基于人工甜味劑時序特征的白洋淀對地下水補給量研究

馬 榮， 張 冰， 周曉妮

(1.南京水利科學(xué)研究院 水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點實驗室， 江蘇 南京 210098；2.中國地質(zhì)科學(xué)院 第四紀年代學(xué)與水文環(huán)境演變重點實驗室， 河北 石家莊 050061)

1 研究背景

設(shè)立雄安新區(qū)，是重大的歷史性戰(zhàn)略選擇，是千年大計、國家大事[1]。白洋淀是雄安新區(qū)內(nèi)重要的生態(tài)要素之一，與大氣圈、生物圈和巖石圈之間進行著密切的物質(zhì)循環(huán)和能量轉(zhuǎn)遞，是各圈層相互作用的重要連接點，對雄安新區(qū)生態(tài)水城的建設(shè)具有重要意義。白洋淀內(nèi)縱橫交錯的3 700余條溝壕將全淀分割成143個大小不等又相互連通的淀泊，均與地下水存在著密切的水力聯(lián)系。

目前已對白洋淀流域水生態(tài)與水環(huán)境等開展了大量研究，如楊薇等[2]對2000-2018年關(guān)于白洋淀生態(tài)需水量的研究成果進行了歸納總結(jié)；王歡歡等[3]對1988-2016年白洋淀水質(zhì)時空演化特征進行了研究；白潔等[4]對白洋淀流域水環(huán)境承載力開展了定量評價，但對白洋淀與地下水的相互作用模式，尤其是其對區(qū)域地下水補給量等，尚未見到廣泛報道。國內(nèi)外對湖水與地下水轉(zhuǎn)化關(guān)系也開展了大量研究[5-7]，研究人員通過物理、化學(xué)、數(shù)值模擬等多種方法對二者間的補給模式和補給量進行刻畫[8]。如Wilson等[9]以氡同位素為示蹤劑，結(jié)合遙感影像數(shù)據(jù)探究了愛爾蘭勞夫湖與地下水的交互補給作用模式，研究結(jié)果表明地下水主要通過北側(cè)和東側(cè)的石灰?guī)r補給湖泊，在西部的砂巖和混合花崗巖中并未發(fā)現(xiàn)補給通道；Yang等[10]根據(jù)熱力學(xué)模型精確計算了地下水對云南陽宗海的補給量；Su等[11]根據(jù)同位素和熱力學(xué)模型對內(nèi)蒙古達克湖與地下水作用模式進行了研究，計算結(jié)果表明地下水對湖水的補給速率在春、夏、秋3季為2×10-6～3×10-6m/s，在冬季由于湖水-地下水潛流帶結(jié)冰，阻隔了地下水的補給；Liao等[12]利用氫、氧穩(wěn)定同位素和鐳同位素識別出地下水對鄱陽湖的補給區(qū)；尹立河等[13]以湖水與地下水位監(jiān)測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，結(jié)合水化學(xué)數(shù)據(jù)，對鄂爾多斯高原乞蓋淖與地下水的動態(tài)補排關(guān)系進行了研究。上述研究均取得良好成果，但同時也面臨以下問題：當(dāng)鐳、氡等同位素在地下水和地表水間未有顯著差異時，對二者間的交互作用模式便難以精確刻畫[9]；利用水位或熱力學(xué)模型進行研究時，需投入較大工作量完成對水位或溫度的長期監(jiān)測，且研究成果多以定性為主[14]。基于此，結(jié)合雄安新區(qū)實際的水化學(xué)特征和土地利用類型，本研究以人工甜味劑(artificial sweetners，AS)為示蹤劑，通過構(gòu)建其在白洋淀中的時序特征，來探究典型淀區(qū)對地下水的補給量。

AS是一類廣泛應(yīng)用于食品、飲料、藥物和個人護理品的人工合成或半合成的代替蔗糖的有機化合物[15]，由于大部分AS幾乎不被人體轉(zhuǎn)化，因此被稱為無熱量的糖。自20世紀末通過美國食品和藥物管理局許可以來，全球每年的AS消耗量為15.9×104t，我國是AS第一大消費與制造國，約占全球消耗量的32%[16]。部分AS，如安賽蜜(acesulfame，ACE)、三氯蔗糖(sucralose，SUC)等具有較高的穩(wěn)定性與持久性[17]，研究人員在大氣粉塵[18]、地表水[19-21]、地下水[22]、土壤[23]、地表植被[24]等不同環(huán)境要素中均發(fā)現(xiàn)其廣泛存在。我國對AS的研究尚處于起步階段，目前以厘清其在各生態(tài)要素單元內(nèi)的空間分布特征為主，如馬曉雁等[17]對浙江省某市水處理及供水系統(tǒng)內(nèi)ACE、糖精(saccharin，SAC)、阿斯巴甜(aspartame，ASP)、紐甜(neotame，NEO)的分布特征進行了研究；Gan等[24]對天津市大氣粉塵、土壤、地表水中AS的空間分布進行了調(diào)查，對比干、濕季節(jié)下大氣粉塵中AS含量的變化，其濃度范圍介于0.02～1 940 pg/m3；Yang等[25]對珠江支流東江流域內(nèi)地表水和地下水中AS含量的時空分布進行了研究，查明其主要來源于東江沿岸生活污水。但充分利用AS較強水溶性、較弱吸附性、單一來源等特性[18]，將其作為示蹤劑探究人類活動的影響范圍與強度、精確刻畫地表水與地下水交互補給作用模式等方面的研究較少[26]。

基于此，本研究首先對雄安新區(qū)水環(huán)境中AS空間分布特征進行研究，查明人類活動對雄安新區(qū)水環(huán)境的影響；在此基礎(chǔ)上通過構(gòu)建AS在典型淀區(qū)內(nèi)的時序特征，結(jié)合氣象資料與補排特征，精確計算白洋淀內(nèi)的金龍淀對地下水的補給量，為雄安新區(qū)水資源科學(xué)調(diào)控提供支撐。

2 研究區(qū)概況

雄安新區(qū)位于華北腹地，主要包括安新、雄縣、容城三縣及周邊區(qū)域，面積約1 760 km2[1]，區(qū)域內(nèi)地勢平坦，新區(qū)土地利用分為農(nóng)業(yè)種植區(qū)、生態(tài)林地、交通運輸?shù)?、建成區(qū)、水體5種類型，其中農(nóng)田面積最大，2019年遙感影像資料顯示農(nóng)業(yè)種植區(qū)面積占比達70.4%[27]，主要分布于新區(qū)西部和南部，作物以玉米和小麥為主。研究區(qū)屬暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候，具有夏季高溫多雨、冬季干旱寒冷的特點，1965-2019年平均氣溫為7.3～12.7 ℃，年平均降水量為553.1 mm，70%集中于6-8 月份，降水年際變化大。區(qū)域內(nèi)有華北地區(qū)最大的湖泊濕地白洋淀，具有完備的沼澤和水域生態(tài)系統(tǒng)，在區(qū)域氣候、地下水補給、洪水調(diào)蓄以及生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性等方面發(fā)揮著重要作用。白洋淀淀區(qū)總面積為366.4 km2，多年平均明水面積約占41.0%[28]，從北、南、西3個方向接納9 條入淀河流。

研究區(qū)地勢由西北向東南逐漸降低，地面海拔高程多在15～50 m，坡降小于2‰，第四紀沉積以沖洪積、沖湖積、沖積為主，地下水以孔隙水為主。根據(jù)華北平原含水層組劃分原則，可分為淺層與深層地下水兩大類，其中大部分地區(qū)淺層地下水水位埋深在5～15 m，單井涌水量在1 000～3 000 m3/d[1]，大氣降雨和河湖入滲是其主要補給來源，地面蒸發(fā)、農(nóng)業(yè)灌溉、生活用水是其主要排泄方式。

3 樣品采集與測試

2019年7月在雄安新區(qū)采集42組淺層地下水和6組白洋淀地表水樣品，測試ACE、SUC、SAC、甜蜜素(cyclamate，CYC)4種在我國最為常見的人工甜味劑[29]，所有樣品均由自然資源部地下水科學(xué)與工程重點實驗室測試完成，通過測試得出的雄安新區(qū)地下水位及人工甜味劑空間分布特征見圖1。在此基礎(chǔ)上，選擇白洋淀南部的金龍淀作為試點，金龍淀緊臨由中國地質(zhì)科學(xué)院水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)研究所建立的雄安新區(qū)地球多圈層交互帶監(jiān)測站[30]。為恢復(fù)白洋淀流域生態(tài)功能，河北省利用南水北調(diào)與引黃工程在每年3-7月對白洋淀實施生態(tài)補水，故在8-9月內(nèi)，金龍淀補給來源僅為大氣降雨，排泄渠道為蒸發(fā)與地下水滲漏，無外界水源對淀區(qū)內(nèi)的AS含量造成干擾。本次研究從2019年8月1日起，每間隔7 d在金龍淀水域中心取地表水樣品，截止至2019年9月26號，累積獲取8組樣品，結(jié)合不同AS半衰期，選擇半衰期最長的ACE作為示蹤劑[21]，構(gòu)建其在金龍淀內(nèi)的時序特征，計算該淀對地下水的補給量。

4 結(jié)果與分析

相較于其他天然示蹤劑，AS最大的特點在于其具有較強極性、不易被土壤吸附、極易溶于水，且在自然界中無背景值[31]。目前AS被作為一種理想人工示蹤劑，廣泛用于定量刻畫人類活動對生態(tài)系統(tǒng)的影響[32-34]。圖1表明在雄安新區(qū)內(nèi)，地下水中ACE含量為0.000 5～1.34 μg/L，平均值為0.11 μg/L，在白洋淀中其濃度為0.95～1.40 μg/L，平均值為1.16 μg/L；地下水中SUC濃度為0.003～0.93 μg/L，平均值為0.14 μg/L，在白洋淀中其濃度為1.14～3.16 μg/L，平均值為2.17 μg/L。SAC和CYC在地下水中濃度較低，SAC在地下水中濃度最大值為0.32 μg/L，平均值為0.04 μg/L,在白洋淀中其濃度最大值為0.27 μg/L，平均值為0.21 μg/L;CYC在地下水中濃度最大值為0.30 μg/L，平均值為0.05 μg/L,在白洋淀中其濃度最大值為0.50 μg/L,平均值為0.38 μg/L。因SAC和CYC在水中半衰期較短，且在自然條件下極易發(fā)生生物降解，故其含量遠低于ACE和SUC[20]。

雄安新區(qū)水環(huán)境中的AS含量遠高于德國[35]、瑞士[22]、加拿大[34]、新加坡[36]以及中國天津等地[37]，但與珠江流域東江河內(nèi)的AS濃度相似，這充分表明人類活動對雄安新區(qū)與東江流域的影響強度較為相似，且遠大于其他區(qū)域。從總體空間分布特征來看，上述4種AS在雄安新區(qū)西南部含量顯著高于其他區(qū)域，這表明西南部區(qū)域受人類活動的影響更為強烈，結(jié)合新區(qū)目前的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，人類活動主要為生活污水排放和農(nóng)業(yè)灌溉，這些活動導(dǎo)致大量的AS進入白洋淀內(nèi)，在白洋淀對地下水補給作用下，AS又進一步進入含水層；在研究區(qū)北部，地下水以山前側(cè)向補給為主，地下水受白洋淀影響較小，故其AS濃度較低。

通過位于金龍淀南部的地球多圈層交互帶監(jiān)測站，采集到2019年8-9月金龍淀的日降雨和蒸發(fā)量及數(shù)據(jù)ACE時序分布特征，見圖2。由圖2可見，2019年8-9月金龍淀內(nèi)降雨量較小，日降雨量為0～19.46 mm，累計降雨量為62.75 mm，蒸發(fā)量較大，日蒸發(fā)量為0.13～8.33 mm，累計蒸發(fā)量為235.8 mm，累計蒸發(fā)量遠大于累計降雨量，在強烈蒸發(fā)和滲漏作用下，金龍淀內(nèi)AS濃度持續(xù)升高。

圖2 2019年8-9月金龍淀內(nèi)降雨量、蒸發(fā)量及ACE濃度時序分布特征

由于ACE在水中的半衰期長達15 a[21]，其在短期內(nèi)衰減量基本可忽略不計，ACE在淀內(nèi)時空演化主要與大氣降雨、蒸發(fā)、地下水滲漏有關(guān), 金龍淀與淺層地下水作用模式示意圖見圖3。

圖3 金龍淀與淺層地下水作用模式示意圖

根據(jù)公式(1)～(5)即可反演出湖水對地下水的滲漏量。

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

式中：wi、wi-1分別為第i期、第i-1期金龍淀中ACE的濃度(i=1，2，…，8)，μg/L；v為湖水體積，m3；s為第i-1到i期間湖水凈蒸發(fā)量，即蒸發(fā)量與降雨量之差，m3；z為湖水向地下水滲漏量，m3。

根據(jù)實地調(diào)查，金龍淀的水域面積為8.947 km2，結(jié)合凈蒸發(fā)量數(shù)據(jù)和淀內(nèi)ACE濃度的時序數(shù)據(jù)(圖2)，根據(jù)公式(1)～(5)，確定金龍淀每7 d內(nèi)平均向地下水滲漏量為5.25×104m3，則年滲漏量為273.75×104m3。

5 結(jié) 論

(1)研究結(jié)果表明，人類活動對雄安新區(qū)水環(huán)境的影響大于天津等地，尤其是在研究區(qū)南部和白洋淀內(nèi)受人類活動影響最為嚴重，在后期的水生態(tài)環(huán)境保護和治理中需對該區(qū)域進行重點研究。ACE和SUC在地下水中的濃度平均值分別為0.11和0.14 μg/L，在白洋淀中的平均濃度分別為1.16和2.17 μg/L。在農(nóng)業(yè)灌溉與生活污水的影響下，AS首先在地表水中富集，在其從湖水向地下水滲透過程中，在包氣帶內(nèi)發(fā)生吸附與衰減，導(dǎo)致其在白洋淀內(nèi)濃度遠高于地下水。

(2)本研究以AS中ACE為示蹤劑，構(gòu)建其在地表水中的時序特征，在整個監(jiān)測時間段內(nèi)ACE濃度介于0.73～1.31 μg/L，在強烈蒸發(fā)和滲漏作用下，金龍淀內(nèi)ACE濃度持續(xù)升高。結(jié)合地球多圈層交互帶監(jiān)測站降雨與蒸發(fā)數(shù)據(jù)，通過迭代計算，查明金龍淀向淺層地下水的滲漏量為0.75×104m3/d，則年滲漏總量為273.75×104m3。白洋淀是雄安新區(qū)淺層地下水系統(tǒng)主要補給來源，其對區(qū)域內(nèi)地下水量和水質(zhì)均有重要影響，精確刻畫白洋淀與地下水的交互補給作用，對雄安新區(qū)水資源科學(xué)調(diào)控具有重要意義。