河道補(bǔ)水對(duì)地下水的影響范圍分析

汪 琪，吳廣平，孫洪升，袁鴻鵠，晉鳳明

(北京市水利規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，北京 100048)

在河道治理工程中，干涸河道的治理也是生態(tài)文明的重要內(nèi)容。歷史上，由于北方長(zhǎng)期干旱，城市供水主要依賴于地下水，大量開(kāi)采地下水致使含水層逐漸疏干，上游來(lái)水減少致使河道斷流，生態(tài)退化，河床裸露。

近年來(lái)，隨著生態(tài)文明建設(shè)開(kāi)展，部分地區(qū)實(shí)施河道生態(tài)恢復(fù)試驗(yàn)[1-2]，向干涸河道進(jìn)行生態(tài)補(bǔ)水，一是依靠河水自發(fā)入滲回補(bǔ)地下水，涵養(yǎng)含水層，二是形成地表水流，促進(jìn)河道兩岸生態(tài)的恢復(fù)。

本文研究河道補(bǔ)水后對(duì)地下水的影響范圍，這將有利于摸清補(bǔ)水對(duì)河岸帶地下水的涵養(yǎng)程度，有利于評(píng)價(jià)河岸帶生態(tài)植被的恢復(fù)范圍[3-4]，有利于分析對(duì)河岸帶水質(zhì)環(huán)境的影響[5-6]。

本次以某河道治理工程為依托，選取一段河道開(kāi)展河道補(bǔ)水對(duì)地下水的影響范圍研究。一方面通過(guò)近河岸和遠(yuǎn)河岸地下水水質(zhì)對(duì)比推測(cè)河道補(bǔ)水對(duì)地下水的影響范圍，另一方面通過(guò)生態(tài)補(bǔ)水前后地下水水位變動(dòng)推測(cè)河道補(bǔ)水對(duì)地下水的影響范圍。希望能對(duì)河道治理中生態(tài)環(huán)境恢復(fù)工作有所幫助，亦或者能給從事相關(guān)研究的學(xué)者一些參考也是非常值得的。

1 項(xiàng)目概況

2018年以來(lái)，北京市啟動(dòng)了多次干涸河道生態(tài)補(bǔ)水工作[7-9]，本次選取河道補(bǔ)水中的一段粉細(xì)砂場(chǎng)地作為研究區(qū)，位置位于永定河京九鐵路至崔指揮營(yíng)，如圖1所示。目的是通過(guò)水化學(xué)分析和地下水水位監(jiān)測(cè)進(jìn)行自發(fā)入滲的研究。

本次共采集地表水樣2組(取樣編號(hào)DB1和DB2)，地下水樣4組(取樣監(jiān)測(cè)井編號(hào)GB2、GB3、GA8、GA4-1)，進(jìn)行水質(zhì)全分析，如圖1所示。

圖1 取水樣點(diǎn)位圖

2 水文地質(zhì)

研究區(qū)地層巖性主要為粉細(xì)砂，河道內(nèi)粉細(xì)砂普遍含粘性土薄層或黏土球，粘砂比約20～30%。研究區(qū)15m深度范圍內(nèi)賦存一層地下水，地下水類型為潛水，根據(jù)勘探鉆孔水位，水位約10～23m不等，水位埋深約2～17m不等，平均水位埋深約10m，河道整體上依然處于疏干狀態(tài)，僅局部河床內(nèi)蓄地表水，地表水與地下水連通，地表水自發(fā)入滲補(bǔ)給地下水，如圖2所示。

圖2 研究區(qū)水文地質(zhì)剖面(Ⅰ-Ⅰ’)

2.1 地表水特征

以地表水Ⅲ類水質(zhì)[10]為基準(zhǔn)，去除低于檢出限的指標(biāo)和非超標(biāo)指標(biāo)，超標(biāo)指標(biāo)檢出率如圖3所示，自上游至下游，化學(xué)需氧量、五日生化需氧量、石油類和總氮超標(biāo)加重，氟化物超標(biāo)減輕。

圖3 地表水指標(biāo)檢出率

化學(xué)需氧量、五日生化需氧量和石油類超標(biāo)說(shuō)明地表水中存在有機(jī)污染物，自上游至下游，有機(jī)污染物增多，如果持續(xù)增多，水體將可能散發(fā)臭味；總氮反映了水體的富營(yíng)養(yǎng)化程度，總氮的來(lái)源可能與場(chǎng)區(qū)附近農(nóng)田施用化肥有關(guān)，自上游至下游，總氮增加。但從數(shù)據(jù)看總磷較低，水體中藻類生長(zhǎng)會(huì)受限，暫時(shí)不會(huì)出現(xiàn)水華現(xiàn)象。地表水氟化物超標(biāo)，自上游至下游，氟化物減少，這與土壤中氟的背景值有關(guān)。

2.2 地下水特征

地下水超Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)[11]的特征因子為渾濁度、耗氧量、氨氮、總硬度、石油類，超標(biāo)指標(biāo)檢出率如圖4所示。渾濁度超標(biāo)是因?yàn)閳?chǎng)區(qū)的含水層為粉細(xì)砂，局部含砂質(zhì)粉土，細(xì)顆粒容易進(jìn)入井內(nèi)；耗氧量和石油類高，顯示出水中含有機(jī)污染物；氨氮高，對(duì)人體健康不利，對(duì)水生生物有一定的毒害作用；此外特別要注意地下水中砷，局部超出 Ⅳ類指標(biāo)，砷劑農(nóng)藥的施用是其一種來(lái)源。

圖4 地下水指標(biāo)檢出率

地表水與地下水比較，總硬度由于地表水和地下水檢測(cè)方法不同不能進(jìn)行比較。氨氮、石油類、砷在地下水中的濃度劣于地表水，氟化物、化學(xué)需氧量地表水中的濃度劣于地下水。

3 對(duì)地下水的影響

3.1 水質(zhì)方面

近河岸地下水和遠(yuǎn)河岸地下水水質(zhì)進(jìn)行對(duì)比，從超標(biāo)因子中，發(fā)現(xiàn)氨氮、石油類、砷、氟化物、化學(xué)需氧量在近河岸地下水中含量低于遠(yuǎn)河岸區(qū)域地下水中的含量并呈現(xiàn)一定的規(guī)律性。見(jiàn)表2、4。

以2020年5月中旬永定河生態(tài)補(bǔ)水高峰時(shí)[9]遙感解譯的水面形態(tài)為基準(zhǔn)，測(cè)的GB3、GB2、GA8和GA4-1與河邊距離分別約為-43、-35、390、860m，負(fù)值表示監(jiān)測(cè)井位于河道內(nèi)，見(jiàn)表3。繪制了污染物砷、石油類、化學(xué)需氧量、氟化物隨離河邊距離的變化關(guān)系，如圖5所示，從圖中可以看出，這些指標(biāo)隨著離河邊距離其變化趨勢(shì)比較一致。離河近這些指標(biāo)的濃度低，離河遠(yuǎn)這些指標(biāo)的濃度高，整體上近河處水污染弱于遠(yuǎn)河處。結(jié)合地表水中相應(yīng)的污染物分析，見(jiàn)表1，分析原因是由于場(chǎng)區(qū)表層粉細(xì)砂中普遍含黏性土塊并空隙中富含氧，在河水入滲過(guò)程中黏性土塊對(duì)其污染物具有吸附作用，氧氣促進(jìn)了微生物對(duì)污染物的分解，使的污染程度降低，隨著水向河岸側(cè)下方入滲，由于深部地層黏性土含量減少吸附作用減弱，污染物在順地下水流方向富集，濃度高。由于污染物解吸很慢[12-13]，故分析中忽略了污染物的解吸。

表1 地表水中主要超標(biāo)因子

表2 近河岸與遠(yuǎn)河岸地下水部分超標(biāo)因子對(duì)比

表3 監(jiān)測(cè)井離河距離/m

地表水中氯離子含量180～190mg/L，地下水中氯離子含量50～4mg/L。氯離子是地下水中比較穩(wěn)定的離子，參考大興南部地下水水質(zhì)背景值，本次以氯離子含量5mg/L劃定為地表水對(duì)地下水的影響界限。

從水質(zhì)與離河邊距離的關(guān)系，以及氯離子的濃度變化，推測(cè)生態(tài)補(bǔ)水后地表水對(duì)地下水的水質(zhì)影響范圍應(yīng)大于400m。

3.2 水位方面

結(jié)合生態(tài)補(bǔ)水前后地下水水位變動(dòng)，見(jiàn)表4、如圖6所示，除去地下水天然動(dòng)態(tài)的影響，根據(jù)趨勢(shì)線以水位升幅大于30cm劃分地下水的響應(yīng)帶，則河水自發(fā)滲向地下水的水位影響范圍為距兩側(cè)河邊約200m。

表4 生態(tài)補(bǔ)水前后地下水位隨離河邊距離變化

綜上，通過(guò)上述水質(zhì)與離河距離的關(guān)系，水位與離河距離的關(guān)系，得出粉細(xì)砂場(chǎng)區(qū)地表水自發(fā)入滲補(bǔ)給地下水，水質(zhì)上對(duì)地下水的影響范圍大于水位上對(duì)地下水的影響范圍。

圖5 地下水污染因子隨與河邊距離的變化關(guān)系

圖6 補(bǔ)水前后地下水位與河邊距離的關(guān)系

4 結(jié)語(yǔ)

本文在地下水幾近疏干、河水補(bǔ)給地下水的粉細(xì)砂場(chǎng)區(qū)，借助河道生態(tài)補(bǔ)水的契機(jī)，以及水樣分析和水位監(jiān)測(cè)的實(shí)際工作，結(jié)合研究區(qū)實(shí)際情況，分別分析了河道生態(tài)補(bǔ)水在水質(zhì)上和水位上對(duì)地下水的影響范圍以及兩者影響之間的關(guān)系。可以為河道修復(fù)工程、岸濾系統(tǒng)中有關(guān)臨河距離的研究提供宏觀技術(shù)參考。

不足之處：一是水質(zhì)分析由于條件限制沒(méi)有對(duì)照組，僅以地區(qū)經(jīng)驗(yàn)的氯離子5mg/L作為劃分界限，未來(lái)學(xué)者在這方面可以有更詳細(xì)的研究。二是本文僅針對(duì)粉細(xì)砂層進(jìn)行研究，對(duì)于卵石層和粗中砂層中情況本文未涉及。對(duì)于文中其他不足之處歡迎各位學(xué)者批評(píng)指正。