基于人工示踪法的位山灌区地下水补给特征研究

王玉伟，王 凤，徐征和，潘维艳，王 通

(1.临清市水务局，山东 聊城 252600；2.济南大学水利与环境学院，济南 250022)

0 引 言

地下水补给是地下水系统的基本组成部分[1]。灌区地下水系统属于半自然生态系统，频繁的人类活动导致灌区的水循环愈发复杂[2,3]。随着工农业快速发展，水资源供需矛盾日趋严重，同时对灌区地下水系统的补给、径流、排泄等认识不足和灌区地下水不合理的开发利用，致使灌区地下水开采条件不断恶化、地面塌陷、微咸水和咸水入侵等次生灾害[4,5]。

20世纪80年代中期以来，国内外专家和学者开始采用不同方法研究地下水补给机理。例如采用地中渗透仪方法、物理方法(地下水位动态方法、水均衡分析法)、化学示踪法和数值模型模拟法等研究不同区域的地下水补给理论[6,7]。受地下水补给过程、补给项的时空变化、资料收集难度大等因素影响，地中渗透仪法、物理法等无法精确量化地下水补给量，难以准确摸清研究区域地下水补给的演变特征。与这些方法相比，化学示踪方法在研究地下水补给方面具有所需资料较少，数据获取容易，可根据需求控制试验时间和地点等优点，在研究地下水补给的同时还可以判断补给源、测定水流运动速度和运移时间、标识优先流路径等[8,9]。通过示踪试验可以揭示变化环境下研究区地下水的补给变化规律，为区域社会经济与生态环境协调发展提供理论支撑。除此之外，人工示踪剂还具有选择性广的特点，只要物质具有较高的水溶性、化学性质稳定、环境污染低、测量简单、测试精度高、测试费用低廉等特点均可作为示踪剂。因此，国内外学者多采用人工示踪方法进行地下水补给相关特性研究。例如，Köhne等[10]利用溴离子研究瓦管排水和物理结构不平衡对溶解物在结构性土壤中运输的影响；Lassaad Dassi[11]利用人工示踪剂氚和氯质量平衡法(CMB)得到突尼斯潜水含水层的补给量；Th. Müller[12]等利用多种示踪剂(4He,14C和36Cl)对阿曼西南地区含水层的地下水停留时间进行了测定，证明多尔法山脉补给区的地下水年代更久，研究还发现采用多种示踪剂评价地下水的评价结果更精确；谭秀翠等[13]采用溴示踪法研究了华北平原山前冲积平原和中部平原在有灌溉和无灌溉区的地下水补给情况；李杰彪等[14]利用人工示踪剂氚研究了甘肃省北山预选区四十里井盆地地下水补给，确定在180 d的试验期间内，得到的浅层地下水补给量仅为0.007～0.018 mm/d；帅品等[15]以华北平原为例，利用人工示踪剂溴离子和氚研究了该地区不同灌溉方式、不同土地利用方式、不同包气带岩性以及秸秆覆盖状况等条件下的地下水补给，并揭示了补给强度的时间变异性。

位山灌区属于黄河冲淤积平原，浅层地下水埋藏深度浅，地下水循环过程受多种因素影响而复杂多变[16-18]。为分析灌区地下水补给特征，采用溴离子作为示踪剂，分析位山灌区地下水时空补给特征，探讨灌区地下水系统的演变规律，研究结果将为灌区地下水资源可持续开发利用以及灌区生态环境和社会发展提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

位山引黄灌区位于山东省聊城市(115°16′～116°30′，35°47′～37°03′)(图1)，灌区属暖温带半干旱季风气候区，平均气温由西北向东南递增，在12.8℃～13.4℃之间，多年平均降水量为554.1 mm，其中6～9月份降水410.5 mm，占全年降水量的73.51%，降水的年际变化大，多年平均水面蒸发量为1 287.7 mm，是降水量的1.67倍。位山灌区是黄河下游最大的引黄灌区，设计灌溉面积为3 600 km2。农田主要采取漫灌的灌溉方式，每年3-5月和9-10月进行灌溉，每年灌溉4次，平均灌溉水量为1 200 m3/hm2，灌溉定额为1 800～3 300 m3/hm2。灌水的均匀性差，易造成土地盐碱化，且配套设施老化失修，水量浪费较大。研究区地下水补给主要受大气降水和地表水灌溉影响，灌区土壤岩性、农作物种类具有空间分布差异性。试验区边界：南部局部区域以黄河为边界，北部以卫河为边界，东西边界则是黄河冲积平原在自然条件下形成的天然边界。

图1 研究区域位置图Fig.1 Location of the study area

1.2 人工示踪试验

1.2.1 示踪试验原理

示踪试验原理如图2所示，选定试验点后，为防止地下水蒸发、动植物和人类活动对示踪剂源产生影响，在地下一定深度处，一般是在接近当地最大零通面以下，人工投放一定量示踪剂。在自然条件下，示踪剂会随着大气降水和灌溉水向下运移产生富集现象，经过一定时间后，定期采集不同深度土壤样品，测定不同深度剖面土壤中示踪剂质量浓度以及相应土层的土壤含水量，确定示踪剂浓度峰值下移速率，采用公式(1)确定该区域地下水垂向入渗补给强度[19]。

(1)

式中：Rd为地下水垂向入渗补给强度，mm/d；v为土壤水垂直入渗速率，mm/d；Δt为人工示踪剂取样的时间间隔，d；Δz为人工示踪剂浓度峰值下移深度，mm；θ为Δt时段内示踪剂浓度峰值下移深度Δz上的土壤平均体积含水率，cm3/cm3。

采用地下水综合入渗补给系数Rc以区分研究区大气降水和农田灌溉入渗补给强度，Rc是指在一定时间内地下水补给量与降水量和灌溉量之和的比值。计算公式如下：

(2)

式中：P为研究区域在研究时段内的降雨量，mm；I为研究区域在研究时段内的灌溉量，mm。

图2 示踪试验原理图Fig.2 The principles diagram of the tracer experiment

1.2.2 试验布置与试验过程

人工示踪剂种类繁多，如无机盐类，容易获取且分析简单；醇类，价格低廉但易受细菌降解；水溶性放射性示踪剂容易检测，但具有危险性且对环境有污染，目前只有低毒性的氚水得以广泛应用[20]。本文根据灌区地下水水质和水文地质情况，选择具有较高水溶性、化学性质稳定、环境污染低、测试简单的无机盐类NaBr作为示踪剂。为避免动植物和人类活动对示踪剂的影响，确保示踪剂在投放深度上形成相对均匀的示踪剂浓度分布，采用多孔深层注入法投放示踪剂。采用三孔布置方法，三个示踪剂投放点是按照正三角形布置，中心位置是土样采集点，布置方案如图3。

图3 示踪剂投样点和取样点示意图Fig.3 Schematic diagram of sampling and tracer injecting points

示踪剂投放过程：首先用土壤取土器钻取深1.2 m钻孔，然后将50 g饱和NaBr溶液通过聚乙烯塑料管注入钻孔，NaBr溶液投放结束后将钻取的土壤再逐层回填钻孔，回填过程中每隔5 cm进行土壤夯实，以使回填土和原状土有相近的土壤孔隙特征。钻孔过程中，采集不同深度(0～20、20～40、40～60、60～80、80～100、100～120 cm)土壤样本，分别测定各土样的质量含水率、土壤容重和溴离子质量浓度[21]。

投样结束后，采集不同深度(0～400 cm)的示踪剂土壤，其中，0～120 cm每20 cm采集1个土样，120～400 cm处每10 cm采集1个土样，测定其质量含水率和溴离子浓度。土样含水率采用烘干法测定，溴离子浓度采用离子选择电极法[22,23](仪器型号：雷磁PBr-1-01)测定。

位山灌区上中游地表水灌溉量充足，下游灌溉水量较少，并且灌区土壤岩性、农作物种类间具有分布差异性。因此示踪剂投放点分别选择在灌区上中游和下游区域，并在每个区域的投样点再分为有无地表水灌溉区域以及不同农作物种植区。本试验共布置16个试验点(表1)，试验点的空间分布如图4所示。试验期间于2015年2月9日-2月11日投放示踪剂，分别在2015年7月25日-7月29日和2016年5月3号-5月7号采集各试验点土样。

表1 试验处理Tab.1 Experimental design

注：其他类型主要包括林地、荒地等。

图4 试验点空间分布图Fig.4 Spatial distribution of test points

2 结果分析

2.1 示踪试验结果

4个典型区域，上游灌溉区(1号试验点)、下游灌溉区(12号试验点)以及中游非灌溉区(4号试验点)和下游非灌溉区(15号试验点)，溴离子质量浓度和土壤含水率的变化情况如图5所示。由图5可以看出溴离子质量浓度在不同深度上存在分布差异，出现浓度峰值，而且浓度峰值随着年际向下移动，这是由于在灌区大气降水和地表水灌溉的作用下，土壤水得到补给，溴离子随着土壤水向下运移并逐渐补给地下水，对比1号、12号试验点和4号、15号试验点可以看出，灌溉区溴离子下移速度较大，非灌溉区溴离子下移速度较小；各试验点处土壤含水率在年际间变化趋势相同，分布特征相似，变化幅度较小，其中，灌溉区表层含水率较大，无灌溉区表层含水率较小，深层含水率两种情况下相差很小。

2015年2月投放示踪剂，投放深度为120 cm，由图5可知，

图5 试验点土壤剖面溴离子质量浓度和质量含水率Fig.5 Bromide concentration and moisture content in soil profile

各试验点溴离子质量浓度在该位置出现浓度峰值。1号和12号试验点溴离子质量浓度峰值分别为94.23和92.46 mg/L，峰值位置土壤含水率分别为27.48%、24.37%。4号和15号试验点溴离子质量浓度峰值分别为72.08和76.54 mg/L，土壤含水率分别为21.65%、19.54%。由图5知，在120 cm位置上下区间示踪剂浓度有不同程度的升高，其中灌溉区(1号、12号)升高幅度较大，无灌溉区(4号、15号)升高幅度较小，这是由示踪剂NaBr饱和溶液在土壤中随着水分迁移扩散造成的。

由2015年7月各试验点溴离子质量浓度随土壤深度变化情况可知，示踪剂浓度随着深度的增加先增大后减少，并且各试验点浓度峰值的出现位置各不相同。1号试验点溴离子浓度在160 cm达到最大值52.37 mg/L，15号试验点溴离子浓度峰值(56.31 mg/L)出现在150 cm处，1号试验点为灌溉区，土壤水分入渗量和入渗速度均比15号试验点(无灌溉区)大，所以溴离子下移量较大。与2月的试验结果相比，7月的溴离子质量浓度峰值较小，峰值出现的深度增加，这是因为2月份120 cm处的溴离子在大气降水和灌溉水下渗作用下向下移动，使原来位置溴离子含量减少而下部位置溴离子含量增加。结果表明，从2月到7月研究区地下水受到降水和灌溉水的补给影响明显。试验点土壤含水率分布曲线变化幅度和趋势基本相似。

由2016年5月试验曲线可知(图5)，各试验点溴离子质量浓度随着土壤深度增加先增大后减小，并存在浓度峰值。与2015年相比，2016年土壤剖面溴离子浓度随着深度增加而增大的幅度较小，浓度峰值减小，位置下移。其中，12号试验点溴离子浓度峰值为30.21 mg/L，出现在180 cm处，相对第一次试验峰值浓度减小25.11 mg/L，位置下移30 cm；4号试验点溴离子浓度峰值为28.36 mg/L，出现在160 cm，相对第一次试验浓度峰值减少17.12 mg/L，位置下移30 cm。结果可以看出，12号试验点土壤水下渗速度比4号试验点快，这主要取决于灌溉条件不同，12号试验点位于灌区下游，进行地表水灌溉，而4号试验点位于灌区中游但未进行地表水灌溉。各试验点土壤含水率变化趋势和前两次趋势一样，变化幅度不大。

综上，各试验点在灌溉和降水作用下，土壤水分下渗补给地下水，示踪剂浓度峰值随着时间逐渐向下移动，各试验点不同时间内土壤含水率变化趋势相同。实验结果与实测资料对比分析可知，实测资料中1、12号灌溉区溴离子下移速度较大，4、15号非灌溉区溴离子下移速度较小，这与实验结果相一致。土壤含水率变化趋势基本相同，分布特征相似。结果表明示踪试验结果较合理，可将示踪试验结果用于灌区地下水补给特征初步分析研究。

2.2 灌区地下水补给初步分析

2.2.1 入渗补给强度

根据溴离子测定结果，按照人工示踪试验原理，得到不同试验期各试验点地下水垂向入渗补给强度，计算结果详见表2和图6。

表2 地下水垂向入渗补给强度Tab.2 Vertical infiltration recharge intensity of groundwater

注：其中8号和11号试验点废弃，未进行试验分析。

图6 不同时期各试验点地下水补给强度Fig.6 Recharge intensity of groundwater in different periods

选择2015年2月-2016年5月示踪试验结果计算灌区地下水补给强度，得到灌区地下水入渗补给强度为0.23～0.66 mm/d(85.5～242.7 mm/a)，平均值167.7 mm/a。其中，有灌溉地区地下水入渗补给强度范围为0.38～0.66 mm/d(138.9～242.7 mm/a)，均值为193.1 mm/a；无灌溉地区地下水入渗补给强度范围为0.23～0.32 mm/d(85.5～ 117.1 mm/a)，均值为104.4 mm/a。在冬小麦～夏玉米区域有、无灌溉条件下地下水入渗补给强度均值分别为198.6和110.7 mm/a，棉花区域在有、无灌溉地下水入渗补给强度均值分别为138.3、85.5 mm/a。

2.2.2 地下水补给研究

通过溴离子示踪试验结果可知，灌区地下水入渗补给强度具有显著的空间分布特征。在有灌溉条件的灌区上游和中游位置地下水入渗补给强度较大，如2号和5号试验点补给强度分别为242.7和233.5 mm/a，下游地下水入渗补给强度较小，如12号和15号试验点补给强度分别为104.8和85.5 mm/a。这是由于灌区上游和中游区域土壤岩性粗，土壤含水率较大；而下游土壤岩性较细，土壤含水率较小。

通过比较有灌溉区和无灌溉区的地下水入渗补给强度(5号和4号、7号和6号、14号和12号、13号和15号)(图7)，可看出有灌溉试验点地下水入渗补给强度(均值为0.53 mm/d)均大于无灌溉试验点补给强度(均值为0.30 mm/d)，说明灌溉地下水补给量大，且灌溉水利用率较小。由此表明，灌区农田灌溉宜采用节水灌溉方式，从而增加灌溉水利用率。前三组为冬小麦～夏玉米作物，第四组为棉花，冬小麦～夏玉米作物类型地下水入渗补给强度比棉花作物类型地下水入渗补给强度高，有灌溉条件时入渗补给强度分别为0.58、0.38 mm/d，无灌溉条件时入渗补给强度为0.31、0.25 mm/d。可见不同农作物对灌溉水利用效率不同，棉花对土壤水利用效率较高，可降低降水和灌溉水对地下水的补给。

图7 有灌溉和无灌溉区域的地下水入渗补给强度Fig.7 Intensity of groundwater infiltration recharge in irrigated and non-irrigated areas 注：A为2015年2月-2015年7月，B为2015年7月-2016年5月。

综上发现，灌区地下水入渗补给强度受大气降水、地表水灌溉和农作物类型等的综合作用影响。而针对同一种农作物，降水(P)和地表水灌溉(I)与地下水年入渗补给量(R)之间呈显著的线性相关关系，R=0.189 7(P+I)+1.896 5(mm/a)，R2=0.752 6(P<0.05)(图8)。结果表明，随着大气降水和灌溉量增加，地下水年入渗补给量呈线性增加。

图8 降水量和灌溉量与地下水年入渗补给量之间的关系Fig.8 Relationship between precipitation and irrigation and annual infiltration supply of groundwater

对比两次示踪试验结果发现，2015年2月-2015年7月地下水平均入渗补给强度(196.2 mm/a)大于2015年7月-2016年5月入渗补给强度(151.3 mm/a)。第一次试验补给强度比第二次平均高20%。第一次试验间隔168 d，处于灌区春灌时期和汛期，降水和地表水灌溉较集中，因此地下水入渗补给量较大；第二次试验间隔286 d，降水量和灌溉分布较分散，地下水入渗补给量较少。

地下水入渗补给受多种因素影响，其中大气降水和地表水灌溉是本次示踪试验的主要影响因子，但在实际入渗试验过程中无法完全将两种因素区分开来，因此为区分大气降水入渗系数，本文采用综合入渗补给系数，即地下水下渗补给量和试验期间大气降水和灌溉水总量的比值，来确定灌区地下水下入渗补给强度空间分布特征。根据示踪试验结果统计各试验点在不同试验期内综合入渗补给系数，见表3和图9。

表3 地下水综合入渗补给系数Tab.3 Comprehensive infiltration recharge coefficient of groundwater

图9 不同试验期地下水综合入渗补给系数Fig.9 Comprehensive infiltration recharge coefficient of groundwater in different periods

根据两次示踪试验结果计算2015年2月-2016年5月灌区地下水综合补给系数，变化范围为13.7%～22.4%，均值为19.36%。采用克里金插值方法对两次示踪试验各试验点进行空间插值，得到位山灌区地下水补给特征空间分布，如图10所示。

图10 不同试验时期地下水综合入渗系数分布Fig.10 Distribution of comprehensive infiltration coefficient of groundwater in different periods

由图10可知，灌区上游和中游地下水综合入渗补给系数较大，其中阳谷县、东阿和聊城市区较大，范围为20.7%～22.4%，而临清市和高唐县的综合入渗补给系数相对较小，范围为13.7%～16.2%。其原因主要是灌区中上游地表水灌溉量较灌区下游大，由于灌区多采用大水漫灌方式，灌溉水利用效率较小，入渗补给地下水量较大；而灌区下游土壤岩性多为黏土和亚砂土，主要农作物是棉花，对地下水利用率较高，不利于地表水入渗补给地下水。

3 结 语

(1)在不同区域及条件下地下水入渗补给强度具有明显变化。灌区地下水入渗补给强度均值为167.7 mm/a，在有灌溉地区入渗补给强度为193.1 mm/a；无灌溉地区入渗补给强度均值为104.4 mm/a。

(2)不同的作物类型对灌溉水利用效率不同，地下水入渗补给强度不同。如冬小麦～夏玉米在有无灌溉条件下地下水入渗补给强度均值分别为198.6和110.7 mm/a，棉花在有无灌溉条件下降水和灌溉水对地下水入渗补给强度均值分别是138.3和85.5 mm/a。冬小麦～夏玉米的地下水入渗补给强度大于棉花的补给强度，主要是由于棉花对土壤水利用效率较高，可降低大气降水和灌溉水对地下水的补给。

(3)2015-2016年，通过综合入渗补给系数和克里金空间插值分析得知，地下水水位与综合入渗补给系数之间存在正相关关系。对比两次示踪试验结果发现，第一次试验补给强度比第二次平均高20%，这种差异主要由灌溉量和灌溉周期引起。

(4)灌区地下水综合补给系数变化范围为13.7%～22.4%，均值为19.36%。灌区上游和中游地下水综合入渗补给系数大于下游。其中阳谷县、东阿和东昌府区较大，范围为20.7%～22.4%，而临清市、高唐县的综合入渗补给系数相对较小，范围为13.7%～16.2%。