衡水湖湖水與地下水交互關系研究

王麗娟 王哲 李曉媛 吳利杰 李政紅

摘要 通過野外采樣和室內分析，采用穩定氫氧同位素、水化學、地下水溫度場及電導率結合的方法，研究衡水湖地表水與地下水的交互關系。結果表明，沿垂直湖岸方向，由湖岸向四周，地下水水溫逐漸降低，電導率逐漸升高;湖水水化學類型為SO4·Cl-Na型，總溶解固體（TDS）含量為0.70～0.76 g/L;地下水水化學類型以SO4·Cl-Na·Mg、Cl·SO4-Na·Mg和Cl·SO4-Na等為主，近湖點水化學類型與湖水相近。TDS含量普遍大于1 g/L，且近湖點含量較遠湖點低;其他地表水體水化學類型為Cl·SO4-Na型，TDS含量普遍大于1 g/L;地下水中穩定同位素（δD、δ18O）空間差異明顯，近湖點同位素富集，與湖水含量相近，遠湖點貧化。該研究結果表明衡水湖湖水與地下水交互關系為湖水滲漏補給地下水，為進一步探究湖水循環機制奠定理論基礎。

關鍵詞 交互關系;湖水;地下水;水化學;穩定同位素;溫度場;電導率;衡水湖

中圖分類號 P641? 文獻標識碼 A? 文章編號 0517-6611（2021）13-0060-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2021.13.016

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Research on Interactive Relationship between Lake Water and Groundwater in Hengshui Lake

WANG Li juan1，2，WANG Zhe1，2，LI Xiao yuan1 et al

（1.China University of Geosciences （Wuhan），Wuhan，Hubei 430074;2. Institute of Hydrogeology and Environmental Geology，CAGS，Shijiazhuang，Hebei 050061）

Abstract Through field sampling and indoor analysis， a combination of stable hydrogen and oxygen isotopes， water chemistry， groundwater temperature field and electrical conductivity were used to study the interactive relationship between surface water and groundwater in Hengshui Lake.The results showed that along the direction of the vertical lakeshore， from the lakeshore to the surrounding areas， the groundwater temperature gradually decreased and the electrical conductivity gradually increased.The main hydrochemical type of the lake water was SO4·Cl Na，and the TDS content was 0.70-0.76 g/L;the main hydrochemical type of the groundwater were SO4·Cl Na·Mg，Cl·SO4 Na·Mg and Cl·SO4 Na which were similar to the hydrochemical type of lake water.TDS content was greater than 1 g/L，and the content of TDS in the near lake was lower than that of in the far lake;the chemical type of other surface water bodies was Cl·SO4 Na， and the TDS content was generally greater than 1 g/L.The spatial difference of stable isotopes （δD，δ18O）in the groundwater was obvious.The near lake point was enriched， and the content was similar to the lake water， and the far lake point was depleted.The results of this study indicate that the interactive relationship between lake water and groundwater in Hengshui Lake was the replenishment of groundwater by lake water leakage， which provide the theoretical basis to further explore the circulation mechanism of lake water.

Key words Interactive relationship;Lake water;Groundwater;Hydrogeo chemistry;Stable isotopes;Temperature fied;Electric conductivity;Hengshui Lake

衡水湖濕地是華北平原面積僅次于白洋淀的第二大淡水濕地。衡水湖濕地生態系統所具有的典型性、代表性以及所支持的生物多樣性具有全球意義。然而，近年來面對流域內水資源日益匱乏的形勢，衡水湖濕地不可規避地面臨水源短缺[1]，濕地面積減少以及水質污染等嚴峻生態環境問題[2]。盡管如此，衡水湖濕地的生態補水多年以來一直隨意性較大，有水多補，無水就少補甚至不補，既浪費水資源又無法起到有效的生態保護作用。產生上述這些問題，歸根結底是沒有弄清湖水循環機制以及湖水與地下水間的轉化關系，無法切實做到科學有效的管理與保護。

近年來，國內外眾多學者開始認識到濕地保護的重要性，針對衡水湖濕地從不同角度展開了一系列研究，如王乃珊等[3-7]探究了衡水湖生態環境現狀并提出了相應的發展規劃;郭玲等[1，8-9]分析了入湖水量及區域降雨量變化對衡水湖濕地生態環境的影響;張學知[10]對衡水湖水面蒸發量進行同步計算，得出衡水湖多年平均水面蒸發量為2 939萬m3。雖上述研究取得一定成果，但針對衡水湖濕地湖水循環機制以及湖水與地下水間的轉化關系等方面的研究鮮見報道。因此，筆者利用傳統的水化學法結合同位素技術以及地下水電導率和溫度場，分析湖水-地下水的交互關系，為進一步探究湖水循環機制奠定基礎，以期尋求維護區域生態系統平衡的良好模式。

1 資料與方法

1.1 研究區概況

衡水湖位于華北平原中南部，處于衡水、冀州、棗強之間的三角地帶，地貌屬沖洪積、沖積平原，地勢平坦，以0.3%的坡度微傾向東北。湖區內海拔高程為17～19 m，局部低洼處為15.5～16.5 m。

自然保護區地處暖濕帶，氣候屬暖溫帶大陸性、半濕潤半干旱季風氣候區;多年平均降水量505.1 mm，年蒸發量1 209.5 mm;年平均氣溫12.6 ℃;最高月平均氣溫26.6 ℃（7月），最低月平均氣溫-4.0 ℃（1月）[11]。

湖區周邊第四系厚度450～470 m，地下水類型為第四系松散巖類孔隙潛水和松散巖類孔隙承壓水。

湖區潛水與湖水間聯系密切。潛水含水組相當于全新統（Q4），土層主要巖性黃褐色、棕黃色亞砂土，砂層巖性主要為秀黃色、黃灰色粉細砂、粉砂，單層厚度1～4 m，總厚度7～8 m，單井單位用水量<5 m3/（m·h），水化學類型Cl·SO4-Na·Mg型，水質礦化度3～5 g/L，水位埋深4～6 m。

1.2 樣品采集與測試

在2017年5—6月，開展衡水湖周邊野外調查和采樣工作，共采集地表水樣13組：其中湖水樣品9組、河渠樣品4組;采集湖區周邊淺層（潛水）地下水樣品18組（圖1）。利用多功能水質檢測儀YSI（professional plus 6050000，USA）現場測定水體的pH、電導率、溫度和總溶解固體（TDS）濃度。樣品均在現場過0.45 mm的濾膜，然后置于清洗干凈的500 mL聚乙烯采樣瓶中，并盡量保證水樣裝滿采樣瓶，防止瓶內產生氣泡。

常量元素和穩定同位素組分測試分別按照《水質采樣技術規程》（SL 187—96）、《水質分析方法標準》（GB 7466～7494087）進行。委托自然資源部地下水礦泉水及環境監測中心測試（表1）。

2 結果與分析

2.1 電導率及地下水水溫測試

衡水湖周邊采集18組潛水樣品（圖1），沿垂直湖岸方向選取的3條水文地球化學剖面（地下水流向：剖面1為自樣點HSH-10流至樣點HS09;剖面2為自樣點HSH07流至樣點HSH13;剖面3為自樣點HSH05流至樣點HSH15），分析地下水溫度、電導率變化規律。結果發現（圖2），由湖岸向四周，地下水水溫逐漸降低，電

導率逐漸升高。根據湖水溫度與地下水溫度差異以及湖水電導率與地下水電導率差異，可以判定湖水向地下水的補給關系。從HSH13所在剖面可以看出，離湖岸最遠6 km處仍能反映出電導率變化，說明湖水對地下水的影響范圍不僅局限于湖水分布范圍。

2.2 水化學分析

從圖3和表2可以看出，湖水：因主要補給水源黃河水為礦化度<1 g/L的淡水，湖水溶解性總固體（TDS）為0.70～0.76 g/L，并且湖水呈弱堿性，pH 7.50～7.60;水化學類型為SO4·Cl-Na型水。

地下水：淺層地下水水化學類型以SO4·Cl-Na·Mg、Cl·SO4-Na·Mg、Cl·SO4-Na、SO4·Cl-Na和Cl·HCO3·SO4-Na·Mg型水等為主，較湖水復雜;TDS含量普遍大于1 g/L，最大值達7.3 g/L;呈弱堿性，pH 7.30～7.70。

其他地表水體：主要是滏陽新河和滏東排河地表水樣品，TDS含量普遍大于1 g/L，介于1.5～2.0 g/L;呈弱堿性，pH 7.30～7.50;水化學類型為Cl·SO4-Na型水。

在近湖區的取樣點HSH-01、HSH-02、HSH05、HSH12、HSH15、HS14、HS16、HS09等，水化學類型為SO4·Cl-Na和Cl·HCO3·SO4-Na·Mg型水，與湖水水化學類型（SO4·Cl-Na）相近;近湖區的取樣點HSH-01、HSH-02、HSH07、HSH13、HSH24、HS12和HSH-03等TDS介于0.9～2.1 g/L，受湖水補給淡化作用影響，較其他遠湖點低。

上述結論，可進一步佐證了湖水補給湖區周圍淺層地下水。

2.3 同位素分析

由表1可見，湖水的穩定氫氧同位素最富集，δD和δ18O平均值最大，其他地表水的δD和δ18O值次之，地下水的δD和δ18O值最小。地下水的δD和δ18O值出現兩極分化現象明顯，近湖點HS16、HSH01、HSH02、HSH03、HSH07、HSH10等值較遠湖點高，接近于湖水δD和δ18O值，氫氧同位素較富集。

由圖4可見，地下水樣品的δ18O和δD在圖上落點可劃分為3組，I組是具有較高的δ18O和δD值，該組地下水與湖水及其他地表水樣品的δ18O和δD在圖中落點接近，表明其與湖水及其他地表水存在著密切的水力聯系;Ⅱ組δ18O值較低，δD值也較低，受湖水及其他地表水補給的影響小。

3 結論

（1）地下水溫度、電導率自湖岸向四周，地下水水溫逐漸降低，電導率逐漸升高。

（2）湖水水化學類型為SO4·Cl-Na型，湖水溶解性總固體（TDS）為0.70～0.76 g/L;地下水遠湖區以SO4·Cl-Na·Mg、Cl·SO4-Na·Mg和Cl·SO4-Na等為主，TDS含量普遍大于1 g/L，最大值達7.3 g/L;在近湖區水化學類型為SO4·Cl-Na和Cl·HCO3·SO4-Na·Mg型水，TDS為0.9～2.1 g/L。

（3）湖水的穩定氫氧同位素最富集，其他地表水次之，地下水最小。地下水的δD和δ18O值出現兩極分化現象明顯，近湖點值較遠湖點高，接近于湖水δD和δ18O值。

（4）在分析衡水湖湖區地表水和地下水穩定氫氧同位素和水化學組成以及地下水溫度和電導率的基礎上，多角度探尋了地下水與湖水的交互關系為湖水滲漏補給地下水。

參考文獻

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