張希雨,張光輝,嚴(yán)明疆
(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)大學(xué)(北京),北京 100083;3.河北地質(zhì)大學(xué)水資源與環(huán)境學(xué)院/河北省高校生態(tài)環(huán)境地質(zhì)應(yīng)用技術(shù)研發(fā)中心/河北省水資源可持續(xù)利用與產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化協(xié)同創(chuàng)新中心/河北省水資源可持續(xù)利用與開發(fā)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,河北 石家莊 050031)
滹滏山前平原地處滹沱河山前沖洪積扇帶,含水層介質(zhì)顆粒粗、孔隙大,地下水水力梯度較大,徑流更替積極,溶濾作用強(qiáng)烈。天然條件下,隨溶濾作用長(zhǎng)期持續(xù),該平原含水層中易溶鹽類貧乏,地下水中難溶離子的相對(duì)含量較高,溶解性總固體(total dissolved solids,TDS)較低。1970年之前滹滏山前平原淺層地下水TDS普遍小于0.50 g/L[1]。
1970年以來,滹滏山前平原長(zhǎng)期大規(guī)模超采地下水,地下水水位不斷下降,并形成了穩(wěn)定的地下水水位降落漏斗(簡(jiǎn)稱“漏斗區(qū)”),最大面積曾達(dá)473.8 km2,漏斗中心水位埋深大于50m[2?6]。與此同時(shí),該漏斗區(qū)地下水TDS及其主要化學(xué)組分呈增大趨勢(shì)特征[7?10],在漏斗形成中、末期部分區(qū)域的地下水TDS超過了《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》III類水標(biāo)準(zhǔn)(小于1 000mg/L)[11?14]。在地下水漏斗形成過程中,滹滏山前平原淺層地下水TDS增大過程的階段特征、主要化學(xué)組分含量影響TDS增大過程以及TDS增大的驅(qū)動(dòng)因素,是值得探討的科學(xué)問題。
本文以滹滏山前平原淺層地下水漏斗區(qū)為研究區(qū),應(yīng)用地學(xué)數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析、時(shí)間序列異變分析和GIS空間特征分析技術(shù)[15],從地下水漏斗形成初期、中期和末期三個(gè)階段的水位年均降幅、TDS年均增幅及不同時(shí)期主要化學(xué)組分對(duì)TDS增加貢獻(xiàn)率和化學(xué)組分比值變化特征等方面探討,以期為改善和保護(hù)滹滏山前平原地下水供水安全提供科學(xué)依據(jù)。
滹滏山前平原地處河北省中部的石家莊地區(qū)(圖1),地勢(shì)平坦、西高東低,地面高程介于65~100m。年均降水量513.1mm,年均蒸發(fā)量1 677mm,年均氣溫13℃。滹沱河位于研究區(qū)北部,自1980年以來,滹沱河常年斷流,僅豐水年上游水庫(kù)泄洪才有河道過水[16]。
研究區(qū)地下水為松散巖類孔隙水,自上而下分為4個(gè)含水巖組。其中,第Ⅰ+Ⅱ含水巖組為淺層地下水,是研究區(qū)主要開采層位和本次研究的主體;第Ⅲ、Ⅳ含水巖組是承壓含水層組,厚度較薄、富水性差,尚未大規(guī)模開采。目前,第Ⅰ含水巖組已疏干,主要開采第Ⅱ含水巖組。第Ⅰ+Ⅱ含水巖組的巖性主要為砂礫卵石、砂卵石和中粗砂含礫卵石,滲透系數(shù)60~130m/d。
圖1 研究區(qū)地理位置、研究分區(qū)與地下水監(jiān)測(cè)點(diǎn)Fig.1 Location of the study area,subregions and groundwater monitoring points
研究區(qū)分為3個(gè)區(qū)。漏斗核心區(qū)(記作I區(qū))為本文的目標(biāo)研究區(qū),位于漏斗區(qū)的中心區(qū)域(圖2)。研究區(qū)西部為山區(qū)至平原的過渡帶,是漏斗核心區(qū)的上游地下徑流側(cè)向主要補(bǔ)給帶(記作II區(qū))。研究區(qū)西北部為滹沱河沖洪積扇軸部、河道滲漏對(duì)淺層地下水的主要補(bǔ)給帶(記作III區(qū)),如圖1所示。II、III區(qū)地處傾斜平原的山前帶,地下水水位埋藏淺,1980年之前水位埋深不足10m,含水層以砂礫石層為主,地下水防污性能較弱。
研究區(qū)淺層地下水漏斗形成于20世紀(jì)60年代末、70年代初,當(dāng)時(shí)較為穩(wěn)定的漏斗面積為57 km2,漏斗中心水位埋深7.57m。至1980年,該區(qū)漏斗面積擴(kuò)大為200 km2,中心水位埋深下降至23.27m。至2000年,該區(qū)漏斗面積達(dá)368.0 km2,漏斗中心水位埋深41.93m。研究區(qū)地下水漏斗分布面積的峰值出現(xiàn)在2012年,漏斗面積473.8 km2,漏斗中心水位埋深50.60m。之后,研究區(qū)地下水超采綜合治理力度不斷加大。2014年開始,南水北調(diào)中線通水給該區(qū)供水,研究區(qū)地下水漏斗面積擴(kuò)大趨勢(shì)得到遏止。至2017年底,漏斗面積縮小至96.2 km2,漏斗中心水位埋深回升至45.83m,2018年區(qū)內(nèi)地下水漏斗消失。在天然條件下,研究區(qū)地下水自西北向東南徑流;漏斗形成之后,漏斗核心區(qū)地下水自漏斗四周向漏斗中心匯流(圖2)。
本研究的數(shù)據(jù)主要來自國(guó)家級(jí)、省級(jí)監(jiān)測(cè)網(wǎng)地下水動(dòng)態(tài)長(zhǎng)期觀測(cè)和5年期統(tǒng)測(cè)資料,以及中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局地質(zhì)調(diào)查項(xiàng)目“石家莊—西柏坡經(jīng)濟(jì)區(qū)水文環(huán)境地質(zhì)調(diào)查綜合研究”(2014—2017年)成果資料。其中時(shí)間系列較長(zhǎng)并完整的地下水動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)點(diǎn)61個(gè),Ⅰ區(qū)、Ⅱ區(qū)和Ⅲ區(qū)分別有30,15,16個(gè)(圖1)。監(jiān)測(cè)指標(biāo)包括地下水水位、水溫、pH值、K+、Na+、Ca2+、、總硬度和TDS等指標(biāo)。
研究區(qū)初期地下水水位埋深9.10~23.20m,如圖2(a)所示。I區(qū)水位埋深較大,20~25m的分布面積占研究區(qū)總面積的10.99%。水位埋深小于10m的分布面積占研究區(qū)總面積的15.43%,主要分布在II區(qū)和III區(qū)。水位埋深介于10~20m的分布面積占研究區(qū)總面積的73.58%。
圖2 研究區(qū)漏斗形成不同時(shí)期地下水水位與埋深分布特征Fig.2 Distribution of groundwater level and buried depth in different stages of the funnel formation in the study area
相對(duì)1972年,Ⅰ區(qū)地下水水位年均降幅介于0.76~2.54m,地下水水位呈現(xiàn)顯著下降特征。Ⅰ區(qū)水位年均降幅的最小值、最大值和平均值分別是Ⅱ區(qū)、Ⅲ區(qū)水位年均降幅的2.53~4.47倍、1.06~1.47倍和1.07~1.49倍(表1)。
表1 漏斗形成不同時(shí)期地下水水位變化特征Table 1 Characteristics of groundwater level changes in different stages of the funnel formation
研究區(qū)中期地下水水位埋深13.40~42.28m,相對(duì)1980年水位埋深極小值與極大值,增大47.25%~82.24%,如圖2(b)所示。水位埋深大于20m的分布面積占研究區(qū)總面積的52.61%,是初期相同水位埋深分布面積的4.79倍。I區(qū)水位埋深普遍下降至30m之下,分布面積達(dá)249.6 km2。
Ⅰ區(qū)地下水水位年均降幅仍然明顯大于Ⅱ區(qū)、Ⅲ區(qū)(表1)。Ⅰ區(qū)水位年均降幅的最小值、最大值和平均值,分別是該區(qū)初期水位年均降幅的0.39,0.35,0.38倍,水位年均降幅明顯減小。1981—2000年滹沱河河道常年斷流[16],Ⅲ區(qū)地下水水位年均降幅明顯增大,對(duì)Ⅰ區(qū)地下水補(bǔ)給能力(影響)顯著減弱。
研究區(qū)末期地下水水位埋深21.41~50.60m;相對(duì)2000年水位埋深極小值與極大值,增大19.68%~59.78%,但增大的幅度小于中期,如圖2(c)所示。水位埋深大于35m的分布面積占研究區(qū)總面積的53.83%,是中期相同水位埋深分布面積的4.11倍。其中,水位埋深35~45m的分布面積890.3 km2,I區(qū)水位埋深大于45m的分布面積達(dá)135.7 km2。
Ⅰ區(qū)地下水水位年均降幅分別是Ⅱ區(qū)、Ⅲ區(qū)水位年均降幅的1.01~2.64倍和1.13~2.75倍,明顯大于Ⅱ區(qū)、Ⅲ區(qū)(表1)。Ⅰ區(qū)地下水水位年均降幅的最小值、最大值和平均值分別是該區(qū)中期的2.20,1.31,1.49倍,水位年均降幅明顯增大。
研究區(qū)初期地下水TDS為342~997mg/L,I區(qū)地下水TDS為471~997mg/L,平均值736mg/L,呈現(xiàn)異常高值分布特征,見圖3(a)。I區(qū)地下水TDS的平均值、最小值和最大值,與Ⅱ區(qū)相應(yīng)特征值相近,但明顯大于Ⅲ區(qū)(表2),呈現(xiàn)Ⅲ區(qū)(滹沱河河道過水滲漏)補(bǔ)給的沖淡作用效應(yīng)。
相對(duì)1973年,Ⅰ區(qū)初期地下水TDS年均增幅26.53~49.51mg/L,呈顯著增大特征。這一特征與該區(qū)水位年均降幅增大趨勢(shì)特征相同,見圖2(a)。Ⅰ區(qū)地下水TDS年均增幅的平均值、最小值和最大值是Ⅲ區(qū)相應(yīng)特征值的1.54,5.21,1.61倍,同時(shí)普遍大于Ⅱ區(qū)相應(yīng)特征值(表2),呈現(xiàn)漏斗核心區(qū)因地下水滯流延長(zhǎng)水-巖之間作用的效應(yīng)(進(jìn)入水中的化學(xué)組分累計(jì)增多)。
研究區(qū)中期地下水TDS為462~1 353mg/L,相對(duì)1980年TDS極小值與極大值增大35.09%~35.71%。I區(qū)、II區(qū)地下水TDS最大值分別為1 231,1 353mg/L,出現(xiàn)地下水TDS異常高值區(qū)。Ⅰ區(qū)地下水TDS的平均值、最小值和最大值,全部小于Ⅱ區(qū),明顯大于Ⅲ區(qū)(表2),呈現(xiàn)Ⅱ區(qū)為Ⅰ區(qū)地下水TDS趨增的物源區(qū)特征,見圖3(b)。
Ⅰ區(qū)中期地下水TDS年均增幅2.50~18.33mg/L,年均增幅的最小值、最大值和平均值分別是Ⅰ區(qū)初期相應(yīng)值的0.09,0.37,0.25倍,明顯小于Ⅰ區(qū)初期TDS年均增幅。這一特征與Ⅰ區(qū)同期水位年均降幅變化特征相同,見圖2(b),表明地下水水位下降幅度大小對(duì)Ⅰ區(qū)地下水TDS的增幅具有一定影響。Ⅰ區(qū)地下水TDS年均增幅的平均值、最小值和最大值,是Ⅲ區(qū)相應(yīng)特征值的1.64,0.95,2.34倍,小于Ⅱ區(qū)相應(yīng)特征值(表2),進(jìn)一步呈現(xiàn)Ⅱ區(qū)為物源輸出影響特征(圖2、圖3)。
圖3 研究區(qū)漏斗形成不同時(shí)期地下水TDS分布特征Fig.3 Characteristics of groundwater salinity distribution in different stages of the funnel formation in the study area
表2 研究區(qū)漏斗形成不同時(shí)期地下水TDS演變特征Table 2 Characteristic of groundwater salinity changes in different stages of the funnel formation
研究區(qū)末期地下水TDS為700~1 729mg/L,相對(duì)2000年TDS極小值與極大值增大27.79%~51.52%。I區(qū)、II區(qū)地下水TDS最大值分別由中期的1 231,1 353mg/L增大至1 379,1 729mg/L,TDS超標(biāo)(大于1 000mg/L)范圍明顯擴(kuò)大,見圖3(c)。Ⅲ區(qū)地下水TDS由中期的462~738mg/L增大至700~897mg/L。I區(qū)地下水TDS的特征值明顯大于Ⅲ區(qū)(表2)。I區(qū)地下水TDS的平均值和最大值小于Ⅱ區(qū),最小值大于Ⅱ區(qū),表明I區(qū)地下水TDS底值繼續(xù)上升,而最大值和平均值的增幅呈減緩特征,這與水環(huán)境綜合治理密切相關(guān)[17-18]。
Ⅰ區(qū)末期地下水TDS年均增幅4.65~24.32mg/L,大于該區(qū)中期TDS年均增幅,呈顯著增大特征,與該區(qū)同期水位年均降幅增大特征相符,見圖2(c),即末期Ⅰ區(qū)地下水水位年均降幅增大,該區(qū)TDS年均增幅也增大。Ⅰ區(qū)TDS年均增幅的平均值和最大值是Ⅱ區(qū)的0.98,0.91倍,Ⅲ區(qū)的0.84,0.90倍,小于Ⅱ區(qū)和Ⅲ區(qū);Ⅰ區(qū)TDS年均增幅的最小值分別是Ⅱ區(qū)、Ⅲ區(qū)的3.08,1.50倍,大于Ⅱ區(qū)、Ⅲ區(qū),進(jìn)一步呈現(xiàn)末期漏斗核心區(qū)地下水TDS底值普遍上升的特征(表2)。
自初期、中期至末期,Ⅰ區(qū)地下水水位埋深、TDS呈不斷增大趨勢(shì),且具有階段性特征(表1、表2)。Ⅰ區(qū)地下水TDS年均增幅與水位年均降幅之間互動(dòng)特征顯著(圖4)。水位年均降幅每增大1.0m條件下,從總研究期(1972—2017年)來看,Ⅰ區(qū)地下水TDS年均增幅增大18.45mg/L,見圖4(a);初期TDS年均增幅增大21.96mg/L,這期間水位埋深9.10~23.20m,見圖4(b);中期TDS年均增幅增大13.54mg/L,這期間水位埋深13.40~42.28m,見圖4(c);末期TDS年均增幅增大12.32mg/L,這期間水位埋深21.41~50.60m,見圖4(d)。由此可見,Ⅰ區(qū)水位埋深不斷增大過程中,水位年均降幅相同變化條件下,初期、中期和末期地下水TDS年均增幅的增大值越來越小。這表明Ⅰ區(qū)地下水抵御外部影響的防污性能不斷增強(qiáng),同時(shí),因漏斗區(qū)內(nèi)地下水滯流、更替能力變?nèi)醵娱L(zhǎng)含水層中水-巖之間作用,以至地下水中化學(xué)組分的積累量越來越多。
在初期,Ⅰ區(qū)地下水TDS增大與Ca2+、Mg2+含量之間相關(guān)性顯著,相關(guān)系數(shù)(R2)分別為0.63,0.56;與Na+、Cl?、和HCO?3含量之間相關(guān)性較弱(表3)。
在初期Ⅰ區(qū)地下水TDS增大過程中,陽(yáng)離子組分中Ca2+含量增幅占TDS增幅的比率最大,占14.10%;其次是Na+;Mg2+最小。陰離子組分中含量增幅占TDS增幅的比率最大,占29.17%;其次是Cl?;占比率最?。ū?)。由此可見,初期地下水中Ca2+、含量增加是TDS增大的主要因素;Cl?和含量增幅合計(jì)占TDS增幅的46.47%,發(fā)揮了不可忽視的作用。在中期,Ⅰ區(qū)地下水TDS增大仍然與Ca2+、Mg2+含量之間呈較顯著相關(guān)特征,相關(guān)系數(shù)(R2)分別為0.72,0.55;與Na+、Cl?、和含量之間相關(guān)性仍然較弱。相對(duì)初期,地下水TDS增大與含量之間相關(guān)性減弱,相關(guān)系數(shù)(R2)由初期的0.20減小為0.18;地下水TDS增大與Ca2+、Na+、Cl?和含量之間相關(guān)性明顯增強(qiáng),相關(guān)系數(shù)(R2)分別由初期的0.63,0.20,0.22,0.16增大為中期的0.72,0.37,0.37,0.23(表3)。
圖4 漏斗核心區(qū)地下水TDS年均增幅與水位年均降幅互動(dòng)關(guān)系Fig.4 Interaction between the increase of groundwater salinity and the decrease of groundwater level in the funnel core area
表3 漏斗核心區(qū)地下水TDS與主要化學(xué)組分相關(guān)性Table 3 Correlation between TDS and main chemical components in the funnel core area
在中期Ⅰ區(qū)地下水TDS增大過程中,陽(yáng)離子組分中Ca2+含量增幅占TDS增幅的比率仍然最大,占13.86%,但小于初期的占比率;Na+占比率相對(duì)初期呈明顯增大特征;Mg2+占比率相對(duì)初期呈減小特征。陰離子組分中,占比率由初期的21.63%增大為中期的23.60%,呈增大特征;、Cl?占比率相對(duì)初期呈減小特征(表4)。
表4 不同時(shí)期地下水TDS增幅中主要化學(xué)組分增幅貢獻(xiàn)比率Table 4 Variation characteristics of the increment contribution ratio of main chemical components in groundwater salinity increment in different periods
在末期,Ⅰ區(qū)地下水TDS增大與Ca2+含量之間呈較顯著相關(guān)特征,相關(guān)系數(shù)(R2)為0.68。相對(duì)中期,末期地下水TDS增大與Na+、Mg2+含量之間相關(guān)性減弱,相關(guān)系數(shù)(R2)分別由0.37,0.55減小為0.16,0.38。地下水TDS增大與Cl?含量之間相關(guān)性仍然較強(qiáng),相關(guān)系數(shù)(R2)為0.37;與和含量之間相關(guān)性進(jìn)一步減弱,相關(guān)系數(shù)(R2)分別由中期的0.23,0.18減小為0.04,0.17(表3)。
在末期Ⅰ區(qū)地下水TDS增大過程中,陽(yáng)離子組分中Ca2+含量增幅占TDS增幅的比率最大,占13.07%,但相對(duì)中期進(jìn)一步減??;Na+占比率相對(duì)中期進(jìn)一步增大;Mg2+占比率由中期4.46%減小為4.17%。陰離子組分中,占比率由中期的23.60%增大為24.14%,呈進(jìn)一步增大特征;、Cl?占比率相對(duì)中期呈進(jìn)一步減小特征(表4)。
自初期、中期至末期,Ⅰ區(qū)地下水TDS增大與Ca2+、Mg2+含量之間相關(guān)性顯著,相關(guān)系數(shù)較大;與含量之間相關(guān)性較弱,但相關(guān)性保持穩(wěn)定。這表明Ⅰ區(qū)地下水仍基本保持山前平原HCO3—Ca型、HCO3—Ca·Mg型水的水化學(xué)特征。但由于地下水中Na+、、Cl?含量的不斷增大,這種特征越來越不顯著。
自初期、中期至末期,在Ⅰ區(qū)地下水TDS趨增過程中,Na+含量增幅占TDS增幅的比率由初期的5.14%、中期的6.27%增大至末期的9.98%,占比由初期的21.63%、中期的23.60%增大至末期的24.14%,兩者占比呈增大趨勢(shì)。由此可見,地下水中Na+、含量增幅不斷增大是Ⅰ區(qū)地下水TDS增大的重要驅(qū)動(dòng)因素。地下水中Ca2+、Mg2+、和Cl?占比呈減小特征,末期四者合計(jì)占比率相對(duì)初期減少11.17%,但末期四者占比合計(jì)仍達(dá)65.88%。它們?cè)冖駞^(qū)地下水TDS增大過程中仍發(fā)揮至關(guān)重要作用(表4)。
從地下水主要化學(xué)組分含量的比值來看,(Ca2++比值(r1)由初期的2.21、中期的1.89,至末期減少為1.45;Na+/Ca2+比值(r2)、比值(r3)和比值(r4)從初期、中期至末期都呈增大特征(表4)。由此進(jìn)一步表明,隨著Ⅰ區(qū)水位埋深不斷增大,地下水中含量增幅的不斷增大對(duì)TDS增大發(fā)揮了驅(qū)動(dòng)作用。由于Na+、作用不斷增強(qiáng),改變了地下水化學(xué)場(chǎng)的原有水-巖作用平衡,環(huán)境介質(zhì)中Na+、Ca2+、Mg2+、和Cl?等組分進(jìn)一步溶入地下水中。因而,Ⅰ區(qū)地下水TDS隨著水位埋深不斷增大而增大。
自1972年以來,Ⅰ區(qū)水力梯度顯著變緩導(dǎo)致地下水滯流,以至含水層組中水-巖作用時(shí)間不斷增長(zhǎng)和補(bǔ)給更新水量不斷減少[19-24](記作A類因素);上游的II區(qū)、III區(qū)城鎮(zhèn)化程度、洗煤及煤化工等產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和規(guī)模,以及滹沱河沿岸灌溉農(nóng)田施用化肥農(nóng)藥種類和數(shù)量等不斷變化[25-29](記作B類因素)。從初期、中期至末期,A類因素對(duì)Ⅰ區(qū)地下水中化學(xué)組分和TDS增大的影響強(qiáng)度不斷增大;隨著研究區(qū)水位埋深不斷增大,地下水抵御外部影響的防污性能不斷增強(qiáng),因而B類因素—地表人類活動(dòng)(工業(yè)、農(nóng)業(yè)、生活等)對(duì)地下水中化學(xué)組分和TDS增大的影響強(qiáng)度不斷減弱。綜合分析可知,初期B類因素的影響強(qiáng)、A類因素的影響較弱;中期A、B類因素的影響都較強(qiáng);末期A類因素的影響強(qiáng)、B類因素的影響較弱。
自20世紀(jì)70年代初滹滏山前平原形成穩(wěn)定的地下水漏斗以來,隨著地下水水位不斷下降,漏斗核心區(qū)地下水TDS呈不斷增大過程,具有如下特征:
(1)隨地下水水位年均降幅的變化,漏斗核心區(qū)地下水TDS年均增幅呈現(xiàn)階段性變化特征。初期地下水水位年均降幅最大,TDS年均增幅也最大;中期地下水水位年均降幅最小,TDS年均增幅也最小;末期地下水水位年均降幅居中,TDS年均增幅也居中。
(2)隨水位埋深增大,漏斗核心區(qū)地下水水位埋深大小對(duì)TDS增大影響呈現(xiàn)遞減效應(yīng)。漏斗核心區(qū)地下水水位年均降幅每增大1.0m,初期、中期和末期TDS年均分別增大21.96,13.54,12.32mg/L。
(3)自初期、中期至末期,漏斗核心區(qū)地下水中Na+、含量增量占TDS增幅的比率呈不斷增大的特征,是TDS增大的主要驅(qū)動(dòng)因素。
(4)水動(dòng)力條件與人類活動(dòng)對(duì)漏斗核心區(qū)地下水TDS增大的影響強(qiáng)度具有階段性特征。初期人類活動(dòng)影響強(qiáng)、水動(dòng)力條件影響較弱;中期人類活動(dòng)、水動(dòng)力條件的影響都較強(qiáng);末期水動(dòng)力條件的影響強(qiáng)、人類活動(dòng)的影響較弱。