地表水和地下水水源地水量水質響應分析

金玉璽 吳光宇 張福洋

(1.河北省秦皇島水文水資源勘測局，河北秦皇島 066000；2.北京艾力泰爾信息技術股份有限公司，北京 100089)

1 引言

據相關文章統計中國現有大型傍河水源地300多個［1］。經多年的開采實踐證明，傍河取水是保證長期穩定供水的有效途徑，傍河取水會改變地下含水層的水力坡降，進而增加附近河水對其的入滲補給水量［2］；并且傍河取水能夠充分利用含水層的物理過濾、化學和生物凈化作用，使地表水水質得到天然改善。

對于地表水和地下水水量水質的相互影響關系，多年來國內外學者相繼展開了研究。根據吳耀國等［3］對徐州市奎河徐村和黃橋河段的河岸過濾除去污染嚴重的河流中氮的有效性研究結果，飽和滲流情況下有可能通過生化過程去除氮，且氮去除率超過95%。根據朱學愚等［4］的研究結果，傍河水源地的地下水資源量中河流入滲補給量可達到其總補給量的57%左右。劉洋等［5］在松花江流域德惠姚家村傍河研究工作中發現，豐、平、枯水年三種不同河川徑流條件下河道對傍河水源地水資源量的補給量分別占到了59.8%、56.2%、51.1%。

目前，對于水量水質全口徑響應研究分析還較少，本文在現有研究成果的基礎上，以秦皇島市地表水源地洋河水庫和細河地下水源地為例，嘗試探索地表水和地下水水源地水量水質響應變化機理。

2 研究區概況及研究方法

2.1 研究區概況

2.1.1 洋河

洋河是撫寧區第一大河流，河北省沿海諸河中最大的一條河，水量居流域內各河之首。洋河位于撫寧區西部，全長100km，控制流域面積1109km2，撫寧區境內長59km，流域面積759km2。

2.1.2 洋河水庫

洋河水庫是一座大(2)型水利樞紐工程，位于撫寧區大灣子村北，水庫控制流域面積為755km2，占洋河總流域面積的68%。根據調節計算成果：75%保證率可供水量0.61億m3，95%保證率可供水量0.33億m3。建庫以來在防洪、灌溉等方面發揮了一定作用，1989年引青濟秦工程實施后，洋河水庫成了“引青濟秦”工程的重要組成部分，現主要泄水有經放水洞、發電洞及溢洪道3個途徑。

2.1.3 細河水源地

撫寧區細河水源地位于洋河西岸撫寧鎮細河村，現有水源井11眼，均位于洋河右岸。細河水源地設計供水能力730萬m3/年，供水范圍基本覆蓋撫寧老城區及部分周邊行政村，服務人口約4.0萬，用水戶達2.3萬。根據其水源地保護區劃分結果，一級保護區半徑為465m，二級保護區半徑為2580m。

2.1.4 細河水源地與洋河水庫的關系

細河水源地位于洋河水庫下游洋河水庫—入海口區間流域，距離上游洋河水庫直線距離約1km，11眼水源井距離洋河河道約200～300m，屬于傍河取水。洋河水庫下泄的水量進入洋河河道，河道的水通過滲漏對細河水源地的地下水進行補給，研究區范圍見圖1。

2.2 研究方法

2.2.1 水量響應研究方法

細河水源地主要接受降雨入滲補給、上游側向補給及洋河河道滲漏補給量，以水均衡法對細河水源地進行水資源量評價，均衡范圍為二級保護區。通過分析洋河不同保證率情況下細河水源地水資源量情況，根據水均衡方程和河道入滲補給量的計算公式，建立細河水源地受洋河水庫下泄水量補給的線性關系，探究洋河水庫泄水通過洋河河道滲漏補給量對細河水源地地下水可開采量的水量響應關系。

2.2.2 水質響應研究方法

為探究洋河水庫下泄的地表水對下游細河水源地水質的影響作用，并考慮到洋河水庫的水質監測數據實況，本次研究主要對氨氮和亞硝酸鹽氮進行分析，將洋河水庫每月的氨氮和亞硝酸鹽氮與細河水源地的氨氮和亞硝酸鹽氮進行比對及線性分析，研究二者的水質響應關系。

圖1 研究區范圍

3 數據來源

3.1 區間徑流量

洋河水庫—入海口區間流域年徑流量主要受洋河水庫的調節，所以本文選用洋河水庫站1971—2016年的實測流量資料進行計算。洋河水庫—入海口段的各月平均流量選用洋河放水洞、發電洞及溢洪道3個斷面的實測流量之和，其年徑流量年內分配見表1。

表1 洋河水庫下游洋河年徑流量年內分配

3.2 水質監測數據

選擇2016年為典型代表年，收集洋河水庫每月的水質檢測數據與細河水源地的2—11月水質檢測數據。洋河水庫和細河水源地的3個因子的具體數據見表2。

表2 洋河水庫和細河水源地水質統計

4 響應分析

4.1 水量響應分析

水資源量分析評價采用水均衡計算法，各補給項和排泄項及蓄變量情況見表3，經水均衡計算，擬合誤差為-7.52%，不超過±10%，滿足誤差要求。進而運用控制變量法，分別假定50%保證率和75%保證率條件下大氣降水入滲補給和側向徑流補給不變，只改變洋河水庫下泄的水量，來研究細河地下水水源地的水資源量隨洋河水庫下泄水量的變化規律。

表3 細河地下水水源地資源均衡計算

表3 細河地下水水源地資源均衡計算

大氣降水入滲補給量/(萬m3/年) 201.98補給量130.99側向徑流流入量/(萬m3/年) 1552.92 1552.92河道入滲補給量/(萬m3/年) 1871.49 1185.11小計/(萬m3/年) 3626.39 2869.02排泄量522側向徑流流出量/(萬m3/年) 2747.47地下水開采量/(萬m3/年) 522 2747.49小計/(萬m3/年) 3269.47計算量均衡差/(萬m3/年) 356.92 3269.47均衡要素 50%計算量 75%-400.45蓄變量/(萬m3/年) 370.58 370.58擬合誤差/% 3.83-7.52

均衡期內細河水源地在50%保證率下總補給量為3626.39萬m3/年，其中河道滲漏補給量為1871.49萬m3/年，占總補給水量的51%。75%保證率條件下總補給量為2869.02萬m3/年，其中河道滲漏補給量為1185.11萬m3/年，占總補給水量的41%。

將水均衡方程和河道入滲補給量的計算公式聯立后，可得到細河水源地水資源量與洋河水庫下泄水量的關系方程。

50%保證率條件下聯立上式得

75%保證率條件下聯立上式得

式中：Q細為細河水源地水資源量；Q河為洋河水庫下泄水量。

通過研究發現，細河水源地地下水資源量與洋河水庫下泄水量呈正相關，且在相同保證率條件下呈線性相關，響應關系見圖2。

圖2 50%、75%保證率條件下水資源量與下泄水量的響應關系

4.2 水質響應分析

本次主要對氨氮和亞硝酸鹽氮進行分析，并考慮汛期洋河水庫下泄水量較大，6—10月單獨作為一個時段進行分析。經研究發現：2—11月期間洋河水庫和細河水源地的水質整體而言相關性不高，但進一步劃分到非汛期(2—5月、10—11月)和汛期(6—9月)后，可以看出汛期的氨氮、亞硝酸鹽氮和兩者累加值存在較好的線性相關性。氨氮、亞硝酸鹽氮及兩者累加值的線性分析散點圖見圖3。

再分別構建洋河水庫和細河水源地的氨氮、亞硝酸鹽氮和兩者累加值的線性相關圖。綜合分析，對于氨氮，6—9月，洋河水庫的氨氮濃度表現為先增大后減小再增大的趨勢，細河水源地的氨氮濃度雖然也是先增大后減小再增大的趨勢，但表現較為滯后，兩者的相關性系數可達0.5448。對于亞硝酸鹽氮，6—9月，洋河水庫的亞硝酸鹽氮濃度表現為先急劇增大后緩增大的趨勢，細河水源地的亞硝酸鹽氮濃度同樣呈現先急劇增大后緩增大的趨勢，且同樣表現較為滯后，兩者的相關性系數可達0.7473。對于氨氮、亞硝酸鹽氮的累加值而言，洋河水庫的氮濃度表現為先緩增大后急劇增大的趨勢，細河水源地的氮濃度同樣呈現先緩增大后急劇增大的趨勢，且同樣表現較為滯后，兩者的相關性系數可達0.78，兩者累加值的相關性分析見圖4。

圖3 氨氮、亞硝酸鹽線性分析散點圖

4.3 水量水質聯合分析

進一步將表1洋河水庫下游洋河年徑流量年內分配表中50%平水年的徑流量納入分析。將表2的氨氮、亞硝酸鹽氮和徑流量數據按其各月占全年百分比處理并繪制折線圖。分析可知：洋河水庫水質、下泄水量因子變化對細河地下水水源地水質有影響，但單一因子的變化情況下其影響結果并不明顯。只有兩者同時變化情況下才會成倍數地影響細河地下水水源地水質，其影響具有滯后性。氨氮、亞硝酸鹽氮及流量的線 性分析見圖5。

圖4 氨氮、亞硝酸鹽氮的相關性分析散點圖

圖5 氨氮、亞硝酸鹽氮及流量的線性分析圖

5 結論和建議

5.1 結論

洋河水庫和細河地下水水源地間存在明顯補給關系，洋河水庫下泄水量的補給是細河水源地重要補給源。細河水源地地下水資源量與洋河水庫下泄水量的關系呈正相關，且在相同保證率條件下呈線性相關。

從氨氮和亞硝酸鹽氮指標上判斷，洋河水庫和細河水源地水質間存在較強線性相關關系。洋河水庫水質、下泄水量兩個因子的變化，對細河水源地水質有影響，但單一因子變化情況下其影響結果并不明顯。只有兩者同時變化情況下才會成倍數地影響細河地下水水源地水質，其影響具有滯后性。

5.2 建議

a.撫寧區可用洋河水庫地表水源以減少對地下水的開采，現有細河水源地及其他傍河取水井備用。

b.可以充分利用洋河水庫及地下水之間的補給關系調節調度，解決洋河水庫汛期部分月份水質因富營養化不達標不能供水的情況。在洋河水質達標月份，可考慮加大下泄流量補給地下水， 在水質變差月份，臨時啟用地下水水源地，并且洋河水庫的下泄流量宜控制在2m3/s以內。

c.做好洋河水庫上游污染源治理工作，并考慮水庫清淤、前置庫建設等管理及工程措施，保持好水庫水質，對構建秦皇島市供水安全網絡，提供補充水源，減少地下水開采，保護生態環境具有重要意義。