滹沱河超采區(qū)地下水硫酸鹽來源識(shí)別及遷移轉(zhuǎn)化

田 夏， 李亞松*， 費(fèi)宇紅， 曹勝偉， 馮創(chuàng)業(yè)， 孟 艷

(1.中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)研究所，石家莊 050061；2.河北省地礦局水文工程地質(zhì)勘查院，石家莊 050021；3.石家莊市水務(wù)局，石家莊 050051)

滹沱河沖洪積平原是華北平原人類活動(dòng)最為強(qiáng)烈、淺層地下水超采最為嚴(yán)重的地區(qū)[1]。滹沱河平原淺層地下水超采區(qū)包含石家莊市、藁城區(qū)、欒城區(qū)、正定縣和鹿泉區(qū)平原，面積為2 284 km2，其中強(qiáng)烈超采區(qū)位于石家莊地下水降落漏斗區(qū)[2]。由于人類活動(dòng)的影響，近幾十年石家莊市水環(huán)境發(fā)生了惡劣性變化，河道干涸，水位快速下降，部分地區(qū)地下水含水層出現(xiàn)疏干，改變了原有的地下水補(bǔ)給、徑流和排泄特征，地下水水化學(xué)環(huán)境也發(fā)生了變化。天然條件下，滹沱河平原區(qū)地下水主要接受大氣降水入滲補(bǔ)給和河流入滲補(bǔ)給，現(xiàn)今降水入滲、井灌回歸以及水庫(kù)副壩滲漏成為補(bǔ)給該區(qū)地下水的主要補(bǔ)給來源[3-4]。

滹沱河平原地下水方面的研究程度較高，有關(guān)地下水循環(huán)、水污染、水資源以及水化學(xué)等方面的研究屢見不鮮[5-11]，但涉及滹沱河超采區(qū)地下水硫酸鹽異常升高的研究較少。近年調(diào)查和監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，滹沱河主河道附近地下水硫酸鹽含量日趨增高，范圍逐漸增大；并有向地下水降落漏斗區(qū)擴(kuò)散的趨勢(shì)。在該區(qū)已形成重碳酸硫酸鹽型地下水1 068 km2。依據(jù)水文地球化學(xué)理論，山前地區(qū)地下水流速大、更新快，在水巖作用下地下水多為重碳酸鹽型水；而重碳酸硫酸鹽型地下水的出現(xiàn)應(yīng)當(dāng)引起重視。滹沱河主河道附近又是石家莊市地下水飲用水源區(qū)，硫酸鹽的不斷增加嚴(yán)重威脅水源地安全。因此，研究滹沱河超采區(qū)地下水硫酸鹽的來源，解析硫酸鹽在地表水-包氣帶-地下水中的遷移轉(zhuǎn)化關(guān)系，對(duì)石家莊地下水安全供給具有十分重要的意義。

1 區(qū)域特征及研究方法

1.1 區(qū)域特征

滹沱河超采區(qū)位于滹沱河沖洪積扇上部，地勢(shì)平坦，多年平均降水量為531 mm，行政區(qū)域包括石家莊市、鹿泉區(qū)、欒城區(qū)、藁城區(qū)和正定縣的一部分，面積約2 284 km2，是華北平原的重要經(jīng)濟(jì)區(qū)。滹沱河是唯一地表水河流，出山口受黃壁莊水庫(kù)控制，由于地表水?dāng)r蓄，滹沱河自20世紀(jì)80年代常年斷流，僅大洪水時(shí)過水。

研究區(qū)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(dǎo)水性和富水性較好，滲透系數(shù)60～130 m/d，單位涌水量在沖洪積扇軸部大于70～100 m3/(h·m)，向兩翼減少到10～30 m3/(h·m)。

淺層地下水系統(tǒng)是開放的系統(tǒng)，水循環(huán)交替強(qiáng)烈，天然條件下地下水自西向東流動(dòng)。受人類開采地下水影響，石家莊市形成了地下水降落漏斗，致使地下水流向漏斗中心匯集；地下水補(bǔ)給依靠大氣降水入滲、地表水入滲、山區(qū)側(cè)向徑流、灌溉回歸補(bǔ)給、河道滲漏補(bǔ)給、渠道滲漏及渠灌入滲等；地下水排泄以地下水開采為主，潛水蒸發(fā)幾乎為零。

1.2 研究方法

本研究基于長(zhǎng)時(shí)間序列、多點(diǎn)位交叉動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，滹沱河超采區(qū)地下水硫酸鹽演變存在異常；通過對(duì)水文地質(zhì)條件、補(bǔ)徑排關(guān)系分析，得出研究區(qū)地下水硫酸鹽異常與上游地表水有著緊密聯(lián)系；結(jié)合水文地球化學(xué)理論開展了野外調(diào)查及取樣工作，運(yùn)用硫氧同位素技術(shù)，對(duì)研究區(qū)地下水硫酸鹽來源問題進(jìn)行了研究，并利用歷史洪水記錄對(duì)研究結(jié)果加以印證。通過上述研究建立了滹沱河超采區(qū)地下水硫酸鹽在地表水-包氣帶-地下水中的遷移轉(zhuǎn)化模式，為滹沱河超采區(qū)的地下水環(huán)境污染防治與地下水可持續(xù)利用提供了科學(xué)依據(jù)。

2 地下水硫酸鹽演變的時(shí)空差異分析

圖1 研究區(qū)地下水分布 distribution of groundwater in the study area

2.1 空間差異性

2.2 時(shí)間差異性

圖2 地下水漏斗區(qū)化學(xué)組分變化過程Fig.2 Change process of chemical composition in groundwater funnel

2.3 地下水水化學(xué)類型演變

20世紀(jì)60年代以前，研究區(qū)地下水受人類活動(dòng)影響較小，水質(zhì)較好，地下水類型主要以HCO3-Ca(Ca·Mg)型水為主。70年代，研究區(qū)內(nèi)淺層地下水水化學(xué)類型主要有HCO3-Ca(Ca·Mg)、HCO3·Cl-Ca·Mg(Mg·Ca)、HCO3·SO4-Ca·Mg三種水化學(xué)類型。其中HCO3-Ca(Ca·Mg)型水分布范圍最廣，主要分布在北部的正定縣、石家莊市區(qū)西部山前地帶和藁城區(qū)以南一帶，面積達(dá)1 452.07 km2，占總面積的63.57%；HCO3·SO4-Ca·Mg型水沿滹沱河呈條帶狀分布，面積335.13 km2，占總面積的14.67%；HCO3·Cl-Ca·Mg(Mg·Ca)型水主要分布在欒城區(qū)以西地區(qū)，和藁城區(qū)北部地區(qū)，面積497.07 km2，占總面積的21.76%(圖3)。

經(jīng)過幾十年的變化，如今區(qū)域地下水水化學(xué)類型以HCO3·SO4-Ca·Mg、HCO3-Ca·Mg型為主，輔以HCO3·Cl-Ca·Mg和HCO3·SO4·Cl-Ca·Mg型水。HCO3-Ca·Mg型水分布區(qū)域的北部和南部，分布面積減少為831.86 km2，占總面積的36.42%；HCO3·SO4-Ca·Mg型水特點(diǎn)較為明顯，沿滹沱河呈條帶狀分布，面積增大為756.67 km2，占總面積的33.13%，并在HCO3·SO4-Ca·Mg型水的南側(cè)形成了條帶狀的HCO3·SO4·Cl-Ca·Mg型水，面積達(dá)169.39 km2，占總面積的7.42%，與硫酸鹽在該區(qū)域富集有關(guān)；HCO3·Cl-Ca·Mg型水主要分布在研究區(qū)南側(cè)的藁城區(qū)，面積為526.35 km2，占總面積的23.04%(圖4)。

3 地下水硫酸鹽污染來源分析

通過上述分析已明確研究區(qū)地下水硫酸鹽高值區(qū)沿滹沱河分布，且含量日趨增高，范圍逐漸增大，就此需對(duì)硫酸鹽的來源及污染途徑做進(jìn)一步分析。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(dòng)的輸入[14-17]。

3.1 地下水與地表水的補(bǔ)給關(guān)系

3.1.1 地下水無對(duì)地表水的補(bǔ)給能力

圖3 研究區(qū)20世紀(jì)70年代地下水化學(xué)類型分布Fig.3 Groundwater chemical type distribution in the study area in 1970 s

圖4 研究區(qū)2012年地下水化學(xué)類型分布Fig.4 Groundwater chemical types distribution in the study area in 2012

20世紀(jì)60年代研究區(qū)地下水埋深較淺，自西向東流動(dòng)，是區(qū)內(nèi)工業(yè)和生活的主要供水水源。由于連續(xù)超強(qiáng)度開采，導(dǎo)致地下水采補(bǔ)失衡，于1964年在市區(qū)形成了地下水降落漏斗，面積約57 km2；2005年地下水漏斗已擴(kuò)展為501.7 km2，中心地下水埋深52.44 m；2015年受地下水壓采和降水量增大的影響，漏斗中心埋深50.6 m。由于地下水位大幅度下降，地下水已沒有補(bǔ)給地表水的能力，開采地下水和側(cè)向徑流成為地下水的排泄途徑。地下水漏斗的形成使地下水流動(dòng)方向改變?yōu)橄蚵┒分行膮R集(圖5)。

圖5 研究區(qū)淺層地下水埋深分區(qū)Fig.5 Shallow groundwater depth of the study area

3.1.2 地表水線狀或面狀補(bǔ)給地下水

滹沱河洪水是研究區(qū)地下水的重要補(bǔ)給源，受上游水庫(kù)攔蓄的影響，近20 a基本全年斷流，干涸的河道只有在行洪時(shí)大量補(bǔ)充地下水。滹沱河河道是石家莊地區(qū)地下水的強(qiáng)入滲帶，河道入滲補(bǔ)給系數(shù)達(dá)90%以上[18]。

石津渠引自黃壁莊水庫(kù)，是向研究區(qū)東部供水的主干渠，20世紀(jì)70年代供水之前以土渠為主，渠系利用系數(shù)在0.6左右，渠水滲漏補(bǔ)給地下水。近年來，施行了襯砌，渠水滲漏量幾乎為零。

黃壁莊水庫(kù)副壩近7 km長(zhǎng)，面迎石家莊，壩基坐落于滹沱河古河床上，自建成以后，形成了嚴(yán)重地下水滲流帶，據(jù)計(jì)算，副壩滲漏量多年平均為7 500×104m3/a[19]，形成了地下水面狀補(bǔ)給源。2003年之后在副壩截滲工程之后，該水量大幅減小。

3.2 地表水硫酸鹽來源

研究區(qū)的地表水來源為滹沱河，滹沱河發(fā)源于山西省繁峙縣，穿越太行山，在平山縣被崗南水庫(kù)攔蓄，其下游23 km是黃壁莊水庫(kù)，中間有治河入流。兩個(gè)串聯(lián)水庫(kù)調(diào)節(jié)滹沱河徑流，保障平原區(qū)免遭洪災(zāi)，并向下游提供生活、生產(chǎn)和農(nóng)業(yè)用水，并作為戰(zhàn)略用水保障北京用水。據(jù)對(duì)黃壁莊水庫(kù)和崗南水庫(kù)水質(zhì)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，黃壁莊水庫(kù)硫酸鹽含量一直處于較高狀態(tài)，2004—2008年平均為186.67 mg/L，2009—2013年平均為179.29 mg/L，2016年為178.6 mg/L。

3.2.1 樣品采集

2016年6月對(duì)冶河、崗南水庫(kù)、黃壁莊水庫(kù)、滹沱河流域進(jìn)行了野外調(diào)查及取樣工作，取水樣32個(gè)，其中淺層地下水24個(gè)，地表水8個(gè)(圖6)。樣品采集點(diǎn)的分布遵循區(qū)域控制，地下水主要為沿河流域淺層農(nóng)用井和自備井為主，地表水主要采集冶河上下游、崗南及黃壁莊水庫(kù)水樣。在地下水樣品采集前，對(duì)樣井進(jìn)行0.5 h的抽水處理。

圖6 滹沱河、冶河樣品采集和分布Fig.6 Sample collection and distribution of Hutuo River and Ye River

3.2.2 樣品測(cè)試

樣品測(cè)試內(nèi)容包括現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試指標(biāo)5項(xiàng)、無機(jī)常規(guī)指標(biāo)19項(xiàng)、同位素指標(biāo)2項(xiàng)(表1)。

表1 地下水監(jiān)測(cè)指標(biāo)分類表

3.2.3 樣品分析

3.3 地下水對(duì)地表入滲響應(yīng)分析

4 地下水硫酸鹽污染路徑分析

表2 滹沱河及冶河流域硫、氧同位素統(tǒng)計(jì)

據(jù)此，編制出滹沱河平原地下水硫酸鹽污染路徑圖(圖7)，該圖反映了采煤條件下，礦坑水通過“礦井排水-巖溶水-泉水-地表徑流-水庫(kù)蓄水-水庫(kù)放水-補(bǔ)給地下水”的水動(dòng)力系統(tǒng)污染地下水。

圖7 滹沱河平原地下水硫酸鹽污染路徑Fig.7 Sulfate pollution path of groundwater in Hutuo River Plain

5 結(jié)論

滹沱河超采區(qū)地下水硫酸鹽增高為滹沱河地表水入滲所致。人類采煤活動(dòng)導(dǎo)致上游冶河硫酸鹽含量增高，污染源通過“礦坑涌水—巖溶水—地下泉水出露—地表徑流”和“礦坑涌水—地表徑流”等路徑匯入黃壁莊水庫(kù)，洪水期、農(nóng)灌期及庫(kù)區(qū)滲漏等因素導(dǎo)致硫酸鹽從山區(qū)進(jìn)入平原，并由地表滲入地下，使滹沱河超采區(qū)地下水硫酸鹽增多，HCO3·SO4-Ca·Mg型水面積沿滹沱河不斷擴(kuò)大。

滹沱河超采區(qū)是南水北調(diào)供水區(qū)，也是地下水壓采區(qū)，未來若以黃壁莊水庫(kù)水作為環(huán)境用水，有造成地下水硫酸繼續(xù)污染的風(fēng)險(xiǎn)。上游采礦區(qū)治理污染，減少排放，是下游地區(qū)地下水保護(hù)的重要對(duì)策。