衡水湖湖水與地下水交互關(guān)系研究

王麗娟 王哲 李曉媛 吳利杰 李政紅

摘要 通過(guò)野外采樣和室內(nèi)分析，采用穩(wěn)定氫氧同位素、水化學(xué)、地下水溫度場(chǎng)及電導(dǎo)率結(jié)合的方法，研究衡水湖地表水與地下水的交互關(guān)系。結(jié)果表明，沿垂直湖岸方向，由湖岸向四周，地下水水溫逐漸降低，電導(dǎo)率逐漸升高;湖水水化學(xué)類(lèi)型為SO4·Cl-Na型，總?cè)芙夤腆w（TDS）含量為0.70～0.76 g/L;地下水水化學(xué)類(lèi)型以SO4·Cl-Na·Mg、Cl·SO4-Na·Mg和Cl·SO4-Na等為主，近湖點(diǎn)水化學(xué)類(lèi)型與湖水相近。TDS含量普遍大于1 g/L，且近湖點(diǎn)含量較遠(yuǎn)湖點(diǎn)低;其他地表水體水化學(xué)類(lèi)型為Cl·SO4-Na型，TDS含量普遍大于1 g/L;地下水中穩(wěn)定同位素（δD、δ18O）空間差異明顯，近湖點(diǎn)同位素富集，與湖水含量相近，遠(yuǎn)湖點(diǎn)貧化。該研究結(jié)果表明衡水湖湖水與地下水交互關(guān)系為湖水滲漏補(bǔ)給地下水，為進(jìn)一步探究湖水循環(huán)機(jī)制奠定理論基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞 交互關(guān)系;湖水;地下水;水化學(xué);穩(wěn)定同位素;溫度場(chǎng);電導(dǎo)率;衡水湖

中圖分類(lèi)號(hào) P641? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A? 文章編號(hào) 0517-6611（2021）13-0060-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2021.13.016

開(kāi)放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

Research on Interactive Relationship between Lake Water and Groundwater in Hengshui Lake

WANG Li juan1，2，WANG Zhe1，2，LI Xiao yuan1 et al

（1.China University of Geosciences （Wuhan），Wuhan，Hubei 430074;2. Institute of Hydrogeology and Environmental Geology，CAGS，Shijiazhuang，Hebei 050061）

Abstract Through field sampling and indoor analysis， a combination of stable hydrogen and oxygen isotopes， water chemistry， groundwater temperature field and electrical conductivity were used to study the interactive relationship between surface water and groundwater in Hengshui Lake.The results showed that along the direction of the vertical lakeshore， from the lakeshore to the surrounding areas， the groundwater temperature gradually decreased and the electrical conductivity gradually increased.The main hydrochemical type of the lake water was SO4·Cl Na，and the TDS content was 0.70-0.76 g/L;the main hydrochemical type of the groundwater were SO4·Cl Na·Mg，Cl·SO4 Na·Mg and Cl·SO4 Na which were similar to the hydrochemical type of lake water.TDS content was greater than 1 g/L，and the content of TDS in the near lake was lower than that of in the far lake;the chemical type of other surface water bodies was Cl·SO4 Na， and the TDS content was generally greater than 1 g/L.The spatial difference of stable isotopes （δD，δ18O）in the groundwater was obvious.The near lake point was enriched， and the content was similar to the lake water， and the far lake point was depleted.The results of this study indicate that the interactive relationship between lake water and groundwater in Hengshui Lake was the replenishment of groundwater by lake water leakage， which provide the theoretical basis to further explore the circulation mechanism of lake water.

Key words Interactive relationship;Lake water;Groundwater;Hydrogeo chemistry;Stable isotopes;Temperature fied;Electric conductivity;Hengshui Lake

衡水湖濕地是華北平原面積僅次于白洋淀的第二大淡水濕地。衡水湖濕地生態(tài)系統(tǒng)所具有的典型性、代表性以及所支持的生物多樣性具有全球意義。然而，近年來(lái)面對(duì)流域內(nèi)水資源日益匱乏的形勢(shì)，衡水湖濕地不可規(guī)避地面臨水源短缺[1]，濕地面積減少以及水質(zhì)污染等嚴(yán)峻生態(tài)環(huán)境問(wèn)題[2]。盡管如此，衡水湖濕地的生態(tài)補(bǔ)水多年以來(lái)一直隨意性較大，有水多補(bǔ)，無(wú)水就少補(bǔ)甚至不補(bǔ)，既浪費(fèi)水資源又無(wú)法起到有效的生態(tài)保護(hù)作用。產(chǎn)生上述這些問(wèn)題，歸根結(jié)底是沒(méi)有弄清湖水循環(huán)機(jī)制以及湖水與地下水間的轉(zhuǎn)化關(guān)系，無(wú)法切實(shí)做到科學(xué)有效的管理與保護(hù)。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者開(kāi)始認(rèn)識(shí)到濕地保護(hù)的重要性，針對(duì)衡水湖濕地從不同角度展開(kāi)了一系列研究，如王乃珊等[3-7]探究了衡水湖生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀并提出了相應(yīng)的發(fā)展規(guī)劃;郭玲等[1，8-9]分析了入湖水量及區(qū)域降雨量變化對(duì)衡水湖濕地生態(tài)環(huán)境的影響;張學(xué)知[10]對(duì)衡水湖水面蒸發(fā)量進(jìn)行同步計(jì)算，得出衡水湖多年平均水面蒸發(fā)量為2 939萬(wàn)m3。雖上述研究取得一定成果，但針對(duì)衡水湖濕地湖水循環(huán)機(jī)制以及湖水與地下水間的轉(zhuǎn)化關(guān)系等方面的研究鮮見(jiàn)報(bào)道。因此，筆者利用傳統(tǒng)的水化學(xué)法結(jié)合同位素技術(shù)以及地下水電導(dǎo)率和溫度場(chǎng)，分析湖水-地下水的交互關(guān)系，為進(jìn)一步探究湖水循環(huán)機(jī)制奠定基礎(chǔ)，以期尋求維護(hù)區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)平衡的良好模式。

1 資料與方法

1.1 研究區(qū)概況

衡水湖位于華北平原中南部，處于衡水、冀州、棗強(qiáng)之間的三角地帶，地貌屬?zèng)_洪積、沖積平原，地勢(shì)平坦，以0.3%的坡度微傾向東北。湖區(qū)內(nèi)海拔高程為17～19 m，局部低洼處為15.5～16.5 m。

自然保護(hù)區(qū)地處暖濕帶，氣候?qū)倥瘻貛Т箨懶?、半濕?rùn)半干旱季風(fēng)氣候區(qū);多年平均降水量505.1 mm，年蒸發(fā)量1 209.5 mm;年平均氣溫12.6 ℃;最高月平均氣溫26.6 ℃（7月），最低月平均氣溫-4.0 ℃（1月）[11]。

湖區(qū)周邊第四系厚度450～470 m，地下水類(lèi)型為第四系松散巖類(lèi)孔隙潛水和松散巖類(lèi)孔隙承壓水。

湖區(qū)潛水與湖水間聯(lián)系密切。潛水含水組相當(dāng)于全新統(tǒng)（Q4），土層主要巖性黃褐色、棕黃色亞砂土，砂層巖性主要為秀黃色、黃灰色粉細(xì)砂、粉砂，單層厚度1～4 m，總厚度7～8 m，單井單位用水量<5 m3/（m·h），水化學(xué)類(lèi)型Cl·SO4-Na·Mg型，水質(zhì)礦化度3～5 g/L，水位埋深4～6 m。

1.2 樣品采集與測(cè)試

在2017年5—6月，開(kāi)展衡水湖周邊野外調(diào)查和采樣工作，共采集地表水樣13組：其中湖水樣品9組、河渠樣品4組;采集湖區(qū)周邊淺層（潛水）地下水樣品18組（圖1）。利用多功能水質(zhì)檢測(cè)儀YSI（professional plus 6050000，USA）現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定水體的pH、電導(dǎo)率、溫度和總?cè)芙夤腆w（TDS）濃度。樣品均在現(xiàn)場(chǎng)過(guò)0.45 mm的濾膜，然后置于清洗干凈的500 mL聚乙烯采樣瓶中，并盡量保證水樣裝滿采樣瓶，防止瓶?jī)?nèi)產(chǎn)生氣泡。

常量元素和穩(wěn)定同位素組分測(cè)試分別按照《水質(zhì)采樣技術(shù)規(guī)程》（SL 187—96）、《水質(zhì)分析方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB 7466～7494087）進(jìn)行。委托自然資源部地下水礦泉水及環(huán)境監(jiān)測(cè)中心測(cè)試（表1）。

2 結(jié)果與分析

2.1 電導(dǎo)率及地下水水溫測(cè)試

衡水湖周邊采集18組潛水樣品（圖1），沿垂直湖岸方向選取的3條水文地球化學(xué)剖面（地下水流向：剖面1為自樣點(diǎn)HSH-10流至樣點(diǎn)HS09;剖面2為自樣點(diǎn)HSH07流至樣點(diǎn)HSH13;剖面3為自樣點(diǎn)HSH05流至樣點(diǎn)HSH15），分析地下水溫度、電導(dǎo)率變化規(guī)律。結(jié)果發(fā)現(xiàn)（圖2），由湖岸向四周，地下水水溫逐漸降低，電

導(dǎo)率逐漸升高。根據(jù)湖水溫度與地下水溫度差異以及湖水電導(dǎo)率與地下水電導(dǎo)率差異，可以判定湖水向地下水的補(bǔ)給關(guān)系。從HSH13所在剖面可以看出，離湖岸最遠(yuǎn)6 km處仍能反映出電導(dǎo)率變化，說(shuō)明湖水對(duì)地下水的影響范圍不僅局限于湖水分布范圍。

2.2 水化學(xué)分析

從圖3和表2可以看出，湖水：因主要補(bǔ)給水源黃河水為礦化度<1 g/L的淡水，湖水溶解性總固體（TDS）為0.70～0.76 g/L，并且湖水呈弱堿性，pH 7.50～7.60;水化學(xué)類(lèi)型為SO4·Cl-Na型水。

地下水：淺層地下水水化學(xué)類(lèi)型以SO4·Cl-Na·Mg、Cl·SO4-Na·Mg、Cl·SO4-Na、SO4·Cl-Na和Cl·HCO3·SO4-Na·Mg型水等為主，較湖水復(fù)雜;TDS含量普遍大于1 g/L，最大值達(dá)7.3 g/L;呈弱堿性，pH 7.30～7.70。

其他地表水體：主要是滏陽(yáng)新河和滏東排河地表水樣品，TDS含量普遍大于1 g/L，介于1.5～2.0 g/L;呈弱堿性，pH 7.30～7.50;水化學(xué)類(lèi)型為Cl·SO4-Na型水。

在近湖區(qū)的取樣點(diǎn)HSH-01、HSH-02、HSH05、HSH12、HSH15、HS14、HS16、HS09等，水化學(xué)類(lèi)型為SO4·Cl-Na和Cl·HCO3·SO4-Na·Mg型水，與湖水水化學(xué)類(lèi)型（SO4·Cl-Na）相近;近湖區(qū)的取樣點(diǎn)HSH-01、HSH-02、HSH07、HSH13、HSH24、HS12和HSH-03等TDS介于0.9～2.1 g/L，受湖水補(bǔ)給淡化作用影響，較其他遠(yuǎn)湖點(diǎn)低。

上述結(jié)論，可進(jìn)一步佐證了湖水補(bǔ)給湖區(qū)周?chē)鷾\層地下水。

2.3 同位素分析

由表1可見(jiàn)，湖水的穩(wěn)定氫氧同位素最富集，δD和δ18O平均值最大，其他地表水的δD和δ18O值次之，地下水的δD和δ18O值最小。地下水的δD和δ18O值出現(xiàn)兩極分化現(xiàn)象明顯，近湖點(diǎn)HS16、HSH01、HSH02、HSH03、HSH07、HSH10等值較遠(yuǎn)湖點(diǎn)高，接近于湖水δD和δ18O值，氫氧同位素較富集。

由圖4可見(jiàn)，地下水樣品的δ18O和δD在圖上落點(diǎn)可劃分為3組，I組是具有較高的δ18O和δD值，該組地下水與湖水及其他地表水樣品的δ18O和δD在圖中落點(diǎn)接近，表明其與湖水及其他地表水存在著密切的水力聯(lián)系;Ⅱ組δ18O值較低，δD值也較低，受湖水及其他地表水補(bǔ)給的影響小。

3 結(jié)論

（1）地下水溫度、電導(dǎo)率自湖岸向四周，地下水水溫逐漸降低，電導(dǎo)率逐漸升高。

（2）湖水水化學(xué)類(lèi)型為SO4·Cl-Na型，湖水溶解性總固體（TDS）為0.70～0.76 g/L;地下水遠(yuǎn)湖區(qū)以SO4·Cl-Na·Mg、Cl·SO4-Na·Mg和Cl·SO4-Na等為主，TDS含量普遍大于1 g/L，最大值達(dá)7.3 g/L;在近湖區(qū)水化學(xué)類(lèi)型為SO4·Cl-Na和Cl·HCO3·SO4-Na·Mg型水，TDS為0.9～2.1 g/L。

（3）湖水的穩(wěn)定氫氧同位素最富集，其他地表水次之，地下水最小。地下水的δD和δ18O值出現(xiàn)兩極分化現(xiàn)象明顯，近湖點(diǎn)值較遠(yuǎn)湖點(diǎn)高，接近于湖水δD和δ18O值。

（4）在分析衡水湖湖區(qū)地表水和地下水穩(wěn)定氫氧同位素和水化學(xué)組成以及地下水溫度和電導(dǎo)率的基礎(chǔ)上，多角度探尋了地下水與湖水的交互關(guān)系為湖水滲漏補(bǔ)給地下水。

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