滹沱河超采区地下水硫酸盐来源识别及迁移转化

田 夏， 李亚松*， 费宇红， 曹胜伟， 冯创业， 孟 艳

(1.中国地质科学院水文地质环境地质研究所，石家庄 050061；2.河北省地矿局水文工程地质勘查院，石家庄 050021；3.石家庄市水务局，石家庄 050051)

滹沱河冲洪积平原是华北平原人类活动最为强烈、浅层地下水超采最为严重的地区[1]。滹沱河平原浅层地下水超采区包含石家庄市、藁城区、栾城区、正定县和鹿泉区平原，面积为2 284 km2，其中强烈超采区位于石家庄地下水降落漏斗区[2]。由于人类活动的影响，近几十年石家庄市水环境发生了恶劣性变化，河道干涸，水位快速下降，部分地区地下水含水层出现疏干，改变了原有的地下水补给、径流和排泄特征，地下水水化学环境也发生了变化。天然条件下，滹沱河平原区地下水主要接受大气降水入渗补给和河流入渗补给，现今降水入渗、井灌回归以及水库副坝渗漏成为补给该区地下水的主要补给来源[3-4]。

滹沱河平原地下水方面的研究程度较高，有关地下水循环、水污染、水资源以及水化学等方面的研究屡见不鲜[5-11]，但涉及滹沱河超采区地下水硫酸盐异常升高的研究较少。近年调查和监测发现，滹沱河主河道附近地下水硫酸盐含量日趋增高，范围逐渐增大；并有向地下水降落漏斗区扩散的趋势。在该区已形成重碳酸硫酸盐型地下水1 068 km2。依据水文地球化学理论，山前地区地下水流速大、更新快，在水岩作用下地下水多为重碳酸盐型水；而重碳酸硫酸盐型地下水的出现应当引起重视。滹沱河主河道附近又是石家庄市地下水饮用水源区，硫酸盐的不断增加严重威胁水源地安全。因此，研究滹沱河超采区地下水硫酸盐的来源，解析硫酸盐在地表水-包气带-地下水中的迁移转化关系，对石家庄地下水安全供给具有十分重要的意义。

1 区域特征及研究方法

1.1 区域特征

滹沱河超采区位于滹沱河冲洪积扇上部，地势平坦，多年平均降水量为531 mm，行政区域包括石家庄市、鹿泉区、栾城区、藁城区和正定县的一部分，面积约2 284 km2，是华北平原的重要经济区。滹沱河是唯一地表水河流，出山口受黄壁庄水库控制，由于地表水拦蓄，滹沱河自20世纪80年代常年断流，仅大洪水时过水。

研究区地下水赋存于第四系松散孔隙含水层，岩性主要为砂砾卵石、砾卵石、中粗砂含砾卵石，导水性和富水性较好，渗透系数60～130 m/d，单位涌水量在冲洪积扇轴部大于70～100 m3/(h·m)，向两翼减少到10～30 m3/(h·m)。

浅层地下水系统是开放的系统，水循环交替强烈，天然条件下地下水自西向东流动。受人类开采地下水影响，石家庄市形成了地下水降落漏斗，致使地下水流向漏斗中心汇集；地下水补给依靠大气降水入渗、地表水入渗、山区侧向径流、灌溉回归补给、河道渗漏补给、渠道渗漏及渠灌入渗等；地下水排泄以地下水开采为主，潜水蒸发几乎为零。

1.2 研究方法

本研究基于长时间序列、多点位交叉动态监测数据分析发现，滹沱河超采区地下水硫酸盐演变存在异常；通过对水文地质条件、补径排关系分析，得出研究区地下水硫酸盐异常与上游地表水有着紧密联系；结合水文地球化学理论开展了野外调查及取样工作，运用硫氧同位素技术，对研究区地下水硫酸盐来源问题进行了研究，并利用历史洪水记录对研究结果加以印证。通过上述研究建立了滹沱河超采区地下水硫酸盐在地表水-包气带-地下水中的迁移转化模式，为滹沱河超采区的地下水环境污染防治与地下水可持续利用提供了科学依据。

2 地下水硫酸盐演变的时空差异分析

图1 研究区地下水分布 distribution of groundwater in the study area

2.1 空间差异性

2.2 时间差异性

图2 地下水漏斗区化学组分变化过程Fig.2 Change process of chemical composition in groundwater funnel

2.3 地下水水化学类型演变

20世纪60年代以前，研究区地下水受人类活动影响较小，水质较好，地下水类型主要以HCO3-Ca(Ca·Mg)型水为主。70年代，研究区内浅层地下水水化学类型主要有HCO3-Ca(Ca·Mg)、HCO3·Cl-Ca·Mg(Mg·Ca)、HCO3·SO4-Ca·Mg三种水化学类型。其中HCO3-Ca(Ca·Mg)型水分布范围最广，主要分布在北部的正定县、石家庄市区西部山前地带和藁城区以南一带，面积达1 452.07 km2，占总面积的63.57%；HCO3·SO4-Ca·Mg型水沿滹沱河呈条带状分布，面积335.13 km2，占总面积的14.67%；HCO3·Cl-Ca·Mg(Mg·Ca)型水主要分布在栾城区以西地区，和藁城区北部地区，面积497.07 km2，占总面积的21.76%(图3)。

经过几十年的变化，如今区域地下水水化学类型以HCO3·SO4-Ca·Mg、HCO3-Ca·Mg型为主，辅以HCO3·Cl-Ca·Mg和HCO3·SO4·Cl-Ca·Mg型水。HCO3-Ca·Mg型水分布区域的北部和南部，分布面积减少为831.86 km2，占总面积的36.42%；HCO3·SO4-Ca·Mg型水特点较为明显，沿滹沱河呈条带状分布，面积增大为756.67 km2，占总面积的33.13%，并在HCO3·SO4-Ca·Mg型水的南侧形成了条带状的HCO3·SO4·Cl-Ca·Mg型水，面积达169.39 km2，占总面积的7.42%，与硫酸盐在该区域富集有关；HCO3·Cl-Ca·Mg型水主要分布在研究区南侧的藁城区，面积为526.35 km2，占总面积的23.04%(图4)。

3 地下水硫酸盐污染来源分析

通过上述分析已明确研究区地下水硫酸盐高值区沿滹沱河分布，且含量日趋增高，范围逐渐增大，就此需对硫酸盐的来源及污染途径做进一步分析。地下水中硫酸盐主要来源包括硫酸盐岩的溶解、硫化矿物的氧化、大气沉降和人类活动的输入[14-17]。

3.1 地下水与地表水的补给关系

3.1.1 地下水无对地表水的补给能力

图3 研究区20世纪70年代地下水化学类型分布Fig.3 Groundwater chemical type distribution in the study area in 1970 s

图4 研究区2012年地下水化学类型分布Fig.4 Groundwater chemical types distribution in the study area in 2012

20世纪60年代研究区地下水埋深较浅，自西向东流动，是区内工业和生活的主要供水水源。由于连续超强度开采，导致地下水采补失衡，于1964年在市区形成了地下水降落漏斗，面积约57 km2；2005年地下水漏斗已扩展为501.7 km2，中心地下水埋深52.44 m；2015年受地下水压采和降水量增大的影响，漏斗中心埋深50.6 m。由于地下水位大幅度下降，地下水已没有补给地表水的能力，开采地下水和侧向径流成为地下水的排泄途径。地下水漏斗的形成使地下水流动方向改变为向漏斗中心汇集(图5)。

图5 研究区浅层地下水埋深分区Fig.5 Shallow groundwater depth of the study area

3.1.2 地表水线状或面状补给地下水

滹沱河洪水是研究区地下水的重要补给源，受上游水库拦蓄的影响，近20 a基本全年断流，干涸的河道只有在行洪时大量补充地下水。滹沱河河道是石家庄地区地下水的强入渗带，河道入渗补给系数达90%以上[18]。

石津渠引自黄壁庄水库，是向研究区东部供水的主干渠，20世纪70年代供水之前以土渠为主，渠系利用系数在0.6左右，渠水渗漏补给地下水。近年来，施行了衬砌，渠水渗漏量几乎为零。

黄壁庄水库副坝近7 km长，面迎石家庄，坝基坐落于滹沱河古河床上，自建成以后，形成了严重地下水渗流带，据计算，副坝渗漏量多年平均为7 500×104m3/a[19]，形成了地下水面状补给源。2003年之后在副坝截渗工程之后，该水量大幅减小。

3.2 地表水硫酸盐来源

研究区的地表水来源为滹沱河，滹沱河发源于山西省繁峙县，穿越太行山，在平山县被岗南水库拦蓄，其下游23 km是黄壁庄水库，中间有治河入流。两个串联水库调节滹沱河径流，保障平原区免遭洪灾，并向下游提供生活、生产和农业用水，并作为战略用水保障北京用水。据对黄壁庄水库和岗南水库水质检测发现，黄壁庄水库硫酸盐含量一直处于较高状态，2004—2008年平均为186.67 mg/L，2009—2013年平均为179.29 mg/L，2016年为178.6 mg/L。

3.2.1 样品采集

2016年6月对冶河、岗南水库、黄壁庄水库、滹沱河流域进行了野外调查及取样工作，取水样32个，其中浅层地下水24个，地表水8个(图6)。样品采集点的分布遵循区域控制，地下水主要为沿河流域浅层农用井和自备井为主，地表水主要采集冶河上下游、岗南及黄壁庄水库水样。在地下水样品采集前，对样井进行0.5 h的抽水处理。

图6 滹沱河、冶河样品采集和分布Fig.6 Sample collection and distribution of Hutuo River and Ye River

3.2.2 样品测试

样品测试内容包括现场测试指标5项、无机常规指标19项、同位素指标2项(表1)。

表1 地下水监测指标分类表

3.2.3 样品分析

3.3 地下水对地表入渗响应分析

4 地下水硫酸盐污染路径分析

表2 滹沱河及冶河流域硫、氧同位素统计

据此，编制出滹沱河平原地下水硫酸盐污染路径图(图7)，该图反映了采煤条件下，矿坑水通过“矿井排水-岩溶水-泉水-地表径流-水库蓄水-水库放水-补给地下水”的水动力系统污染地下水。

图7 滹沱河平原地下水硫酸盐污染路径Fig.7 Sulfate pollution path of groundwater in Hutuo River Plain

5 结论

滹沱河超采区地下水硫酸盐增高为滹沱河地表水入渗所致。人类采煤活动导致上游冶河硫酸盐含量增高，污染源通过“矿坑涌水—岩溶水—地下泉水出露—地表径流”和“矿坑涌水—地表径流”等路径汇入黄壁庄水库，洪水期、农灌期及库区渗漏等因素导致硫酸盐从山区进入平原，并由地表渗入地下，使滹沱河超采区地下水硫酸盐增多，HCO3·SO4-Ca·Mg型水面积沿滹沱河不断扩大。

滹沱河超采区是南水北调供水区，也是地下水压采区，未来若以黄壁庄水库水作为环境用水，有造成地下水硫酸继续污染的风险。上游采矿区治理污染，减少排放，是下游地区地下水保护的重要对策。