下游灌溉區(12號試驗點)以及中游非灌溉區(4號試驗點)和下游非灌溉區(15號試驗點)，溴離子質量濃度和土壤含水率的變化情況如圖5所示。由圖5可以看出溴離子質量濃度在不同深度上存在分布差異，出現濃度峰值，而且濃度峰值隨著年際向下移動，這是由于在灌區大氣降水和地表水灌溉的作用下，土壤水得到補給，溴離子隨著土壤水向下運移并逐漸補給地下水，對比1號、12號試驗點和4號、15號試驗點可以看出，灌溉區溴離子下移速度較大，非灌溉區溴離子下移速度較小；各試驗點處土壤含水率在年際間變化趨勢相同，分布特征相似，變化幅度較小，其中，灌溉區表層含水率較大，無灌溉區表層含水率較小，深層含水率兩種情況下相差很小。

2015年2月投放示蹤劑，投放深度為120 cm，由圖5可知，

圖5 試驗點土壤剖面溴離子質量濃度和質量含水率Fig.5 Bromide concentration and moisture content in soil profile

各試驗點溴離子質量濃度在該位置出現濃度峰值。1號和12號試驗點溴離子質量濃度峰值分別為94.23和92.46 mg/L，峰值位置土壤含水率分別為27.48%、24.37%。4號和15號試驗點溴離子質量濃度峰值分別為72.08和76.54 mg/L，土壤含水率分別為21.65%、19.54%。由圖5知，在120 cm位置上下區間示蹤劑濃度有不同程度的升高，其中灌溉區(1號、12號)升高幅度較大，無灌溉區(4號、15號)升高幅度較小，這是由示蹤劑NaBr飽和溶液在土壤中隨著水分遷移擴散造成的。

由2015年7月各試驗點溴離子質量濃度隨土壤深度變化情況可知，示蹤劑濃度隨著深度的增加先增大后減少，并且各試驗點濃度峰值的出現位置各不相同。1號試驗點溴離子濃度在160 cm達到最大值52.37 mg/L，15號試驗點溴離子濃度峰值(56.31 mg/L)出現在150 cm處，1號試驗點為灌溉區，土壤水分入滲量和入滲速度均比15號試驗點(無灌溉區)大，所以溴離子下移量較大。與2月的試驗結果相比，7月的溴離子質量濃度峰值較小，峰值出現的深度增加，這是因為2月份120 cm處的溴離子在大氣降水和灌溉水下滲作用下向下移動，使原來位置溴離子含量減少而下部位置溴離子含量增加。結果表明，從2月到7月研究區地下水受到降水和灌溉水的補給影響明顯。試驗點土壤含水率分布曲線變化幅度和趨勢基本相似。

由2016年5月試驗曲線可知(圖5)，各試驗點溴離子質量濃度隨著土壤深度增加先增大后減小，并存在濃度峰值。與2015年相比，2016年土壤剖面溴離子濃度隨著深度增加而增大的幅度較小，濃度峰值減小，位置下移。其中，12號試驗點溴離子濃度峰值為30.21 mg/L，出現在180 cm處，相對第一次試驗峰值濃度減小25.11 mg/L，位置下移30 cm；4號試驗點溴離子濃度峰值為28.36 mg/L，出現在160 cm，相對第一次試驗濃度峰值減少17.12 mg/L，位置下移30 cm。結果可以看出，12號試驗點土壤水下滲速度比4號試驗點快，這主要取決于灌溉條件不同，12號試驗點位于灌區下游，進行地表水灌溉，而4號試驗點位于灌區中游但未進行地表水灌溉。各試驗點土壤含水率變化趨勢和前兩次趨勢一樣，變化幅度不大。

綜上，各試驗點在灌溉和降水作用下，土壤水分下滲補給地下水，示蹤劑濃度峰值隨著時間逐漸向下移動，各試驗點不同時間內土壤含水率變化趨勢相同。實驗結果與實測資料對比分析可知，實測資料中1、12號灌溉區溴離子下移速度較大，4、15號非灌溉區溴離子下移速度較小，這與實驗結果相一致。土壤含水率變化趨勢基本相同，分布特征相似。結果表明示蹤試驗結果較合理，可將示蹤試驗結果用于灌區地下水補給特征初步分析研究。

2.2 灌區地下水補給初步分析

2.2.1 入滲補給強度

根據溴離子測定結果，按照人工示蹤試驗原理，得到不同試驗期各試驗點地下水垂向入滲補給強度，計算結果詳見表2和圖6。

表2 地下水垂向入滲補給強度Tab.2 Vertical infiltration recharge intensity of groundwater

注：其中8號和11號試驗點廢棄，未進行試驗分析。

圖6 不同時期各試驗點地下水補給強度Fig.6 Recharge intensity of groundwater in different periods

選擇2015年2月-2016年5月示蹤試驗結果計算灌區地下水補給強度，得到灌區地下水入滲補給強度為0.23～0.66 mm/d(85.5～242.7 mm/a)，平均值167.7 mm/a。其中，有灌溉地區地下水入滲補給強度范圍為0.38～0.66 mm/d(138.9～242.7 mm/a)，均值為193.1 mm/a；無灌溉地區地下水入滲補給強度范圍為0.23～0.32 mm/d(85.5～ 117.1 mm/a)，均值為104.4 mm/a。在冬小麥～夏玉米區域有、無灌溉條件下地下水入滲補給強度均值分別為198.6和110.7 mm/a，棉花區域在有、無灌溉地下水入滲補給強度均值分別為138.3、85.5 mm/a。

2.2.2 地下水補給研究

通過溴離子示蹤試驗結果可知，灌區地下水入滲補給強度具有顯著的空間分布特征。在有灌溉條件的灌區上游和中游位置地下水入滲補給強度較大，如2號和5號試驗點補給強度分別為242.7和233.5 mm/a，下游地下水入滲補給強度較小，如12號和15號試驗點補給強度分別為104.8和85.5 mm/a。這是由于灌區上游和中游區域土壤巖性粗，土壤含水率較大；而下游土壤巖性較細，土壤含水率較小。

通過比較有灌溉區和無灌溉區的地下水入滲補給強度(5號和4號、7號和6號、14號和12號、13號和15號)(圖7)，可看出有灌溉試驗點地下水入滲補給強度(均值為0.53 mm/d)均大于無灌溉試驗點補給強度(均值為0.30 mm/d)，說明灌溉地下水補給量大，且灌溉水利用率較小。由此表明，灌區農田灌溉宜采用節水灌溉方式，從而增加灌溉水利用率。前三組為冬小麥～夏玉米作物，第四組為棉花，冬小麥～夏玉米作物類型地下水入滲補給強度比棉花作物類型地下水入滲補給強度高，有灌溉條件時入滲補給強度分別為0.58、0.38 mm/d，無灌溉條件時入滲補給強度為0.31、0.25 mm/d。可見不同農作物對灌溉水利用效率不同，棉花對土壤水利用效率較高，可降低降水和灌溉水對地下水的補給。

圖7 有灌溉和無灌溉區域的地下水入滲補給強度Fig.7 Intensity of groundwater infiltration recharge in irrigated and non-irrigated areas 注：A為2015年2月-2015年7月，B為2015年7月-2016年5月。

綜上發現，灌區地下水入滲補給強度受大氣降水、地表水灌溉和農作物類型等的綜合作用影響。而針對同一種農作物，降水(P)和地表水灌溉(I)與地下水年入滲補給量(R)之間呈顯著的線性相關關系，R=0.189 7(P+I)+1.896 5(mm/a)，R2=0.752 6(P<0.05)(圖8)。結果表明，隨著大氣降水和灌溉量增加，地下水年入滲補給量呈線性增加。

圖8 降水量和灌溉量與地下水年入滲補給量之間的關系Fig.8 Relationship between precipitation and irrigation and annual infiltration supply of groundwater

對比兩次示蹤試驗結果發現，2015年2月-2015年7月地下水平均入滲補給強度(196.2 mm/a)大于2015年7月-2016年5月入滲補給強度(151.3 mm/a)。第一次試驗補給強度比第二次平均高20%。第一次試驗間隔168 d，處于灌區春灌時期和汛期，降水和地表水灌溉較集中，因此地下水入滲補給量較大；第二次試驗間隔286 d，降水量和灌溉分布較分散，地下水入滲補給量較少。

地下水入滲補給受多種因素影響，其中大氣降水和地表水灌溉是本次示蹤試驗的主要影響因子，但在實際入滲試驗過程中無法完全將兩種因素區分開來，因此為區分大氣降水入滲系數，本文采用綜合入滲補給系數，即地下水下滲補給量和試驗期間大氣降水和灌溉水總量的比值，來確定灌區地下水下入滲補給強度空間分布特征。根據示蹤試驗結果統計各試驗點在不同試驗期內綜合入滲補給系數，見表3和圖9。

表3 地下水綜合入滲補給系數Tab.3 Comprehensive infiltration recharge coefficient of groundwater

圖9 不同試驗期地下水綜合入滲補給系數Fig.9 Comprehensive infiltration recharge coefficient of groundwater in different periods

根據兩次示蹤試驗結果計算2015年2月-2016年5月灌區地下水綜合補給系數，變化范圍為13.7%～22.4%，均值為19.36%。采用克里金插值方法對兩次示蹤試驗各試驗點進行空間插值，得到位山灌區地下水補給特征空間分布，如圖10所示。

圖10 不同試驗時期地下水綜合入滲系數分布Fig.10 Distribution of comprehensive infiltration coefficient of groundwater in different periods

由圖10可知，灌區上游和中游地下水綜合入滲補給系數較大，其中陽谷縣、東阿和聊城市區較大，范圍為20.7%～22.4%，而臨清市和高唐縣的綜合入滲補給系數相對較小，范圍為13.7%～16.2%。其原因主要是灌區中上游地表水灌溉量較灌區下游大，由于灌區多采用大水漫灌方式，灌溉水利用效率較小，入滲補給地下水量較大；而灌區下游土壤巖性多為黏土和亞砂土，主要農作物是棉花，對地下水利用率較高，不利于地表水入滲補給地下水。

3 結 語

(1)在不同區域及條件下地下水入滲補給強度具有明顯變化。灌區地下水入滲補給強度均值為167.7 mm/a，在有灌溉地區入滲補給強度為193.1 mm/a；無灌溉地區入滲補給強度均值為104.4 mm/a。

(2)不同的作物類型對灌溉水利用效率不同，地下水入滲補給強度不同。如冬小麥～夏玉米在有無灌溉條件下地下水入滲補給強度均值分別為198.6和110.7 mm/a，棉花在有無灌溉條件下降水和灌溉水對地下水入滲補給強度均值分別是138.3和85.5 mm/a。冬小麥～夏玉米的地下水入滲補給強度大于棉花的補給強度，主要是由于棉花對土壤水利用效率較高，可降低大氣降水和灌溉水對地下水的補給。

(3)2015-2016年，通過綜合入滲補給系數和克里金空間插值分析得知，地下水水位與綜合入滲補給系數之間存在正相關關系。對比兩次示蹤試驗結果發現，第一次試驗補給強度比第二次平均高20%，這種差異主要由灌溉量和灌溉周期引起。

(4)灌區地下水綜合補給系數變化范圍為13.7%～22.4%，均值為19.36%。灌區上游和中游地下水綜合入滲補給系數大于下游。其中陽谷縣、東阿和東昌府區較大，范圍為20.7%～22.4%，而臨清市、高唐縣的綜合入滲補給系數相對較小，范圍為13.7%～16.2%。