基于水化學(xué)的南水北調(diào)中線干渠水與地下水水力聯(lián)系指標(biāo)識別

韓曉東 賈兵營 何康 陳璽

摘要 從一般水化學(xué)角度研究了南水北調(diào)中線源頭地表水、干渠水及其周邊地下水的差異。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，鈉離子在地下水與干渠水和源頭地表水中的濃度差異最為明顯，其次是總?cè)芙夤腆w（TDS）濃度，其他主要離子以及pH差異均不明顯，說明鈉離子濃度可作為識別南水北調(diào)中線干渠水及其周邊地下水水力聯(lián)系的備選指標(biāo)。利用聚類分析和水化學(xué)類型的相似性，剔除了與干渠水可能存在水力聯(lián)系的地下水樣鈉離子濃度，初步確定南水北調(diào)中線沿線與干渠水沒有水力聯(lián)系的地下水鈉離子濃度大于9.8mg/L，且該數(shù)值是干渠水鈉離子濃度的1.6倍以上。因此，可將鈉離子濃度及其參考范圍用于快速判斷南水北調(diào)干渠周邊地下水與干渠水是否存在水力聯(lián)系。

關(guān)鍵詞 南水北調(diào)干渠；水化學(xué)；地下水；水力聯(lián)系；鈉離子

中圖分類號 P641.12

文獻標(biāo)識碼 A

文章編號 0517-6611（2024）02-0190-07

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2024.02.042

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

Indices Identification of Hydraulic Connection Between Groundwater and Canal Water in Middle Route of the South-to-North Water Diversion Project Based on Hydrochemistry

HAN Xiao-dong，JIA Bing-ying，HE Kang et al

（1.Hebei Branch of China South-to-North Water Division Group Middle-Route Co.，Ltd.，Shijiazhuang，Hebei050035;2.Nanyang Management Office of Qushou Branch of China South-to-North Water Division Group Middle-Route Co.，Ltd.，Nanyang，Henan473008）

Abstract This paper investigated the differences of hydrochemistry indices between the source surface water，canal water， and its surrounding groundwater in the middle route of South-to-North Water Division Project.The results showed that the difference of sodium ion concentration between groundwater and canal water as well as the source canal water was the most significant，followed by the concentration of total dissolved solids （TDS），while the concentration of other main ions and pH had no significant difference，indicating that sodium ion concentration could be used as an alternative indicator to identify the hydraulic connection between canal water and its surrounding groundwater in the middle route of South-to-North Water Division Project.Using the cluster analysis and the similarity of hydrochemical types，sodium concentration in groundwater samples that might have hydraulic connection with canal water were excluded.It was preliminarily delineated that the reference range of sodium concentration in the groundwater without hydraulic connection with the canal water along the middle route of South-to-North Water Division Project was over9.8mg/L，and the range value was more than1.6times as the range value of sodium concentration in the canal water.Therefore，the indicator of sodium ion and its concentration range could be used to quickly identify whether the groundwater around the main canal of South-to-North Water Division Project had hydraulic connection with the canal water.

Key words Main canal of South-to-North Water Division Project;Hydrochemistry;Groundwater;Hydraulic connection;Sodium ion

基金項目 中國南水北調(diào)集團中線有限公司資助項目“南水北調(diào)中線干線水體特征與溯源分析研究”（ZXJ/HB/YW/SZ-2020-007）。

作者簡介 韓曉東（1983—），女，河北冀州人，高級工程師，碩士，從事南水北調(diào)工程水質(zhì)監(jiān)測工作。*通信作者，高級工程師，從事水文地質(zhì)調(diào)查工作。

收稿日期 2022-10-14

伴隨著人口增長及城鎮(zhèn)化發(fā)展，水資源供需矛盾日益凸顯。為了滿足區(qū)域水資源合理配置的需求，新建了大量水利工程，以滿足缺水地區(qū)生活用水、工業(yè)生產(chǎn)以及農(nóng)業(yè)灌溉等方面的用水需求。例如，我國南水北調(diào)中線工程是緩解京津冀以及河南地區(qū)水資源短缺的重大水利工程。這些水利工程在連接和分配河流、湖泊以及其他水資源供人類使用的同時，也使得人類面臨的水安全問題比以往任何時候都更加復(fù)雜。例如，南水北調(diào)中線總干渠輸水距離長達1277km，供水范圍內(nèi)總面積15.5萬km，雖然相關(guān)研究表明南水北調(diào)中線工程運行至今干渠水質(zhì)長期處于良好狀態(tài)，但其長距離、寬范圍的特征使其極易受外界因素的影響，存在安全隱患。例如，南水北調(diào)中線部分渠段基底低于其周邊的地下水水位，致使其存在地下水補給干渠水的可能性。另外，一旦水利工程設(shè)施維護不及時，在基底高于周邊地下水水位的渠段就存在南水北調(diào)干渠水外泄并補給地下水的安全風(fēng)險。因此，高效、經(jīng)濟的干渠水與其周邊地下水的水力聯(lián)系識別方法是保障南水北調(diào)水利工程水安全的有效手段之一。

目前，水位、水溫等物理參數(shù)信息與同位素以及常規(guī)水化學(xué)信息組合使用是識別地表水和地下水水力聯(lián)系的常用方法。然而，對南水北調(diào)工程的水質(zhì)監(jiān)管工作而言，長期多指標(biāo)的水質(zhì)監(jiān)測致使運行成本過高，同時數(shù)據(jù)量巨大，增大了分析難度。因此，從運行成本和分析難度來看，需要基于少量指標(biāo)甚至單一指標(biāo)即可識別干渠水與其周邊地下水水力聯(lián)系的水質(zhì)監(jiān)管模式。南水北調(diào)作為人工水利工程而言，利用水位、水溫等物理參數(shù)信息識別其干渠水與周邊地下水水力聯(lián)系時存在信息靈敏度不高的問題；另外，同位素信息用于識別干渠水與周邊地下水水力聯(lián)系時雖然不存在靈敏度問題，卻存在檢測費用偏高的問題。因此，從檢測費用相對低廉的一般水化學(xué)指標(biāo)中篩查出可有效、快速識別干渠水與其周邊地下水水力聯(lián)系的指標(biāo)成為南水北調(diào)干渠水質(zhì)監(jiān)管工作中亟待解決的工作難點。為闡明南水北調(diào)中線干渠水及其周邊地下水化學(xué)特征，篩查出可有效識別干渠水與其周邊地下水差異的水化學(xué)指標(biāo)，筆者利用聚類分析等方法評估所篩選出的識別干渠水與其周邊地下水水力聯(lián)系的水化學(xué)指標(biāo)，以期為南水北調(diào)干渠水質(zhì)監(jiān)管工作提供技術(shù)支撐，進而保障南水北調(diào)工程的安全供水。

1 研究區(qū)概況

南水北調(diào)中線工程（坐標(biāo)111.71°～116.27°E，32.67°～39.98°N）是從長江最大支流漢江中上游的丹江口水庫調(diào)水，沿華北平原中西部邊緣自流到北京市頤和園團城湖的輸水工程（圖1）。干渠沿線途徑南陽、平頂山、許昌、鄭州、焦作、新鄉(xiāng)、鶴壁、安陽、邯鄲、邢臺、石家莊、保定、北京、天津14個大中城市，輸水干渠總長1277km。干渠南北橫跨亞熱帶季風(fēng)和暖溫帶季風(fēng)2個氣候區(qū)，其區(qū)域年降水量543～1173mm，年平均氣溫14.6～21.2℃。自2014年通水以來，南水北調(diào)中線工程累計向華北地區(qū)輸水超300億m，占河南、河北、北京、天津4?。ㄊ校╋嬘盟?0%以上。南水北調(diào)中線干渠跨越長江、黃河、海河、淮河四大流域，地下水埋藏條件不一，部分渠段基底低于其周邊地下水位。

2 材料與方法

2.1 采樣與分析 2020—2021年夏季從陶岔（渠首）、姜溝、寶豐、新鄭、湯陰、磁縣、沙河、石家莊、唐縣、易縣以及惠南莊11個斷面以及南水北調(diào)中線干渠源頭（丹江口水庫等）采集127組地下水樣、54組干渠水樣以及5組源頭地表水樣。水樣低溫保存，送至自然資源部地下水礦泉水及環(huán)境監(jiān)測檢測中心檢測。水樣測試指標(biāo)包括pH、溶解性總固體（TDS）濃度以及鉀離子、鈉離子、鈣離子、鎂離子濃度以及氯化物、硫酸鹽、重碳酸鹽以及硝酸鹽含量。其中，pH使用意大利哈納（HANNA）便攜式pH測試儀進行現(xiàn)場檢測；TDS濃度采用重量分析法測定；鉀離子、鈉離子、鈣離子、鎂離子濃度采用電感耦合等離子原子發(fā)射光譜法測定；采用酸堿滴定法測定重碳酸鹽含量；采用離子色譜法測定氯化物、硫酸鹽以及硝酸鹽含量。檢測指標(biāo)的相對誤差均在5%以內(nèi)。上述水化學(xué)指標(biāo)分析所用的地下水樣、干渠水樣以及源頭地表水樣分別有41、17和5組。

2.2 聚類分析

基于水化學(xué)指標(biāo)信息，可將水樣依據(jù)水化學(xué)信息的相似程度進行聚類分析。聚類分析主要有系統(tǒng)聚類法和K-均值算法2種方法，該研究采用系統(tǒng)聚類法。系統(tǒng)聚類分析選用瓦爾德法（離差平方和法），區(qū)間測量采用平方歐氏距離；同時，進行數(shù)據(jù)0～1標(biāo)準(zhǔn)化轉(zhuǎn)換。試驗所用軟件為SPSS23.0統(tǒng)計軟件。

3 結(jié)果與分析

3.1 南水北調(diào)中線源頭地表水及干渠水化學(xué)特征

從圖2可以看出，南水北調(diào)中線源頭地表水pH波動范圍很?。?.6～7.8），中位值為7.7，指示源頭地表水呈偏弱堿性的特征。南水北調(diào)中線干渠水pH波動范圍也很?。?.5～8.6），中位值為7.8，指示干渠水也呈弱堿性。源頭地表水TDS濃度為142～169mg/L，中位值為154mg/L；南水北調(diào)中線干渠水TDS濃度波動范圍與源頭地表水大致相當(dāng)，其中位值為158mg/L，略高于源頭地表水。源頭地表水鉀離子濃度較為穩(wěn)定，為1.8～1.9mg/L；干渠水鉀離子濃度波動范圍為1.7～2.2mg/L，其中位值也略高于源頭地表水。鈉離子在南水北調(diào)中線源頭地表水和干渠水中的濃度較為穩(wěn)定且基本一致，其濃度范圍分別為5.1～5.8和5.1～5.9mg/L。鈣離子在南水北調(diào)中線源頭地表水和干渠水中的濃度大致相當(dāng)，其中位值分別為39.5和40.8mg/L，源頭地表水鈣離子濃度的波動范圍大于干渠水。鎂離子在南水北調(diào)中線源頭地表水和干渠水中的濃度雖然也大致相當(dāng)，其中位值分別為7.7和7.5mg/L，但干渠水中鎂離子濃度波動范圍大于源頭地表水。南水北調(diào)中線源頭地表水和干渠水中主要陽離子濃度大小均表現(xiàn)為鈣離子>>鎂離子>鈉離子>鉀離子，且各主要陽離子濃度在南水北調(diào)中線源頭地表水和干渠水中均大致相當(dāng)。與主要陽離子不同，主要陰離子在南水北調(diào)中線源頭地表水和干渠水中的含量差異明顯。從中位值來看，氯化物、硫酸鹽以及硝酸鹽在干渠水中的含量中位值分別為3.8、18.6和4.2mg/L，明顯低于其在源頭地表水中的含量；相反，重碳酸鹽含量的中位值則干渠水明顯高于源頭地表水。從主要陰離子含量中位值來看，在南水北調(diào)中線源頭地表水中表現(xiàn)為重碳酸鹽>>硫酸鹽>氯化物>硝酸鹽，在干渠水中表現(xiàn)為重碳酸鹽>>硫酸鹽>硝酸鹽>氯化物。

3.2 南水北調(diào)中線周邊地下水化學(xué)特征

從圖2可以看出，南水北調(diào)中線周邊地下水呈弱堿性，pH變化范圍為6.5～7.9。地下水TDS濃度波動較大，其變化范圍為151～993mg/L，中位值330mg/L。南水北調(diào)中線周邊地下水主要陽離子濃度波動均較大，其最低值和最高值相差均在100倍以上；從中位值來看，南水北調(diào)中線周邊地下水主要陽離子濃度大小順序為鈣離子（85.8mg/L）>>鈉離子（16.4mg/L）>鎂離子（12.4mg/L）>>鉀離子（1.6mg/L）。南水北調(diào)中線周邊地下水氯化物、硫酸鹽以及硝酸鹽等主要陰離子含量波動較大，其最低值和最高值均相差30倍以上；重碳酸鹽含量的波動偏小，其最低值和最高值相差不足5倍。從中位值來看，南水北調(diào)中線周邊地下水主要陰離子含量大小順序為重碳酸鹽（228.4mg/L）>硫酸鹽（47.1mg/L）>氯化物（17.0mg/L）>硝酸鹽（6.9mg/L）。

3.3 南水北調(diào)中線源頭地表水、干渠水與地下水化學(xué)特征的差異

從圖2可以看出，南水北調(diào)中線干渠水和其周邊地下水的pH大致相當(dāng)，均呈弱堿性。TDS在南水北調(diào)中線干渠水和其周邊地下水中的濃度有一定的差異，地下水TDS濃度中位值均為其在干渠水和源頭地表水中濃度的2倍多。這些信息指示pH和TDS濃度均難以作為識別南水北調(diào)中線干渠水與其周邊地下水水力聯(lián)系的特征指標(biāo)。主要陽離子中，僅地下水中鈉離子濃度范圍與其在南水北調(diào)中線源頭地表水和干渠水中的濃度范圍無重疊，且鈉離子在地下水中的濃度均高于其在源頭地表水和干渠水中的濃度，即南水北調(diào)中線干渠水和地下水中鈉離子濃度的差異明顯，指示鈉離子可作為識別南水北調(diào)中線干渠水與其周邊地下水水力聯(lián)系的備選指標(biāo)；相反，其他主要陽離子在南水北調(diào)中線周邊地下水中的濃度范圍均包含其在源頭地表水和干渠水中的濃度范圍，指示鈣離子、鎂離子以及鉀離子濃度均難以作為識別南水北調(diào)中線干渠水與其周邊地下水水力聯(lián)系的特征指標(biāo)。南水北調(diào)中線源頭地表水和干渠水中主要陰離子含量范圍均與其在地下水中的含量范圍重疊或部分重疊，指示主要陰離子也均難以作為識別南水北調(diào)中線干渠水與其周邊地下水水力聯(lián)系的特征指標(biāo)。因此，從上述宏量組分來看，僅鈉離子在南水北調(diào)中線源頭地表水和干渠水中的濃度與其在地下水中的濃度有明顯差異，即宏量組分中僅鈉離子濃度可作為識別南水北調(diào)中線干渠水與其周邊地下水水力聯(lián)系的備選指標(biāo)。此外，地下水中鈉離子最低濃度（6.7mg/L）與其在干渠水中的最高濃度（5.9mg/L）較為接近，表明地下水中鈉離子濃度偏低的渠段鈉離子指標(biāo)可能難以作為識別干渠水與其周邊地下水之間水力聯(lián)系的特征指標(biāo)，為此需要論證鈉離子濃度接近干渠水鈉離子濃度最高值的地下水是否與其周邊干渠水存在水力聯(lián)系（后面結(jié)合聚類分析論證），進而確定是否排除這些鈉離子含量低的地下水，因為上述地下水與干渠水化學(xué)差異性分析是在未考慮其是否存在水力聯(lián)系的情況下進行的。

從圖3可以看出，南水北調(diào)中線源頭地表水的水化學(xué)類型有Ca-HCO型和Ca·Mg-HCO型2種，分別占比60%和40%。類似地，干渠水的水化學(xué)類型也較為單一，僅有Ca-HCO型和Ca·Mg-HCO型2種，分別占比94.1%和5.9%。相比之下，南水北調(diào)中線周邊地下水的水化學(xué)類型偏復(fù)雜，有Ca-HCO型、Ca·Mg-HCO型、Ca-HCO·SO型、Ca·Na-HCO型、Ca·Mg·Na-HCO型、Ca·Na-Cl·SO型、Ca-HCO·Cl·SO型、Ca-HCO·SO·Cl型、Ca-SO·HCO型、Na·Ca·Mg-HCO型、Na·Ca-HCO₃型以及Na·Ca-HCO·SO·Cl型12種。其中，Ca-HCO型水（41.46%）占主導(dǎo)，Ca·Mg-HCO型（14.63%）、Ca-HCO·SO型（14.63%）、Ca·Na-HCO型（9.76%）次之，其余8種水化學(xué)類型占比均不足3%。通過對比源頭地表水、干渠水以及地下水的水化學(xué)類型發(fā)現(xiàn)，源頭地表水和干渠水水化學(xué)類型較為一致，僅有12%的地下水水化學(xué)類型與干渠水和源頭水一致（圖3）。

3.4 南水北調(diào)中線干渠水與地下水的水力聯(lián)系識別指標(biāo)的優(yōu)化

利用系統(tǒng)聚類分析方法，對10項水化學(xué)指標(biāo)分析所用的41組地下水樣、17組干渠水樣以及5組源頭地表水樣進行聚類分析，結(jié)果如圖4所示。這些樣本被分為3組，組 Ⅰ 包含了所有的干渠水樣和源頭地表水樣，還包括部分地下水樣；組Ⅱ和組Ⅲ則均為地下水樣。將組 Ⅰ 進一步細分為3個子組，組 Ⅰ-1包括所有的干渠水樣和源頭地表水樣以及部分地下水樣，而組 Ⅰ-2和組 Ⅰ-3則均為地下水樣。由于系統(tǒng)聚類按照水化學(xué)指標(biāo)濃度的相似性進行分組，指示組 Ⅰ-1中的地下水樣與干渠水樣存在水力聯(lián)系的可能性較其他組更大。另外，組 Ⅰ-1中的地下水樣均為Ca-HCO型水，且其水化學(xué)相均在圖3中包含干渠水樣的黑色圈內(nèi)，進一步表明組 Ⅰ-1中的地下水樣與干渠水樣存在水力聯(lián)系的可能性較大。此外，通過對比各組地下水相關(guān)水化學(xué)指標(biāo)的中位值與其在干渠水中的中位值可知，組 Ⅰ-1中的TDS濃度、鈉離子濃度、鈣離子濃度、鎂離子濃度、重碳酸鹽含量等水化學(xué)指標(biāo)的中位值較其他組更靠近干渠水，而這些水化學(xué)指標(biāo)在其他組中的中位值則遠高于干渠水（表1）。從圖5可以看出，組 Ⅰ-1中鈉離子的濃度范圍波動較小且明顯低于其他組，而其余水化學(xué)指標(biāo)在組 Ⅰ-1中的濃度范圍則多與其余組中的濃度范圍重疊。以上結(jié)果均指示鈉離子濃度作為識別南水北調(diào)中線干渠水與其周邊地下水水力聯(lián)系的指標(biāo)時，應(yīng)剔除存在水力聯(lián)系可能性的地下水樣中的鈉離子濃度。剔除組 Ⅰ-1后，南水北調(diào)中線沿線的地下水鈉離子濃度更適合用于識別南水北調(diào)中線干渠水與地下水的水力聯(lián)系。因此，初步可確定南水北調(diào)中線沿線與干渠水無水力聯(lián)系的地下水鈉離子濃度大于9.8mg/L，該數(shù)值是干渠水鈉離子濃度的1.6倍以上。

4 結(jié)論

該研究從一般水化學(xué)角度研究了南水北調(diào)中線源頭地表水、干渠水以及其周邊地下水之間的差異，結(jié)果發(fā)現(xiàn)鈉離子濃度差異最為明顯，其次是TDS濃度，其余主要離子濃度以及pH差異均不明顯，因此鈉離子濃度可作為識別南水北調(diào)中線干渠水和其周邊地下水水力聯(lián)系的備選指標(biāo)。利用聚類分析和水化學(xué)類型的相似性，剔除了與干渠水可能存在水力聯(lián)系的地下水樣中的鈉離子濃度，初步確定南水北調(diào)中線沿線與干渠水無水力聯(lián)系的地下水鈉離子濃度大于9.8mg/L，且該數(shù)值是干渠水鈉離子濃度的1.6倍以上。因此，可將鈉離子濃度及其參考范圍用于快速判斷南水北調(diào)干渠周邊地下水與干渠水是否存在水力聯(lián)系。

上述鈉離子濃度范圍是在數(shù)十組地下水樣的數(shù)據(jù)上得出的結(jié)論，存在地下水樣品數(shù)量不足以及地下水樣品代表性不夠等缺點，因此后續(xù)工作應(yīng)增加采集南水北調(diào)中線沿線不同類型的地下水樣，進一步明確供參考的鈉離子濃度范圍的有效性。

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