滹沱河超采區地下水回補的水化學效應研究

田 夏, 孟素花, 崔向向, 張學慶, 張兆吉, 費宇紅

1.中國地質科學院水文地質環境地質研究所, 河北 石家莊 050061 2.中國地質調查局， 河北省地下水污染機理與修復重點實驗室, 河北 石家莊 050803

滹沱河沖洪積平原工業、農業生產用水以地下水為主，地下水超采嚴重，水位持續下降，已形成的地下水降落漏涵蓋了石家莊市區及周邊的正定縣、藁城區，面積達473.8 km2[1-2]. 部分地區地下水含水層出現疏干，水環境發生惡劣性變化，城市區和工業區已顯現出地下水污染的態勢[3-5].

利用人工回補的方式修復地下水降落漏斗，達到治理地下水超采的目的，是科學界探討已久的問題.美國20世紀80年代以來實施的“含水層儲存恢復(ASR)工程計劃”[6]，已建成的ASR系統在100個以上. 澳大利亞建立的地下水回補工程，對場址的選擇設計、水質變化、風險評估等均有一定的研究基礎[7]. 我國學者針對華北平原大面積降落漏斗區，開展了山前地下水調蓄能力研究，認為利用疏干含水介質空間建立調蓄區，選擇有效的補給水源進行地下水人工補給，可以增加地下水量，涵養和恢復地下水資源[8-9]. 通過上游水庫放水試驗，對華北平原河道含水介質和地表水與地下水補排關系的研究認為，利用河道回補地下水是最行之有效且經濟實用的方法[10-12]，然而對于地下水流場和水化學場協同變化的研究則難以用現場試驗數據驗證.

該文選用滹沱河地下水超采區為研究區，利用2018年開始的人工回補工程為試驗場地，開展現場動態監測、地下水化學檢測等工作，應用水文地球化學、水文學和統計學等方法，對該地區地下水回補后的水化學效應變化進行研究. 研究區近幾十年來地下水位持續降低，地下水礦化度、總硬度、C1-、Ca2+含量均有升高的趨勢，其中硫酸鹽在滹沱河主河道附近富集明顯，并有向降落漏斗區擴散的趨勢[13-14]. 河道補水后，地下水位回升，蘊藏在包氣帶中的硫酸鹽及其他污染物存在二次污染地下水的風險，因此研究回補區地下水化學變化特征，對滹沱河超采區地下水環境安全具有十分重要的意義.

1 試驗方案

1.1 區域概況

研究區位于華北平原滹沱河沖洪積扇(114°17′E～114°57′E、37°49′N～38°21′N)，包括石家莊市區、正定縣、藁城區、欒城區和鹿泉區的一部分，面積2 284 km2. 該研究區為半干旱性氣候區，年均氣溫14 ℃，年均降水量531 mm，地勢平坦，西高東低，是華北平原的主要農業和工業區. 滹沱河是研究區最大的地表河流，自西向東貫穿該研究區，上游黃壁莊水庫攔蓄了90%以上的河川徑流，致河道于20世紀八九十年代斷流. 滹沱河道成為污染物排放通道，污染物隨地表入滲沿包氣帶下移，構成地下水二次污染的風險.

研究區包氣帶以砂性土為主，北部滹沱河現代河床及河漫灘包氣帶巖性以砂礫石為主，石家莊市區及南部多以黏性土為主，夾少量砂性土，包氣帶結構和巖性有利于地下水補給，但防污性能相對較差. 地下水氮污染、鹽污染、有機污染均有發生，污染指標主要為溶解性總固體(TDS)、總硬度、硝酸鹽、硫酸鹽、氯化物、重金屬、有機物等[15-24].

研究區地下水賦存于第四系松散孔隙含水層，巖性主要為砂礫卵石、礫卵石、中粗砂含礫卵石，導水性和富水性較好，滲透系數為60～130 md，單位涌水量在沖洪積扇軸部大于70～100 m3(h·m)，且向兩翼減少〔10～30 m3(h·m)〕. 地下水補給主要是大氣降水、開采地下水回歸、山區側向徑流、河道入滲補給[25]；地下水整體自西向東流動，在漏斗區地下水向漏斗中心匯集，排泄方式主要是人為開采.

1.2 補水過程

試驗補水以“南水北調”總干渠退水閘為界分為上下2個補水段，上段接受黃壁莊水庫補水，下段接受黃壁莊水庫與“南水北調”共同補水. 2018年4月13日，黃壁莊水庫向下游滹沱河補水，9月水量逐漸減小. 2018年9月13日，利用“南水北調”總干渠退水閘，向滹沱河河道補水，流經石家莊市區、正定縣、藁城區，直至下游獻縣樞紐閘. 放水過程分2個階段：第1階段為2018年9—11月，補水量為2×108～3×108m3；第2階段為2018年12月—2019年8月，補水量為1.5×108～2.0×108m3.

1.3 動態監測與樣品采集

為分析補水后地下水化學效應，在研究區布設兩類監測井，一類是開展地下水區域研究的統測井，另一類是沿滹沱河兩岸布設的20眼地下水動態監測井. 動態監測井于2018年6月開始監測，每5 d測水位一次，多為農灌井，分布于離滹沱河河道3 km范圍內，井深70 m左右，屬于潛水. 2015年7月、2019年6月分別在研究區地下水統測井采集地下水樣品63組和113組. 2018年5月、2018年11月和2019年5月在地下水位監測井中采集地下水樣品51組(見圖1). 區域樣品采集點按不同用水需求和地下水流場變化特征布設，采樣前抽水洗井并現場測定水溫、pH、電導率、氧化還原電位(Eh)、ρ(DO)等水化學指標，測試儀器為德國WTW公司產的Multi-3430i型多參數水質分析儀. 地下水樣品送原國土資源部地下水礦泉水環境監測中心分析檢測，測試指標包括無機組分檢測指標、有機組分檢測指標等79項.

2 結果與討論

2.1 水位變化與河道回補響應

2.1.1沿河地下水位變化

實施滹沱河補水后地下水位上升顯著，2018年6月—2019年11月滹沱河沿岸地下水位平均回升5.83 m，最大回升6.07 m. 補給上段：2018年4月壁莊水庫棄水補給地下水，6月初開始監測滹沱河沿岸水位，水位快速回升，8月水位達到峰值，3個典型監測孔水位平均回升12.83 m，9月棄水量減少，水位持續回落(見圖2).

圖1 滹沱河超采區統測井與監測井分布Fig.1 Distribution map of monitoring wells of the over-exploited area in the Hutuo River Basin

黃補給下段：2018年6月初開始監測水位，正值農灌期，通常在沒有黃壁莊水庫補水情況下，水位下降明顯，但從監測數據可以看出，至2018年7月底農灌結束，在降水入滲和黃壁莊棄水的共同作用下，水位較平穩，沒有大幅回落；2018年9月13日“南水北調”補水開始，受黃壁莊水庫補水和“南水北調”補水的雙重影響，水位持續回升，2019年春灌期水位也能保持相對平穩的狀態(見圖3).

圖2 滹沱河補給上段監測點水位的變化Fig.2 Grounwater level change in upstream of Hutuo River

2.1.2區域地下水位變化

由于城市工業、生活超采地下水，石家莊市區于20世紀60年代中期形成地下水降落漏斗，同時周圍農業灌溉消耗大量地下水，使區域地下水位整體下降. 2015年地下水降落漏斗面積近500 km2，中心地下水埋深50.6 m，地下水埋深大于40 m的區域占52.42%，漏斗范圍已從石家莊市中心延展到滹沱河北岸(見圖4).

圖3 滹沱河補給下段監測點水位的變化Fig.3 Grounwater level changes in of downstream of Hutuo River

圖4 滹沱河超采區淺層地下水位埋深的分區Fig.4 Shallow groundwater depth of the over-exploited area in the Hutuo River Basin

圖5 石家莊市區監測點水位的變化Fig.5 Groundwater level change for monitoring wells of Shijiazhuang City

研究區自2010年以來先后開展了地下水壓采和“南水北調”水源轉換工程，石家莊市區和周邊縣區地下水位呈回升態勢，2018年開始的滹沱河補水工程對研究區地下水位影響顯著，2019年地下水漏斗形狀發生改變，地下水向漏斗中心匯集已不明顯(見圖4)，漏斗中心水位埋深大于50 m的區域已經消失. 與2015年相比，區域地下水埋深平均回升5.93 m，石家莊市區平均回升11.68 m，漏斗中心水位上升7.46 m(見圖5). 正定縣地下水位平均升高4.24 m，西北部受補水影響較小，地下水位有所下降. 滹沱河下游藁城補水段，地下水位回升明顯，由原來的35～45 m回升到現在的小于25 m，藁城區平均升高5.40 m. 欒城區受補水影響較小，平均升高2.38 m，局部地下水位下降.

2.2 水化學類型與河道回補響應

與2015年相比，2019年地下水水化學類型仍以HCO3-Ca·Mg、HCO3·SO4-Ca·Mg和HCO3·Cl-Ca·Mg型為主. 但HCO3-Ca·Mg型水的面積減少20.6%，由945.68 km2減至750.70 km2；分布于漏斗中心和滹沱河沿岸的HCO3·SO4·Cl-Ca·Mg型水和HCO3·SO4-Ca·Mg型水的面積增加13.6%，由912.01 km2增至 1 035.60 km2；HCO3·Cl-Ca·Mg型水的面積增加16.7%，由426.58 km2增至497.98 km2(見圖6).

滹沱河超采區地下水水化學類型符合沖洪積扇區特征，從出山口到扇緣，地下水中的優勢陽離子存在由Ca2+、Mg2+向Na+、K+轉化的趨勢；優勢陰離子主要是HCO3-，其次是Cl-和SO42-. 山前以氧化環境為主，地下水徑流條件較好，大氣降水、側向徑流及地表入滲補給的水，礦化度較低，具有強溶解能力. 在水文地球化學平衡過程中，這些低礦化度的補給水與周圍含水層發生相互作用，易溶的氯化物和硫酸鹽類首先被溶解，然后是較難溶解的碳酸鹽類和重碳酸鹽類. 致使地下水中含鈣、鎂的碳酸鹽和重碳酸鹽的含量相對較高. 山前平原地下水以HCO3-Ca·Mg、HCO3·SO4-Ca·Mg型水為主，在滹沱河沖洪積扇緣地帶，含水介質顆粒變細，流速減緩，地下水蒸發作用增強，溶濾作用減弱，水化學類型變得復雜，出現HCO3·Cl-Ca·Mg、HCO3·SO4·Cl-Ca·Mg、HCO3·Cl-Mg·Ca·Na、HCO3·SO4·Cl-Mg·Ca·Na等多種水化學類型. 滹沱河多年受上游高硫酸鹽水源補給的影響，在滹沱河沿岸形成了條帶狀分布的HCO3·SO4-Ca·Mg型地下水，并在HCO3·SO4-Ca·Mg型水兩側分布HCO3·SO4·Cl-Ca·Mg型水.

圖6 滹沱河超采區淺層地下水水化學類型的分布Fig.6 Distribution of shallow groundwater chemical type of the over-exploited area in the Hutuo River Basin

2.3 水化學指標時空差異性

2.3.1水化學指標與水位變化響應

通過對石家莊市區近60年地下水水化學和水位監測資料分析發現，地下水TDS、氯化物和硫酸鹽濃度及總硬度均與水位變化有較強的關聯性. 20世紀60年代，該研究區地下水環境處于天然狀態，地下水水位變化較小，平均硬度為260 mgL，TDS濃度為340 mgL，氯化物濃度為30 mgL；地下水降落漏斗形成初期，地下水位緩慢下降，各組分有所升高，總硬度、氯化物濃度、硫酸鹽濃度分別升至330、50、60 mgL；70年代后，地下水超采嚴重，水位快速下降，1976年平均TDS濃度為589 mgL，1999年增至986.8 mgL，年均升高17.30 mgL；總硬度升至1999年的541.1 mgL，年均升高6.35 mgL；氯化物濃度增至1999年的115.6 mgL，年均升高2.42 mgL；硫酸鹽濃度由1976年的82.25 mgL增至1999年的145.6 mgL，年均升高2.75 mgL. 2.00年后水位下降速率減緩，2000—2005年降水較少，水交替能力減弱，殘留于包氣帶中的污染質不易進入地下水中，離子濃度變化較小；2008年、2009年連續兩年豐水年，水交替能力增強，其中硫酸鹽增速最快，由2004年的134 mgL升至2009年的174.5 mgL. 2010年以后，地下水開采減小，水化學組分增速減小. 實施補水后，水化學組分明顯降低，與2015年相比，2019年TDS濃度、總硬度、氯化物濃度、硫酸鹽濃度分別降低90.98、63.45、20.3、3.48 mgL(見圖7).

圖7 石家莊市區地下水水化學組分的年均變化Fig.7 Annual change of groundwater chemical composition of Shijiazhuang City

圖8 滹沱河超采區淺層地下水硫酸鹽濃度的分布Fig.8 Distribution of sulfate concentration in shallow groundwater of the over-exploited area in the Hutuo River Basin

2.3.2硫酸鹽濃度的空間分布與河道回補響應

通過對比回補前后地下水中硫酸鹽的區域分布(見圖8)發現，硫酸鹽分布具有較強的地域特點，高濃度的硫酸鹽主要分布在滹沱河、石津灌渠及黃壁莊水庫副壩附近，沿滹沱河主河道自西向東濃度逐漸減小，北低南高，受地下水徑流影響，其有向下游擴散的趨勢.

隨著回補的不斷進行，區域內地下水中硫酸鹽濃度稍有降低，2015年研究區地下水中硫酸鹽平均含濃度為122.79 mgL，2019年平均濃度為119.31 mgL. 滹沱河沿岸監測點地下水中硫酸鹽濃度的變化情況：①補給上段為黃壁莊水庫放水回補，由于多年水庫間歇性放水以及副壩常年側滲，地下水中硫酸鹽的濃度無明顯變化，2018年5月和2019年5月平均濃度分別為221.9、221.6 mgL，但高濃度的硫酸鹽范圍有所擴大. ②補給下段受黃壁莊水庫與由“南水北調”共同補水，下游在補水前多處于干涸狀態，補水后上游高濃度硫酸鹽水入滲至地下水中，地下水中硫酸鹽濃度增加，2018年5月和2019年5月地下水中硫酸鹽的平均濃度分別為184.5、205.8 mgL.

2.3.3硫酸鹽來源分析

地下水中硫酸鹽主要來源包括硫酸鹽巖的溶解、硫化礦物的氧化、大氣沉降和人類活動的輸入[26-28]，研究區地下水中硫酸鹽濃度的分布與地表水有著密切的聯系，因此需對硫酸鹽濃度與地表水回補響應做進一步分析.

黃壁莊水庫是滹沱河超采區補水來源之一，硫酸鹽濃度一直處于較高狀態，據監測，2004—2008年的平均值為186.67 mgL，2009—2013年的平均值為179.29 mgL，2016年的平均值為178.60 mgL. 雖沒有超過GB 3838—2002《地表水環境質量標準》中規定的生活飲用水限值，但高濃度硫酸鹽的供水卻為城市運行和居民生活帶來安全隱患[29]. 2016年對黃壁莊水庫上下游進行了綜合調查取樣，上游崗南水庫硫酸鹽多年平均濃度為65.25 mgL[30]，黃壁莊水庫最大的入庫河流——冶河硫酸鹽的平均濃度為306.58 mgL，冶河是導致黃壁莊水庫硫酸鹽濃度升高的主要原因.

滹沱河超采區補水另一水源是水質較好的“南水北調”水，硫酸鹽平均濃度為33 mgL[31]，遠低于研究區地下水中硫酸鹽的濃度，隨著上游黃壁莊水庫水量減少，“南水北調”水會稀釋地下水中硫酸鹽的濃度，故導致滹沱河超采區地下水硫酸鹽污染的主要原因是上游黃壁莊水庫來水. 滹沱河多年間歇性過水、石津灌區側滲、副壩滲漏等原因使高濃度的硫酸鹽隨地表水直接入滲至地下水，且一部分殘留在包氣帶中，隨著補水的不斷推進，水位持續回升，蘊藏在包氣帶中的硫酸鹽重新釋放至地下水中，并在水動力和水化學的共同作用下，濃度和范圍逐步擴大.

河道補水能有效緩解滹沱河超采區的水資源矛盾，補水水源及回補方式的選擇需科學合理. 若以黃壁莊水庫水作為回補用水，存在硫酸鹽直接輸入性污染地下水的風險. 滹沱河河道附近包氣帶污染源分布尚不明確，存在包氣帶污染質二次污染地下水的風險，建議詳細調查滹沱河超采區地下水污染源分布并進行風險評估.

3 結論

a) 滹沱河超采區受河道補水影響地下水位上升顯著. 2018年6月—2019年11月沿河地下水位平均回升5.83 m，最大回升6.07 m；2019年較2015年區域地下水位平均回升5.93 m；地下水漏斗形狀發生改變，地下水向漏斗中心匯集已不明顯.

b) 受河道回補影響，區域地下水水化學類型分布發生變化. 與2015年相比，2019年HCO3-Ca·Mg型水的面積減少20.6%；分布于漏斗中心和滹沱河沿岸的HCO3·SO4·Cl-Ca·Mg型水和HCO3·SO4-Ca·Mg型水的面積呈增大態勢，增加了13.6%.

c) 滹沱河超采區河道補水后，區域地下水中硫酸鹽的平均濃度基本持平，氯化物濃度、TDS濃度、總硬度均呈下降趨勢；受上游黃壁莊水庫補水影響，滹沱河沿岸附近地下水中硫酸鹽的濃度升高，高濃度硫酸鹽的范圍增大.