生態(tài)補(bǔ)水對(duì)白洋淀流域地表水和地下水水化學(xué)特征的影響*

崔 旭，張 兵，何明霞，夏文雪，王義東，趙 勇

(1:天津師范大學(xué)天津市水資源與水環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300387)(2:天津師范大學(xué)地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，天津 300387)(3:中國水利水電科學(xué)研究院水資源研究所，北京 100038)

濕地被譽(yù)為“地球之腎”，它是由水陸生態(tài)系統(tǒng)相互作形成的生態(tài)系統(tǒng)，在維系地區(qū)生態(tài)平衡，推動(dòng)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展中具有不可替代的地位[1-3]. 近年來，在人類活動(dòng)與全球氣候變化的綜合影響下，濕地面臨著生態(tài)環(huán)境惡化、面積持續(xù)萎縮以及水體污染嚴(yán)重等危機(jī)[4]. 充足的水源是保障濕地水環(huán)境及生態(tài)服務(wù)功能的基礎(chǔ). 跨流域調(diào)水可以改善水資源時(shí)空分布不均，緩解區(qū)域水資源供需矛盾[5]. 通過跨流域調(diào)水向濕地生態(tài)水網(wǎng)補(bǔ)水，可以修復(fù)、改善其受損的生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能，使?jié)竦刈晕艺{(diào)節(jié)能力得到恢復(fù)，對(duì)維持濕地生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)平衡起到至關(guān)重要的作用.

人類活動(dòng)會(huì)對(duì)濕地水環(huán)境產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響. 目前，人類工、農(nóng)業(yè)活動(dòng)對(duì)白洋淀水生態(tài)產(chǎn)生影響的研究已較為深入，主要包括：水質(zhì)時(shí)空變化[6-7]、濕地景觀格局變化[8]、水體富營養(yǎng)化監(jiān)測(cè)[9-10]、污染物的特征與溯源[11-12]以及水生生物對(duì)人類活動(dòng)的響應(yīng)[13]等方面. 水化學(xué)是水體的基本要素之一，分析水體水化學(xué)特征可以表征其環(huán)境化學(xué)特點(diǎn)、水質(zhì)狀況、水體離子來源、分布及遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律. 生態(tài)補(bǔ)水在增加受水區(qū)地表水水量、涵養(yǎng)和修復(fù)地下水資源、提升地表水與地下水水位[14-15]、改善淀區(qū)水動(dòng)力狀況[16]和水質(zhì)[17]的同時(shí)，也會(huì)使區(qū)域地表水與地下水的水化學(xué)類型發(fā)生改變[18-19]. 研究生態(tài)補(bǔ)水條件下水體水化學(xué)變化，可為受水區(qū)水環(huán)境及生態(tài)的修復(fù)或進(jìn)行合理的農(nóng)業(yè)灌溉提供理論支撐.

白洋淀是華北平原最大的淡水濕地生態(tài)系統(tǒng). 自1960年以來，氣候、水文等自然因素，以及工農(nóng)業(yè)與生活用水量加大、污水排放、上游建設(shè)水利工程設(shè)施以及地下水的過度開采等人為因素，導(dǎo)致區(qū)域水環(huán)境逐漸惡化[6,20]. 白洋淀濕地景觀破碎化、干化問題嚴(yán)重[21]，水體富營養(yǎng)化和沼澤化問題并存，污染物總量居高不下，水質(zhì)長期處于Ⅳ～劣Ⅴ類之間[22-23]. 2017年4月1日，中共中央、國務(wù)院設(shè)立雄安新區(qū)，白洋淀在其建設(shè)過程中具有調(diào)節(jié)區(qū)域氣候、優(yōu)化地區(qū)生態(tài)環(huán)境的重要功能. “建設(shè)雄安新區(qū)，一定要把白洋淀修復(fù)好、保護(hù)好”. 水是白洋淀生態(tài)之基，向淀區(qū)補(bǔ)水以恢復(fù)白洋淀“華北之腎”功能的任務(wù)迫在眉睫. 截至2020年，共向白洋淀補(bǔ)水約197.6×108m3. 近年來國內(nèi)外學(xué)者對(duì)白洋淀生態(tài)補(bǔ)水量[24-25]、配水水源路徑[26]及補(bǔ)水對(duì)區(qū)域水動(dòng)力的影響[16]等方面進(jìn)行了大量研究，也對(duì)補(bǔ)水方案產(chǎn)生的生態(tài)效益進(jìn)行了評(píng)價(jià)[27-28]. 作為生態(tài)補(bǔ)水的典型受水區(qū)域，有關(guān)多水源長效補(bǔ)水機(jī)制對(duì)白洋淀地表水與地下水水化學(xué)組成的影響方面的研究仍需深入.

2018年4月16日-6月22日，“南水北調(diào)”中線工程首次通過瀑河及北易水退水閘向白洋淀進(jìn)行生態(tài)補(bǔ)水，補(bǔ)水量為1×108m3. 同年4月5日-6月5日，王快水庫和西大洋水庫向白洋淀補(bǔ)水2.8×107m3. 本文通過野外采樣和室內(nèi)測(cè)試，分析2018年白洋淀淀水、河水及地下水生態(tài)補(bǔ)水前、后水化學(xué)時(shí)空分布特征及離子來源，闡釋生態(tài)補(bǔ)水對(duì)地表水和地下水水化學(xué)特征的影響機(jī)理，探討生態(tài)補(bǔ)水對(duì)未來白洋淀水環(huán)境可能產(chǎn)生的影響，以期為白洋淀水體生態(tài)環(huán)境改善及雄安新區(qū)生態(tài)核心區(qū)的保護(hù)與治理提供科學(xué)依據(jù).

1 研究區(qū)概況

白洋淀(38°44′～38°59′N，115°45′～116°07′E)地處河北省雄安新區(qū)，總面積為366 km2，由143個(gè)淀泊與溝壕組成，是華北平原最大的淡水濕地[20](圖1a). 流域地處暖溫帶半濕潤大陸季風(fēng)氣候區(qū)，夏季炎熱多雨，冬季寒冷干燥，多年年平均氣溫為12.8℃，多年年平均降水量為524.8 mm，多年年平均水面蒸發(fā)量達(dá)1369 mm[21]. 氣溫、降水量與蒸發(fā)量年內(nèi)變化較大，夏季(6-9月)月均溫度均大于20℃，其中7月平均溫度高達(dá)26.9℃，約67%的降雨集中于6-9月. 流域地勢(shì)呈現(xiàn)西北高、東南低的特征. 地處海河流域大清河水系九河下梢的白洋淀，承接南支潴龍河、孝義河、唐河，西側(cè)府河、漕河、瀑河、萍河以及北側(cè)的白溝引河水，并經(jīng)由棗林莊樞紐排入趙王新河，在當(dāng)?shù)鼐哂行钏泻榈闹匾饔?圖1a).

圖1 白洋淀流域水系(a)及淀區(qū)補(bǔ)水線路、采樣點(diǎn)分布(b)Fig.1 River system of Lake Baiyangdian(a), hydrating line and distribution of sampling sites(b)

以水文地質(zhì)要素為依據(jù)，將該地區(qū)4個(gè)含水層組劃分為淺層地下水系統(tǒng)和深層地下水系統(tǒng)(圖2). 淺層地下水主要存在于第Ⅰ和第Ⅱ含水層組內(nèi)，為全新統(tǒng)(Qh)和上更新統(tǒng)(Qp3)含水層. 第Ⅰ、Ⅱ含水層組屬潛水和淺層承壓水，水位埋深為5～20 m，含水層厚度小于40 m，底界深度為150～180 m，以中、細(xì)、粉砂為主. 淺層地下水受大氣降水、農(nóng)業(yè)灌溉、地表水入滲及側(cè)向徑流補(bǔ)給. 深層地下水主要賦存于第Ⅲ和第Ⅳ含水層組內(nèi)，為中更新統(tǒng)(Qp2)和下更新統(tǒng)(Qp1)含水層. 第Ⅲ和第Ⅳ含水層組主要為承壓水，水位埋深為25～35 m，含水層厚度為100～180 m，低界深度為350～600 m，巖性以粗、中、細(xì)砂為主，主要受側(cè)向徑流補(bǔ)給[29].

圖2 研究區(qū)水文地質(zhì)剖面[29]及地下水水化學(xué)組成Fig.2 Hydrogeology profile in the study area[29] and hydrochemistry of groundwater

1960年以來，受氣候變化與人類活動(dòng)的影響，入淀水量逐年減少，除白溝引河、府河及孝義河外的大部分入淀河流基本斷流，白洋淀由天然過水型湖泊逐漸變?yōu)槿斯ふ{(diào)蓄型湖泊[30]. 與此同時(shí)，水位下降、水體污染、濕地萎縮、淀區(qū)沼澤化以及生物多樣性退化等一系列問題亟待解決. 2017年雄安新區(qū)建立，作為區(qū)域生態(tài)屏障，白洋淀在雄安新區(qū)建設(shè)中有“以淀興城、城淀共榮”的作用. 為保障區(qū)域生態(tài)水源，1981-2018年政府相繼采取了上游水庫補(bǔ)水(王快水庫、西大洋水庫、安格莊水庫、岳城水庫)、“引黃濟(jì)淀”、“引岳濟(jì)淀”、“南水北調(diào)”中線工程補(bǔ)水等一系列措施(圖3). 上游水庫補(bǔ)水及跨流域調(diào)水的多水源補(bǔ)水措施，使白洋淀淀區(qū)水質(zhì)逐步優(yōu)化，濕地面積增加，區(qū)域水環(huán)境得到進(jìn)一步改善，遏制了白洋淀生態(tài)環(huán)境的進(jìn)一步退化.

圖3 白洋淀生態(tài)補(bǔ)水信息Fig.3 Information of ecological water replenishment to the Lake Baiyangdian

補(bǔ)水線路如圖1b所示. 王快水庫水流經(jīng)沙河總干渠、月明河、孝義河向白洋淀補(bǔ)水；西大洋水庫水通過唐河總干渠流至白洋淀；安格莊水庫由中易水、南拒馬河、白溝引河向白洋淀補(bǔ)水. 2004年3月1日至6月29日“引岳濟(jì)淀”工程以岳城水庫為起點(diǎn)，利用滏陽河、老漳河、滏東排河、小白河等現(xiàn)有河渠向白洋淀補(bǔ)水1.59×108m3[31]. 2006-2011年自“引黃濟(jì)淀”工程向白洋淀補(bǔ)水5次，從黃河位山閘引水，經(jīng)位山三干渠、穿衛(wèi)工程，沿清臨干渠、清涼江、滏東排河、小白河、人文干渠進(jìn)入淀區(qū)，補(bǔ)水量為4.52×108m3[27]. 2012年5月30日，“兩庫(王快水庫-西大洋水庫)連通”工程竣工，王快水庫水跨沙河流域至唐河流域，經(jīng)三會(huì)河流入西大洋水庫，再經(jīng)保定市區(qū)“大水系輸水”工程，由白洋淀應(yīng)急輸水工程及府河向白洋淀補(bǔ)水. 2017年11月16日“引黃入冀”補(bǔ)淀工程自衛(wèi)河、老漳河、滏東排河、滹沱河、古洋河、小白河和任文干渠輸水至白洋淀. 2018年4月16日“南水北調(diào)”中線工程首次通過瀑河退水閘、北易水退水閘、鄭家佐分水口，向白洋淀上游河道及淀區(qū)補(bǔ)水，入淀水量達(dá)1×108m3.

2 材料與方法

2.1 樣品采集與測(cè)試

2.2 數(shù)據(jù)分析

對(duì)各離子濃度進(jìn)行描述性統(tǒng)計(jì)分析，運(yùn)用ArcGIS軟件繪制白洋淀流域水系、淀區(qū)補(bǔ)水線路、采樣點(diǎn)分布及水體EC值圖；用 Microsoft Excel軟件繪制Stiff圖，水文地質(zhì)剖面圖采用CorelDRAW軟件繪制. 利用AquaChem軟件制作Piper圖以分析水體水化學(xué)類型. 為明晰水體離子來源，應(yīng)用Origin軟件繪制Gibbs模型圖.

3 結(jié)果與分析

3.1 水化學(xué)特征

表1 2018年各水體補(bǔ)水前后水化學(xué)指標(biāo)Tab.1 Physicochemical parameters of water samples before and after ecological water replenishment in 2018

3.2 水化學(xué)類型

地表水水化學(xué)類型時(shí)空變異性較大. 補(bǔ)水前淀水水化學(xué)類型主要為Na-Cl·SO4、Na-Cl·HCO3，補(bǔ)水后淀水水化學(xué)類型種類繁多，主要為Na·Mg-HCO3·Cl、Na·Ca-HCO3·Cl、Ca·Na-HCO3·Cl、Ca·Mg-HCO3·SO4. 補(bǔ)水前后河水水化學(xué)類型差異較大. 補(bǔ)水前府河沿程流向水化學(xué)類型為：Na-Cl·SO4、Na-Cl·HCO3、Na-Cl，瀑河水化學(xué)類型為Na-HCO3·Cl，白溝引河河水化學(xué)類型為Na-Cl·SO4，趙王新河水化學(xué)類型為Na-SO4·Cl；補(bǔ)水后府河、瀑河、白溝引河以及南河干渠的水化學(xué)類型分別為Na·Ca-Cl·HCO3、Mg·Ca-HCO3、Ca·Mg-HCO3·SO4和Na·Ca-HCO3.

補(bǔ)水前后深層地下水水化學(xué)類型較穩(wěn)定，淺層地下水水化學(xué)類型變化較復(fù)雜. 淀區(qū)及周邊深層地下水水化學(xué)類型以Na-HCO3為主，補(bǔ)水后小部分深層地下水水化學(xué)類型發(fā)生改變. 位于瀑河周邊的深層地下水G14w水化學(xué)類型為Na·Mg-HCO3，G3w水化學(xué)類型為Na·Mg-HCO3·Cl，G11w水化學(xué)類型為Na-HCO3·Cl. 淺層地下水水化學(xué)類型變化顯著. 補(bǔ)水前位于唐河附近的淺層地下水水化學(xué)類型為Na-SO4，補(bǔ)水后淺層地下水水化學(xué)類型為Na·Ca-HCO3·Cl、Na·Mg-HCO3、Mg·Na-Cl·HCO3.

位于瀑河入淀口的深層地下水G14w(400 m)與淺層地下水G15w(100 m)的水化學(xué)類型在瀑河河水采樣點(diǎn)R4w與R6d之間，且淺層地下水G15w(100 m)水化學(xué)類型更接近于補(bǔ)水后瀑河水水化學(xué)類型R4w；位于白溝引河入淀口的地下水G1w(100 m)水化學(xué)類型在R1w與R7d之間且與R1w水化學(xué)類型基本一致；府河入淀口的地下水G16w(50 m)水化學(xué)類型為Na·Ca-HCO3·Cl與府河河水R6w水化學(xué)類型Na·Ca-Cl·HCO3較為接近；地表水(R1w、R4w、R6w)與其附近的淺層地下水(G1w、G15w、G16w)水化學(xué)類型類似. 這些現(xiàn)象都表明白洋淀地表水與淺層地下水存在密切的水力聯(lián)系，而深層地下水與淺層地下水水力聯(lián)系較弱. 補(bǔ)水后地表水與地下水水化學(xué)類型位于補(bǔ)水前地表水、太行山區(qū)地下水及水庫水水化學(xué)類型之間(圖4)，表明補(bǔ)水改變了白洋淀水體水化學(xué)類型，且地下水受地表水、太行山區(qū)側(cè)向徑流的共同補(bǔ)給.

圖4 白洋淀不同時(shí)期各水體Piper圖Fig.4 Piper plots of different waters of Lake Baiyangdian in different periods

3.3 水化學(xué)組分影響因素

圖5 白洋淀濕地不同時(shí)期各水體Gibbs圖Fig.5 Gibbs diagram of different waters of Lake Baiyangdian in different periods

4 討論

4.1 生態(tài)補(bǔ)水對(duì)地表水環(huán)境的影響

生態(tài)補(bǔ)水增加了入淀水量，使淀區(qū)水位上升，水面積擴(kuò)大，水質(zhì)得到一定改善. 1965年前，白洋淀主要由降水補(bǔ)給，水量豐富，1957年水位高達(dá)9.5 m；1965年后，上游水庫的修建及區(qū)域用水量的增加，導(dǎo)致入淀水量減少，1983-1988年出現(xiàn)連續(xù)5年干淀的現(xiàn)象[20]，1990-2000年，白洋淀水質(zhì)呈下降趨勢(shì)[23]. 為化解干淀危機(jī)，改善淀區(qū)水質(zhì)，遏制白洋淀生態(tài)退化，政府多次采取生態(tài)補(bǔ)水及淀區(qū)污染治理措施. 1988-1996年，白洋淀水位大幅度上升，2007年后水質(zhì)狀況明顯改善(圖6). 但在補(bǔ)水過程中仍舊存在諸多問題，如：河道滲漏蒸發(fā)，沿岸居民及工廠非法取水、排放污染物，引水工程存在安全隱患且缺乏較為完善的長效補(bǔ)水機(jī)制[32]. 1997-2002年白洋淀水位持續(xù)下降，2000-2008年再次出現(xiàn)干淀現(xiàn)象，白洋淀“水危機(jī)”并沒有從根本上得到解決.

圖6 1950-2020年白洋淀水位、水面積與水質(zhì)等級(jí)[21,23] Fig.6 Water level, water area and water quality grade from 1950 to 2020[21,23] in Lake Baiyangdian

2018年4月發(fā)布的《河北雄安新區(qū)規(guī)劃綱要》明確指出，“建立多水源補(bǔ)水機(jī)制，堅(jiān)持控源-截污-治河系統(tǒng)治理”. 通過改進(jìn)補(bǔ)水方案、整治排污企業(yè)、優(yōu)化淀中村廢水處理體系以及規(guī)范水產(chǎn)養(yǎng)殖，淀區(qū)水環(huán)境好轉(zhuǎn)，水質(zhì)逐步優(yōu)化[33]. 截至2019年底，淀區(qū)水位始終保持在6.5 m以上，水面積增長至約250 km2[34](圖6). 2019年頒布的《白洋淀生態(tài)環(huán)境治理和保護(hù)規(guī)劃(2018-2035年)》提出：到2022年，淀區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量將初步恢復(fù)，2035年綜合治理全面完成，淀區(qū)水位將維持在6.5～7 m，面積將擴(kuò)大至360 km2，水質(zhì)將達(dá)到國家地表水環(huán)境質(zhì)量Ⅲ～Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn)[34]. 白洋淀將逐步恢復(fù)其“華北之腎”的功能，維護(hù)雄安新區(qū)乃至華北平原的生態(tài)平衡.

圖7 補(bǔ)水前、后地表水的水化學(xué)特征及EC值Fig.7 The hydrochemical characteristics and EC value of surface water before and after ecological water replenishment

4.2 生態(tài)補(bǔ)水對(duì)地下水環(huán)境的影響

白洋淀地區(qū)地下水與地表水存在著密切的水力聯(lián)系[38]，地表水滲漏補(bǔ)給地下水貢獻(xiàn)率高達(dá)52%[39]，周邊地區(qū)淺層地下水平均更新速率為4.4%/a[40]. 近幾十年來，隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，區(qū)域用水量不斷增加，白洋淀地下水超采現(xiàn)象嚴(yán)重，地下水位大幅下降. 1974-2007年, 白洋淀流域地下水埋深以平均每年0.51 m的速率下降, 在淀區(qū)附近形成地下水降落漏斗群[41]. 在2000年后，隨著補(bǔ)水量不斷加大，淀區(qū)周邊地下水資源涵養(yǎng)修復(fù)效果顯著，地下水降落漏斗群面積減小，水位有所上升[14,42]. 2015-2018年間，白洋淀流域大部分地區(qū)地下水儲(chǔ)量呈上升趨勢(shì)[43]. 預(yù)計(jì)到2030年，白洋淀地區(qū)淺層地下水位將較2016年上升20～30 m，淀區(qū)南部或?qū)⑸仙?5 m[44].

表2 淺層地下水與深層地下水不同時(shí)期水化學(xué)指標(biāo)Tab.2 Physicochemical parameters of water samples in the surface and deep groundwater

5 結(jié)論

采集2018年白洋淀枯、豐水期(補(bǔ)水前、補(bǔ)水后)地表水與地下水水樣，分析水體水化學(xué)組成，主要結(jié)論為：

2) 深層地下水與淺層地下水存在不透水層，因此受生態(tài)補(bǔ)水影響較小，水化學(xué)類型以Na-HCO3為主. 枯水期(補(bǔ)水前)水體離子來源受蒸發(fā)結(jié)晶作用影響較大，豐水期(補(bǔ)水后)巖石風(fēng)化作用影響更為強(qiáng)烈.

水化學(xué)是反映濕地水環(huán)境的重要計(jì)量指標(biāo)，本研究主要依據(jù)2018年生態(tài)補(bǔ)水前后及2010年數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，未來將融合多學(xué)科、新方法，增加監(jiān)測(cè)時(shí)間、監(jiān)測(cè)點(diǎn)及生態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，更全面地分析生態(tài)補(bǔ)水后由地下水位上升、水體在含水層中發(fā)生陽離子交換和水巖相互作用可能引發(fā)的一系列生態(tài)環(huán)境問題.