滹沱河超采區(qū)地下水回補(bǔ)的水化學(xué)效應(yīng)研究

田 夏, 孟素花, 崔向向, 張學(xué)慶, 張兆吉, 費(fèi)宇紅

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.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局， 河北省地下水污染機(jī)理與修復(fù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 河北 石家莊 050803

滹沱河沖洪積平原工業(yè)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用水以地下水為主，地下水超采嚴(yán)重，水位持續(xù)下降，已形成的地下水降落漏涵蓋了石家莊市區(qū)及周邊的正定縣、藁城區(qū)，面積達(dá)473.8 km2[1-2]. 部分地區(qū)地下水含水層出現(xiàn)疏干，水環(huán)境發(fā)生惡劣性變化，城市區(qū)和工業(yè)區(qū)已顯現(xiàn)出地下水污染的態(tài)勢(shì)[3-5].

利用人工回補(bǔ)的方式修復(fù)地下水降落漏斗，達(dá)到治理地下水超采的目的，是科學(xué)界探討已久的問題.美國(guó)20世紀(jì)80年代以來實(shí)施的“含水層儲(chǔ)存恢復(fù)(ASR)工程計(jì)劃”[6]，已建成的ASR系統(tǒng)在100個(gè)以上. 澳大利亞建立的地下水回補(bǔ)工程，對(duì)場(chǎng)址的選擇設(shè)計(jì)、水質(zhì)變化、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估等均有一定的研究基礎(chǔ)[7]. 我國(guó)學(xué)者針對(duì)華北平原大面積降落漏斗區(qū)，開展了山前地下水調(diào)蓄能力研究，認(rèn)為利用疏干含水介質(zhì)空間建立調(diào)蓄區(qū)，選擇有效的補(bǔ)給水源進(jìn)行地下水人工補(bǔ)給，可以增加地下水量，涵養(yǎng)和恢復(fù)地下水資源[8-9]. 通過上游水庫(kù)放水試驗(yàn)，對(duì)華北平原河道含水介質(zhì)和地表水與地下水補(bǔ)排關(guān)系的研究認(rèn)為，利用河道回補(bǔ)地下水是最行之有效且經(jīng)濟(jì)實(shí)用的方法[10-12]，然而對(duì)于地下水流場(chǎng)和水化學(xué)場(chǎng)協(xié)同變化的研究則難以用現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證.

該文選用滹沱河地下水超采區(qū)為研究區(qū)，利用2018年開始的人工回補(bǔ)工程為試驗(yàn)場(chǎng)地，開展現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、地下水化學(xué)檢測(cè)等工作，應(yīng)用水文地球化學(xué)、水文學(xué)和統(tǒng)計(jì)學(xué)等方法，對(duì)該地區(qū)地下水回補(bǔ)后的水化學(xué)效應(yīng)變化進(jìn)行研究. 研究區(qū)近幾十年來地下水位持續(xù)降低，地下水礦化度、總硬度、C1-、Ca2+含量均有升高的趨勢(shì)，其中硫酸鹽在滹沱河主河道附近富集明顯，并有向降落漏斗區(qū)擴(kuò)散的趨勢(shì)[13-14]. 河道補(bǔ)水后，地下水位回升，蘊(yùn)藏在包氣帶中的硫酸鹽及其他污染物存在二次污染地下水的風(fēng)險(xiǎn)，因此研究回補(bǔ)區(qū)地下水化學(xué)變化特征，對(duì)滹沱河超采區(qū)地下水環(huán)境安全具有十分重要的意義.

1 試驗(yàn)方案

1.1 區(qū)域概況

研究區(qū)位于華北平原滹沱河沖洪積扇(114°17′E～114°57′E、37°49′N～38°21′N)，包括石家莊市區(qū)、正定縣、藁城區(qū)、欒城區(qū)和鹿泉區(qū)的一部分，面積2 284 km2. 該研究區(qū)為半干旱性氣候區(qū)，年均氣溫14 ℃，年均降水量531 mm，地勢(shì)平坦，西高東低，是華北平原的主要農(nóng)業(yè)和工業(yè)區(qū). 滹沱河是研究區(qū)最大的地表河流，自西向東貫穿該研究區(qū)，上游黃壁莊水庫(kù)攔蓄了90%以上的河川徑流，致河道于20世紀(jì)八九十年代斷流. 滹沱河道成為污染物排放通道，污染物隨地表入滲沿包氣帶下移，構(gòu)成地下水二次污染的風(fēng)險(xiǎn).

研究區(qū)包氣帶以砂性土為主，北部滹沱河現(xiàn)代河床及河漫灘包氣帶巖性以砂礫石為主，石家莊市區(qū)及南部多以黏性土為主，夾少量砂性土，包氣帶結(jié)構(gòu)和巖性有利于地下水補(bǔ)給，但防污性能相對(duì)較差. 地下水氮污染、鹽污染、有機(jī)污染均有發(fā)生，污染指標(biāo)主要為溶解性總固體(TDS)、總硬度、硝酸鹽、硫酸鹽、氯化物、重金屬、有機(jī)物等[15-24].

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)為60～130 md，單位涌水量在沖洪積扇軸部大于70～100 m3(h·m)，且向兩翼減少〔10～30 m3(h·m)〕. 地下水補(bǔ)給主要是大氣降水、開采地下水回歸、山區(qū)側(cè)向徑流、河道入滲補(bǔ)給[25]；地下水整體自西向東流動(dòng)，在漏斗區(qū)地下水向漏斗中心匯集，排泄方式主要是人為開采.

1.2 補(bǔ)水過程

試驗(yàn)補(bǔ)水以“南水北調(diào)”總干渠退水閘為界分為上下2個(gè)補(bǔ)水段，上段接受黃壁莊水庫(kù)補(bǔ)水，下段接受黃壁莊水庫(kù)與“南水北調(diào)”共同補(bǔ)水. 2018年4月13日，黃壁莊水庫(kù)向下游滹沱河補(bǔ)水，9月水量逐漸減小. 2018年9月13日，利用“南水北調(diào)”總干渠退水閘，向滹沱河河道補(bǔ)水，流經(jīng)石家莊市區(qū)、正定縣、藁城區(qū)，直至下游獻(xiàn)縣樞紐閘. 放水過程分2個(gè)階段：第1階段為2018年9—11月，補(bǔ)水量為2×108～3×108m3；第2階段為2018年12月—2019年8月，補(bǔ)水量為1.5×108～2.0×108m3.

1.3 動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)與樣品采集

為分析補(bǔ)水后地下水化學(xué)效應(yīng)，在研究區(qū)布設(shè)兩類監(jiān)測(cè)井，一類是開展地下水區(qū)域研究的統(tǒng)測(cè)井，另一類是沿滹沱河兩岸布設(shè)的20眼地下水動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)井. 動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)井于2018年6月開始監(jiān)測(cè)，每5 d測(cè)水位一次，多為農(nóng)灌井，分布于離滹沱河河道3 km范圍內(nèi)，井深70 m左右，屬于潛水. 2015年7月、2019年6月分別在研究區(qū)地下水統(tǒng)測(cè)井采集地下水樣品63組和113組. 2018年5月、2018年11月和2019年5月在地下水位監(jiān)測(cè)井中采集地下水樣品51組(見圖1). 區(qū)域樣品采集點(diǎn)按不同用水需求和地下水流場(chǎng)變化特征布設(shè)，采樣前抽水洗井并現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定水溫、pH、電導(dǎo)率、氧化還原電位(Eh)、ρ(DO)等水化學(xué)指標(biāo)，測(cè)試儀器為德國(guó)WTW公司產(chǎn)的Multi-3430i型多參數(shù)水質(zhì)分析儀. 地下水樣品送原國(guó)土資源部地下水礦泉水環(huán)境監(jiān)測(cè)中心分析檢測(cè)，測(cè)試指標(biāo)包括無機(jī)組分檢測(cè)指標(biāo)、有機(jī)組分檢測(cè)指標(biāo)等79項(xiàng).

2 結(jié)果與討論

2.1 水位變化與河道回補(bǔ)響應(yīng)

2.1.1沿河地下水位變化

實(shí)施滹沱河補(bǔ)水后地下水位上升顯著，2018年6月—2019年11月滹沱河沿岸地下水位平均回升5.83 m，最大回升6.07 m. 補(bǔ)給上段：2018年4月壁莊水庫(kù)棄水補(bǔ)給地下水，6月初開始監(jiān)測(cè)滹沱河沿岸水位，水位快速回升，8月水位達(dá)到峰值，3個(gè)典型監(jiān)測(cè)孔水位平均回升12.83 m，9月棄水量減少，水位持續(xù)回落(見圖2).

圖1 滹沱河超采區(qū)統(tǒng)測(cè)井與監(jiān)測(cè)井分布Fig.1 Distribution map of monitoring wells of the over-exploited area in the Hutuo River Basin

黃補(bǔ)給下段：2018年6月初開始監(jiān)測(cè)水位，正值農(nóng)灌期，通常在沒有黃壁莊水庫(kù)補(bǔ)水情況下，水位下降明顯，但從監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可以看出，至2018年7月底農(nóng)灌結(jié)束，在降水入滲和黃壁莊棄水的共同作用下，水位較平穩(wěn)，沒有大幅回落；2018年9月13日“南水北調(diào)”補(bǔ)水開始，受黃壁莊水庫(kù)補(bǔ)水和“南水北調(diào)”補(bǔ)水的雙重影響，水位持續(xù)回升，2019年春灌期水位也能保持相對(duì)平穩(wěn)的狀態(tài)(見圖3).

圖2 滹沱河補(bǔ)給上段監(jiān)測(cè)點(diǎn)水位的變化Fig.2 Grounwater level change in upstream of Hutuo River

2.1.2區(qū)域地下水位變化

由于城市工業(yè)、生活超采地下水，石家莊市區(qū)于20世紀(jì)60年代中期形成地下水降落漏斗，同時(shí)周圍農(nóng)業(yè)灌溉消耗大量地下水，使區(qū)域地下水位整體下降. 2015年地下水降落漏斗面積近500 km2，中心地下水埋深50.6 m，地下水埋深大于40 m的區(qū)域占52.42%，漏斗范圍已從石家莊市中心延展到滹沱河北岸(見圖4).

圖3 滹沱河補(bǔ)給下段監(jiān)測(cè)點(diǎn)水位的變化Fig.3 Grounwater level changes in of downstream of Hutuo River

圖4 滹沱河超采區(qū)淺層地下水位埋深的分區(qū)Fig.4 Shallow groundwater depth of the over-exploited area in the Hutuo River Basin

圖5 石家莊市區(qū)監(jiān)測(cè)點(diǎn)水位的變化Fig.5 Groundwater level change for monitoring wells of Shijiazhuang City

研究區(qū)自2010年以來先后開展了地下水壓采和“南水北調(diào)”水源轉(zhuǎn)換工程，石家莊市區(qū)和周邊縣區(qū)地下水位呈回升態(tài)勢(shì)，2018年開始的滹沱河補(bǔ)水工程對(duì)研究區(qū)地下水位影響顯著，2019年地下水漏斗形狀發(fā)生改變，地下水向漏斗中心匯集已不明顯(見圖4)，漏斗中心水位埋深大于50 m的區(qū)域已經(jīng)消失. 與2015年相比，區(qū)域地下水埋深平均回升5.93 m，石家莊市區(qū)平均回升11.68 m，漏斗中心水位上升7.46 m(見圖5). 正定縣地下水位平均升高4.24 m，西北部受補(bǔ)水影響較小，地下水位有所下降. 滹沱河下游藁城補(bǔ)水段，地下水位回升明顯，由原來的35～45 m回升到現(xiàn)在的小于25 m，藁城區(qū)平均升高5.40 m. 欒城區(qū)受補(bǔ)水影響較小，平均升高2.38 m，局部地下水位下降.

2.2 水化學(xué)類型與河道回補(bǔ)響應(yīng)

與2015年相比，2019年地下水水化學(xué)類型仍以HCO3-Ca·Mg、HCO3·SO4-Ca·Mg和HCO3·Cl-Ca·Mg型為主. 但HCO3-Ca·Mg型水的面積減少20.6%，由945.68 km2減至750.70 km2；分布于漏斗中心和滹沱河沿岸的HCO3·SO4·Cl-Ca·Mg型水和HCO3·SO4-Ca·Mg型水的面積增加13.6%，由912.01 km2增至 1 035.60 km2；HCO3·Cl-Ca·Mg型水的面積增加16.7%，由426.58 km2增至497.98 km2(見圖6).

滹沱河超采區(qū)地下水水化學(xué)類型符合沖洪積扇區(qū)特征，從出山口到扇緣，地下水中的優(yōu)勢(shì)陽離子存在由Ca2+、Mg2+向Na+、K+轉(zhuǎn)化的趨勢(shì)；優(yōu)勢(shì)陰離子主要是HCO3-，其次是Cl-和SO42-. 山前以氧化環(huán)境為主，地下水徑流條件較好，大氣降水、側(cè)向徑流及地表入滲補(bǔ)給的水，礦化度較低，具有強(qiáng)溶解能力. 在水文地球化學(xué)平衡過程中，這些低礦化度的補(bǔ)給水與周圍含水層發(fā)生相互作用，易溶的氯化物和硫酸鹽類首先被溶解，然后是較難溶解的碳酸鹽類和重碳酸鹽類. 致使地下水中含鈣、鎂的碳酸鹽和重碳酸鹽的含量相對(duì)較高. 山前平原地下水以HCO3-Ca·Mg、HCO3·SO4-Ca·Mg型水為主，在滹沱河沖洪積扇緣地帶，含水介質(zhì)顆粒變細(xì)，流速減緩，地下水蒸發(fā)作用增強(qiáng)，溶濾作用減弱，水化學(xué)類型變得復(fù)雜，出現(xiàn)HCO3·Cl-Ca·Mg、HCO3·SO4·Cl-Ca·Mg、HCO3·Cl-Mg·Ca·Na、HCO3·SO4·Cl-Mg·Ca·Na等多種水化學(xué)類型. 滹沱河多年受上游高硫酸鹽水源補(bǔ)給的影響，在滹沱河沿岸形成了條帶狀分布的HCO3·SO4-Ca·Mg型地下水，并在HCO3·SO4-Ca·Mg型水兩側(cè)分布HCO3·SO4·Cl-Ca·Mg型水.

圖6 滹沱河超采區(qū)淺層地下水水化學(xué)類型的分布Fig.6 Distribution of shallow groundwater chemical type of the over-exploited area in the Hutuo River Basin

2.3 水化學(xué)指標(biāo)時(shí)空差異性

2.3.1水化學(xué)指標(biāo)與水位變化響應(yīng)

通過對(duì)石家莊市區(qū)近60年地下水水化學(xué)和水位監(jiān)測(cè)資料分析發(fā)現(xiàn)，地下水TDS、氯化物和硫酸鹽濃度及總硬度均與水位變化有較強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性. 20世紀(jì)60年代，該研究區(qū)地下水環(huán)境處于天然狀態(tài)，地下水水位變化較小，平均硬度為260 mgL，TDS濃度為340 mgL，氯化物濃度為30 mgL；地下水降落漏斗形成初期，地下水位緩慢下降，各組分有所升高，總硬度、氯化物濃度、硫酸鹽濃度分別升至330、50、60 mgL；70年代后，地下水超采嚴(yán)重，水位快速下降，1976年平均TDS濃度為589 mgL，1999年增至986.8 mgL，年均升高17.30 mgL；總硬度升至1999年的541.1 mgL，年均升高6.35 mgL；氯化物濃度增至1999年的115.6 mgL，年均升高2.42 mgL；硫酸鹽濃度由1976年的82.25 mgL增至1999年的145.6 mgL，年均升高2.75 mgL. 2.00年后水位下降速率減緩，2000—2005年降水較少，水交替能力減弱，殘留于包氣帶中的污染質(zhì)不易進(jìn)入地下水中，離子濃度變化較??；2008年、2009年連續(xù)兩年豐水年，水交替能力增強(qiáng)，其中硫酸鹽增速最快，由2004年的134 mgL升至2009年的174.5 mgL. 2010年以后，地下水開采減小，水化學(xué)組分增速減小. 實(shí)施補(bǔ)水后，水化學(xué)組分明顯降低，與2015年相比，2019年TDS濃度、總硬度、氯化物濃度、硫酸鹽濃度分別降低90.98、63.45、20.3、3.48 mgL(見圖7).

圖7 石家莊市區(qū)地下水水化學(xué)組分的年均變化Fig.7 Annual change of groundwater chemical composition of Shijiazhuang City

圖8 滹沱河超采區(qū)淺層地下水硫酸鹽濃度的分布Fig.8 Distribution of sulfate concentration in shallow groundwater of the over-exploited area in the Hutuo River Basin

2.3.2硫酸鹽濃度的空間分布與河道回補(bǔ)響應(yīng)

通過對(duì)比回補(bǔ)前后地下水中硫酸鹽的區(qū)域分布(見圖8)發(fā)現(xiàn)，硫酸鹽分布具有較強(qiáng)的地域特點(diǎn)，高濃度的硫酸鹽主要分布在滹沱河、石津灌渠及黃壁莊水庫(kù)副壩附近，沿滹沱河主河道自西向東濃度逐漸減小，北低南高，受地下水徑流影響，其有向下游擴(kuò)散的趨勢(shì).

隨著回補(bǔ)的不斷進(jìn)行，區(qū)域內(nèi)地下水中硫酸鹽濃度稍有降低，2015年研究區(qū)地下水中硫酸鹽平均含濃度為122.79 mgL，2019年平均濃度為119.31 mgL. 滹沱河沿岸監(jiān)測(cè)點(diǎn)地下水中硫酸鹽濃度的變化情況：①補(bǔ)給上段為黃壁莊水庫(kù)放水回補(bǔ)，由于多年水庫(kù)間歇性放水以及副壩常年側(cè)滲，地下水中硫酸鹽的濃度無明顯變化，2018年5月和2019年5月平均濃度分別為221.9、221.6 mgL，但高濃度的硫酸鹽范圍有所擴(kuò)大. ②補(bǔ)給下段受黃壁莊水庫(kù)與由“南水北調(diào)”共同補(bǔ)水，下游在補(bǔ)水前多處于干涸狀態(tài)，補(bǔ)水后上游高濃度硫酸鹽水入滲至地下水中，地下水中硫酸鹽濃度增加，2018年5月和2019年5月地下水中硫酸鹽的平均濃度分別為184.5、205.8 mgL.

2.3.3硫酸鹽來源分析

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[26-28]，研究區(qū)地下水中硫酸鹽濃度的分布與地表水有著密切的聯(lián)系，因此需對(duì)硫酸鹽濃度與地表水回補(bǔ)響應(yīng)做進(jìn)一步分析.

黃壁莊水庫(kù)是滹沱河超采區(qū)補(bǔ)水來源之一，硫酸鹽濃度一直處于較高狀態(tài)，據(jù)監(jiān)測(cè)，2004—2008年的平均值為186.67 mgL，2009—2013年的平均值為179.29 mgL，2016年的平均值為178.60 mgL. 雖沒有超過GB 3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定的生活飲用水限值，但高濃度硫酸鹽的供水卻為城市運(yùn)行和居民生活帶來安全隱患[29]. 2016年對(duì)黃壁莊水庫(kù)上下游進(jìn)行了綜合調(diào)查取樣，上游崗南水庫(kù)硫酸鹽多年平均濃度為65.25 mgL[30]，黃壁莊水庫(kù)最大的入庫(kù)河流——冶河硫酸鹽的平均濃度為306.58 mgL，冶河是導(dǎo)致黃壁莊水庫(kù)硫酸鹽濃度升高的主要原因.

滹沱河超采區(qū)補(bǔ)水另一水源是水質(zhì)較好的“南水北調(diào)”水，硫酸鹽平均濃度為33 mgL[31]，遠(yuǎn)低于研究區(qū)地下水中硫酸鹽的濃度，隨著上游黃壁莊水庫(kù)水量減少，“南水北調(diào)”水會(huì)稀釋地下水中硫酸鹽的濃度，故導(dǎo)致滹沱河超采區(qū)地下水硫酸鹽污染的主要原因是上游黃壁莊水庫(kù)來水. 滹沱河多年間歇性過水、石津灌區(qū)側(cè)滲、副壩滲漏等原因使高濃度的硫酸鹽隨地表水直接入滲至地下水，且一部分殘留在包氣帶中，隨著補(bǔ)水的不斷推進(jìn)，水位持續(xù)回升，蘊(yùn)藏在包氣帶中的硫酸鹽重新釋放至地下水中，并在水動(dòng)力和水化學(xué)的共同作用下，濃度和范圍逐步擴(kuò)大.

河道補(bǔ)水能有效緩解滹沱河超采區(qū)的水資源矛盾，補(bǔ)水水源及回補(bǔ)方式的選擇需科學(xué)合理. 若以黃壁莊水庫(kù)水作為回補(bǔ)用水，存在硫酸鹽直接輸入性污染地下水的風(fēng)險(xiǎn). 滹沱河河道附近包氣帶污染源分布尚不明確，存在包氣帶污染質(zhì)二次污染地下水的風(fēng)險(xiǎn)，建議詳細(xì)調(diào)查滹沱河超采區(qū)地下水污染源分布并進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估.

3 結(jié)論

a) 滹沱河超采區(qū)受河道補(bǔ)水影響地下水位上升顯著. 2018年6月—2019年11月沿河地下水位平均回升5.83 m，最大回升6.07 m；2019年較2015年區(qū)域地下水位平均回升5.93 m；地下水漏斗形狀發(fā)生改變，地下水向漏斗中心匯集已不明顯.

b) 受河道回補(bǔ)影響，區(qū)域地下水水化學(xué)類型分布發(fā)生變化. 與2015年相比，2019年HCO3-Ca·Mg型水的面積減少20.6%；分布于漏斗中心和滹沱河沿岸的HCO3·SO4·Cl-Ca·Mg型水和HCO3·SO4-Ca·Mg型水的面積呈增大態(tài)勢(shì)，增加了13.6%.

c) 滹沱河超采區(qū)河道補(bǔ)水后，區(qū)域地下水中硫酸鹽的平均濃度基本持平，氯化物濃度、TDS濃度、總硬度均呈下降趨勢(shì)；受上游黃壁莊水庫(kù)補(bǔ)水影響，滹沱河沿岸附近地下水中硫酸鹽的濃度升高，高濃度硫酸鹽的范圍增大.