地表水和地下水水源地水量水質(zhì)響應(yīng)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(shù)股份有限公司，北京 100089)

1 引言

據(jù)相關(guān)文章統(tǒng)計(jì)中國現(xiàn)有大型傍河水源地300多個(gè)［1］。經(jīng)多年的開采實(shí)踐證明，傍河取水是保證長期穩(wěn)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(jìn)而增加附近河水對其的入滲補(bǔ)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(xué)和生物凈化作用，使地表水水質(zhì)得到天然改善。

對于地表水和地下水水量水質(zhì)的相互影響關(guān)系，多年來國內(nèi)外學(xué)者相繼展開了研究。根據(jù)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(yán)重的河流中氮的有效性研究結(jié)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(jù)朱學(xué)愚等［4］的研究結(jié)果，傍河水源地的地下水資源量中河流入滲補(bǔ)給量可達(dá)到其總補(bǔ)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(fā)現(xiàn)，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(bǔ)給量分別占到了59.8%、56.2%、51.1%。

目前，對于水量水質(zhì)全口徑響應(yīng)研究分析還較少，本文在現(xiàn)有研究成果的基礎(chǔ)上，以秦皇島市地表水源地洋河水庫和細(xì)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(zhì)響應(yīng)變化機(jī)理。

2 研究區(qū)概況及研究方法

2.1 研究區(qū)概況

2.1.1 洋河

洋河是撫寧區(qū)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(nèi)各河之首。洋河位于撫寧區(qū)西部，全長100km，控制流域面積1109km2，撫寧區(qū)境內(nèi)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(qū)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(jù)調(diào)節(jié)計(jì)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(fā)揮了一定作用，1989年引青濟(jì)秦工程實(shí)施后，洋河水庫成了“引青濟(jì)秦”工程的重要組成部分，現(xiàn)主要泄水有經(jīng)放水洞、發(fā)電洞及溢洪道3個(gè)途徑。

2.1.3 細(xì)河水源地

撫寧區(qū)細(xì)河水源地位于洋河西岸撫寧鎮(zhèn)細(xì)河村，現(xiàn)有水源井11眼，均位于洋河右岸。細(xì)河水源地設(shè)計(jì)供水能力730萬m3/年，供水范圍基本覆蓋撫寧老城區(qū)及部分周邊行政村，服務(wù)人口約4.0萬，用水戶達(dá)2.3萬。根據(jù)其水源地保護(hù)區(qū)劃分結(jié)果，一級保護(hù)區(qū)半徑為465m，二級保護(hù)區(qū)半徑為2580m。

2.1.4 細(xì)河水源地與洋河水庫的關(guān)系

細(xì)河水源地位于洋河水庫下游洋河水庫—入海口區(qū)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(jìn)入洋河河道，河道的水通過滲漏對細(xì)河水源地的地下水進(jìn)行補(bǔ)給，研究區(qū)范圍見圖1。

2.2 研究方法

2.2.1 水量響應(yīng)研究方法

細(xì)河水源地主要接受降雨入滲補(bǔ)給、上游側(cè)向補(bǔ)給及洋河河道滲漏補(bǔ)給量，以水均衡法對細(xì)河水源地進(jìn)行水資源量評價(jià)，均衡范圍為二級保護(hù)區(qū)。通過分析洋河不同保證率情況下細(xì)河水源地水資源量情況，根據(jù)水均衡方程和河道入滲補(bǔ)給量的計(jì)算公式，建立細(xì)河水源地受洋河水庫下泄水量補(bǔ)給的線性關(guān)系，探究洋河水庫泄水通過洋河河道滲漏補(bǔ)給量對細(xì)河水源地地下水可開采量的水量響應(yīng)關(guān)系。

2.2.2 水質(zhì)響應(yīng)研究方法

為探究洋河水庫下泄的地表水對下游細(xì)河水源地水質(zhì)的影響作用，并考慮到洋河水庫的水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)實(shí)況，本次研究主要對氨氮和亞硝酸鹽氮進(jìn)行分析，將洋河水庫每月的氨氮和亞硝酸鹽氮與細(xì)河水源地的氨氮和亞硝酸鹽氮進(jìn)行比對及線性分析，研究二者的水質(zhì)響應(yīng)關(guān)系。

圖1 研究區(qū)范圍

3 數(shù)據(jù)來源

3.1 區(qū)間徑流量

洋河水庫—入?？趨^(qū)間流域年徑流量主要受洋河水庫的調(diào)節(jié)，所以本文選用洋河水庫站1971—2016年的實(shí)測流量資料進(jìn)行計(jì)算。洋河水庫—入?？诙蔚母髟缕骄髁窟x用洋河放水洞、發(fā)電洞及溢洪道3個(gè)斷面的實(shí)測流量之和，其年徑流量年內(nèi)分配見表1。

表1 洋河水庫下游洋河年徑流量年內(nèi)分配

3.2 水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)

選擇2016年為典型代表年，收集洋河水庫每月的水質(zhì)檢測數(shù)據(jù)與細(xì)河水源地的2—11月水質(zhì)檢測數(shù)據(jù)。洋河水庫和細(xì)河水源地的3個(gè)因子的具體數(shù)據(jù)見表2。

表2 洋河水庫和細(xì)河水源地水質(zhì)統(tǒng)計(jì)

4 響應(yīng)分析

4.1 水量響應(yīng)分析

水資源量分析評價(jià)采用水均衡計(jì)算法，各補(bǔ)給項(xiàng)和排泄項(xiàng)及蓄變量情況見表3，經(jīng)水均衡計(jì)算，擬合誤差為-7.52%，不超過±10%，滿足誤差要求。進(jìn)而運(yùn)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(bǔ)給和側(cè)向徑流補(bǔ)給不變，只改變洋河水庫下泄的水量，來研究細(xì)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(guī)律。

表3 細(xì)河地下水水源地資源均衡計(jì)算

表3 細(xì)河地下水水源地資源均衡計(jì)算

大氣降水入滲補(bǔ)給量/(萬m3/年) 201.98補(bǔ)給量130.99側(cè)向徑流流入量/(萬m3/年) 1552.92 1552.92河道入滲補(bǔ)給量/(萬m3/年) 1871.49 1185.11小計(jì)/(萬m3/年) 3626.39 2869.02排泄量522側(cè)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(jì)/(萬m3/年) 3269.47計(jì)算量均衡差/(萬m3/年) 356.92 3269.47均衡要素 50%計(jì)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(nèi)細(xì)河水源地在50%保證率下總補(bǔ)給量為3626.39萬m3/年，其中河道滲漏補(bǔ)給量為1871.49萬m3/年，占總補(bǔ)給水量的51%。75%保證率條件下總補(bǔ)給量為2869.02萬m3/年，其中河道滲漏補(bǔ)給量為1185.11萬m3/年，占總補(bǔ)給水量的41%。

將水均衡方程和河道入滲補(bǔ)給量的計(jì)算公式聯(lián)立后，可得到細(xì)河水源地水資源量與洋河水庫下泄水量的關(guān)系方程。

50%保證率條件下聯(lián)立上式得

75%保證率條件下聯(lián)立上式得

式中：Q細(xì)為細(xì)河水源地水資源量；Q河為洋河水庫下泄水量。

通過研究發(fā)現(xiàn)，細(xì)河水源地地下水資源量與洋河水庫下泄水量呈正相關(guān)，且在相同保證率條件下呈線性相關(guān)，響應(yīng)關(guān)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(yīng)關(guān)系

4.2 水質(zhì)響應(yīng)分析

本次主要對氨氮和亞硝酸鹽氮進(jìn)行分析，并考慮汛期洋河水庫下泄水量較大，6—10月單獨(dú)作為一個(gè)時(shí)段進(jìn)行分析。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)：2—11月期間洋河水庫和細(xì)河水源地的水質(zhì)整體而言相關(guān)性不高，但進(jìn)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(guān)性。氨氮、亞硝酸鹽氮及兩者累加值的線性分析散點(diǎn)圖見圖3。

再分別構(gòu)建洋河水庫和細(xì)河水源地的氨氮、亞硝酸鹽氮和兩者累加值的線性相關(guān)圖。綜合分析，對于氨氮，6—9月，洋河水庫的氨氮濃度表現(xiàn)為先增大后減小再增大的趨勢，細(xì)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(xiàn)較為滯后，兩者的相關(guān)性系數(shù)可達(dá)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(xiàn)為先急劇增大后緩增大的趨勢，細(xì)河水源地的亞硝酸鹽氮濃度同樣呈現(xiàn)先急劇增大后緩增大的趨勢，且同樣表現(xiàn)較為滯后，兩者的相關(guān)性系數(shù)可達(dá)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(xiàn)為先緩增大后急劇增大的趨勢，細(xì)河水源地的氮濃度同樣呈現(xiàn)先緩增大后急劇增大的趨勢，且同樣表現(xiàn)較為滯后，兩者的相關(guān)性系數(shù)可達(dá)0.78，兩者累加值的相關(guān)性分析見圖4。

圖3 氨氮、亞硝酸鹽線性分析散點(diǎn)圖

4.3 水量水質(zhì)聯(lián)合分析

進(jìn)一步將表1洋河水庫下游洋河年徑流量年內(nèi)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(shù)據(jù)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(zhì)、下泄水量因子變化對細(xì)河地下水水源地水質(zhì)有影響，但單一因子的變化情況下其影響結(jié)果并不明顯。只有兩者同時(shí)變化情況下才會成倍數(shù)地影響細(xì)河地下水水源地水質(zhì)，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(guān)性分析散點(diǎn)圖

圖5 氨氮、亞硝酸鹽氮及流量的線性分析圖

5 結(jié)論和建議

5.1 結(jié)論

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

從氨氮和亞硝酸鹽氮指標(biāo)上判斷，洋河水庫和細(xì)河水源地水質(zhì)間存在較強(qiáng)線性相關(guān)關(guān)系。洋河水庫水質(zhì)、下泄水量兩個(gè)因子的變化，對細(xì)河水源地水質(zhì)有影響，但單一因子變化情況下其影響結(jié)果并不明顯。只有兩者同時(shí)變化情況下才會成倍數(shù)地影響細(xì)河地下水水源地水質(zhì)，其影響具有滯后性。

5.2 建議

a.撫寧區(qū)可用洋河水庫地表水源以減少對地下水的開采，現(xiàn)有細(xì)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(bǔ)給關(guān)系調(diào)節(jié)調(diào)度，解決洋河水庫汛期部分月份水質(zhì)因富營養(yǎng)化不達(dá)標(biāo)不能供水的情況。在洋河水質(zhì)達(dá)標(biāo)月份，可考慮加大下泄流量補(bǔ)給地下水， 在水質(zhì)變差月份，臨時(shí)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(nèi)。

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(shè)等管理及工程措施，保持好水庫水質(zhì)，對構(gòu)建秦皇島市供水安全網(wǎng)絡(luò)，提供補(bǔ)充水源，減少地下水開采，保護(hù)生態(tài)環(huán)境具有重要意義。