南水北調(diào)中線受水區(qū)保定平原地下水質(zhì)量演變預(yù)測(cè)研究

曹文庚，楊會(huì)峰，高媛媛，南 天，王 哲，徐素娟

（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，河北 石家莊 050061；2.自然資源部 地下水科學(xué)與工程科普基地，河北 石家莊 050061；3.水利部南水北調(diào)規(guī)劃設(shè)計(jì)管理局，北京 100038；4.海河水利委員會(huì)水文局，天津 300170；5.河北省地礦局地質(zhì)勘查技術(shù)中心，河北 石家莊 050081）

1 研究背景

南水北調(diào)中線受水區(qū)保定平原近40年來，由于長(zhǎng)期、持續(xù)、大規(guī)模過度開采地下水，區(qū)域地下水水位持續(xù)下降，超采嚴(yán)重[1]，部分含水層被疏干或枯竭，引發(fā)了地面沉降、地裂縫、水質(zhì)惡化等一系列生態(tài)與環(huán)境地質(zhì)問題，嚴(yán)重制約當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展和生態(tài)文明建設(shè)，危及生態(tài)安全和供水安全。南水北調(diào)東中線一期工程經(jīng)過10 多年的建設(shè)分別于2013年、2014年順利通水。隨著工程的通水，2018年南水北調(diào)工程開始對(duì)保定市的拒馬河、白洋淀進(jìn)行生態(tài)補(bǔ)水，地下水超采狀況有所緩解，保定平原受水區(qū)供水格局已發(fā)生改變，在緩解水資源緊張局面的同時(shí)，水位恢復(fù)不當(dāng)也會(huì)引起一系列的環(huán)境地質(zhì)問題[2]，特別是由于水位上升，在水巖交換作用下，會(huì)引發(fā)地下水化學(xué)組份的變化，局部地區(qū)地下水存在潛在污染的可能。因此本文基于校正的地下水流模型，利用美國(guó)地調(diào)局開發(fā)的PHREEQC 軟件，模擬2030年淺層地下水位上升后，水巖交換作用下保定平原地下水主要化學(xué)組分變化趨勢(shì)，分析地下水質(zhì)量演變機(jī)制。

目前，基于PHREEQC 的水巖交換模擬主要采用水文地球化學(xué)系統(tǒng)的化學(xué)平衡模擬方法[3]，國(guó)內(nèi)外學(xué)者利用PHREEQC 開發(fā)出多種模型和方法進(jìn)行水巖交換反應(yīng)模擬，Claus 利用PHREEQC 對(duì)不同深度的地下水化學(xué)組份進(jìn)行了建模，定義了一種一維的反應(yīng)輸運(yùn)模型，該模型考慮了地下水位上升過程中部分氧化的含硫黃鐵礦沉積物與地下水中所發(fā)生的水文地球化學(xué)反應(yīng)模擬[4]；王廣才團(tuán)隊(duì)建立了耦合的Monte Carlo-WATEQ4F模型對(duì)水-巖反應(yīng)平衡狀態(tài)進(jìn)行模擬和分析[5]；Stigter 團(tuán)隊(duì)建立正向地球化學(xué)模型方法，模擬了地表水與地下水混合灌溉對(duì)地下水環(huán)境的影響機(jī)制[6]；湯潔團(tuán)隊(duì)[7]及趙江濤等[8]利用反向水文地球化學(xué)模擬方法解釋了地下水化學(xué)成分的形成、分布及演化機(jī)理。通過梳理總結(jié)，目前國(guó)內(nèi)外在水巖交換方面較為成熟和流行的模型包括：（1）表面吸附模型（SCMs），主要基于水相及固相的化學(xué)特性，用數(shù)學(xué)的方法刻畫水巖交換作用中的離子吸附作用、競(jìng)爭(zhēng)及協(xié)同效應(yīng)，尤其擅長(zhǎng)模擬礦物表面化學(xué)鍵，例如絡(luò)合反應(yīng)[9-10]；（2）擴(kuò)散雙層模型（DLL），是顯示的計(jì)算擴(kuò)散層組成和非靜電層的表面絡(luò)合的模型，可以模擬水溶液中選擇性地吸附某種離子[11]。（3）電位分布-多點(diǎn)位絡(luò)合模型（CD-MUSIC），可以描述鐵氧化物及氫氧化物表面的吸附行為和離子形態(tài)分布[12-13]，還能預(yù)測(cè)環(huán)境條件改變下的離子形態(tài)的響應(yīng)特征[14]，同時(shí)可以捕捉主要離子的非線性電荷效應(yīng)[15]。因此，CD-MUSIC模型非常適合本次模擬的主題，故選擇CD-MUSIC模型模擬地下水位恢復(fù)后的地下水化學(xué)組分的演化趨勢(shì)。

2 研究區(qū)概況

2.1 自然地理概況南水北調(diào)受水區(qū)保定段主體為保定市平原區(qū)，北臨京廊、西依太行、東臨滄衡、南鄰石家莊，行政區(qū)劃上包括保定市區(qū)、滿城區(qū)、清苑區(qū)、徐水區(qū)、雄安新區(qū)、涿州市、定州市、高陽縣、蠡縣、高碑店、定興、望都和安國(guó)，平原區(qū)面積約1.1 萬km2（圖1）。該地區(qū)地勢(shì)平坦，海拔多在50 m 以下，自山前向白洋淀微傾斜。地表水系屬大清河流域，流經(jīng)的主要河流有拒馬河、易水河、漕河、界河和唐河等。

研究區(qū)地貌單元主要包括太行山山前沖洪積傾斜平原、沖積湖積微傾斜平原及平原東部的沖湖積低平原。山前沖洪積傾斜平原分布于易縣、滿城、唐縣、望都、定州、曲陽和行唐一帶，由拒馬河、易水河、漕河、府河、唐河等河流沖洪積扇構(gòu)成，地面高程80～30 m，地形坡降4‰～1‰，地勢(shì)大致自西南向東北傾斜。沖積湖積微傾斜平原分布于定興西南、容城以北、徐水、清苑、博野和安國(guó)一帶，位于山前沖洪積傾斜平原東部。上部為近代河流沖積層或扇前洼地相堆積物，下伏沖洪積層。地勢(shì)相對(duì)平坦，地面高程30～10 m，地形坡降2‰～1‰。沖湖積低平原分布于以白洋淀為中心的周邊地帶，主要為近代河流沖積相和湖沼相共同組成的平原，地勢(shì)低平、地面高程10～7 m，地形坡降一般0.7‰～0.2‰。

2.2 水資源狀況及環(huán)境地質(zhì)問題據(jù)《保定市第二次水資源評(píng)價(jià)報(bào)告》顯示，保定平原多年平均地表水資源量為1.49億m3/a，地下水資源量為15.79億m3/a，淺層地下水可開采資源量為15.39億m3/a。依據(jù)2016年保定市水資源公報(bào)數(shù)據(jù)，2016年保定平原總供水量22.98億m3，其中地下水開采量達(dá)到20.34億m3，包括淺層地下水19.37億m3，深層地下水0.97億m3。保定水資源整體狀況匱乏，自1980年代開始大規(guī)模開采地下水，多年的地下水超采造成地下水水位持續(xù)下降，形成多個(gè)淺層地下水位降落漏斗，依據(jù)2016年6月淺層地下水位等值線（圖1（b）），形成了“保定徐水區(qū)-容城淺層地下水漏斗”、“雄縣地下水漏斗”以及“高陽-蠡縣-清苑淺層地下水漏斗”，最大水位埋深為49.02 m，漏斗總面積達(dá)到4144.4 km3。

2.3 南水北調(diào)保定平原區(qū)外調(diào)水量包括南水北調(diào)和引黃入冀工程，南水北調(diào)計(jì)劃分配給保定水量為5.0015億m3，引黃入冀工程計(jì)劃分配保定水量2.55億m3，白洋淀生態(tài)補(bǔ)水1.1億m3，2017年開始試通水。2018年9月水利部選擇河北省境內(nèi)的滹沱河、滏陽河、南拒馬河3條典型河流的重點(diǎn)河段進(jìn)行生態(tài)補(bǔ)水，2020年計(jì)劃將生態(tài)補(bǔ)水范圍擴(kuò)大到14條河流。南水北調(diào)持續(xù)來水，保定平原全區(qū)皆為南水北調(diào)受水區(qū)，一定程度上替代保定平原全區(qū)現(xiàn)有的地下水開采，大幅度壓減了地下水開采量，從而引起區(qū)域地下水流場(chǎng)的變化，地下水位上升明顯。

圖1 保定平原水文地質(zhì)鉆探取樣點(diǎn)及淺層地下水流場(chǎng)

3 研究方法

3.1 地下水流場(chǎng)預(yù)測(cè)獲取2030年淺層地下水位基于已校正的地下水流模型[16]，依據(jù)國(guó)務(wù)院批復(fù)的《海河流域綜合規(guī)劃（2012—2030）》，南水北調(diào)河北省2020年分配水量30.4億m3，保定市年均分配江水量5.05億m3；2030年南水北調(diào)河北省規(guī)劃分配水量分別為42.3億m3，同時(shí)考慮雄安新區(qū)建設(shè)，保定2030年南水北調(diào)分配水量預(yù)計(jì)達(dá)到8.0億m3。在預(yù)測(cè)模型中，模擬預(yù)測(cè)期為2016.6—2030.12，共175個(gè)應(yīng)力期，以月為應(yīng)力期。源匯項(xiàng)部分，白洋淀入滲、河流、降水等采用全部平水年的數(shù)據(jù)；邊界流量采用現(xiàn)狀模型的定流量處理。依據(jù)預(yù)測(cè)結(jié)果（圖1（c）（d）），2030年保定平原全區(qū)淺層地下水位呈現(xiàn)不同程度的上升，上升幅度最大的為原地下水漏斗區(qū)域的雄縣、高陽及蠡縣，水位最大上升幅度達(dá)到35 m，山前地區(qū)水位上升幅度相對(duì)較小，一般小于15 m（圖1（d））。

3.2 地下水化學(xué)組分模擬點(diǎn)位及鉆探巖心采集深度選取在全區(qū)選取32個(gè)水文地質(zhì)鉆探點(diǎn)，點(diǎn)位的分布基本控制全區(qū)所有地質(zhì)地貌單元（圖1（a）），進(jìn)行地下水樣品及鉆孔巖心樣品采集，巖心的采集深度范圍與2016 至2030年淺層地下水位上升高度范圍一致，見圖1（d），樣品采集間隔為每10 cm 采集巖心樣品50 mg，然后進(jìn)行混合、過篩晾曬后送往河北省地質(zhì)實(shí)驗(yàn)測(cè)試中心進(jìn)行土樣的易溶鹽測(cè)試，測(cè)試項(xiàng)目包括：Na、Ca、Mg、HCO3、Cl、SO4含量。由于每個(gè)地下水樣品的地下水環(huán)境不同，鉆孔易溶鹽含量也存在較大的差異，因此本次模擬針對(duì)每個(gè)地下水樣品點(diǎn)都建立獨(dú)立的水文地球化學(xué)模型，分別進(jìn)行32組水巖相互作用的地球化學(xué)模擬。

3.3 水文地球化學(xué)模擬方法本次模型基于美國(guó)地調(diào)局開發(fā)的PHREEQC 軟件，采用的水文地球化學(xué)模擬方法是建立在平衡常數(shù)基礎(chǔ)上的平衡常數(shù)法。通常，水文地球化學(xué)模擬方法分為正向地球化學(xué)模擬和反向地球化學(xué)模擬，前者是依據(jù)假設(shè)反應(yīng)及動(dòng)力學(xué)參數(shù)來預(yù)測(cè)地下水化學(xué)組分及水-巖間的質(zhì)量交換；后者是依據(jù)水、土樣品的化學(xué)組分?jǐn)?shù)據(jù)來反向推測(cè)水巖交換反應(yīng)的過程。

（1）本次研究已經(jīng)掌握的數(shù)據(jù)包括：①2016年淺層地下水化學(xué)數(shù)據(jù)；②2016年水樣點(diǎn)附近巖心土樣的化學(xué)元素含量數(shù)據(jù)。

（2）模擬預(yù)測(cè)的目標(biāo)為：①2030年淺層地下水化學(xué)組分；②2030年淺層地下水化學(xué)類型。

本次模擬預(yù)測(cè)工作采用正向水文地球化學(xué)模擬，然而，正向模擬需要提供室內(nèi)試驗(yàn)條件下的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程以及相關(guān)模型參數(shù)。但是，由于本次工作缺乏室內(nèi)試驗(yàn)，無法通過試驗(yàn)獲取這些參數(shù)，因此在正向模擬之前，還需要加入反向地球化學(xué)模擬工作。依據(jù)2016年已知的地下水化學(xué)組分和巖心樣品化學(xué)組分，通過反向模擬，獲取了水文地球化學(xué)模擬的相關(guān)參數(shù)。然后，將參數(shù)重新代入正向地球化學(xué)模擬過程中，利用CD-MUSIC模型提供的反應(yīng)方程，采用水文地球化學(xué)混合作用模型、表面絡(luò)合作用模型、離子交換模型，進(jìn)行正向地球化學(xué)模擬，預(yù)測(cè)得出2030年淺層地下水恢復(fù)條件下水化學(xué)組分（圖2）。

圖2 南水北調(diào)受水區(qū)保定段水位恢復(fù)地下水化學(xué)組分模擬技術(shù)路線

正向地球化學(xué)模擬主要基于以下4個(gè)方程式。

利用PHREEQC 進(jìn)行地下水組分存在形式的計(jì)算，各種表面絡(luò)合組分可有以下方程確定：

式中：Cj為第j中絡(luò)合組分的活度；Kj為第j種絡(luò)合組分的熱力學(xué)平衡常數(shù)；αk為第k種組分的活度；Pk.j為第k種組分相對(duì)第j種絡(luò)合組分的化學(xué)計(jì)量數(shù)。上式即質(zhì)量作用方程，對(duì)于地下水中的主要組分，若第k種主要組分的化學(xué)分析濃度為Ak，則質(zhì)量守恒方程為：

從物理意義上講，ak和Cj必須滿足如下條件：

正向模擬反應(yīng)的基本步驟為：起點(diǎn)水溶液的化學(xué)組分+反應(yīng)相→終點(diǎn)水溶液的化學(xué)組分+生成相。可用下式表示：

式中：p為礦物相（反應(yīng)相+生成相）數(shù)目；ap為第p種礦物相進(jìn)入或離開每升溶液的摩爾數(shù)；bp，k為第p種礦物相中第k種元素的化學(xué)計(jì)量數(shù)；mT.k為溶液中第k種元素的總摩爾濃度。

將32個(gè)水位點(diǎn)的化學(xué)組分?jǐn)?shù)據(jù)以及相關(guān)熱力學(xué)參數(shù)代入以上方程式進(jìn)行迭代，分別建立32個(gè)水化學(xué)模擬模型，得出最終的評(píng)價(jià)結(jié)果。

3.4 模型參數(shù)選擇基于本項(xiàng)目已掌握的數(shù)據(jù)、模擬目標(biāo)及方法思路，結(jié)合保定平原淺層含水層的礦物環(huán)境特征及地下水的水化學(xué)特征，確定模型的三種參數(shù)，具體內(nèi)容及選擇理由為：①鐵錳氧化物及氫氧化物的吸附參數(shù)，依據(jù)本區(qū)的1∶5萬區(qū)域地質(zhì)調(diào)查成果，此區(qū)域淺層地下水所賦存的晚更新世地層中，重礦物主要為針鐵礦、磁鐵礦、鈦鐵礦等，因此本次模型考慮針鐵礦中鐵錳氧化物的吸附性能，因此反應(yīng)方程采用針鐵礦和各離子吸附解析的平衡方程（見表1）。表1中，lgK為收集已有的化學(xué)反應(yīng)的熱力學(xué)常數(shù)；lgKopti為進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化后的熱力學(xué)常數(shù)；②表面吸附節(jié)點(diǎn)的參數(shù)，主要考慮表面吸附的物理吸附和微觀結(jié)構(gòu)特征，本次依據(jù)CD-MUSIC模型定義了針鐵礦的兩種吸附點(diǎn)位類型，第一種是只有一個(gè)鐵原子的吸附點(diǎn)位，即Geo_uni，第二種為有三個(gè)鐵原子的吸附點(diǎn)位，即Geo_tri，基于固相的表觀形貌特征來反映吸附能力；③方解石、白云石、石膏等飽和指數(shù)。依據(jù)保定市1∶20萬水文地質(zhì)圖及其說明書等資料，晚更新世是太行山保定段山前沖洪積扇發(fā)育最為強(qiáng)烈的時(shí)期，由于山區(qū)廣泛分布的為薊縣系霧迷山組和鐵嶺組的白云巖、白云質(zhì)灰?guī)r等，受山區(qū)匯水區(qū)溶濾作用影響，平原區(qū)地下水陽離子主要為Ca、Mg 等離子，陰離子以HCO3及SO4為主，因此主要考慮方解石（CaCO3）及白云石（CaMg（CO3）2）以及石膏（CaSO4·2H2O）礦物的溶解及沉淀過程。

3.5 水文地球化學(xué)反應(yīng)方程確定依據(jù)模型參數(shù)的選擇，本次模擬的反應(yīng)方程選取具體見表1。

3.6 模擬結(jié)果檢驗(yàn)本次通過PHREEQC 模擬預(yù)測(cè)獲取的2030年保定平原淺層地下水化學(xué)數(shù)據(jù)，需要對(duì)結(jié)果進(jìn)行可靠性檢查，從而保證水文地球化學(xué)模擬的質(zhì)量。

本次采用陰陽離子平衡檢查，天然地下水的化學(xué)成分中，陰陽離子是主要的組成部分，因此在水化學(xué)分析前進(jìn)行陰陽離子的平衡檢查是非常必要的。將所有陰陽離子的單位由原來的“mg/L”換算為毫克當(dāng)量濃度（meq/L），通過計(jì)算水中陰陽離子的相對(duì)誤差來判斷預(yù)測(cè)的2030年水化學(xué)數(shù)據(jù)的可靠性。

離子平衡的檢查公式為：

式中：E為相對(duì)誤差，%；Mc及Ma為陽離子及陰離子的毫克當(dāng)量數(shù)，meq/L。

4 結(jié)果與分析

4.1 反向水文地球化學(xué)模擬結(jié)果保定平原從1970年代開始大規(guī)模開采地下水，地下水位不斷下降，本次選擇某一個(gè)地下水樣品點(diǎn)，例如以SH0538C 點(diǎn)為例，此點(diǎn)位于保定市博野縣內(nèi)，2016年水位標(biāo)高為-9.45 m，預(yù)測(cè)2030年水位標(biāo)高恢復(fù)至20 m，水位恢復(fù)接近30 m。本文通過鉆探采集SH0538C 水樣點(diǎn)附近巖心，選擇水位恢復(fù)段巖心樣品后，進(jìn)行過篩、混合，對(duì)混合樣品測(cè)試易溶鹽組分，獲取水位恢復(fù)段的巖土易溶鹽組分特征，由于易溶鹽是采用水溶法，即用4倍的純水進(jìn)行溶解，并測(cè)試溶解出來主要離子含量。所以，易溶鹽組分特征實(shí)際上是巖土的水溶態(tài)。

表1 主要離子表面絡(luò)合反應(yīng)

基于以上條件，可以得到以下假設(shè)：水位恢復(fù)段的巖土水溶態(tài)含量基本等于自20世紀(jì)70年代水位下降過程中，表面絡(luò)合到巖土顆粒上的吸附量?；诖思僭O(shè)，嘗試建立反向地球化學(xué)模型，以巖土易溶鹽含量作為模擬的終點(diǎn)，反向模擬強(qiáng)開采條件下水位下降過程中水巖交換反應(yīng)，對(duì)研究方法中3個(gè)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，包括：表面吸附點(diǎn)位參數(shù)、鐵氧化物和氫氧化物的吸附參數(shù)以及方解石、石膏的飽和指數(shù)。

假設(shè)驗(yàn)證：通過調(diào)整參數(shù)，對(duì)Ca、Mg、Na、HCO3、SO4、Cl 共6種離子進(jìn)行擬合，擬合度結(jié)果見表2。從表2可以看出，整體擬合度較好，Ca、Na、HCO3、SO4擬合度最優(yōu)（圖3及圖4），Cl 擬合度最差，其原因是Cl 的化學(xué)性質(zhì)較為穩(wěn)定，在水巖交換過程中不發(fā)生任何交換反應(yīng)，溶解度較高，因此造成Cl含量實(shí)測(cè)值與預(yù)測(cè)值擬合度較低，Cl 的擬合度基本可以滿足本次模擬的精度。

表2 水位恢復(fù)段巖土易溶鹽含量指標(biāo)與反向水文地球化學(xué)模擬計(jì)算的表面吸附量擬合度評(píng)價(jià)指標(biāo)

圖3 易溶鹽指標(biāo)含量實(shí)測(cè)值與反向水文地球化學(xué)模擬計(jì)算的表面吸附量對(duì)比

4.2 正向水文地球化學(xué)預(yù)測(cè)結(jié)果基于反向地球化學(xué)模擬得出的表面吸附節(jié)點(diǎn)參數(shù)、鐵錳氧化物吸附參數(shù)及方解石石膏的飽和指數(shù)，代入正向地球化學(xué)模型中，進(jìn)行正向地球化學(xué)預(yù)測(cè)工作，基于方程（1）—（3），導(dǎo)入反向地球化學(xué)模型模擬得出表面絡(luò)合參數(shù)、鐵錳吸附參數(shù)以及礦物的飽和指數(shù)，在給定參數(shù)后就可計(jì)算出地下水中各種組分存在形式的濃度（活度）。建立水位恢復(fù)上升的一維流水-巖作用模型，基于PHREEQC 本身自帶表面吸附模型和離子交換模型，對(duì)2016年每個(gè)地下水樣品點(diǎn)進(jìn)行正向模擬，分別輸入各點(diǎn)水位上升前水化學(xué)數(shù)據(jù)，分別確定各自表面吸附過程、離子交換過程及礦物的溶解沉淀過程。最終獲取保定平原全區(qū)2030年淺層地下水化學(xué)組分（表3）。

采用研究方法中3.6 的模擬檢驗(yàn)公式，對(duì)預(yù)測(cè)出的2030年淺層地下水化學(xué)組分進(jìn)行檢驗(yàn)，32組水化學(xué)數(shù)據(jù)電荷平衡誤差皆小于10%，本次預(yù)測(cè)結(jié)果較為可靠。

5 討論

依據(jù)模擬預(yù)測(cè)結(jié)果，2030年南水北調(diào)受水區(qū)保定平原域淺層地下水位恢復(fù)明顯，區(qū)內(nèi)地下水化學(xué)組分也隨之發(fā)生變化。為進(jìn)一步分析南水北調(diào)供水對(duì)保定平原淺層地下水環(huán)境的影響，對(duì)保定平原2016年及2030年的地下水化學(xué)規(guī)律進(jìn)行對(duì)比研究，分析水化學(xué)類型及影響地下水質(zhì)量的主要指標(biāo)的變化趨勢(shì)。

5.1 水化學(xué)類型變化趨勢(shì)依據(jù)2016年及2030年保定平原淺層地下水化學(xué)數(shù)據(jù)，分別制作了2016年淺層地下水化學(xué)類型分區(qū)圖以及2030年淺層地下水化學(xué)類型分區(qū)圖，對(duì)比二者可以看出：至2030年，南水北調(diào)供水條件下，由于水位大面積抬升，全區(qū)淺層地下水化學(xué)類型發(fā)生了較大的變化。

表3 2030年保定平原淺層地下水化學(xué)組分預(yù)測(cè) （單位：mg/L）

總體上，淺層地下水逐漸向鹽化方向發(fā)展，HCO3-SO4型水代替HCO3型水成為保定平原主要的陰離子水化學(xué)類型，平原東部的地下水排泄區(qū)出現(xiàn)了Cl型水；Na-Ca型水成為平原中部主要的陽離子水化學(xué)類型（圖4）。

分帶特征變化明顯，由山前至平原中部，2016年淺層地下水化學(xué)類型由山前的Ca-Mg-HCO3型水，至平原中部逐漸演化為Na-Ca-HCO3-Cl型水；2030年由山前至平原中部，山前沖洪積平原的Ca-Mg-HCO3型水面積大幅下降，由2016年6749 km2下降至3351 km2，平原中部Na-Mg-HCO3-SO4型水面積由2016年的921 km2擴(kuò)大至4109 km2（表4及圖4）。大部分地區(qū)，Na和Cl 是地下水化學(xué)組分中增長(zhǎng)比例最大的離子，造成此問題的原因是由于水位恢復(fù)段巖心存在的大量Na+及Cl-，巖鹽的溶解是造程平原東部大部分地區(qū)Cl元素含量上升的主要原因，高蠡清淺層地下水漏斗是Cl含量增幅最大的區(qū)域，經(jīng)過預(yù)測(cè)，至2030年，在平原東部地下水漏斗中心，行政區(qū)位置屬于高陽縣東北部，形成了Na-Cl型水，面積達(dá)到121.99 km2（表4）。

圖4 2016年及2030年水位恢復(fù)條件下保定平原淺層地下水水化學(xué)類型分區(qū)對(duì)比

表4 保定平原2016年及2030年淺層地下水水化學(xué)類型面積對(duì)比

5.2 TDS變化趨勢(shì)分析前人多項(xiàng)成果已經(jīng)表明，地下水超采以及地下水的快速下降，會(huì)造成地下水TDS含量的增加。依據(jù)本次模型，水位回升條件控制下，2030年全區(qū)淺層地下水TDS含量變化表現(xiàn)出明顯的水文地質(zhì)分帶性。依據(jù)2016年及2030年淺層地下水TDS含量制作的TDS含量變差圖（圖5）可以看出，自山前向平原東部，TDS含量由增加逐漸變?yōu)闇p少，保定平原北部永定河沖洪積平原、平原中部的易水河沖洪積平原、平原南部的唐河-沙河沖洪積扇，都表現(xiàn)為TDS 上升的趨勢(shì)，Cl及SO4含量上升是造成TDS 增大的主要原因；保定市區(qū)、安新、雄縣地區(qū)TDS含量表現(xiàn)為下降趨勢(shì)，其分布范圍與白洋淀附近的高水位區(qū)基本一致，TDS含量下降最大處分別位于保定市區(qū)及白洋淀周邊地區(qū)。

5.3 硬度變化趨勢(shì)分析硬度是研究地下水水質(zhì)的重要指標(biāo)之一，也是區(qū)域上影響地下水質(zhì)量分級(jí)的主控因素。雖然目前已有大量的文獻(xiàn)對(duì)硬度與地下水位、地下水開采的關(guān)系進(jìn)行了分析論證，通常認(rèn)為水位下降、地下水超采是造成地下水硬度升高的主要原因。隨著南水北調(diào)供水、地下水開采減少，水位逐漸恢復(fù)，包氣帶厚度減小，部分包氣帶轉(zhuǎn)化為飽和帶，地下水環(huán)境由氧化環(huán)境逐漸變?yōu)檫€原環(huán)境，地下水入滲途徑縮短，大大減少了白云石等礦物溶解帶來的Ca2+及Mg2+含量。依據(jù)2016年至2030年淺層地下水硬度變差圖（圖5）可以看出，全區(qū)大部分地區(qū)，淺層地下水硬度下降明顯。至2030年，硬度下降幅度最大的區(qū)域主要為雄安新區(qū)及其周邊地區(qū)，硬度下降幅度超過200 mg/L，雄安新區(qū)及其附近水質(zhì)有逐漸好轉(zhuǎn)的趨勢(shì)；而清苑南部以及保定市北部徐水容城一帶，淺層地下水硬度有小幅度上升。

圖5 2016—2030年保定平原淺層地下水TDS及硬度含量變幅

6 結(jié)論

針南水北調(diào)受水區(qū)保定平原開展地下水位回升條件下的水質(zhì)演化預(yù)測(cè)研究，基于水巖相互作用過程中的表面吸附作用、鐵錳氧化物及氫氧化物的吸附作用、離子的競(jìng)爭(zhēng)與協(xié)同吸附效應(yīng)，以及不同礦物的溶解平衡，分析得出：

（1）總體上，南水北調(diào)受水區(qū)保定平原淺層地下水逐漸向鹽化方向發(fā)展，HCO3-SO4型水代替HCO3型水成為保定平原主要的陰離子水化學(xué)類型，平原東部高陽-蠡縣地區(qū)出現(xiàn)了Cl型水，Na-Ca型水成為保定平原中東部地區(qū)主要的陽離子水化學(xué)類型，巖鹽的溶解是造成平原東部大部分地區(qū)Cl元素含量上升的主要原因，高陽-蠡縣淺層地下水漏斗區(qū)是Cl含量增幅最大的區(qū)域。

（2）至2030年淺層地下水位整體回升后，保定平原的東西部地下水質(zhì)量演化趨勢(shì)存在較大的差異。西部的山前平原淺層地下水TDS含量增大明顯，其中拒馬河沖洪積扇、易水河沖洪積扇以及唐河-沙河沖洪積扇增幅達(dá)到100 mg/L 以上，水位上升后地層中巖鹽及石膏的礦物溶解是造成TDS 上升的主要原因。中東部平原的保定市區(qū)、安新、雄縣、高陽等地區(qū)TDS含量表現(xiàn)為下降趨勢(shì)，其分布范圍與淺層地下水降落漏斗基本一致；至2030年，全區(qū)淺層地下水硬度下降明顯，硬度降幅最大的區(qū)域主要為地下水漏斗中心的雄縣、高陽及蠡縣地區(qū)，硬度下降幅度超過200 mg/L，陽離子交換作用是造成Ca、Mg含量下降的主要原因。南水北調(diào)供水及壓采后，水位恢復(fù)對(duì)地下水漏斗區(qū)域水質(zhì)改善具有一定的積極作用。

（3）地表水的混合主要發(fā)生在山前的幾條補(bǔ)水河道中，這種混合作用對(duì)局部河段影響帶地下水質(zhì)量的影響是比較大，但是由于補(bǔ)水期較短、補(bǔ)水量較小，且未見長(zhǎng)期補(bǔ)水規(guī)劃，對(duì)區(qū)域地下水質(zhì)量影響相對(duì)較小。因此，本次水文地球化學(xué)模擬工作主要考慮的是“南水北調(diào)來水后，本地的地下水壓采產(chǎn)生的水位抬升”，未能考慮地人工回補(bǔ)的地表水和地下水的混合作用，這是本次工作的缺憾，筆者下一步工作會(huì)開展相關(guān)研究，在模型中加入地表水混合作用。