滹沱河超采区地下水回补的水化学效应研究

2021-03-25孟素花崔向向张学庆张兆吉费宇红

环境科学研究 2021年3期

田夏, 孟素花, 崔向向, 张学庆, 张兆吉, 费宇红

1.中国地质科学院水文地质环境地质研究所, 河北石家庄 050061 2.中国地质调查局，河北省地下水污染机理与修复重点实验室, 河北石家庄 050803

滹沱河冲洪积平原工业、农业生产用水以地下水为主，地下水超采严重，水位持续下降，已形成的地下水降落漏涵盖了石家庄市区及周边的正定县、藁城区，面积达473.8 km2[1-2]. 部分地区地下水含水层出现疏干，水环境发生恶劣性变化，城市区和工业区已显现出地下水污染的态势[3-5].

利用人工回补的方式修复地下水降落漏斗，达到治理地下水超采的目的，是科学界探讨已久的问题.美国20世纪80年代以来实施的“含水层储存恢复(ASR)工程计划”[6]，已建成的ASR系统在100个以上. 澳大利亚建立的地下水回补工程，对场址的选择设计、水质变化、风险评估等均有一定的研究基础[7]. 我国学者针对华北平原大面积降落漏斗区，开展了山前地下水调蓄能力研究，认为利用疏干含水介质空间建立调蓄区，选择有效的补给水源进行地下水人工补给，可以增加地下水量，涵养和恢复地下水资源[8-9]. 通过上游水库放水试验，对华北平原河道含水介质和地表水与地下水补排关系的研究认为，利用河道回补地下水是最行之有效且经济实用的方法[10-12]，然而对于地下水流场和水化学场协同变化的研究则难以用现场试验数据验证.

该文选用滹沱河地下水超采区为研究区，利用2018年开始的人工回补工程为试验场地，开展现场动态监测、地下水化学检测等工作，应用水文地球化学、水文学和统计学等方法，对该地区地下水回补后的水化学效应变化进行研究. 研究区近几十年来地下水位持续降低，地下水矿化度、总硬度、C1-、Ca2+含量均有升高的趋势，其中硫酸盐在滹沱河主河道附近富集明显，并有向降落漏斗区扩散的趋势[13-14]. 河道补水后，地下水位回升，蕴藏在包气带中的硫酸盐及其他污染物存在二次污染地下水的风险，因此研究回补区地下水化学变化特征，对滹沱河超采区地下水环境安全具有十分重要的意义.

1 试验方案

1.1 区域概况

研究区位于华北平原滹沱河冲洪积扇(114°17′E～114°57′E、37°49′N～38°21′N)，包括石家庄市区、正定县、藁城区、栾城区和鹿泉区的一部分，面积2 284 km2. 该研究区为半干旱性气候区，年均气温14 ℃，年均降水量531 mm，地势平坦，西高东低，是华北平原的主要农业和工业区. 滹沱河是研究区最大的地表河流，自西向东贯穿该研究区，上游黄壁庄水库拦蓄了90%以上的河川径流，致河道于20世纪八九十年代断流. 滹沱河道成为污染物排放通道，污染物随地表入渗沿包气带下移，构成地下水二次污染的风险.

研究区包气带以砂性土为主，北部滹沱河现代河床及河漫滩包气带岩性以砂砾石为主，石家庄市区及南部多以黏性土为主，夹少量砂性土，包气带结构和岩性有利于地下水补给，但防污性能相对较差. 地下水氮污染、盐污染、有机污染均有发生，污染指标主要为溶解性总固体(TDS)、总硬度、硝酸盐、硫酸盐、氯化物、重金属、有机物等[15-24].

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，渗透系数为60～130 md，单位涌水量在冲洪积扇轴部大于70～100 m3(h·m)，且向两翼减少〔10～30 m3(h·m)〕. 地下水补给主要是大气降水、开采地下水回归、山区侧向径流、河道入渗补给[25]；地下水整体自西向东流动，在漏斗区地下水向漏斗中心汇集，排泄方式主要是人为开采.

1.2 补水过程

试验补水以“南水北调”总干渠退水闸为界分为上下2个补水段，上段接受黄壁庄水库补水，下段接受黄壁庄水库与“南水北调”共同补水. 2018年4月13日，黄壁庄水库向下游滹沱河补水，9月水量逐渐减小. 2018年9月13日，利用“南水北调”总干渠退水闸，向滹沱河河道补水，流经石家庄市区、正定县、藁城区，直至下游献县枢纽闸. 放水过程分2个阶段：第1阶段为2018年9—11月，补水量为2×108～3×108m3；第2阶段为2018年12月—2019年8月，补水量为1.5×108～2.0×108m3.

1.3 动态监测与样品采集

为分析补水后地下水化学效应，在研究区布设两类监测井，一类是开展地下水区域研究的统测井，另一类是沿滹沱河两岸布设的20眼地下水动态监测井. 动态监测井于2018年6月开始监测，每5 d测水位一次，多为农灌井，分布于离滹沱河河道3 km范围内，井深70 m左右，属于潜水. 2015年7月、2019年6月分别在研究区地下水统测井采集地下水样品63组和113组. 2018年5月、2018年11月和2019年5月在地下水位监测井中采集地下水样品51组(见图1). 区域样品采集点按不同用水需求和地下水流场变化特征布设，采样前抽水洗井并现场测定水温、pH、电导率、氧化还原电位(Eh)、ρ(DO)等水化学指标，测试仪器为德国WTW公司产的Multi-3430i型多参数水质分析仪. 地下水样品送原国土资源部地下水矿泉水环境监测中心分析检测，测试指标包括无机组分检测指标、有机组分检测指标等79项.

2 结果与讨论

2.1 水位变化与河道回补响应

2.1.1沿河地下水位变化

实施滹沱河补水后地下水位上升显著，2018年6月—2019年11月滹沱河沿岸地下水位平均回升5.83 m，最大回升6.07 m. 补给上段：2018年4月壁庄水库弃水补给地下水，6月初开始监测滹沱河沿岸水位，水位快速回升，8月水位达到峰值，3个典型监测孔水位平均回升12.83 m，9月弃水量减少，水位持续回落(见图2).

图1 滹沱河超采区统测井与监测井分布Fig.1 Distribution map of monitoring wells of the over-exploited area in the Hutuo River Basin

黄补给下段：2018年6月初开始监测水位，正值农灌期，通常在没有黄壁庄水库补水情况下，水位下降明显，但从监测数据可以看出，至2018年7月底农灌结束，在降水入渗和黄壁庄弃水的共同作用下，水位较平稳，没有大幅回落；2018年9月13日“南水北调”补水开始，受黄壁庄水库补水和“南水北调”补水的双重影响，水位持续回升，2019年春灌期水位也能保持相对平稳的状态(见图3).

图2 滹沱河补给上段监测点水位的变化Fig.2 Grounwater level change in upstream of Hutuo River

2.1.2区域地下水位变化

由于城市工业、生活超采地下水，石家庄市区于20世纪60年代中期形成地下水降落漏斗，同时周围农业灌溉消耗大量地下水，使区域地下水位整体下降. 2015年地下水降落漏斗面积近500 km2，中心地下水埋深50.6 m，地下水埋深大于40 m的区域占52.42%，漏斗范围已从石家庄市中心延展到滹沱河北岸(见图4).

图3 滹沱河补给下段监测点水位的变化Fig.3 Grounwater level changes in of downstream of Hutuo River

图4 滹沱河超采区浅层地下水位埋深的分区Fig.4 Shallow groundwater depth of the over-exploited area in the Hutuo River Basin

图5 石家庄市区监测点水位的变化Fig.5 Groundwater level change for monitoring wells of Shijiazhuang City

研究区自2010年以来先后开展了地下水压采和“南水北调”水源转换工程，石家庄市区和周边县区地下水位呈回升态势，2018年开始的滹沱河补水工程对研究区地下水位影响显著，2019年地下水漏斗形状发生改变，地下水向漏斗中心汇集已不明显(见图4)，漏斗中心水位埋深大于50 m的区域已经消失. 与2015年相比，区域地下水埋深平均回升5.93 m，石家庄市区平均回升11.68 m，漏斗中心水位上升7.46 m(见图5). 正定县地下水位平均升高4.24 m，西北部受补水影响较小，地下水位有所下降. 滹沱河下游藁城补水段，地下水位回升明显，由原来的35～45 m回升到现在的小于25 m，藁城区平均升高5.40 m. 栾城区受补水影响较小，平均升高2.38 m，局部地下水位下降.

2.2 水化学类型与河道回补响应

与2015年相比，2019年地下水水化学类型仍以HCO3-Ca·Mg、HCO3·SO4-Ca·Mg和HCO3·Cl-Ca·Mg型为主. 但HCO3-Ca·Mg型水的面积减少20.6%，由945.68 km2减至750.70 km2；分布于漏斗中心和滹沱河沿岸的HCO3·SO4·Cl-Ca·Mg型水和HCO3·SO4-Ca·Mg型水的面积增加13.6%，由912.01 km2增至 1 035.60 km2；HCO3·Cl-Ca·Mg型水的面积增加16.7%，由426.58 km2增至497.98 km2(见图6).

滹沱河超采区地下水水化学类型符合冲洪积扇区特征，从出山口到扇缘，地下水中的优势阳离子存在由Ca2+、Mg2+向Na+、K+转化的趋势；优势阴离子主要是HCO3-，其次是Cl-和SO42-. 山前以氧化环境为主，地下水径流条件较好，大气降水、侧向径流及地表入渗补给的水，矿化度较低，具有强溶解能力. 在水文地球化学平衡过程中，这些低矿化度的补给水与周围含水层发生相互作用，易溶的氯化物和硫酸盐类首先被溶解，然后是较难溶解的碳酸盐类和重碳酸盐类. 致使地下水中含钙、镁的碳酸盐和重碳酸盐的含量相对较高. 山前平原地下水以HCO3-Ca·Mg、HCO3·SO4-Ca·Mg型水为主，在滹沱河冲洪积扇缘地带，含水介质颗粒变细，流速减缓，地下水蒸发作用增强，溶滤作用减弱，水化学类型变得复杂，出现HCO3·Cl-Ca·Mg、HCO3·SO4·Cl-Ca·Mg、HCO3·Cl-Mg·Ca·Na、HCO3·SO4·Cl-Mg·Ca·Na等多种水化学类型. 滹沱河多年受上游高硫酸盐水源补给的影响，在滹沱河沿岸形成了条带状分布的HCO3·SO4-Ca·Mg型地下水，并在HCO3·SO4-Ca·Mg型水两侧分布HCO3·SO4·Cl-Ca·Mg型水.

图6 滹沱河超采区浅层地下水水化学类型的分布Fig.6 Distribution of shallow groundwater chemical type of the over-exploited area in the Hutuo River Basin

2.3 水化学指标时空差异性

2.3.1水化学指标与水位变化响应

通过对石家庄市区近60年地下水水化学和水位监测资料分析发现，地下水TDS、氯化物和硫酸盐浓度及总硬度均与水位变化有较强的关联性. 20世纪60年代，该研究区地下水环境处于天然状态，地下水水位变化较小，平均硬度为260 mgL，TDS浓度为340 mgL，氯化物浓度为30 mgL；地下水降落漏斗形成初期，地下水位缓慢下降，各组分有所升高，总硬度、氯化物浓度、硫酸盐浓度分别升至330、50、60 mgL；70年代后，地下水超采严重，水位快速下降，1976年平均TDS浓度为589 mgL，1999年增至986.8 mgL，年均升高17.30 mgL；总硬度升至1999年的541.1 mgL，年均升高6.35 mgL；氯化物浓度增至1999年的115.6 mgL，年均升高2.42 mgL；硫酸盐浓度由1976年的82.25 mgL增至1999年的145.6 mgL，年均升高2.75 mgL. 2.00年后水位下降速率减缓，2000—2005年降水较少，水交替能力减弱，残留于包气带中的污染质不易进入地下水中，离子浓度变化较小；2008年、2009年连续两年丰水年，水交替能力增强，其中硫酸盐增速最快，由2004年的134 mgL升至2009年的174.5 mgL. 2010年以后，地下水开采减小，水化学组分增速减小. 实施补水后，水化学组分明显降低，与2015年相比，2019年TDS浓度、总硬度、氯化物浓度、硫酸盐浓度分别降低90.98、63.45、20.3、3.48 mgL(见图7).

图7 石家庄市区地下水水化学组分的年均变化Fig.7 Annual change of groundwater chemical composition of Shijiazhuang City

图8 滹沱河超采区浅层地下水硫酸盐浓度的分布Fig.8 Distribution of sulfate concentration in shallow groundwater of the over-exploited area in the Hutuo River Basin

2.3.2硫酸盐浓度的空间分布与河道回补响应

通过对比回补前后地下水中硫酸盐的区域分布(见图8)发现，硫酸盐分布具有较强的地域特点，高浓度的硫酸盐主要分布在滹沱河、石津灌渠及黄壁庄水库副坝附近，沿滹沱河主河道自西向东浓度逐渐减小，北低南高，受地下水径流影响，其有向下游扩散的趋势.

随着回补的不断进行，区域内地下水中硫酸盐浓度稍有降低，2015年研究区地下水中硫酸盐平均含浓度为122.79 mgL，2019年平均浓度为119.31 mgL. 滹沱河沿岸监测点地下水中硫酸盐浓度的变化情况：①补给上段为黄壁庄水库放水回补，由于多年水库间歇性放水以及副坝常年侧渗，地下水中硫酸盐的浓度无明显变化，2018年5月和2019年5月平均浓度分别为221.9、221.6 mgL，但高浓度的硫酸盐范围有所扩大. ②补给下段受黄壁庄水库与由“南水北调”共同补水，下游在补水前多处于干涸状态，补水后上游高浓度硫酸盐水入渗至地下水中，地下水中硫酸盐浓度增加，2018年5月和2019年5月地下水中硫酸盐的平均浓度分别为184.5、205.8 mgL.

2.3.3硫酸盐来源分析

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[26-28]，研究区地下水中硫酸盐浓度的分布与地表水有着密切的联系，因此需对硫酸盐浓度与地表水回补响应做进一步分析.

黄壁庄水库是滹沱河超采区补水来源之一，硫酸盐浓度一直处于较高状态，据监测，2004—2008年的平均值为186.67 mgL，2009—2013年的平均值为179.29 mgL，2016年的平均值为178.60 mgL. 虽没有超过GB 3838—2002《地表水环境质量标准》中规定的生活饮用水限值，但高浓度硫酸盐的供水却为城市运行和居民生活带来安全隐患[29]. 2016年对黄壁庄水库上下游进行了综合调查取样，上游岗南水库硫酸盐多年平均浓度为65.25 mgL[30]，黄壁庄水库最大的入库河流——冶河硫酸盐的平均浓度为306.58 mgL，冶河是导致黄壁庄水库硫酸盐浓度升高的主要原因.

滹沱河超采区补水另一水源是水质较好的“南水北调”水，硫酸盐平均浓度为33 mgL[31]，远低于研究区地下水中硫酸盐的浓度，随着上游黄壁庄水库水量减少，“南水北调”水会稀释地下水中硫酸盐的浓度，故导致滹沱河超采区地下水硫酸盐污染的主要原因是上游黄壁庄水库来水. 滹沱河多年间歇性过水、石津灌区侧渗、副坝渗漏等原因使高浓度的硫酸盐随地表水直接入渗至地下水，且一部分残留在包气带中，随着补水的不断推进，水位持续回升，蕴藏在包气带中的硫酸盐重新释放至地下水中，并在水动力和水化学的共同作用下，浓度和范围逐步扩大.

河道补水能有效缓解滹沱河超采区的水资源矛盾，补水水源及回补方式的选择需科学合理. 若以黄壁庄水库水作为回补用水，存在硫酸盐直接输入性污染地下水的风险. 滹沱河河道附近包气带污染源分布尚不明确，存在包气带污染质二次污染地下水的风险，建议详细调查滹沱河超采区地下水污染源分布并进行风险评估.