孫和平 ,王仕琴 ,鄭文波 ,檀康達(dá) ,曹文庚 ,沈彥俊

(1. 中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所農(nóng)業(yè)資源研究中心/中國科學(xué)院農(nóng)業(yè)水資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/河北省節(jié)水農(nóng)業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 石家莊 050022;2. 中國科學(xué)院大學(xué) 北京 100049;3. 中國地質(zhì)科學(xué)院水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)研究所 石家莊 050061)

沖洪積扇平原區(qū)地下水資源豐富、人類活動(dòng)較為集中,工農(nóng)業(yè)和生活用水主要依賴于沖洪積扇平原區(qū)地下水[1]。隨著經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和工農(nóng)業(yè)的發(fā)展,過量開采地下水、過量施肥等導(dǎo)致世界范圍內(nèi)很多沖洪積扇地區(qū)地下水儲(chǔ)量下降、硝酸鹽污染等問題突出[2-5]。山區(qū)側(cè)向補(bǔ)給是沖洪積扇含水層地下水重要的補(bǔ)給來源[6-7],對(duì)平原區(qū)地下水的水量和水質(zhì)具有重要影響。因此,研究山區(qū)側(cè)向補(bǔ)給對(duì)平原區(qū)地下水補(bǔ)給的作用及其對(duì)地下水硝酸鹽的影響,可為沖洪積扇地下水資源和水環(huán)境保護(hù)提供重要依據(jù)。

華北平原是我國重要糧食基地和經(jīng)濟(jì)發(fā)展區(qū),地下水是其主要的供水水源[8]。滹沱河沖洪積扇位于華北平原西部,是華北平原淺層地下水超采最為嚴(yán)重的地區(qū),農(nóng)業(yè)用水增加造成地下水水位持續(xù)下降、地下水漏斗區(qū)面積擴(kuò)大;農(nóng)業(yè)過度施肥、生活和工業(yè)污廢水滲漏導(dǎo)致大量氮素淋濾至含水層,造成地下水硝酸鹽濃度持續(xù)升高[9-10]。太行山山區(qū)是華北平原地下水重要的水源補(bǔ)給區(qū),過去已有很多研究關(guān)注山區(qū)側(cè)向補(bǔ)給量的變化,其結(jié)果表明山區(qū)水利工程等攔蓄地表徑流以及農(nóng)業(yè)用水等措施導(dǎo)致山區(qū)地下水側(cè)向補(bǔ)給量逐年降低[11-12]。但近年來氣候變化導(dǎo)致極端降水事件的頻率增加,生態(tài)補(bǔ)水等措施的實(shí)施使得地下水儲(chǔ)量和局部地下水位逐漸回升[13-15]。平原區(qū)地下水水位變化會(huì)改變區(qū)域水循環(huán)過程,也會(huì)改變山區(qū)側(cè)向流對(duì)平原區(qū)地下水量和水質(zhì)變化的影響。

近年來,低山丘陵區(qū)人類活動(dòng)頻繁,地下水硝酸鹽污染問題凸顯[16-17]。研究表明,位于太行山山區(qū)至低山丘陵區(qū)的沙河、北易水河和潴瀧河流域地下水硝酸鹽濃度超標(biāo)率[世界衛(wèi)生組織(WHO)標(biāo)準(zhǔn): 50 mg·L-1]分別為7%、23%和52%[16,18-19],山區(qū)、低山丘陵區(qū)和平原區(qū)地下水硝酸鹽濃度均呈增加的趨勢(shì)[17]。前人研究分別針對(duì)山區(qū)和平原區(qū)揭示了區(qū)域地下水硝酸鹽來源以及遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律、不同施氮水平下氮素從包氣帶到地下水的遷移過程等[17,20-21]。但是,隨著山區(qū)側(cè)向補(bǔ)給對(duì)平原區(qū)地下水影響程度的不斷變化,山區(qū)側(cè)向流對(duì)平原區(qū)地下水補(bǔ)給和硝酸鹽動(dòng)態(tài)的影響仍不明確。

因此,本研究選擇滹沱河沖洪積扇為研究區(qū),以上游山區(qū)平原交界面和平原區(qū)的淺層地下水為研究對(duì)象,基于水文觀測(cè)、水文地球化學(xué)和氫氧穩(wěn)定同位素示蹤等方法,研究山區(qū)側(cè)向流與平原區(qū)地下水的補(bǔ)給關(guān)系,并揭示側(cè)向補(bǔ)給對(duì)平原區(qū)地下水硝酸鹽分布的影響程度和范圍,估算山區(qū)側(cè)向流補(bǔ)給平原區(qū)地下水的水氮通量,為區(qū)域地下水環(huán)境保護(hù)和硝酸鹽污染防控提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)包括華北山前平原的滹沱河沖洪積扇及其上游山區(qū)(113.98°～115.45°E,37.55°～38.70°N),橫跨太行山區(qū)和華北平原區(qū)兩大地貌,地勢(shì)西高東低,是華北平原典型的山前沖洪積地貌,平原區(qū)主要由沖洪積扇構(gòu)成(圖1)。研究區(qū)氣候類型為半濕潤、半干旱大陸性季風(fēng)氣候,年平均氣溫約13.2 ℃,多年平均降水量為496 mm [中國科學(xué)院欒城農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)試驗(yàn)站(圖1 中的“欒城站”)1971-2013 年監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)],降水量年內(nèi)和年際變化大[22-23]。多年降水量正態(tài)分布分析表明2021 年和2022 年為豐水年,2021年7-10 月共連續(xù)降水514 mm,存在多場(chǎng)連續(xù)集中降水,如7 月17-20 日共持續(xù)降水4 d,降水量高達(dá)155 mm。2022 年6-10 月同樣存在多場(chǎng)連續(xù)降水,降水總量為537 mm,如7 月27-28 日連續(xù)兩天共降水45 mm。2021 年和2022 年均存在多場(chǎng)連續(xù)降水事件,且每場(chǎng)降水持續(xù)時(shí)間長,強(qiáng)度變化較小,根據(jù)降水強(qiáng)度特征定義為連續(xù)降水(圖2)。

圖1 研究區(qū)地形地貌及采樣點(diǎn)分布Fig.1 Geographic location and topography and distribution of sampling sites of the study area

圖2 2016-2022 年欒城站日降水量Fig.2 Daily precipitation in the Luancheng Station from 2016 to 2022

滹沱河是貫穿研究區(qū)的主要地表徑流,由黃壁莊水庫控制下游地表徑流量,河流由西向東匯流進(jìn)入子牙河,將整個(gè)研究區(qū)劃分為南北兩部分區(qū)域,滹沱河河道地帶為地下水蓄水補(bǔ)給源區(qū)[24]。區(qū)域地下水賦存于第四系松散巖層孔隙中,地下水自西北流向東南。第四系沉積物厚度由西部山區(qū)向東部平原區(qū)逐漸變厚,含水層厚度減小,巖性由粒徑較粗的砂礫卵石逐漸過渡為粒徑較細(xì)的細(xì)砂和粉細(xì)砂,在滹沱河河道附近以砂層為主,滲透性良好。依據(jù)水文地質(zhì)特征、地層特征將含水層等分為4 個(gè)含水層組,第Ⅰ和第Ⅱ含水層組為潛水,第Ⅲ和第Ⅳ含水層組為承壓水[25-27]。本研究重點(diǎn)關(guān)注淺層地下水硝酸鹽動(dòng)態(tài),以第Ⅰ和第Ⅱ含水層組(井深80～120 m)的淺層地下水為研究對(duì)象。此外,研究區(qū)土地利用類型以農(nóng)田[小麥(Triticum aestivum)、玉米(Zea mays)]為主,施肥量范圍為350～600 kg(N)·hm-2[28]。

根據(jù)水文地質(zhì)條件和采樣點(diǎn)分布位置,將研究區(qū)采樣點(diǎn)劃分到4 個(gè)分區(qū)(Ⅰ-Ⅳ區(qū),圖1),Ⅰ區(qū)采樣點(diǎn)位于滹沱河北部沖洪積扇扇頂,包氣帶較薄,含水層巖性以滲透性強(qiáng)的砂礫卵石為主;Ⅱ區(qū)采樣點(diǎn)位于滹沱河北部沖洪積扇扇中,包氣帶逐漸變厚,含水層巖性以粗砂、中粗砂為主,滲透性好;Ⅲ區(qū)位于滹沱河河道附近以及沖洪積扇東部邊緣地帶,包氣帶變厚,河道帶附近含水層以滲透性良好的砂土為主,沖洪積扇邊緣地帶含水層以中細(xì)砂和粉細(xì)砂為主,滲透性變差;Ⅳ區(qū)位于滹沱河南部沖洪積扇的扇頂和扇中,包氣帶較厚,含水層巖性由砂、粉砂夾雜黏土和礫石組成,滲透性差[29]。在研究區(qū)選擇5 個(gè)國家監(jiān)測(cè)井(1#-5#,圖1),由中國地質(zhì)調(diào)查局提供,用以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)平原區(qū)地下水水位動(dòng)態(tài)變化,監(jiān)測(cè)時(shí)間為2018 年1 月至2021 年12 月。

1.2 樣品采集和室內(nèi)分析

在山區(qū)平原交界處由北向南布設(shè)5 個(gè)斷面(斷面1-斷面5),5 個(gè)斷面位于山區(qū),用于估算山區(qū)向平原區(qū)的側(cè)向補(bǔ)給通量和硝酸鹽輸移通量。其中斷面1-斷面3 位于滹沱河北部,斷面4-斷面5 位于滹沱河南部。結(jié)合地下水等水位線確定地下水側(cè)向入流邊界斷面,5 個(gè)斷面控制長度總計(jì)80.5 km,每個(gè)斷面沿地下水流方向在上游和下游分別布設(shè)2 個(gè)監(jiān)測(cè)孔,上游監(jiān)測(cè)孔編號(hào)為奇數(shù),下游監(jiān)測(cè)孔編號(hào)為偶數(shù),總計(jì)10 個(gè)監(jiān)測(cè)孔(圖1,JC1-JC10),安裝地下水水位自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀(Solinst Levelogger 5 Model 3001)監(jiān)測(cè)地下水水位,監(jiān)測(cè)層位為潛水含水層(井深7～40 m),監(jiān)測(cè)時(shí)間為2022 年2 月至2023 年3 月,監(jiān)測(cè)頻率為1 h。采集地下水樣品,采樣時(shí)間為2022 年2 月至2023年3 月,采樣頻率為每月1 次。

在平原區(qū)根據(jù)土地利用和地貌類型采集地下水樣品,共采集83 個(gè)點(diǎn),采樣時(shí)間為2022 年6 月(圖1)。現(xiàn)場(chǎng)利用便攜式手持測(cè)定儀(Horiba D-75)測(cè)定地下水電導(dǎo)率(EC)、酸堿度(pH)、溶解氧(DO)、氧化還原電位(ORP)和溫度等參數(shù)。采集的水樣用于分析主要水化學(xué)離子(Cl-、SO42-、NO3-、HCO3-、Na+、K+、Mg2+和Ca2+)和氫氧同位素(δ2H 和δ18O)。

所有水樣在測(cè)定前需用0.2 μm 濾膜進(jìn)行過濾,主要水化學(xué)離子采用離子色譜(ICS-2100,Dionex,美國)測(cè)定,HCO3-和CO32-采用雙指示劑滴定法滴定。對(duì)于所分析的水樣通過陰陽離子平衡驗(yàn)證,保證可信的誤差范圍在±5%以內(nèi)。

氫氧穩(wěn)定同位素(δ2H、δ18O)用液態(tài)水穩(wěn)定性同位素分析儀(L2120-i Isotopic H2O;Picarro-i2120 美國)測(cè)定。穩(wěn)定同位素濃度δ值[δsample(‰)]計(jì)算方法如下:

式中:Rsample和Rstandard分別表示樣品和標(biāo)準(zhǔn)樣品的同位素比值(2H/1H,18O/16O),δ2H 和δ18O 的分析精度分別為±0.5‰和±0.2‰。

1.3 地下水側(cè)向補(bǔ)給量計(jì)算方法

由于該區(qū)域地下水水位日變化幅度小,取監(jiān)測(cè)孔某一固定時(shí)間點(diǎn)的地下水水位代表當(dāng)日水位計(jì)算日側(cè)向補(bǔ)給量,累計(jì)計(jì)算月側(cè)向補(bǔ)給量。利用達(dá)西定律結(jié)合前期水文地質(zhì)調(diào)研及文獻(xiàn)資料[29]確定含水層滲透系數(shù)、厚度等相關(guān)水文地質(zhì)參數(shù)。野外調(diào)研表明,監(jiān)測(cè)孔打至基巖裂隙且上下游監(jiān)測(cè)孔含水層進(jìn)水厚度相近。因此,假定目前上下游監(jiān)測(cè)孔代表了統(tǒng)一含水層厚度,可以利用達(dá)西定律計(jì)算山區(qū)含水層側(cè)向補(bǔ)給通量。研究區(qū)各控制斷面地下水側(cè)向補(bǔ)給通量計(jì)算公式如下:

式中:Q側(cè)表示某一時(shí)期內(nèi)山區(qū)地下水側(cè)向補(bǔ)給量總和,m3;i表示月份(i=1,2,···,12);j表示斷面(j=1,2,···,5);K表示斷面含水層滲透系數(shù),m·d-1;h1表示上游監(jiān)測(cè)孔地下水水位,m;h2表示下游監(jiān)測(cè)孔地下水水位,m;D表示上下游監(jiān)測(cè)井間距,m;M表示含水層厚度,m;L表示監(jiān)測(cè)井?dāng)嗝婵刂崎L度,m。

各分區(qū)含水層以砂礫卵石、粗砂及中細(xì)砂為主。根據(jù)華北平原水文地質(zhì)手冊(cè),滲透系數(shù)分別取100 m·d-1、50 m·d-1、30 m·d-1和20 m·d-1[29]。各斷面監(jiān)測(cè)孔含水層厚度分別為24.23 m、20.00 m、21.07 m、10.00 m和11.58 m,控制長度由北向南依次為18 283.50 m、17 515.00 m、20 945.10 m、13 151.50 m 和10 606.10 m。利用上下游監(jiān)測(cè)孔的日水位差與其之間的距離計(jì)算水力梯度。

1.4 地下水硝酸鹽通量計(jì)算方法

通過山區(qū)側(cè)向補(bǔ)給量計(jì)算山區(qū)側(cè)向補(bǔ)給輸入平原區(qū)地下水的硝酸鹽通量,不考慮硝酸鹽運(yùn)移過程中的外源輸入和化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的損耗,計(jì)算理想山區(qū)側(cè)向補(bǔ)給運(yùn)移的硝酸鹽通量,計(jì)算公式為:

式中:J為側(cè)向補(bǔ)給輸入的硝酸鹽通量,kg;Qij側(cè)為山區(qū)第i月第j斷面地下水的側(cè)向補(bǔ)給量,m3;為第i月第j斷面下游監(jiān)測(cè)井的硝酸鹽濃度值,mg·L-1。

2 結(jié)果與分析

2.1 山區(qū)平原交界處地下水水位與硝酸鹽動(dòng)態(tài)

山區(qū)平原交界處監(jiān)測(cè)孔地下水水位數(shù)據(jù)表明,山區(qū)地下水水力梯度較大,據(jù)監(jiān)測(cè)斷面地下水水位日數(shù)據(jù)計(jì)算得斷面1-5 水力梯度變化范圍為0.002～0.019。由圖3 可知,斷面上下游監(jiān)測(cè)孔地下水水位動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)基本一致: 所有斷面地下水水位在2021 年9 月后受雨季降水補(bǔ)給呈上升趨勢(shì),2022 年2 月至5 月地下水水位持續(xù)下降至6 月達(dá)到全年最低;期間在4 月受灌溉回滲水補(bǔ)給影響,監(jiān)測(cè)孔JC2、JC5、JC6、JC7 的地下水水位小幅回升,7 月受降水補(bǔ)給作用,所有監(jiān)測(cè)孔的水位顯著升高,至9 月份逐漸達(dá)到水位峰值后呈下降趨勢(shì)。斷面3 的地下水監(jiān)測(cè)孔JC5 和JC6 較其他斷面地下水水位波動(dòng)幅度大,主要原因是由于距滹沱河較近,受河水補(bǔ)給影響較大。

圖3 滹沱河沖洪積扇區(qū)斷面監(jiān)測(cè)孔地下水水位變化(左側(cè))及地下水硝酸鹽濃度變化(右側(cè))Fig.3 Change of groundwater level (left) and nitrate concentration (right) in the monitoring holes at the sections of the Hutuo River alluvial-pluvial fan

由圖3 可知,所有斷面地下水硝酸鹽濃度變化與地下水水位呈相反趨勢(shì)(斷面3 的JC5、JC6 以及斷面1 的JC2 除外)。旱季2 月至5 月,由于地下水受灌溉回滲水補(bǔ)給過程中農(nóng)田氮素淋溶的影響,硝酸鹽濃度有所升高。雨季6-7 月地下水硝酸鹽濃度持續(xù)降低并在7 月達(dá)到最低值,說明降水初期稀釋作用對(duì)地下水硝酸鹽濃度影響較大。8-10 月地下水硝酸鹽濃度逐漸增加,由于農(nóng)田儲(chǔ)存的氮素受連續(xù)降水淋濾至地下水影響,其硝酸鹽濃度持續(xù)升高。不同斷面上下游監(jiān)測(cè)孔地下水硝酸鹽濃度顯示,斷面1 和斷面4 的上游監(jiān)測(cè)孔地下水硝酸鹽濃度高于下游,而斷面2、3、5 上游監(jiān)測(cè)孔地下水硝酸鹽濃度低于下游。根據(jù)實(shí)地調(diào)研發(fā)現(xiàn),濃度較高的監(jiān)測(cè)孔周邊存在人畜糞污水影響,導(dǎo)致不同斷面上下游監(jiān)測(cè)孔地下水硝酸鹽濃度值相對(duì)大小不同。可見,人類活動(dòng)對(duì)地下水硝酸鹽的影響較大。

對(duì)比圖3 不同斷面地下水硝酸鹽濃度分布發(fā)現(xiàn),滹沱河北部斷面1-斷面3 的地下水硝酸鹽平均濃度高于南部斷面4 和斷面5。北部地下水硝酸鹽濃度變化范圍為23.60～505.31 mg·L-1,平均值為179.42 mg·L-1,地下水硝酸鹽超標(biāo)率(WHO 標(biāo)準(zhǔn))為76%,其中斷面2 的JC3和JC4 監(jiān)測(cè)孔地下水硝酸鹽濃度最高,濃度變化范圍分別為185.03～418.26 mg·L-1和193.04～505.31 mg·L-1,平均值分別為299.71 mg·L-1和428.10 mg·L-1。南部斷面地下水硝酸鹽濃度變化范圍為20.71～118.13 mg·L-1,平均值為66.23 mg·L-1,地下水硝酸鹽超標(biāo)率為60%。

2.2 平原區(qū)地下水水位與硝酸鹽動(dòng)態(tài)

沖洪積扇平原區(qū)各分區(qū)2018-2021 年地下水水位動(dòng)態(tài)與降水量關(guān)系如圖4 所示,各監(jiān)測(cè)井地下水水位對(duì)降水響應(yīng)的滯后時(shí)間因分布位置的不同而不同。Ⅰ區(qū)的1#和Ⅳ區(qū)的5#監(jiān)測(cè)井位于滹沱河沖洪積扇扇頂,地下水水位對(duì)降水的響應(yīng)最快,地下水水位波動(dòng)無顯著下降的峰值。雨季后地下水水位持續(xù)上升,表明存在山區(qū)側(cè)向補(bǔ)給,特別是2021 年連續(xù)降水補(bǔ)給作用導(dǎo)致地下水水位上升幅度最大,1#和5#監(jiān)測(cè)井地下水水位上升幅度分別為1.46 m 和4.22 m。

Ⅱ區(qū)的2#和Ⅳ區(qū)的4#監(jiān)測(cè)井位于沖洪積扇扇中,受抽水開采影響,4#地下水水位降低幅度大于2#,2018-2021 年2#和4#監(jiān)測(cè)孔地下水水位下降幅度分別為0.16 m 和2.30 m。雨季后,2#和4#地下水水位緩慢抬升,與1#和5#水位波動(dòng)趨勢(shì)相近,但波動(dòng)幅度小,這表明山區(qū)側(cè)向補(bǔ)給的作用減弱。3#監(jiān)測(cè)井位于Ⅲ區(qū)滹沱河附近,受河水補(bǔ)給作用,地下水水位下降幅度小,2021 年受連續(xù)降水補(bǔ)給地下水影響其水位顯著抬升,上升幅度為4.36 m。3#與1#和5#的水位波動(dòng)趨勢(shì)相似說明地下水受到河水或山區(qū)地下水側(cè)向徑流持續(xù)補(bǔ)給作用的影響。

據(jù)圖5 可知,北部Ⅰ、Ⅱ區(qū)地下水硝酸鹽濃度普遍高于南部Ⅳ區(qū)。沿地下水流動(dòng)方向,地下水硝酸鹽濃度呈現(xiàn)扇頂Ⅰ區(qū)(范圍: 7.27～258.26 mg·L-1;均值105.28 mg·L-1)＞扇中Ⅱ區(qū)(范圍: 23.71～188.69 mg·L-1,均值為99.22 mg·L-1)＞南部Ⅳ區(qū)(范圍: 7.70～117.25 mg·L-1,均值為37.10 mg·L-1)＞扇緣Ⅲ區(qū)(范圍: 0～60.76 mg·L-1,均值為23.08 mg·L-1)的空間分布特征。同樣Ⅳ區(qū)扇頂部分地下水硝酸鹽濃度范圍為8.60～117.25 mg·L-1,均值為55.50 mg·L-1,高于扇中部分地下水硝酸鹽濃度(范圍為7.70～86.33 mg·L-1,均值為31.80 mg·L-1)。北部山區(qū)斷面地下水硝酸鹽濃度均值為179.42 mg·L-1,高于與之對(duì)應(yīng)的北部平原區(qū)地下水硝酸鹽濃度均值(105.28 mg·L-1);南部山區(qū)斷面地下水硝酸鹽濃度均值為66.23 mg·L-1,高于平原區(qū)南部Ⅳ區(qū)地下水硝酸鹽濃度均值(37.10 mg·L-1)。

圖5 2020 年滹沱河沖洪積扇平原區(qū)各分區(qū)地下水硝酸鹽濃度空間分布Fig.5 Spatial distribution of nitrate concentration in groundwater in the plain area of each subregion in the Hutuo River alluvial-pluvial fan in 2020

2.3 山區(qū)側(cè)向補(bǔ)給量

根據(jù)公式(2)計(jì)算2022 年3 月至2023 年2 月山區(qū)斷面地下水側(cè)向補(bǔ)給量(圖6 和表1),計(jì)算結(jié)果顯示監(jiān)測(cè)期間山區(qū)地下水側(cè)向補(bǔ)給量約為2.10×108m3,3 月至7 月側(cè)向補(bǔ)給量增加,7 月達(dá)到最大值后逐漸降低,9-12 月地下水側(cè)向補(bǔ)給量有增加的趨勢(shì)。滹沱河北部斷面(斷面1-斷面3)的側(cè)向補(bǔ)給總量(1.80×108m3)高于滹沱河南部斷面(斷面4-斷面5)側(cè)向補(bǔ)給總量(3.00×107m3)。各斷面地下水側(cè)向補(bǔ)給量大小為斷面1 (1.17×108m3)＞斷面3 (0.35×108m3)＞斷面2 (0.29×108m3)＞斷面4 (0.27×108m3)＞斷面5(0.03×108m3),這反映了南北水文地質(zhì)條件差異的影響。靳孟貴等[31]利用同位素測(cè)井技術(shù)估算太行山前地下水側(cè)向補(bǔ)給量,在鹿泉至靈壽布設(shè)了46.2 km 的控制斷面,運(yùn)用斷面流速法計(jì)算地下水側(cè)向補(bǔ)給量為5.07×107m3,其控制斷面約為本研究區(qū)控制斷面的1/2,而側(cè)向補(bǔ)給量約為本研究區(qū)結(jié)果的1/4。本研究計(jì)算的側(cè)向補(bǔ)給量高于過去研究結(jié)果,可能與極端降水、地下水壓采政策以及生態(tài)補(bǔ)水等影響有關(guān),具有一定可靠性。

表1 2022 年3 月-2023 年2 月滹沱河沖洪積扇區(qū)山區(qū)側(cè)向補(bǔ)給對(duì)平原區(qū)地下水的補(bǔ)給量Table 1 Lateral recharge in the mountainous areas of the Hutuo River alluvial-pluvial fan from March 2022 to February 2023 ×108 m3

圖6 2022 年3 月-2023 年2 月滹沱河沖洪積扇區(qū)山區(qū)側(cè)向補(bǔ)給量統(tǒng)計(jì)圖Fig.6 Statistical map of lateral recharge in mountainous areas of the Hutuo River alluvial-pluvial fan from March 2022 to February 2023

2.4 山區(qū)側(cè)向補(bǔ)給輸入的硝酸鹽通量

利用式(3)計(jì)算由山區(qū)側(cè)向補(bǔ)給向平原區(qū)地下水輸移的硝酸鹽通量。結(jié)果表明,2022 年3 月至2023 年2 月山區(qū)側(cè)向流輸入平原區(qū)地下水的硝酸鹽通量共239.56×105kg (圖7)。受南北不同地下水側(cè)向補(bǔ)給量及硝酸鹽濃度影響,如斷面2 的JC3 和JC4監(jiān)測(cè)孔地下水硝酸鹽濃度最高,北部斷面地下水輸入的硝酸鹽通量為223.34×105kg,顯著高于南部斷面硝酸鹽通量(16.21×105kg),與平原區(qū)北部Ⅰ區(qū)和Ⅱ區(qū)地下水硝酸鹽濃度高于南部Ⅳ區(qū)的空間特征一致。不同斷面地下水側(cè)向補(bǔ)給輸入的硝酸鹽通量排序?yàn)?斷面2 (124.23×105kg)＞斷面1 (50.13×105kg)＞斷面3(48.98×105kg)＞斷面4 (13.88×105kg)＞斷面5 (2.33×105kg) (表2)。

圖7 2022 年3 月—2023 年2 月滹沱河沖洪積扇區(qū)山區(qū)側(cè)向補(bǔ)給輸入的硝酸鹽通量Fig.7 Nitrate fluxes from lateral recharge in mountainous areas of the Hutuo River alluvial-pluvial fan from March 2022 to February 2023

3 討論

3.1 同位素示蹤山區(qū)側(cè)向補(bǔ)給平原區(qū)地下水過程

地下水中的氫氧同位素可以示蹤地下水補(bǔ)給來源和不同水源之間的補(bǔ)給關(guān)系。根據(jù)山區(qū)斷面和平原區(qū)地下水氫氧同位素分析二者補(bǔ)給關(guān)系。由圖8可見所有地下水采樣點(diǎn)分布于當(dāng)?shù)卮髿饨邓€(LMWL)附近,表明地下水主要來源于降水。由圖8a 可知,滹沱河北部斷面監(jiān)測(cè)孔地下水采樣點(diǎn)大部分位于LMWL 右下方,平原區(qū)Ⅰ區(qū)和Ⅱ區(qū)所有點(diǎn)以及Ⅲ區(qū)少部分點(diǎn)也位于LMWL 右下方,且偏離LMWL,表明Ⅰ區(qū)、Ⅱ區(qū)地下水與斷面地下水存在一定的水力聯(lián)系。Ⅲ區(qū)大部分點(diǎn)位于LMWL 左上方,較斷面地下水同位素貧化,與河水同位素值接近,表明Ⅲ區(qū)地下水受河水補(bǔ)給作用強(qiáng)于斷面地下水側(cè)向補(bǔ)給作用。由Ⅰ區(qū)到Ⅱ區(qū)再到Ⅲ區(qū)沿地下水流向,地下水的δ18O 均值分別為-6.45‰、-7.14‰和-9.29‰,δ2H 均值分別為-55.42‰、-60.74‰和-62.33‰,具有逐漸貧化的趨勢(shì)。研究發(fā)現(xiàn)從上游到下游,地下水井深逐漸增大,Ⅰ區(qū)采樣點(diǎn)位于沖洪積扇扇頂,井深約為50 m,而Ⅱ區(qū)和Ⅲ區(qū)位于扇中和扇緣,井深約為100 m,地下水氫氧同位素隨井深增加變貧化這一結(jié)論與前人研究結(jié)果一致[32-33]。

圖8 滹沱河沖洪積扇區(qū)斷面監(jiān)測(cè)孔地下水、各分區(qū)[北部Ⅰ～Ⅲ區(qū)(a),南部Ⅳ區(qū)(b)]地下水及土壤水δ2H、δ18O 關(guān)系圖Fig.8 Relationships of δ2H and δ18O for groundwater in monitoring holes at sections,and groundwater and soil water in each subregion [northern I-Ⅲ (a),southern Ⅳ (b)] of the Hutuo River alluvial-pluvial fan

于2020 年采集研究區(qū)20 m 不同深度土壤測(cè)定土壤水的氫氧同位素。結(jié)果表明,Ⅰ區(qū)砂土層土壤水同位素比非砂土層(主要為黏土)土壤水同位素富集,且深層砂土層土壤水同位素值偏高,δ18O 均值為-4.71‰,δ2H 均值為-53.06‰,與Ⅰ區(qū)部分地下水同位素值接近,表明深層砂層土壤水對(duì)Ⅰ區(qū)地下水補(bǔ)給作用顯著。圖8a 中對(duì)比土壤水同位素發(fā)現(xiàn),Ⅰ區(qū)和Ⅱ區(qū)地下水氫氧同位素總體位于山區(qū)北部斷面監(jiān)測(cè)孔地下水和土壤水同位素之間,說明Ⅰ區(qū)和Ⅱ區(qū)地下水受山區(qū)側(cè)向補(bǔ)給作用和降水通過土壤水的垂向補(bǔ)給作用共同影響。而Ⅲ區(qū)大部分點(diǎn)位于LMWL 左上方且圍繞降水線分布,表明其受山區(qū)側(cè)向補(bǔ)給的影響較小。Ⅲ區(qū)地下水采樣點(diǎn)均位于滹沱河附近,受到了河水等生態(tài)補(bǔ)水的影響。水源的不同造成了同位素分布的差異性。Ⅰ-Ⅲ區(qū)地下水同位素分布特征表明山區(qū)側(cè)向補(bǔ)給對(duì)平原區(qū)地下水的影響范圍主要為扇頂和扇中。

研究區(qū)Ⅳ區(qū)扇頂?shù)叵滤c山區(qū)南部斷面地下水氫氧同位素值接近,表明扇頂?shù)叵滤苌絽^(qū)側(cè)向補(bǔ)給作用強(qiáng)烈(圖8b)。Ⅳ區(qū)扇頂至扇中地下水同位素分布規(guī)律與沖洪積扇北部扇頂I 區(qū)至扇中Ⅱ區(qū)地下水同位素值的分布一致,即沿地下水流動(dòng)方向氫氧同位素逐漸貧化(扇頂δ18O 均值為-8.32‰,δ2H 均值為-58.88‰;扇中δ18O 均值為-9.61‰,δ2H 均值為-62.51‰)。扇頂至扇中地下水同位素值變貧化不僅與地下水井深逐漸增加有關(guān),還受上游地下水超采影響,導(dǎo)致地下水流場(chǎng)發(fā)生改變,降低了扇中區(qū)域地下水與上游山區(qū)地下水之間的水力聯(lián)系,山區(qū)側(cè)向補(bǔ)給作用減弱。Huang 等[34]在華北平原安陽河沖洪積扇地下水的補(bǔ)給研究中表明,沖洪積扇扇中和扇緣部分地下水接受來自承壓含水層的越流補(bǔ)給。因此,Ⅳ區(qū)扇中區(qū)域地下水同位素貧化還可能與降水和深層承壓水的垂向補(bǔ)給有關(guān)。山區(qū)斷面、沖洪積扇扇頂和扇中地下水氫氧同位素空間分布特征表明,沖洪積扇接受上游山區(qū)側(cè)向補(bǔ)給且從西部扇頂向東部扇中側(cè)向補(bǔ)給作用逐漸減弱。因此,山區(qū)側(cè)向補(bǔ)給對(duì)平原區(qū)地下水的主要影響范圍為沖洪積扇扇頂和扇中區(qū)域。

由山區(qū)側(cè)向補(bǔ)給量得出,北部各斷面?zhèn)认蜓a(bǔ)給量均高于南部,平原區(qū)各分區(qū)的地下水水位和與之對(duì)應(yīng)的各斷面?zhèn)认蜓a(bǔ)給量的特征趨勢(shì)一致,如斷面2 側(cè)向補(bǔ)給量(0.29×108m3)高于斷面4 的側(cè)向補(bǔ)給量(0.27×108m3),同樣在下游平原區(qū)的1#地下水水位高于4#水位(圖4)。可見平原區(qū)地下水水位與側(cè)向補(bǔ)給關(guān)系密切,未來仍要關(guān)注平原區(qū)地下水水位回升與地下水側(cè)向補(bǔ)給之間的相互關(guān)系。

3.2 山區(qū)側(cè)向補(bǔ)給的氮通量及其對(duì)平原區(qū)硝酸鹽分布的影響

極端降水、生態(tài)補(bǔ)水等工程措施增加了山區(qū)側(cè)向補(bǔ)給量,對(duì)滹沱河沖洪積扇平原區(qū)地下水儲(chǔ)量和水位恢復(fù)具有重要意義,而低山丘陵區(qū)地下水硝酸鹽問題日益凸顯,山區(qū)對(duì)平原區(qū)地下水側(cè)向補(bǔ)給量增加的同時(shí)硝酸鹽通量增加,上游山區(qū)含有較高濃度硝酸鹽的地下水對(duì)下游平原區(qū)地下水產(chǎn)生一定污染。本研究表明滹沱河北部山區(qū)斷面地下水硝酸鹽平均濃度及超標(biāo)率均高于南部,以往研究表明,滹沱河北部的沙河流域地下水硝酸鹽濃度平均為109.80 mg·L-1[35],滹沱河南部潴龍河流域地下水硝酸鹽濃度平均為78 mg·L-1,超標(biāo)率為52%[16,19]。南部地下水硝酸鹽濃度與本研究接近,但超標(biāo)率低于本研究結(jié)果。一方面表明滹沱河南北部人類活動(dòng)影響程度不同,導(dǎo)致南北斷面地下水硝酸鹽濃度差異顯著;另一方面說明山區(qū)地下水硝酸鹽污染問題日益突出,山區(qū)側(cè)向補(bǔ)給會(huì)影響平原區(qū)地下水水質(zhì)。

由以上分析可知,不僅滹沱河北部山區(qū)斷面地下水硝酸鹽濃度高于南部,相應(yīng)的北部沖洪積扇扇頂和扇中(Ⅰ區(qū)和Ⅱ區(qū))地下水硝酸鹽濃度也高于南部(Ⅳ區(qū))。在石家莊地區(qū)滹沱河沖洪積扇頂?shù)叵滤跛猁}的研究表明,由山區(qū)至平原區(qū)地下水硝酸鹽濃度逐漸降低[36]。山區(qū)側(cè)向補(bǔ)給影響平原區(qū)地下水硝酸鹽的空間分布。此外,平原區(qū)土地利用類型、地下水埋深等也是決定地下水硝酸鹽空間分布特征的主要因素。研究表明蔬菜區(qū)地下水硝酸鹽濃度偏高,而地下水埋深越大、硝酸鹽濃度越低[37-39]。本研究采樣點(diǎn)土地利用類型以農(nóng)田為主,且地下水埋深由沖洪積扇扇頂向東部扇中逐漸增加,但是其對(duì)地下水硝酸鹽的影響不作為本研究重點(diǎn)。

本研究同樣發(fā)現(xiàn)由山區(qū)側(cè)向補(bǔ)給向平原區(qū)輸入的硝酸鹽通量也表現(xiàn)為北部高于南部。這一方面與北部較大的山區(qū)側(cè)向補(bǔ)給量有關(guān),該區(qū)域含水層以滲透性良好的砂礫卵石和礫石為主,有利于山區(qū)側(cè)向流對(duì)平原區(qū)地下水的補(bǔ)給;另一方面與具有較強(qiáng)滲透性的土壤沉積特征有關(guān),2021 年的連續(xù)降水導(dǎo)致農(nóng)田包氣帶累積的大量氮素淋失進(jìn)入含水層,從而形成地下水硝酸鹽濃度高值區(qū)。Huang 等[40]研究表明連續(xù)的暴雨淋濾作用導(dǎo)致表層土壤大量硝酸鹽浸出,對(duì)地下水水質(zhì)造成潛在威脅。Zheng 等[41-42]也揭示了太行山山區(qū)極端強(qiáng)降水可通過優(yōu)先流對(duì)地下水補(bǔ)給(貢獻(xiàn)率為42%),優(yōu)先流攜帶土壤化肥氮素進(jìn)入山區(qū)地下水,加大了山區(qū)對(duì)平原區(qū)地下水硝酸鹽污染的風(fēng)險(xiǎn)。

滹沱河南部Ⅳ區(qū)扇頂區(qū)域地下水同樣受山區(qū)側(cè)向補(bǔ)給影響,但由于上游山區(qū)斷面地下水硝酸鹽濃度低于北部斷面,因此Ⅳ區(qū)扇頂?shù)叵滤跛猁}濃度也低于北部扇頂。而Ⅳ區(qū)扇中區(qū)域受地下水超采導(dǎo)致地下水流場(chǎng)改變的影響,山區(qū)側(cè)向流對(duì)該區(qū)地下水水位和硝酸鹽動(dòng)態(tài)影響有限;此外,Ⅳ區(qū)扇中區(qū)域包氣帶較厚,地下水埋深較大,且含水層以滲透性差的砂、粉砂夾雜黏土為主,土壤累積的氮素對(duì)地下水影響較弱,因此形成了地下水硝酸鹽低值區(qū)。滹沱河沖洪積扇扇緣(Ⅲ區(qū))地下水硝酸鹽濃度主要受河道入滲補(bǔ)給,氫氧同位素關(guān)系同樣說明該區(qū)域補(bǔ)給水源的差異性(圖8a)。

平原區(qū)地下水受山區(qū)側(cè)向流水量補(bǔ)給的同時(shí)也面臨地下水硝酸鹽污染的威脅。因此,需繼續(xù)關(guān)注和研究未來環(huán)境變化下沖洪積扇區(qū)域地下水水量和水質(zhì)安全問題。

4 結(jié)論

為明確山區(qū)側(cè)向補(bǔ)給對(duì)平原地下水動(dòng)態(tài)及地下水硝酸鹽分布的影響,本研究基于山區(qū)斷面監(jiān)測(cè)孔及滹沱河沖洪積扇平原區(qū)地下水監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),結(jié)合氫氧同位素示蹤及硝酸鹽濃度分析,明確了山區(qū)側(cè)向流對(duì)平原區(qū)地下水的補(bǔ)給機(jī)制,并探討了山區(qū)側(cè)向補(bǔ)給對(duì)平原區(qū)地下水硝酸鹽的影響,最終得出以下結(jié)論:

(1) 滹沱河沖洪積扇北部山區(qū)斷面地下水和平原區(qū)地下水硝酸鹽濃度均高于南部。山區(qū)側(cè)向補(bǔ)給對(duì)沖洪積扇南北各分區(qū)地下水補(bǔ)給的影響程度不同,沿地下水流動(dòng)方向,沖洪積扇扇頂至扇中再到扇緣,地下水硝酸鹽濃度逐漸降低,表明扇頂?shù)叵滤苌絽^(qū)側(cè)向補(bǔ)給影響大,東部扇中和扇緣區(qū)域受山區(qū)側(cè)向補(bǔ)給影響減弱且受人類活動(dòng)干擾明顯。

(2) 平原區(qū)地下水受山區(qū)側(cè)向補(bǔ)給和降水通過土壤水垂向補(bǔ)給的共同影響,扇頂區(qū)域受側(cè)向補(bǔ)給影響比扇中區(qū)域明顯,南部扇中區(qū)域地下水由于地下水超采影響地下水流場(chǎng),減弱了山區(qū)側(cè)向補(bǔ)給作用。

(3) 研究區(qū)2022 年3 月至2023 年2 月山區(qū)側(cè)向補(bǔ)給量為2.10×108m3,滹沱河北部側(cè)向補(bǔ)給量高于南部。山區(qū)側(cè)向補(bǔ)給輸入平原區(qū)地下水的硝酸鹽通量總計(jì)239.56×105kg,且北部高于南部。山區(qū)側(cè)向補(bǔ)給對(duì)地下水硝酸鹽影響范圍為扇頂和扇中區(qū)域,且對(duì)扇頂?shù)叵滤a(bǔ)給和硝酸鹽的影響程度更強(qiáng)。