山區(qū)側(cè)向流對滹沱河沖洪積扇地下水補給與硝酸鹽動態(tài)的影響*

孫和平 ,王仕琴 ,鄭文波 ,檀康達 ,曹文庚 ,沈彥俊

(1. 中國科學院遺傳與發(fā)育生物學研究所農(nóng)業(yè)資源研究中心/中國科學院農(nóng)業(yè)水資源重點實驗室/河北省節(jié)水農(nóng)業(yè)重點實驗室 石家莊 050022;2. 中國科學院大學 北京 100049;3. 中國地質(zhì)科學院水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)研究所 石家莊 050061)

沖洪積扇平原區(qū)地下水資源豐富、人類活動較為集中,工農(nóng)業(yè)和生活用水主要依賴于沖洪積扇平原區(qū)地下水[1]。隨著經(jīng)濟、社會和工農(nóng)業(yè)的發(fā)展,過量開采地下水、過量施肥等導(dǎo)致世界范圍內(nèi)很多沖洪積扇地區(qū)地下水儲量下降、硝酸鹽污染等問題突出[2-5]。山區(qū)側(cè)向補給是沖洪積扇含水層地下水重要的補給來源[6-7],對平原區(qū)地下水的水量和水質(zhì)具有重要影響。因此,研究山區(qū)側(cè)向補給對平原區(qū)地下水補給的作用及其對地下水硝酸鹽的影響,可為沖洪積扇地下水資源和水環(huán)境保護提供重要依據(jù)。

華北平原是我國重要糧食基地和經(jīng)濟發(fā)展區(qū),地下水是其主要的供水水源[8]。滹沱河沖洪積扇位于華北平原西部,是華北平原淺層地下水超采最為嚴重的地區(qū),農(nóng)業(yè)用水增加造成地下水水位持續(xù)下降、地下水漏斗區(qū)面積擴大;農(nóng)業(yè)過度施肥、生活和工業(yè)污廢水滲漏導(dǎo)致大量氮素淋濾至含水層,造成地下水硝酸鹽濃度持續(xù)升高[9-10]。太行山山區(qū)是華北平原地下水重要的水源補給區(qū),過去已有很多研究關(guān)注山區(qū)側(cè)向補給量的變化,其結(jié)果表明山區(qū)水利工程等攔蓄地表徑流以及農(nóng)業(yè)用水等措施導(dǎo)致山區(qū)地下水側(cè)向補給量逐年降低[11-12]。但近年來氣候變化導(dǎo)致極端降水事件的頻率增加,生態(tài)補水等措施的實施使得地下水儲量和局部地下水位逐漸回升[13-15]。平原區(qū)地下水水位變化會改變區(qū)域水循環(huán)過程,也會改變山區(qū)側(cè)向流對平原區(qū)地下水量和水質(zhì)變化的影響。

近年來,低山丘陵區(qū)人類活動頻繁,地下水硝酸鹽污染問題凸顯[16-17]。研究表明,位于太行山山區(qū)至低山丘陵區(qū)的沙河、北易水河和潴瀧河流域地下水硝酸鹽濃度超標率[世界衛(wèi)生組織(WHO)標準: 50 mg·L-1]分別為7%、23%和52%[16,18-19],山區(qū)、低山丘陵區(qū)和平原區(qū)地下水硝酸鹽濃度均呈增加的趨勢[17]。前人研究分別針對山區(qū)和平原區(qū)揭示了區(qū)域地下水硝酸鹽來源以及遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律、不同施氮水平下氮素從包氣帶到地下水的遷移過程等[17,20-21]。但是,隨著山區(qū)側(cè)向補給對平原區(qū)地下水影響程度的不斷變化,山區(qū)側(cè)向流對平原區(qū)地下水補給和硝酸鹽動態(tài)的影響仍不明確。

因此,本研究選擇滹沱河沖洪積扇為研究區(qū),以上游山區(qū)平原交界面和平原區(qū)的淺層地下水為研究對象,基于水文觀測、水文地球化學和氫氧穩(wěn)定同位素示蹤等方法,研究山區(qū)側(cè)向流與平原區(qū)地下水的補給關(guān)系,并揭示側(cè)向補給對平原區(qū)地下水硝酸鹽分布的影響程度和范圍,估算山區(qū)側(cè)向流補給平原區(qū)地下水的水氮通量,為區(qū)域地下水環(huán)境保護和硝酸鹽污染防控提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)包括華北山前平原的滹沱河沖洪積扇及其上游山區(qū)(113.98°～115.45°E,37.55°～38.70°N),橫跨太行山區(qū)和華北平原區(qū)兩大地貌,地勢西高東低,是華北平原典型的山前沖洪積地貌,平原區(qū)主要由沖洪積扇構(gòu)成(圖1)。研究區(qū)氣候類型為半濕潤、半干旱大陸性季風氣候,年平均氣溫約13.2 ℃,多年平均降水量為496 mm [中國科學院欒城農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)試驗站(圖1 中的“欒城站”)1971-2013 年監(jiān)測數(shù)據(jù)],降水量年內(nèi)和年際變化大[22-23]。多年降水量正態(tài)分布分析表明2021 年和2022 年為豐水年,2021年7-10 月共連續(xù)降水514 mm,存在多場連續(xù)集中降水,如7 月17-20 日共持續(xù)降水4 d,降水量高達155 mm。2022 年6-10 月同樣存在多場連續(xù)降水,降水總量為537 mm,如7 月27-28 日連續(xù)兩天共降水45 mm。2021 年和2022 年均存在多場連續(xù)降水事件,且每場降水持續(xù)時間長,強度變化較小,根據(jù)降水強度特征定義為連續(xù)降水(圖2)。

圖1 研究區(qū)地形地貌及采樣點分布Fig.1 Geographic location and topography and distribution of sampling sites of the study area

圖2 2016-2022 年欒城站日降水量Fig.2 Daily precipitation in the Luancheng Station from 2016 to 2022

滹沱河是貫穿研究區(qū)的主要地表徑流,由黃壁莊水庫控制下游地表徑流量,河流由西向東匯流進入子牙河,將整個研究區(qū)劃分為南北兩部分區(qū)域,滹沱河河道地帶為地下水蓄水補給源區(qū)[24]。區(qū)域地下水賦存于第四系松散巖層孔隙中,地下水自西北流向東南。第四系沉積物厚度由西部山區(qū)向東部平原區(qū)逐漸變厚,含水層厚度減小,巖性由粒徑較粗的砂礫卵石逐漸過渡為粒徑較細的細砂和粉細砂,在滹沱河河道附近以砂層為主,滲透性良好。依據(jù)水文地質(zhì)特征、地層特征將含水層等分為4 個含水層組,第Ⅰ和第Ⅱ含水層組為潛水,第Ⅲ和第Ⅳ含水層組為承壓水[25-27]。本研究重點關(guān)注淺層地下水硝酸鹽動態(tài),以第Ⅰ和第Ⅱ含水層組(井深80～120 m)的淺層地下水為研究對象。此外,研究區(qū)土地利用類型以農(nóng)田[小麥(Triticum aestivum)、玉米(Zea mays)]為主,施肥量范圍為350～600 kg(N)·hm-2[28]。

根據(jù)水文地質(zhì)條件和采樣點分布位置,將研究區(qū)采樣點劃分到4 個分區(qū)(Ⅰ-Ⅳ區(qū),圖1),Ⅰ區(qū)采樣點位于滹沱河北部沖洪積扇扇頂,包氣帶較薄,含水層巖性以滲透性強的砂礫卵石為主;Ⅱ區(qū)采樣點位于滹沱河北部沖洪積扇扇中,包氣帶逐漸變厚,含水層巖性以粗砂、中粗砂為主,滲透性好;Ⅲ區(qū)位于滹沱河河道附近以及沖洪積扇東部邊緣地帶,包氣帶變厚,河道帶附近含水層以滲透性良好的砂土為主,沖洪積扇邊緣地帶含水層以中細砂和粉細砂為主,滲透性變差;Ⅳ區(qū)位于滹沱河南部沖洪積扇的扇頂和扇中,包氣帶較厚,含水層巖性由砂、粉砂夾雜黏土和礫石組成,滲透性差[29]。在研究區(qū)選擇5 個國家監(jiān)測井(1#-5#,圖1),由中國地質(zhì)調(diào)查局提供,用以實時監(jiān)測平原區(qū)地下水水位動態(tài)變化,監(jiān)測時間為2018 年1 月至2021 年12 月。

1.2 樣品采集和室內(nèi)分析

在山區(qū)平原交界處由北向南布設(shè)5 個斷面(斷面1-斷面5),5 個斷面位于山區(qū),用于估算山區(qū)向平原區(qū)的側(cè)向補給通量和硝酸鹽輸移通量。其中斷面1-斷面3 位于滹沱河北部,斷面4-斷面5 位于滹沱河南部。結(jié)合地下水等水位線確定地下水側(cè)向入流邊界斷面,5 個斷面控制長度總計80.5 km,每個斷面沿地下水流方向在上游和下游分別布設(shè)2 個監(jiān)測孔,上游監(jiān)測孔編號為奇數(shù),下游監(jiān)測孔編號為偶數(shù),總計10 個監(jiān)測孔(圖1,JC1-JC10),安裝地下水水位自動監(jiān)測儀(Solinst Levelogger 5 Model 3001)監(jiān)測地下水水位,監(jiān)測層位為潛水含水層(井深7～40 m),監(jiān)測時間為2022 年2 月至2023 年3 月,監(jiān)測頻率為1 h。采集地下水樣品,采樣時間為2022 年2 月至2023年3 月,采樣頻率為每月1 次。

在平原區(qū)根據(jù)土地利用和地貌類型采集地下水樣品,共采集83 個點,采樣時間為2022 年6 月(圖1)?，F(xiàn)場利用便攜式手持測定儀(Horiba D-75)測定地下水電導(dǎo)率(EC)、酸堿度(pH)、溶解氧(DO)、氧化還原電位(ORP)和溫度等參數(shù)。采集的水樣用于分析主要水化學離子(Cl-、SO42-、NO3-、HCO3-、Na+、K+、Mg2+和Ca2+)和氫氧同位素(δ2H 和δ18O)。

所有水樣在測定前需用0.2 μm 濾膜進行過濾,主要水化學離子采用離子色譜(ICS-2100,Dionex,美國)測定,HCO3-和CO32-采用雙指示劑滴定法滴定。對于所分析的水樣通過陰陽離子平衡驗證,保證可信的誤差范圍在±5%以內(nèi)。

氫氧穩(wěn)定同位素(δ2H、δ18O)用液態(tài)水穩(wěn)定性同位素分析儀(L2120-i Isotopic H2O;Picarro-i2120 美國)測定。穩(wěn)定同位素濃度δ值[δsample(‰)]計算方法如下:

式中:Rsample和Rstandard分別表示樣品和標準樣品的同位素比值(2H/1H,18O/16O),δ2H 和δ18O 的分析精度分別為±0.5‰和±0.2‰。

1.3 地下水側(cè)向補給量計算方法

由于該區(qū)域地下水水位日變化幅度小,取監(jiān)測孔某一固定時間點的地下水水位代表當日水位計算日側(cè)向補給量,累計計算月側(cè)向補給量。利用達西定律結(jié)合前期水文地質(zhì)調(diào)研及文獻資料[29]確定含水層滲透系數(shù)、厚度等相關(guān)水文地質(zhì)參數(shù)。野外調(diào)研表明,監(jiān)測孔打至基巖裂隙且上下游監(jiān)測孔含水層進水厚度相近。因此,假定目前上下游監(jiān)測孔代表了統(tǒng)一含水層厚度,可以利用達西定律計算山區(qū)含水層側(cè)向補給通量。研究區(qū)各控制斷面地下水側(cè)向補給通量計算公式如下:

式中:Q側(cè)表示某一時期內(nèi)山區(qū)地下水側(cè)向補給量總和,m3;i表示月份(i=1,2,···,12);j表示斷面(j=1,2,···,5);K表示斷面含水層滲透系數(shù),m·d-1;h1表示上游監(jiān)測孔地下水水位,m;h2表示下游監(jiān)測孔地下水水位,m;D表示上下游監(jiān)測井間距,m;M表示含水層厚度,m;L表示監(jiān)測井斷面控制長度,m。

各分區(qū)含水層以砂礫卵石、粗砂及中細砂為主。根據(jù)華北平原水文地質(zhì)手冊,滲透系數(shù)分別取100 m·d-1、50 m·d-1、30 m·d-1和20 m·d-1[29]。各斷面監(jiān)測孔含水層厚度分別為24.23 m、20.00 m、21.07 m、10.00 m和11.58 m,控制長度由北向南依次為18 283.50 m、17 515.00 m、20 945.10 m、13 151.50 m 和10 606.10 m。利用上下游監(jiān)測孔的日水位差與其之間的距離計算水力梯度。

1.4 地下水硝酸鹽通量計算方法

通過山區(qū)側(cè)向補給量計算山區(qū)側(cè)向補給輸入平原區(qū)地下水的硝酸鹽通量,不考慮硝酸鹽運移過程中的外源輸入和化學反應(yīng)產(chǎn)生的損耗,計算理想山區(qū)側(cè)向補給運移的硝酸鹽通量,計算公式為:

式中:J為側(cè)向補給輸入的硝酸鹽通量,kg;Qij側(cè)為山區(qū)第i月第j斷面地下水的側(cè)向補給量,m3;為第i月第j斷面下游監(jiān)測井的硝酸鹽濃度值,mg·L-1。

2 結(jié)果與分析

2.1 山區(qū)平原交界處地下水水位與硝酸鹽動態(tài)

山區(qū)平原交界處監(jiān)測孔地下水水位數(shù)據(jù)表明,山區(qū)地下水水力梯度較大,據(jù)監(jiān)測斷面地下水水位日數(shù)據(jù)計算得斷面1-5 水力梯度變化范圍為0.002～0.019。由圖3 可知,斷面上下游監(jiān)測孔地下水水位動態(tài)變化趨勢基本一致: 所有斷面地下水水位在2021 年9 月后受雨季降水補給呈上升趨勢,2022 年2 月至5 月地下水水位持續(xù)下降至6 月達到全年最低;期間在4 月受灌溉回滲水補給影響,監(jiān)測孔JC2、JC5、JC6、JC7 的地下水水位小幅回升,7 月受降水補給作用,所有監(jiān)測孔的水位顯著升高,至9 月份逐漸達到水位峰值后呈下降趨勢。斷面3 的地下水監(jiān)測孔JC5 和JC6 較其他斷面地下水水位波動幅度大,主要原因是由于距滹沱河較近,受河水補給影響較大。

圖3 滹沱河沖洪積扇區(qū)斷面監(jiān)測孔地下水水位變化(左側(cè))及地下水硝酸鹽濃度變化(右側(cè))Fig.3 Change of groundwater level (left) and nitrate concentration (right) in the monitoring holes at the sections of the Hutuo River alluvial-pluvial fan

由圖3 可知,所有斷面地下水硝酸鹽濃度變化與地下水水位呈相反趨勢(斷面3 的JC5、JC6 以及斷面1 的JC2 除外)。旱季2 月至5 月,由于地下水受灌溉回滲水補給過程中農(nóng)田氮素淋溶的影響,硝酸鹽濃度有所升高。雨季6-7 月地下水硝酸鹽濃度持續(xù)降低并在7 月達到最低值,說明降水初期稀釋作用對地下水硝酸鹽濃度影響較大。8-10 月地下水硝酸鹽濃度逐漸增加,由于農(nóng)田儲存的氮素受連續(xù)降水淋濾至地下水影響,其硝酸鹽濃度持續(xù)升高。不同斷面上下游監(jiān)測孔地下水硝酸鹽濃度顯示,斷面1 和斷面4 的上游監(jiān)測孔地下水硝酸鹽濃度高于下游,而斷面2、3、5 上游監(jiān)測孔地下水硝酸鹽濃度低于下游。根據(jù)實地調(diào)研發(fā)現(xiàn),濃度較高的監(jiān)測孔周邊存在人畜糞污水影響,導(dǎo)致不同斷面上下游監(jiān)測孔地下水硝酸鹽濃度值相對大小不同?？梢?人類活動對地下水硝酸鹽的影響較大。

對比圖3 不同斷面地下水硝酸鹽濃度分布發(fā)現(xiàn),滹沱河北部斷面1-斷面3 的地下水硝酸鹽平均濃度高于南部斷面4 和斷面5。北部地下水硝酸鹽濃度變化范圍為23.60～505.31 mg·L-1,平均值為179.42 mg·L-1,地下水硝酸鹽超標率(WHO 標準)為76%,其中斷面2 的JC3和JC4 監(jiān)測孔地下水硝酸鹽濃度最高,濃度變化范圍分別為185.03～418.26 mg·L-1和193.04～505.31 mg·L-1,平均值分別為299.71 mg·L-1和428.10 mg·L-1。南部斷面地下水硝酸鹽濃度變化范圍為20.71～118.13 mg·L-1,平均值為66.23 mg·L-1,地下水硝酸鹽超標率為60%。

2.2 平原區(qū)地下水水位與硝酸鹽動態(tài)

沖洪積扇平原區(qū)各分區(qū)2018-2021 年地下水水位動態(tài)與降水量關(guān)系如圖4 所示,各監(jiān)測井地下水水位對降水響應(yīng)的滯后時間因分布位置的不同而不同。Ⅰ區(qū)的1#和Ⅳ區(qū)的5#監(jiān)測井位于滹沱河沖洪積扇扇頂,地下水水位對降水的響應(yīng)最快,地下水水位波動無顯著下降的峰值。雨季后地下水水位持續(xù)上升,表明存在山區(qū)側(cè)向補給,特別是2021 年連續(xù)降水補給作用導(dǎo)致地下水水位上升幅度最大,1#和5#監(jiān)測井地下水水位上升幅度分別為1.46 m 和4.22 m。

Ⅱ區(qū)的2#和Ⅳ區(qū)的4#監(jiān)測井位于沖洪積扇扇中,受抽水開采影響,4#地下水水位降低幅度大于2#,2018-2021 年2#和4#監(jiān)測孔地下水水位下降幅度分別為0.16 m 和2.30 m。雨季后,2#和4#地下水水位緩慢抬升,與1#和5#水位波動趨勢相近,但波動幅度小,這表明山區(qū)側(cè)向補給的作用減弱。3#監(jiān)測井位于Ⅲ區(qū)滹沱河附近,受河水補給作用,地下水水位下降幅度小,2021 年受連續(xù)降水補給地下水影響其水位顯著抬升,上升幅度為4.36 m。3#與1#和5#的水位波動趨勢相似說明地下水受到河水或山區(qū)地下水側(cè)向徑流持續(xù)補給作用的影響。

據(jù)圖5 可知,北部Ⅰ、Ⅱ區(qū)地下水硝酸鹽濃度普遍高于南部Ⅳ區(qū)。沿地下水流動方向,地下水硝酸鹽濃度呈現(xiàn)扇頂Ⅰ區(qū)(范圍: 7.27～258.26 mg·L-1;均值105.28 mg·L-1)＞扇中Ⅱ區(qū)(范圍: 23.71～188.69 mg·L-1,均值為99.22 mg·L-1)＞南部Ⅳ區(qū)(范圍: 7.70～117.25 mg·L-1,均值為37.10 mg·L-1)＞扇緣Ⅲ區(qū)(范圍: 0～60.76 mg·L-1,均值為23.08 mg·L-1)的空間分布特征。同樣Ⅳ區(qū)扇頂部分地下水硝酸鹽濃度范圍為8.60～117.25 mg·L-1,均值為55.50 mg·L-1,高于扇中部分地下水硝酸鹽濃度(范圍為7.70～86.33 mg·L-1,均值為31.80 mg·L-1)。北部山區(qū)斷面地下水硝酸鹽濃度均值為179.42 mg·L-1,高于與之對應(yīng)的北部平原區(qū)地下水硝酸鹽濃度均值(105.28 mg·L-1);南部山區(qū)斷面地下水硝酸鹽濃度均值為66.23 mg·L-1,高于平原區(qū)南部Ⅳ區(qū)地下水硝酸鹽濃度均值(37.10 mg·L-1)。

圖5 2020 年滹沱河沖洪積扇平原區(qū)各分區(qū)地下水硝酸鹽濃度空間分布Fig.5 Spatial distribution of nitrate concentration in groundwater in the plain area of each subregion in the Hutuo River alluvial-pluvial fan in 2020

2.3 山區(qū)側(cè)向補給量

根據(jù)公式(2)計算2022 年3 月至2023 年2 月山區(qū)斷面地下水側(cè)向補給量(圖6 和表1),計算結(jié)果顯示監(jiān)測期間山區(qū)地下水側(cè)向補給量約為2.10×108m3,3 月至7 月側(cè)向補給量增加,7 月達到最大值后逐漸降低,9-12 月地下水側(cè)向補給量有增加的趨勢。滹沱河北部斷面(斷面1-斷面3)的側(cè)向補給總量(1.80×108m3)高于滹沱河南部斷面(斷面4-斷面5)側(cè)向補給總量(3.00×107m3)。各斷面地下水側(cè)向補給量大小為斷面1 (1.17×108m3)＞斷面3 (0.35×108m3)＞斷面2 (0.29×108m3)＞斷面4 (0.27×108m3)＞斷面5(0.03×108m3),這反映了南北水文地質(zhì)條件差異的影響。靳孟貴等[31]利用同位素測井技術(shù)估算太行山前地下水側(cè)向補給量,在鹿泉至靈壽布設(shè)了46.2 km 的控制斷面,運用斷面流速法計算地下水側(cè)向補給量為5.07×107m3,其控制斷面約為本研究區(qū)控制斷面的1/2,而側(cè)向補給量約為本研究區(qū)結(jié)果的1/4。本研究計算的側(cè)向補給量高于過去研究結(jié)果,可能與極端降水、地下水壓采政策以及生態(tài)補水等影響有關(guān),具有一定可靠性。

表1 2022 年3 月-2023 年2 月滹沱河沖洪積扇區(qū)山區(qū)側(cè)向補給對平原區(qū)地下水的補給量Table 1 Lateral recharge in the mountainous areas of the Hutuo River alluvial-pluvial fan from March 2022 to February 2023 ×108 m3

圖6 2022 年3 月-2023 年2 月滹沱河沖洪積扇區(qū)山區(qū)側(cè)向補給量統(tǒng)計圖Fig.6 Statistical map of lateral recharge in mountainous areas of the Hutuo River alluvial-pluvial fan from March 2022 to February 2023

2.4 山區(qū)側(cè)向補給輸入的硝酸鹽通量

利用式(3)計算由山區(qū)側(cè)向補給向平原區(qū)地下水輸移的硝酸鹽通量。結(jié)果表明,2022 年3 月至2023 年2 月山區(qū)側(cè)向流輸入平原區(qū)地下水的硝酸鹽通量共239.56×105kg (圖7)。受南北不同地下水側(cè)向補給量及硝酸鹽濃度影響,如斷面2 的JC3 和JC4監(jiān)測孔地下水硝酸鹽濃度最高,北部斷面地下水輸入的硝酸鹽通量為223.34×105kg,顯著高于南部斷面硝酸鹽通量(16.21×105kg),與平原區(qū)北部Ⅰ區(qū)和Ⅱ區(qū)地下水硝酸鹽濃度高于南部Ⅳ區(qū)的空間特征一致。不同斷面地下水側(cè)向補給輸入的硝酸鹽通量排序為:斷面2 (124.23×105kg)＞斷面1 (50.13×105kg)＞斷面3(48.98×105kg)＞斷面4 (13.88×105kg)＞斷面5 (2.33×105kg) (表2)。

圖7 2022 年3 月—2023 年2 月滹沱河沖洪積扇區(qū)山區(qū)側(cè)向補給輸入的硝酸鹽通量Fig.7 Nitrate fluxes from lateral recharge in mountainous areas of the Hutuo River alluvial-pluvial fan from March 2022 to February 2023

3 討論

3.1 同位素示蹤山區(qū)側(cè)向補給平原區(qū)地下水過程

地下水中的氫氧同位素可以示蹤地下水補給來源和不同水源之間的補給關(guān)系。根據(jù)山區(qū)斷面和平原區(qū)地下水氫氧同位素分析二者補給關(guān)系。由圖8可見所有地下水采樣點分布于當?shù)卮髿饨邓€(LMWL)附近,表明地下水主要來源于降水。由圖8a 可知,滹沱河北部斷面監(jiān)測孔地下水采樣點大部分位于LMWL 右下方,平原區(qū)Ⅰ區(qū)和Ⅱ區(qū)所有點以及Ⅲ區(qū)少部分點也位于LMWL 右下方,且偏離LMWL,表明Ⅰ區(qū)、Ⅱ區(qū)地下水與斷面地下水存在一定的水力聯(lián)系。Ⅲ區(qū)大部分點位于LMWL 左上方,較斷面地下水同位素貧化,與河水同位素值接近,表明Ⅲ區(qū)地下水受河水補給作用強于斷面地下水側(cè)向補給作用。由Ⅰ區(qū)到Ⅱ區(qū)再到Ⅲ區(qū)沿地下水流向,地下水的δ18O 均值分別為-6.45‰、-7.14‰和-9.29‰,δ2H 均值分別為-55.42‰、-60.74‰和-62.33‰,具有逐漸貧化的趨勢。研究發(fā)現(xiàn)從上游到下游,地下水井深逐漸增大,Ⅰ區(qū)采樣點位于沖洪積扇扇頂,井深約為50 m,而Ⅱ區(qū)和Ⅲ區(qū)位于扇中和扇緣,井深約為100 m,地下水氫氧同位素隨井深增加變貧化這一結(jié)論與前人研究結(jié)果一致[32-33]。

圖8 滹沱河沖洪積扇區(qū)斷面監(jiān)測孔地下水、各分區(qū)[北部Ⅰ～Ⅲ區(qū)(a),南部Ⅳ區(qū)(b)]地下水及土壤水δ2H、δ18O 關(guān)系圖Fig.8 Relationships of δ2H and δ18O for groundwater in monitoring holes at sections,and groundwater and soil water in each subregion [northern I-Ⅲ (a),southern Ⅳ (b)] of the Hutuo River alluvial-pluvial fan

于2020 年采集研究區(qū)20 m 不同深度土壤測定土壤水的氫氧同位素。結(jié)果表明,Ⅰ區(qū)砂土層土壤水同位素比非砂土層(主要為黏土)土壤水同位素富集,且深層砂土層土壤水同位素值偏高,δ18O 均值為-4.71‰,δ2H 均值為-53.06‰,與Ⅰ區(qū)部分地下水同位素值接近,表明深層砂層土壤水對Ⅰ區(qū)地下水補給作用顯著。圖8a 中對比土壤水同位素發(fā)現(xiàn),Ⅰ區(qū)和Ⅱ區(qū)地下水氫氧同位素總體位于山區(qū)北部斷面監(jiān)測孔地下水和土壤水同位素之間,說明Ⅰ區(qū)和Ⅱ區(qū)地下水受山區(qū)側(cè)向補給作用和降水通過土壤水的垂向補給作用共同影響。而Ⅲ區(qū)大部分點位于LMWL 左上方且圍繞降水線分布,表明其受山區(qū)側(cè)向補給的影響較小。Ⅲ區(qū)地下水采樣點均位于滹沱河附近,受到了河水等生態(tài)補水的影響。水源的不同造成了同位素分布的差異性。Ⅰ-Ⅲ區(qū)地下水同位素分布特征表明山區(qū)側(cè)向補給對平原區(qū)地下水的影響范圍主要為扇頂和扇中。

研究區(qū)Ⅳ區(qū)扇頂?shù)叵滤c山區(qū)南部斷面地下水氫氧同位素值接近,表明扇頂?shù)叵滤苌絽^(qū)側(cè)向補給作用強烈(圖8b)。Ⅳ區(qū)扇頂至扇中地下水同位素分布規(guī)律與沖洪積扇北部扇頂I 區(qū)至扇中Ⅱ區(qū)地下水同位素值的分布一致,即沿地下水流動方向氫氧同位素逐漸貧化(扇頂δ18O 均值為-8.32‰,δ2H 均值為-58.88‰;扇中δ18O 均值為-9.61‰,δ2H 均值為-62.51‰)。扇頂至扇中地下水同位素值變貧化不僅與地下水井深逐漸增加有關(guān),還受上游地下水超采影響,導(dǎo)致地下水流場發(fā)生改變,降低了扇中區(qū)域地下水與上游山區(qū)地下水之間的水力聯(lián)系,山區(qū)側(cè)向補給作用減弱。Huang 等[34]在華北平原安陽河沖洪積扇地下水的補給研究中表明,沖洪積扇扇中和扇緣部分地下水接受來自承壓含水層的越流補給。因此,Ⅳ區(qū)扇中區(qū)域地下水同位素貧化還可能與降水和深層承壓水的垂向補給有關(guān)。山區(qū)斷面、沖洪積扇扇頂和扇中地下水氫氧同位素空間分布特征表明,沖洪積扇接受上游山區(qū)側(cè)向補給且從西部扇頂向東部扇中側(cè)向補給作用逐漸減弱。因此,山區(qū)側(cè)向補給對平原區(qū)地下水的主要影響范圍為沖洪積扇扇頂和扇中區(qū)域。

由山區(qū)側(cè)向補給量得出,北部各斷面?zhèn)认蜓a給量均高于南部,平原區(qū)各分區(qū)的地下水水位和與之對應(yīng)的各斷面?zhèn)认蜓a給量的特征趨勢一致,如斷面2 側(cè)向補給量(0.29×108m3)高于斷面4 的側(cè)向補給量(0.27×108m3),同樣在下游平原區(qū)的1#地下水水位高于4#水位(圖4)?？梢娖皆瓍^(qū)地下水水位與側(cè)向補給關(guān)系密切,未來仍要關(guān)注平原區(qū)地下水水位回升與地下水側(cè)向補給之間的相互關(guān)系。

3.2 山區(qū)側(cè)向補給的氮通量及其對平原區(qū)硝酸鹽分布的影響

極端降水、生態(tài)補水等工程措施增加了山區(qū)側(cè)向補給量,對滹沱河沖洪積扇平原區(qū)地下水儲量和水位恢復(fù)具有重要意義,而低山丘陵區(qū)地下水硝酸鹽問題日益凸顯,山區(qū)對平原區(qū)地下水側(cè)向補給量增加的同時硝酸鹽通量增加,上游山區(qū)含有較高濃度硝酸鹽的地下水對下游平原區(qū)地下水產(chǎn)生一定污染。本研究表明滹沱河北部山區(qū)斷面地下水硝酸鹽平均濃度及超標率均高于南部,以往研究表明,滹沱河北部的沙河流域地下水硝酸鹽濃度平均為109.80 mg·L-1[35],滹沱河南部潴龍河流域地下水硝酸鹽濃度平均為78 mg·L-1,超標率為52%[16,19]。南部地下水硝酸鹽濃度與本研究接近,但超標率低于本研究結(jié)果。一方面表明滹沱河南北部人類活動影響程度不同,導(dǎo)致南北斷面地下水硝酸鹽濃度差異顯著;另一方面說明山區(qū)地下水硝酸鹽污染問題日益突出,山區(qū)側(cè)向補給會影響平原區(qū)地下水水質(zhì)。

由以上分析可知,不僅滹沱河北部山區(qū)斷面地下水硝酸鹽濃度高于南部,相應(yīng)的北部沖洪積扇扇頂和扇中(Ⅰ區(qū)和Ⅱ區(qū))地下水硝酸鹽濃度也高于南部(Ⅳ區(qū))。在石家莊地區(qū)滹沱河沖洪積扇頂?shù)叵滤跛猁}的研究表明,由山區(qū)至平原區(qū)地下水硝酸鹽濃度逐漸降低[36]。山區(qū)側(cè)向補給影響平原區(qū)地下水硝酸鹽的空間分布。此外,平原區(qū)土地利用類型、地下水埋深等也是決定地下水硝酸鹽空間分布特征的主要因素。研究表明蔬菜區(qū)地下水硝酸鹽濃度偏高,而地下水埋深越大、硝酸鹽濃度越低[37-39]。本研究采樣點土地利用類型以農(nóng)田為主,且地下水埋深由沖洪積扇扇頂向東部扇中逐漸增加,但是其對地下水硝酸鹽的影響不作為本研究重點。

本研究同樣發(fā)現(xiàn)由山區(qū)側(cè)向補給向平原區(qū)輸入的硝酸鹽通量也表現(xiàn)為北部高于南部。這一方面與北部較大的山區(qū)側(cè)向補給量有關(guān),該區(qū)域含水層以滲透性良好的砂礫卵石和礫石為主,有利于山區(qū)側(cè)向流對平原區(qū)地下水的補給;另一方面與具有較強滲透性的土壤沉積特征有關(guān),2021 年的連續(xù)降水導(dǎo)致農(nóng)田包氣帶累積的大量氮素淋失進入含水層,從而形成地下水硝酸鹽濃度高值區(qū)。Huang 等[40]研究表明連續(xù)的暴雨淋濾作用導(dǎo)致表層土壤大量硝酸鹽浸出,對地下水水質(zhì)造成潛在威脅。Zheng 等[41-42]也揭示了太行山山區(qū)極端強降水可通過優(yōu)先流對地下水補給(貢獻率為42%),優(yōu)先流攜帶土壤化肥氮素進入山區(qū)地下水,加大了山區(qū)對平原區(qū)地下水硝酸鹽污染的風險。

滹沱河南部Ⅳ區(qū)扇頂區(qū)域地下水同樣受山區(qū)側(cè)向補給影響,但由于上游山區(qū)斷面地下水硝酸鹽濃度低于北部斷面,因此Ⅳ區(qū)扇頂?shù)叵滤跛猁}濃度也低于北部扇頂。而Ⅳ區(qū)扇中區(qū)域受地下水超采導(dǎo)致地下水流場改變的影響,山區(qū)側(cè)向流對該區(qū)地下水水位和硝酸鹽動態(tài)影響有限;此外,Ⅳ區(qū)扇中區(qū)域包氣帶較厚,地下水埋深較大,且含水層以滲透性差的砂、粉砂夾雜黏土為主,土壤累積的氮素對地下水影響較弱,因此形成了地下水硝酸鹽低值區(qū)。滹沱河沖洪積扇扇緣(Ⅲ區(qū))地下水硝酸鹽濃度主要受河道入滲補給,氫氧同位素關(guān)系同樣說明該區(qū)域補給水源的差異性(圖8a)。

平原區(qū)地下水受山區(qū)側(cè)向流水量補給的同時也面臨地下水硝酸鹽污染的威脅。因此,需繼續(xù)關(guān)注和研究未來環(huán)境變化下沖洪積扇區(qū)域地下水水量和水質(zhì)安全問題。

4 結(jié)論

為明確山區(qū)側(cè)向補給對平原地下水動態(tài)及地下水硝酸鹽分布的影響,本研究基于山區(qū)斷面監(jiān)測孔及滹沱河沖洪積扇平原區(qū)地下水監(jiān)測數(shù)據(jù),結(jié)合氫氧同位素示蹤及硝酸鹽濃度分析,明確了山區(qū)側(cè)向流對平原區(qū)地下水的補給機制,并探討了山區(qū)側(cè)向補給對平原區(qū)地下水硝酸鹽的影響,最終得出以下結(jié)論:

(1) 滹沱河沖洪積扇北部山區(qū)斷面地下水和平原區(qū)地下水硝酸鹽濃度均高于南部。山區(qū)側(cè)向補給對沖洪積扇南北各分區(qū)地下水補給的影響程度不同,沿地下水流動方向,沖洪積扇扇頂至扇中再到扇緣,地下水硝酸鹽濃度逐漸降低,表明扇頂?shù)叵滤苌絽^(qū)側(cè)向補給影響大,東部扇中和扇緣區(qū)域受山區(qū)側(cè)向補給影響減弱且受人類活動干擾明顯。

(2) 平原區(qū)地下水受山區(qū)側(cè)向補給和降水通過土壤水垂向補給的共同影響,扇頂區(qū)域受側(cè)向補給影響比扇中區(qū)域明顯,南部扇中區(qū)域地下水由于地下水超采影響地下水流場,減弱了山區(qū)側(cè)向補給作用。

(3) 研究區(qū)2022 年3 月至2023 年2 月山區(qū)側(cè)向補給量為2.10×108m3,滹沱河北部側(cè)向補給量高于南部。山區(qū)側(cè)向補給輸入平原區(qū)地下水的硝酸鹽通量總計239.56×105kg,且北部高于南部。山區(qū)側(cè)向補給對地下水硝酸鹽影響范圍為扇頂和扇中區(qū)域,且對扇頂?shù)叵滤a給和硝酸鹽的影響程度更強。