滹沱河超采區地下水硫酸鹽來源識別及遷移轉化

田 夏， 李亞松*， 費宇紅， 曹勝偉， 馮創業， 孟 艷

(1.中國地質科學院水文地質環境地質研究所，石家莊 050061；2.河北省地礦局水文工程地質勘查院，石家莊 050021；3.石家莊市水務局，石家莊 050051)

滹沱河沖洪積平原是華北平原人類活動最為強烈、淺層地下水超采最為嚴重的地區[1]。滹沱河平原淺層地下水超采區包含石家莊市、藁城區、欒城區、正定縣和鹿泉區平原，面積為2 284 km2，其中強烈超采區位于石家莊地下水降落漏斗區[2]。由于人類活動的影響，近幾十年石家莊市水環境發生了惡劣性變化，河道干涸，水位快速下降，部分地區地下水含水層出現疏干，改變了原有的地下水補給、徑流和排泄特征，地下水水化學環境也發生了變化。天然條件下，滹沱河平原區地下水主要接受大氣降水入滲補給和河流入滲補給，現今降水入滲、井灌回歸以及水庫副壩滲漏成為補給該區地下水的主要補給來源[3-4]。

滹沱河平原地下水方面的研究程度較高，有關地下水循環、水污染、水資源以及水化學等方面的研究屢見不鮮[5-11]，但涉及滹沱河超采區地下水硫酸鹽異常升高的研究較少。近年調查和監測發現，滹沱河主河道附近地下水硫酸鹽含量日趨增高，范圍逐漸增大；并有向地下水降落漏斗區擴散的趨勢。在該區已形成重碳酸硫酸鹽型地下水1 068 km2。依據水文地球化學理論，山前地區地下水流速大、更新快，在水巖作用下地下水多為重碳酸鹽型水；而重碳酸硫酸鹽型地下水的出現應當引起重視。滹沱河主河道附近又是石家莊市地下水飲用水源區，硫酸鹽的不斷增加嚴重威脅水源地安全。因此，研究滹沱河超采區地下水硫酸鹽的來源，解析硫酸鹽在地表水-包氣帶-地下水中的遷移轉化關系，對石家莊地下水安全供給具有十分重要的意義。

1 區域特征及研究方法

1.1 區域特征

滹沱河超采區位于滹沱河沖洪積扇上部，地勢平坦，多年平均降水量為531 mm，行政區域包括石家莊市、鹿泉區、欒城區、藁城區和正定縣的一部分，面積約2 284 km2，是華北平原的重要經濟區。滹沱河是唯一地表水河流，出山口受黃壁莊水庫控制，由于地表水攔蓄，滹沱河自20世紀80年代常年斷流，僅大洪水時過水。

研究區地下水賦存于第四系松散孔隙含水層，巖性主要為砂礫卵石、礫卵石、中粗砂含礫卵石，導水性和富水性較好，滲透系數60～130 m/d，單位涌水量在沖洪積扇軸部大于70～100 m3/(h·m)，向兩翼減少到10～30 m3/(h·m)。

淺層地下水系統是開放的系統，水循環交替強烈，天然條件下地下水自西向東流動。受人類開采地下水影響，石家莊市形成了地下水降落漏斗，致使地下水流向漏斗中心匯集；地下水補給依靠大氣降水入滲、地表水入滲、山區側向徑流、灌溉回歸補給、河道滲漏補給、渠道滲漏及渠灌入滲等；地下水排泄以地下水開采為主，潛水蒸發幾乎為零。

1.2 研究方法

本研究基于長時間序列、多點位交叉動態監測數據分析發現，滹沱河超采區地下水硫酸鹽演變存在異常；通過對水文地質條件、補徑排關系分析，得出研究區地下水硫酸鹽異常與上游地表水有著緊密聯系；結合水文地球化學理論開展了野外調查及取樣工作，運用硫氧同位素技術，對研究區地下水硫酸鹽來源問題進行了研究，并利用歷史洪水記錄對研究結果加以印證。通過上述研究建立了滹沱河超采區地下水硫酸鹽在地表水-包氣帶-地下水中的遷移轉化模式，為滹沱河超采區的地下水環境污染防治與地下水可持續利用提供了科學依據。

2 地下水硫酸鹽演變的時空差異分析

圖1 研究區地下水分布 distribution of groundwater in the study area

2.1 空間差異性

2.2 時間差異性

圖2 地下水漏斗區化學組分變化過程Fig.2 Change process of chemical composition in groundwater funnel

2.3 地下水水化學類型演變

20世紀60年代以前，研究區地下水受人類活動影響較小，水質較好，地下水類型主要以HCO3-Ca(Ca·Mg)型水為主。70年代，研究區內淺層地下水水化學類型主要有HCO3-Ca(Ca·Mg)、HCO3·Cl-Ca·Mg(Mg·Ca)、HCO3·SO4-Ca·Mg三種水化學類型。其中HCO3-Ca(Ca·Mg)型水分布范圍最廣，主要分布在北部的正定縣、石家莊市區西部山前地帶和藁城區以南一帶，面積達1 452.07 km2，占總面積的63.57%；HCO3·SO4-Ca·Mg型水沿滹沱河呈條帶狀分布，面積335.13 km2，占總面積的14.67%；HCO3·Cl-Ca·Mg(Mg·Ca)型水主要分布在欒城區以西地區，和藁城區北部地區，面積497.07 km2，占總面積的21.76%(圖3)。

經過幾十年的變化，如今區域地下水水化學類型以HCO3·SO4-Ca·Mg、HCO3-Ca·Mg型為主，輔以HCO3·Cl-Ca·Mg和HCO3·SO4·Cl-Ca·Mg型水。HCO3-Ca·Mg型水分布區域的北部和南部，分布面積減少為831.86 km2，占總面積的36.42%；HCO3·SO4-Ca·Mg型水特點較為明顯，沿滹沱河呈條帶狀分布，面積增大為756.67 km2，占總面積的33.13%，并在HCO3·SO4-Ca·Mg型水的南側形成了條帶狀的HCO3·SO4·Cl-Ca·Mg型水，面積達169.39 km2，占總面積的7.42%，與硫酸鹽在該區域富集有關；HCO3·Cl-Ca·Mg型水主要分布在研究區南側的藁城區，面積為526.35 km2，占總面積的23.04%(圖4)。

3 地下水硫酸鹽污染來源分析

通過上述分析已明確研究區地下水硫酸鹽高值區沿滹沱河分布，且含量日趨增高，范圍逐漸增大，就此需對硫酸鹽的來源及污染途徑做進一步分析。地下水中硫酸鹽主要來源包括硫酸鹽巖的溶解、硫化礦物的氧化、大氣沉降和人類活動的輸入[14-17]。

3.1 地下水與地表水的補給關系

3.1.1 地下水無對地表水的補給能力

圖3 研究區20世紀70年代地下水化學類型分布Fig.3 Groundwater chemical type distribution in the study area in 1970 s

圖4 研究區2012年地下水化學類型分布Fig.4 Groundwater chemical types distribution in the study area in 2012

20世紀60年代研究區地下水埋深較淺，自西向東流動，是區內工業和生活的主要供水水源。由于連續超強度開采，導致地下水采補失衡，于1964年在市區形成了地下水降落漏斗，面積約57 km2；2005年地下水漏斗已擴展為501.7 km2，中心地下水埋深52.44 m；2015年受地下水壓采和降水量增大的影響，漏斗中心埋深50.6 m。由于地下水位大幅度下降，地下水已沒有補給地表水的能力，開采地下水和側向徑流成為地下水的排泄途徑。地下水漏斗的形成使地下水流動方向改變為向漏斗中心匯集(圖5)。

圖5 研究區淺層地下水埋深分區Fig.5 Shallow groundwater depth of the study area

3.1.2 地表水線狀或面狀補給地下水

滹沱河洪水是研究區地下水的重要補給源，受上游水庫攔蓄的影響，近20 a基本全年斷流，干涸的河道只有在行洪時大量補充地下水。滹沱河河道是石家莊地區地下水的強入滲帶，河道入滲補給系數達90%以上[18]。

石津渠引自黃壁莊水庫，是向研究區東部供水的主干渠，20世紀70年代供水之前以土渠為主，渠系利用系數在0.6左右，渠水滲漏補給地下水。近年來，施行了襯砌，渠水滲漏量幾乎為零。

黃壁莊水庫副壩近7 km長，面迎石家莊，壩基坐落于滹沱河古河床上，自建成以后，形成了嚴重地下水滲流帶，據計算，副壩滲漏量多年平均為7 500×104m3/a[19]，形成了地下水面狀補給源。2003年之后在副壩截滲工程之后，該水量大幅減小。

3.2 地表水硫酸鹽來源

研究區的地表水來源為滹沱河，滹沱河發源于山西省繁峙縣，穿越太行山，在平山縣被崗南水庫攔蓄，其下游23 km是黃壁莊水庫，中間有治河入流。兩個串聯水庫調節滹沱河徑流，保障平原區免遭洪災，并向下游提供生活、生產和農業用水，并作為戰略用水保障北京用水。據對黃壁莊水庫和崗南水庫水質檢測發現，黃壁莊水庫硫酸鹽含量一直處于較高狀態，2004—2008年平均為186.67 mg/L，2009—2013年平均為179.29 mg/L，2016年為178.6 mg/L。

3.2.1 樣品采集

2016年6月對冶河、崗南水庫、黃壁莊水庫、滹沱河流域進行了野外調查及取樣工作，取水樣32個，其中淺層地下水24個，地表水8個(圖6)。樣品采集點的分布遵循區域控制，地下水主要為沿河流域淺層農用井和自備井為主，地表水主要采集冶河上下游、崗南及黃壁莊水庫水樣。在地下水樣品采集前，對樣井進行0.5 h的抽水處理。

圖6 滹沱河、冶河樣品采集和分布Fig.6 Sample collection and distribution of Hutuo River and Ye River

3.2.2 樣品測試

樣品測試內容包括現場測試指標5項、無機常規指標19項、同位素指標2項(表1)。

表1 地下水監測指標分類表

3.2.3 樣品分析

3.3 地下水對地表入滲響應分析

4 地下水硫酸鹽污染路徑分析

表2 滹沱河及冶河流域硫、氧同位素統計

據此，編制出滹沱河平原地下水硫酸鹽污染路徑圖(圖7)，該圖反映了采煤條件下，礦坑水通過“礦井排水-巖溶水-泉水-地表徑流-水庫蓄水-水庫放水-補給地下水”的水動力系統污染地下水。

圖7 滹沱河平原地下水硫酸鹽污染路徑Fig.7 Sulfate pollution path of groundwater in Hutuo River Plain

5 結論

滹沱河超采區地下水硫酸鹽增高為滹沱河地表水入滲所致。人類采煤活動導致上游冶河硫酸鹽含量增高，污染源通過“礦坑涌水—巖溶水—地下泉水出露—地表徑流”和“礦坑涌水—地表徑流”等路徑匯入黃壁莊水庫，洪水期、農灌期及庫區滲漏等因素導致硫酸鹽從山區進入平原，并由地表滲入地下，使滹沱河超采區地下水硫酸鹽增多，HCO3·SO4-Ca·Mg型水面積沿滹沱河不斷擴大。

滹沱河超采區是南水北調供水區，也是地下水壓采區，未來若以黃壁莊水庫水作為環境用水，有造成地下水硫酸繼續污染的風險。上游采礦區治理污染，減少排放，是下游地區地下水保護的重要對策。