滹滏平原漏斗區地下水溶解性總固體演變特征研究

張希雨，張光輝，嚴明疆

（1.中國地質科學院水文地質環境地質研究所，河北 石家莊 050061；2.中國地質大學（北京），北京 100083；3.河北地質大學水資源與環境學院/河北省高校生態環境地質應用技術研發中心/河北省水資源可持續利用與產業結構優化協同創新中心/河北省水資源可持續利用與開發重點實驗室，河北 石家莊 050031）

滹滏山前平原地處滹沱河山前沖洪積扇帶，含水層介質顆粒粗、孔隙大，地下水水力梯度較大，徑流更替積極，溶濾作用強烈。天然條件下，隨溶濾作用長期持續，該平原含水層中易溶鹽類貧乏，地下水中難溶離子的相對含量較高，溶解性總固體（total dissolved solids，TDS）較低。1970年之前滹滏山前平原淺層地下水TDS普遍小于0.50 g/L[1]。

1970年以來，滹滏山前平原長期大規模超采地下水，地下水水位不斷下降，并形成了穩定的地下水水位降落漏斗（簡稱“漏斗區”），最大面積曾達473.8 km2，漏斗中心水位埋深大于50m[2?6]。與此同時，該漏斗區地下水TDS及其主要化學組分呈增大趨勢特征[7?10]，在漏斗形成中、末期部分區域的地下水TDS超過了《地下水質量標準》III類水標準（小于1 000mg/L）[11?14]。在地下水漏斗形成過程中，滹滏山前平原淺層地下水TDS增大過程的階段特征、主要化學組分含量影響TDS增大過程以及TDS增大的驅動因素，是值得探討的科學問題。

本文以滹滏山前平原淺層地下水漏斗區為研究區，應用地學數理統計分析、時間序列異變分析和GIS空間特征分析技術[15]，從地下水漏斗形成初期、中期和末期三個階段的水位年均降幅、TDS年均增幅及不同時期主要化學組分對TDS增加貢獻率和化學組分比值變化特征等方面探討，以期為改善和保護滹滏山前平原地下水供水安全提供科學依據。

1 研究區概況

滹滏山前平原地處河北省中部的石家莊地區（圖1），地勢平坦、西高東低，地面高程介于65～100m。年均降水量513.1mm，年均蒸發量1 677mm，年均氣溫13℃。滹沱河位于研究區北部，自1980年以來，滹沱河常年斷流，僅豐水年上游水庫泄洪才有河道過水[16]。

研究區地下水為松散巖類孔隙水，自上而下分為4個含水巖組。其中，第Ⅰ+Ⅱ含水巖組為淺層地下水，是研究區主要開采層位和本次研究的主體；第Ⅲ、Ⅳ含水巖組是承壓含水層組，厚度較薄、富水性差，尚未大規模開采。目前，第Ⅰ含水巖組已疏干，主要開采第Ⅱ含水巖組。第Ⅰ+Ⅱ含水巖組的巖性主要為砂礫卵石、砂卵石和中粗砂含礫卵石，滲透系數60～130m/d。

圖1 研究區地理位置、研究分區與地下水監測點Fig.1 Location of the study area,subregions and groundwater monitoring points

研究區分為3個區。漏斗核心區（記作I區）為本文的目標研究區，位于漏斗區的中心區域（圖2）。研究區西部為山區至平原的過渡帶，是漏斗核心區的上游地下徑流側向主要補給帶（記作II區）。研究區西北部為滹沱河沖洪積扇軸部、河道滲漏對淺層地下水的主要補給帶（記作III區），如圖1所示。II、III區地處傾斜平原的山前帶，地下水水位埋藏淺，1980年之前水位埋深不足10m，含水層以砂礫石層為主，地下水防污性能較弱。

研究區淺層地下水漏斗形成于20世紀60年代末、70年代初，當時較為穩定的漏斗面積為57 km2，漏斗中心水位埋深7.57m。至1980年，該區漏斗面積擴大為200 km2，中心水位埋深下降至23.27m。至2000年，該區漏斗面積達368.0 km2，漏斗中心水位埋深41.93m。研究區地下水漏斗分布面積的峰值出現在2012年，漏斗面積473.8 km2，漏斗中心水位埋深50.60m。之后，研究區地下水超采綜合治理力度不斷加大。2014年開始，南水北調中線通水給該區供水，研究區地下水漏斗面積擴大趨勢得到遏止。至2017年底，漏斗面積縮小至96.2 km2，漏斗中心水位埋深回升至45.83m，2018年區內地下水漏斗消失。在天然條件下，研究區地下水自西北向東南徑流；漏斗形成之后，漏斗核心區地下水自漏斗四周向漏斗中心匯流（圖2）。

2 數據來源

本研究的數據主要來自國家級、省級監測網地下水動態長期觀測和5年期統測資料，以及中國地質調查局地質調查項目“石家莊—西柏坡經濟區水文環境地質調查綜合研究”（2014—2017年）成果資料。其中時間系列較長并完整的地下水動態監測點61個，Ⅰ區、Ⅱ區和Ⅲ區分別有30，15，16個（圖1）。監測指標包括地下水水位、水溫、pH值、K+、Na+、Ca2+、、總硬度和TDS等指標。

3 水位埋深變化階段特征

3.1 初期變化特征

研究區初期地下水水位埋深9.10～23.20m，如圖2（a）所示。I區水位埋深較大，20～25m的分布面積占研究區總面積的10.99%。水位埋深小于10m的分布面積占研究區總面積的15.43%，主要分布在II區和III區。水位埋深介于10～20m的分布面積占研究區總面積的73.58%。

圖2 研究區漏斗形成不同時期地下水水位與埋深分布特征Fig.2 Distribution of groundwater level and buried depth in different stages of the funnel formation in the study area

相對1972年，Ⅰ區地下水水位年均降幅介于0.76～2.54m，地下水水位呈現顯著下降特征。Ⅰ區水位年均降幅的最小值、最大值和平均值分別是Ⅱ區、Ⅲ區水位年均降幅的2.53～4.47倍、1.06～1.47倍和1.07～1.49倍（表1）。

表1 漏斗形成不同時期地下水水位變化特征Table 1 Characteristics of groundwater level changes in different stages of the funnel formation

3.2 中期變化特征

研究區中期地下水水位埋深13.40～42.28m，相對1980年水位埋深極小值與極大值，增大47.25%～82.24%，如圖2（b）所示。水位埋深大于20m的分布面積占研究區總面積的52.61%，是初期相同水位埋深分布面積的4.79倍。I區水位埋深普遍下降至30m之下，分布面積達249.6 km2。

Ⅰ區地下水水位年均降幅仍然明顯大于Ⅱ區、Ⅲ區（表1）。Ⅰ區水位年均降幅的最小值、最大值和平均值，分別是該區初期水位年均降幅的0.39，0.35，0.38倍，水位年均降幅明顯減小。1981—2000年滹沱河河道常年斷流[16]，Ⅲ區地下水水位年均降幅明顯增大，對Ⅰ區地下水補給能力（影響）顯著減弱。

3.3 末期變化特征

研究區末期地下水水位埋深21.41～50.60m；相對2000年水位埋深極小值與極大值，增大19.68%～59.78%，但增大的幅度小于中期，如圖2（c）所示。水位埋深大于35m的分布面積占研究區總面積的53.83%，是中期相同水位埋深分布面積的4.11倍。其中，水位埋深35～45m的分布面積890.3 km2，I區水位埋深大于45m的分布面積達135.7 km2。

Ⅰ區地下水水位年均降幅分別是Ⅱ區、Ⅲ區水位年均降幅的1.01～2.64倍和1.13～2.75倍，明顯大于Ⅱ區、Ⅲ區（表1）。Ⅰ區地下水水位年均降幅的最小值、最大值和平均值分別是該區中期的2.20，1.31，1.49倍，水位年均降幅明顯增大。

4 TDS變化階段特征

4.1 初期變化特征

研究區初期地下水TDS為342～997mg/L，I區地下水TDS為471～997mg/L，平均值736mg/L，呈現異常高值分布特征，見圖3（a）。I區地下水TDS的平均值、最小值和最大值，與Ⅱ區相應特征值相近，但明顯大于Ⅲ區（表2），呈現Ⅲ區（滹沱河河道過水滲漏）補給的沖淡作用效應。

相對1973年，Ⅰ區初期地下水TDS年均增幅26.53～49.51mg/L，呈顯著增大特征。這一特征與該區水位年均降幅增大趨勢特征相同，見圖2（a）。Ⅰ區地下水TDS年均增幅的平均值、最小值和最大值是Ⅲ區相應特征值的1.54，5.21，1.61倍，同時普遍大于Ⅱ區相應特征值（表2），呈現漏斗核心區因地下水滯流延長水-巖之間作用的效應（進入水中的化學組分累計增多）。

4.2 中期變化特征

研究區中期地下水TDS為462～1 353mg/L，相對1980年TDS極小值與極大值增大35.09%～35.71%。I區、II區地下水TDS最大值分別為1 231，1 353mg/L，出現地下水TDS異常高值區。Ⅰ區地下水TDS的平均值、最小值和最大值，全部小于Ⅱ區，明顯大于Ⅲ區（表2），呈現Ⅱ區為Ⅰ區地下水TDS趨增的物源區特征，見圖3（b）。

Ⅰ區中期地下水TDS年均增幅2.50～18.33mg/L，年均增幅的最小值、最大值和平均值分別是Ⅰ區初期相應值的0.09，0.37，0.25倍，明顯小于Ⅰ區初期TDS年均增幅。這一特征與Ⅰ區同期水位年均降幅變化特征相同，見圖2（b），表明地下水水位下降幅度大小對Ⅰ區地下水TDS的增幅具有一定影響。Ⅰ區地下水TDS年均增幅的平均值、最小值和最大值，是Ⅲ區相應特征值的1.64，0.95，2.34倍，小于Ⅱ區相應特征值（表2），進一步呈現Ⅱ區為物源輸出影響特征（圖2、圖3）。

圖3 研究區漏斗形成不同時期地下水TDS分布特征Fig.3 Characteristics of groundwater salinity distribution in different stages of the funnel formation in the study area

表2 研究區漏斗形成不同時期地下水TDS演變特征Table 2 Characteristic of groundwater salinity changes in different stages of the funnel formation

4.3 末期變化特征

研究區末期地下水TDS為700～1 729mg/L，相對2000年TDS極小值與極大值增大27.79%～51.52%。I區、II區地下水TDS最大值分別由中期的1 231，1 353mg/L增大至1 379，1 729mg/L，TDS超標（大于1 000mg/L）范圍明顯擴大，見圖3（c）。Ⅲ區地下水TDS由中期的462～738mg/L增大至700～897mg/L。I區地下水TDS的特征值明顯大于Ⅲ區（表2）。I區地下水TDS的平均值和最大值小于Ⅱ區，最小值大于Ⅱ區，表明I區地下水TDS底值繼續上升，而最大值和平均值的增幅呈減緩特征，這與水環境綜合治理密切相關[17-18]。

Ⅰ區末期地下水TDS年均增幅4.65～24.32mg/L，大于該區中期TDS年均增幅，呈顯著增大特征，與該區同期水位年均降幅增大特征相符，見圖2（c），即末期Ⅰ區地下水水位年均降幅增大，該區TDS年均增幅也增大。Ⅰ區TDS年均增幅的平均值和最大值是Ⅱ區的0.98，0.91倍，Ⅲ區的0.84，0.90倍，小于Ⅱ區和Ⅲ區；Ⅰ區TDS年均增幅的最小值分別是Ⅱ區、Ⅲ區的3.08，1.50倍，大于Ⅱ區、Ⅲ區，進一步呈現末期漏斗核心區地下水TDS底值普遍上升的特征（表2）。

5 TDS變化影響因素

5.1 水位的影響

自初期、中期至末期，Ⅰ區地下水水位埋深、TDS呈不斷增大趨勢，且具有階段性特征（表1、表2）。Ⅰ區地下水TDS年均增幅與水位年均降幅之間互動特征顯著（圖4）。水位年均降幅每增大1.0m條件下，從總研究期（1972—2017年）來看，Ⅰ區地下水TDS年均增幅增大18.45mg/L，見圖4（a）；初期TDS年均增幅增大21.96mg/L，這期間水位埋深9.10～23.20m，見圖4（b）；中期TDS年均增幅增大13.54mg/L，這期間水位埋深13.40～42.28m，見圖4（c）；末期TDS年均增幅增大12.32mg/L，這期間水位埋深21.41～50.60m，見圖4（d）。由此可見，Ⅰ區水位埋深不斷增大過程中，水位年均降幅相同變化條件下，初期、中期和末期地下水TDS年均增幅的增大值越來越小。這表明Ⅰ區地下水抵御外部影響的防污性能不斷增強，同時，因漏斗區內地下水滯流、更替能力變弱而延長含水層中水-巖之間作用，以至地下水中化學組分的積累量越來越多。

5.2 主要化學組分影響

在初期，Ⅰ區地下水TDS增大與Ca2+、Mg2+含量之間相關性顯著，相關系數（R2）分別為0.63，0.56；與Na+、Cl?、和HCO?3含量之間相關性較弱（表3）。

在初期Ⅰ區地下水TDS增大過程中，陽離子組分中Ca2+含量增幅占TDS增幅的比率最大，占14.10%；其次是Na+；Mg2+最小。陰離子組分中含量增幅占TDS增幅的比率最大，占29.17%；其次是Cl?；占比率最小（表4）。由此可見，初期地下水中Ca2+、含量增加是TDS增大的主要因素；Cl?和含量增幅合計占TDS增幅的46.47%，發揮了不可忽視的作用。在中期，Ⅰ區地下水TDS增大仍然與Ca2+、Mg2+含量之間呈較顯著相關特征，相關系數（R2）分別為0.72，0.55；與Na+、Cl?、和含量之間相關性仍然較弱。相對初期，地下水TDS增大與含量之間相關性減弱，相關系數（R2）由初期的0.20減小為0.18；地下水TDS增大與Ca2+、Na+、Cl?和含量之間相關性明顯增強，相關系數（R2）分別由初期的0.63，0.20，0.22，0.16增大為中期的0.72，0.37，0.37，0.23（表3）。

圖4 漏斗核心區地下水TDS年均增幅與水位年均降幅互動關系Fig.4 Interaction between the increase of groundwater salinity and the decrease of groundwater level in the funnel core area

表3 漏斗核心區地下水TDS與主要化學組分相關性Table 3 Correlation between TDS and main chemical components in the funnel core area

在中期Ⅰ區地下水TDS增大過程中，陽離子組分中Ca2+含量增幅占TDS增幅的比率仍然最大，占13.86%，但小于初期的占比率；Na+占比率相對初期呈明顯增大特征；Mg2+占比率相對初期呈減小特征。陰離子組分中，占比率由初期的21.63%增大為中期的23.60%，呈增大特征；、Cl?占比率相對初期呈減小特征（表4）。

表4 不同時期地下水TDS增幅中主要化學組分增幅貢獻比率Table 4 Variation characteristics of the increment contribution ratio of main chemical components in groundwater salinity increment in different periods

在末期，Ⅰ區地下水TDS增大與Ca2+含量之間呈較顯著相關特征，相關系數（R2）為0.68。相對中期，末期地下水TDS增大與Na+、Mg2+含量之間相關性減弱，相關系數（R2）分別由0.37，0.55減小為0.16，0.38。地下水TDS增大與Cl?含量之間相關性仍然較強，相關系數（R2）為0.37；與和含量之間相關性進一步減弱，相關系數（R2）分別由中期的0.23，0.18減小為0.04，0.17（表3）。

在末期Ⅰ區地下水TDS增大過程中，陽離子組分中Ca2+含量增幅占TDS增幅的比率最大，占13.07%，但相對中期進一步減小；Na+占比率相對中期進一步增大；Mg2+占比率由中期4.46%減小為4.17%。陰離子組分中，占比率由中期的23.60%增大為24.14%，呈進一步增大特征；、Cl?占比率相對中期呈進一步減小特征（表4）。

自初期、中期至末期，Ⅰ區地下水TDS增大與Ca2+、Mg2+含量之間相關性顯著，相關系數較大；與含量之間相關性較弱，但相關性保持穩定。這表明Ⅰ區地下水仍基本保持山前平原HCO3—Ca型、HCO3—Ca·Mg型水的水化學特征。但由于地下水中Na+、、Cl?含量的不斷增大，這種特征越來越不顯著。

自初期、中期至末期，在Ⅰ區地下水TDS趨增過程中，Na+含量增幅占TDS增幅的比率由初期的5.14%、中期的6.27%增大至末期的9.98%，占比由初期的21.63%、中期的23.60%增大至末期的24.14%，兩者占比呈增大趨勢。由此可見，地下水中Na+、含量增幅不斷增大是Ⅰ區地下水TDS增大的重要驅動因素。地下水中Ca2+、Mg2+、和Cl?占比呈減小特征，末期四者合計占比率相對初期減少11.17%，但末期四者占比合計仍達65.88%。它們在Ⅰ區地下水TDS增大過程中仍發揮至關重要作用（表4）。

從地下水主要化學組分含量的比值來看，（Ca2++比值（r1）由初期的2.21、中期的1.89，至末期減少為1.45；Na+/Ca2+比值（r2）、比值（r3）和比值（r4）從初期、中期至末期都呈增大特征（表4）。由此進一步表明，隨著Ⅰ區水位埋深不斷增大，地下水中含量增幅的不斷增大對TDS增大發揮了驅動作用。由于Na+、作用不斷增強，改變了地下水化學場的原有水-巖作用平衡，環境介質中Na+、Ca2+、Mg2+、和Cl?等組分進一步溶入地下水中。因而，Ⅰ區地下水TDS隨著水位埋深不斷增大而增大。

5.3 水動力條件與人類活動的影響

自1972年以來，Ⅰ區水力梯度顯著變緩導致地下水滯流，以至含水層組中水-巖作用時間不斷增長和補給更新水量不斷減少[19-24]（記作A類因素）；上游的II區、III區城鎮化程度、洗煤及煤化工等產業結構和規模，以及滹沱河沿岸灌溉農田施用化肥農藥種類和數量等不斷變化[25-29]（記作B類因素）。從初期、中期至末期，A類因素對Ⅰ區地下水中化學組分和TDS增大的影響強度不斷增大；隨著研究區水位埋深不斷增大，地下水抵御外部影響的防污性能不斷增強，因而B類因素—地表人類活動（工業、農業、生活等）對地下水中化學組分和TDS增大的影響強度不斷減弱。綜合分析可知，初期B類因素的影響強、A類因素的影響較弱；中期A、B類因素的影響都較強；末期A類因素的影響強、B類因素的影響較弱。

6 結論

自20世紀70年代初滹滏山前平原形成穩定的地下水漏斗以來，隨著地下水水位不斷下降，漏斗核心區地下水TDS呈不斷增大過程，具有如下特征：

（1）隨地下水水位年均降幅的變化，漏斗核心區地下水TDS年均增幅呈現階段性變化特征。初期地下水水位年均降幅最大，TDS年均增幅也最大；中期地下水水位年均降幅最小，TDS年均增幅也最小；末期地下水水位年均降幅居中，TDS年均增幅也居中。

（2）隨水位埋深增大，漏斗核心區地下水水位埋深大小對TDS增大影響呈現遞減效應。漏斗核心區地下水水位年均降幅每增大1.0m，初期、中期和末期TDS年均分別增大21.96，13.54，12.32mg/L。

（3）自初期、中期至末期，漏斗核心區地下水中Na+、含量增量占TDS增幅的比率呈不斷增大的特征，是TDS增大的主要驅動因素。

（4）水動力條件與人類活動對漏斗核心區地下水TDS增大的影響強度具有階段性特征。初期人類活動影響強、水動力條件影響較弱；中期人類活動、水動力條件的影響都較強；末期水動力條件的影響強、人類活動的影響較弱。