永定河生態補水下滲對地下水質量的影響

翟遠征,姜 亞,夏雪蓮,潘成忠,胡立堂,王金生,滕彥國,韓一凡

永定河生態補水下滲對地下水質量的影響

翟遠征,姜 亞,夏雪蓮,潘成忠,胡立堂,王金生,滕彥國,韓一凡*

(北京師范大學水科學研究院,北京 100875)

以永定河北京段2019～2020年的生態補水為例,通過室內混合實驗和淋濾實驗研究河水下滲對地下水質量的影響.結果表明,水化學指標的種類與下滲前相比無變化,水-巖相互作用對指標濃度的改變作用也比較有限,指標的濃度水平總體上介于河水和地下水之間.下滲水對地下水質量的改變作用從根本上取決于河水與地下水的質量差異和河水的補給量,兩者的質量差異越大且河水的下滲量越大,改變作用就越明顯,反之則越微弱.由于補水水源的質量較好,永定河生態補水下滲對地下水質量的影響總體上可接受,而且對影響地下水質量的“瓶頸”指標(如硝酸鹽氮)有一定改善作用.

生態補水；地下水質量；水-巖相互作用；淋濾實驗；永定河

受氣候變化和人類活動的影響,世界范圍內的很多河流正面臨著水量衰減、水位下降、河道萎縮、與地下水脫節、水質惡化和生態退化等多方面的威脅,這給河流的社會和生態服務等功能的正常發揮帶來巨大挑戰[1].通過跨流域調水[2]或利用當地其他水源(如城市再生水[3])對河流進行人工補水(生態補水)被認為是緩解或解決以上問題的最快捷和最有效手段.

水補入河道后會有一部分經由河床下滲補給地下水,下滲量受到河流接納的水量和河床滲透性等因素的影響[4].對于脫節型河流[5],水下滲期間會與包氣帶介質發生水-巖相互作用[6],水質也會因此而發生變化,從而在水化學指標種類或指標濃度方面與河水存在差異.因此,河流生態補水除了對地下水流場和水量的影響,對地下水質量的影響應引起重視[7].

關于此問題,國內外已開展過一些調查和研究.補水水源的質量被認為是影響地下水質量的最關鍵因素[8].一般情況下污水和再生水產生負面影響的風險較高[9],跨流域調水由于在選擇水源時對水質的要求較高,因此影響多是可接受的[10].除了補水水源,包氣帶中發生的水-巖相互作用也因能夠改變下滲水的化學組分而被認為是另一個關鍵影響因素[11].下伏于河床的包氣帶的巖性和可溶化學組分等方面在不同河流或河段之間通常存在差異.一般而言,包氣帶中含有的能夠與下滲水發生化學作用的活性組分越多,作用越充分,淋濾作用對下滲水質量的改變作用越明顯,下滲水的質量與補水水源質量的差別也就越大.差別越大,基于河水和地下水兩端元混合模型得到的生態補水下滲對地下水質量影響的結論也就越不準確.總的來說,河流生態補水對地下水質量的影響過程非常復雜,涉及物理化學和生物學多重作用.已有研究[12-14]多集中于野外監測,即應用經驗法通過對比受影響前后地下水質量的變化去評價這種影響.

本研究以永定河北京段2019～2020年的生態補水為例,通過室內靜態混合實驗和滲流柱淋濾實驗研究河水下滲補給地下水后對地下水質量的影響,并基于野外實測結果對實驗所得結論進行檢驗;從物理和化學的角度對影響機理進行分析.本文旨在為評價永定河生態補水對地下水環境安全的影響提供參考.

1 材料與方法

1.1 研究區補水概況

永定河是流經北京市的最大河流.平原區河段(研究區)位于北京西南部的永定河沖積扇上,上起河流出山口的三家店,下至北京市大興區與河北省固安縣交界處.受氣候變化和人類活動影響,永定河已從歷史上的經常泛濫成災退化為斷流河,除了建有人工湖和局部坑洼的河段,河床常年干涸.

為使永定河復流,2019～2020年實施了“引黃入京”工程對其補水.補水在一定時期內實現了全河段有水.監測和研究結果顯示,補入河道的水經由河床滲漏損失的比例較大,且損失的水對沿岸地下水有顯著的補給作用[15-16],其對地下水質量的影響也受到關注.

受沖積扇沉積規律的控制,研究區地層自上游到下游存在顯著的空間差異[17].根據這種差異將河段分成上、中、下游三段,這3段所流經地層的典型介質分別為卵礫石、砂、粉細砂.由于長期以來地下水“入不敷出”,沿岸地下水位埋藏較深,自上游到下游從40～50m減少至10m左右,因此河水和地下水之間的關系屬于“脫節型”.

受自然演化規律和人類活動的共同影響,研究區大部分區域的地下水質量能夠達到《地下水質量標準》[18](GB/T 14848-2017,下同)中III類的要求;局部區域為IV類,V類有零星分布.影響地下水質量的“瓶頸”指標主要為NO3-N、TDS、總硬度,局部也存在原生Fe、Mn、F超標問題.

由河水下滲補給地下水的過程可以推知,影響地下水質量的因素有河水質量和下滲量、下滲過程中發生的淋濾作用,因此分別通過混合實驗和淋濾實驗揭示其影響及其機理.

1.2 混合實驗

如不考慮水-巖相互作用的影響,則下滲過程不會改變下滲水的化學組分和水質,因此下滲水對地下水質量的改變作用可以由“兩端元”(分別為河水和地下水)混合實驗法揭示.用于實驗的河水為采自永定河河道的生態補水,地下水為采自離河流較遠且不受河流補水影響的井水.河水和地下水各設1個采樣點.

考慮到河水下滲補給量會對混合作用產生影響,在實驗室分別開展5組混合實驗,實驗中河水與地下水的混合比例分別為1:5、2:5、3:5、4:5、5:5.為盡可能地模擬地下環境,混合實驗均用棕色玻璃器皿進行,并將實驗溫度設置為12℃.將配制好的水樣輪流放置在恒溫水浴振蕩器上搖勻.為充分揭示混合水的質量變化,對水樣連續跟蹤監測10d,每天一次.

1.3 淋濾實驗

考慮到河水下滲會穿過河床和地下水面之間的包氣帶,期間可能會通過水-巖相互作用將包氣帶介質中的一些可溶化學組分攜帶至地下水中,從而影響地下水的質量,因此通過在滲流柱中開展淋濾實驗揭示該過程.實驗的淋濾用原水采自永定河河道的生態補水(與混合實驗所用河水同源),淋濾介質為采自永定河河床一定深度的松散土.設置2組淋濾實驗反映沿岸地層的空間差異,中游和下游各一組(上游地層介質為卵礫石,其化學組分的溶出作用極其有限,因此不予考慮).實驗室滲流柱高度有限而實際包氣帶厚度較大.為了盡可能充分地模擬包氣帶的過程,在中游和下游河道的0～2m深度內自上而下各采集五組土樣,上下相鄰樣品的間隔距離為0.5m.將5組土樣充分混合后裝入滲流柱.兩組實驗的淋濾用原水相同.

淋濾實驗裝置如圖1所示(圖1).滲流柱的一端安裝支架后被豎直放置于實驗室地面,模擬河水滲漏后在包氣帶中的垂向一維滲流過程以及其中發生的淋濾作用.滲流柱采用有機玻璃制成,內徑15cm,高90cm,使用前用去離子水清洗柱子內壁.

圖1 淋濾實驗裝置示意

柱子底部用帶孔的橡皮塞塞緊,在塞子上部自下而上依次置入2層孔徑為1mm的尼龍網、2層纖維布和2cm厚的石英砂,防止淋濾介質在實驗中流失.然后在柱內填充80cm厚的淋濾介質,并在介質上部鋪上4片濾紙、2層紗布和一層2cm厚的石英砂,以保證淋濾水能夠均勻地滲入淋濾介質中.淋濾用原水由連接在柱子頂部的馬氏瓶裝置提供.在支架下層放置一個與柱子外徑相同的漏斗,漏斗下用500mL燒杯承接淋濾液.2組淋濾實驗均采用穩定流淋濾方式進行,淋濾時長均為13d.為充分揭示淋濾作用對下滲水質量的改變作用,實驗期間對淋濾液進行連續跟蹤監測,監測頻率為每天1次.

1.4 水樣檢測

實驗前對采集的河水和地下水樣品化學組分進行檢測,實驗期間也對混合水和淋濾液的化學組分進行檢測.檢測指標種類在參考《地下水質量標準》[18]和研究區地下水質量現狀等的基礎上確定,總的選取原則為能夠全面覆蓋常規指標、宏量可溶組分和影響地下水質量等級的“瓶頸”指標,并充分預見和重視可能存在的有害化學組分.由此確定的檢測指標為K、Na、Ca、Mg、HCO3、Cl、SO4、NO3-N、NH4-N、F、TDS、總硬度、CODMn、pH、Fe、Mn、Cu、Zn、Al、揮發性酚類、陰離子表面活性劑、氰化物、Hg、As、Se、Cd、Cr、Pb、三氯甲烷、四氯化碳、苯、甲苯等.樣品制備和檢測工作按照《地下水質量標準》[18]中推薦方法的要求進行.

2 結果和討論

2.1 河水和地下水質量

檢測結果顯示,Fe、Mn、Cu、Zn、Al、揮發性酚類、陰離子表面活性劑、氰化物、Hg、As、Se、Cd、Cr、Pb、三氯甲烷、四氯化碳、苯、甲苯在河水和地下水中均未檢出,因此不作進一步分析;其他指標均有檢出.河水的所有檢出指標均達到《地下水質量標準》[18]中III類的要求;CODMn(2.80mg/L)的濃度略高于地下水(1.78mg/L),其余化學組分的濃度均低于地下水(表1).地下水的NO3-N、NH4-N、F、TDS、總硬度均不達標,這些影響地下水質量等級的“瓶頸”指標在河水中的濃度則低得多;地下水的其他指標都達到標準要求.因此,河水質量優于地下水.

表1 河水和地下水質量指標濃度

注:指標單位為mg/L,pH無單位.

2.2 混合作用的影響

混合實驗結果顯示,河水和地下水中未檢出的Fe等指標(詳見2.1節),混合實驗期間也沒有在混合水中檢出,因此也不作進一步分析;其他指標如圖2所示.5組混合實驗得到的混合水指標濃度均介于河水和地下水之間,且混合水中河水的比例越大,這些指標的濃度越接近于河水的;反之則越接近于地下水的.

混合水中檢出指標的濃度隨時間呈現出輕微的波動變化,沒有持續上升或下降等趨勢性變化.這表明混合水的化學性質總體上比較穩定,進而表明,如果沒有在包氣帶中的水-巖相互作用,河水和地下水的混合以機械作用為主,不涉及明顯的化學作用.

綜上,如果下滲水在包氣帶中不發生水-巖相互作用,河水下滲補給對地下水質量的影響取決于下滲量以及河水與地下水之間的質量對比情況,即如果河水質量優于地下水,則補水會促進地下水質量改善,補給量越大改善越明顯;反之會使地下水質量惡化,補給量越大惡化作用也越大.

圖2 混合水質量的時間變化

2.3 淋濾作用的影響

淋濾實驗結果顯示,河水和地下水中未檢出的Fe等指標,在淋濾液中也未檢出,因此也不作進一步分析;其他指標均有檢出(圖3).兩組淋濾實驗得到的淋濾液中檢出指標的濃度大部分在淋濾實驗初期呈現出較明顯的趨勢性變化,其中Na+K、HCO3、Cl、TDS等呈下降趨勢,Ca、Mg、NO3-N、總硬度等呈上升趨勢,其他指標的趨勢性變化不明顯.隨著實驗的進行,這些指標的濃度值又向河水的靠攏,并在后期總體上“回歸”到河水的水平.檢出指標濃度的時間變化規律和濃度值在兩組實驗間總體上均無明顯區別(F的濃度值除外),這表明發生在中游和下游的淋濾作用無明顯區別.

圖3 淋濾作用影響下下滲水質量的時間變化

以上變化表明,包氣帶介質在淋濾初期可以吸附下滲水中的Na+K、HCO3、Cl等組分.隨著時間延長,介質對新下滲水中這些組分的吸附作用迅速減弱,從而使這些組分可以隨下滲水穿透包氣帶從而進入地下水.與這些組分不同,包氣帶介質中原有的Ca、Mg、NO3-N等組分在淋濾初期會通過解吸作用釋放到下滲水中.隨著淋濾時間的延長,包氣帶中的這些組分迅速釋放殆盡,導致新下滲水無法再發揮浸出作用.受這些過程的影響,TDS和總硬度等綜合指標在淋濾過程中也發生相應變化.下游實驗淋濾液中F的濃度高于中游與下游地層中F的含量較高有關,且后者也是導致下游局部地下水中F濃度偏高的原因[19].

綜上,下滲水的質量在下滲過程中發生的變化非常有限,表明發生在包氣帶中的淋濾作用不顯著,其對下滲水質量的改變作用也不明顯,即下滲補給水的質量總體上與河水的保持一致.這也進一步表明,河流生態補水對地下水質量的影響取決于河水,與發生在包氣帶中的過程關系不大.

2.4 實驗結果的檢驗

利用已有的野外調查和研究結果[10](圖4)對以上實驗結果進行檢驗.由圖可見,相較于2019年,受2020年春季永定河生態補水工程的影響,永定河沖積扇第四系地下水位有明顯上升的地區的面積達到450km2以上,HCO3和影響地下水質量等級的“瓶頸”指標NO3-N的濃度也有所下降[20].2019年的地下水質量已受到當年生態補水的影響,因此如果以更早的地下水質量[21-27]作為基準進行對比,“瓶頸”指標NO3-N、TDS、總硬度等的濃度在生態補水的影響下均有所下降.

2.5 影響機理分析

除了河水質量和受影響前后地下水的質量能夠準確定量,其他要素和過程均處于地下“黑箱”中,既難以感知也難以準確刻畫.

以上實驗結果表明,發生在地下“黑箱”中的過程并沒有明顯改變下滲水的質量,原因是期間并未發生明顯的淋濾作用.出現這種情況的原因為包氣帶介質中缺乏易溶的化學組分,或者下滲水不足以使介質中的可溶組分溶出.一方面,經過長年大氣降水和有水期河水等的下滲淋濾,包氣帶介質中的易溶組分尤其是微量和痕量組分已比較匱乏,進一步溶出潛力不足.另一方面,河流生態補水的質量總體較好,缺乏諸如溶解性有機物和氨氮等生化活性較活躍的組分[28-29],含有的宏量組分等具有較高的生化穩定性,因此不足以與包氣帶介質和原有地下水中的組分發生明顯的生化作用.由此可見,生態補水對地下水質量的影響主要受河水與地下水機械混合作用的控制,主要為物理過程,因此取決于河水的下滲補給量和河水的質量.

另外,作為天然過濾層,包氣帶對下滲水中的懸浮物和易吸附組分等有過濾和凈化作用[30],因此對下滲水的一些水質指標具有一定程度的改善作用[31].這也是包氣帶被視為地下水“保護層”的原因[32].

3 結論

3.1 永定河生態補水對地下水質量的影響較小.永定河生態補水在經由包氣帶下滲補給地下水的過程中發生的水-巖相互作用(淋濾作用)較微弱,下滲過程并沒有改變下滲水的化學指標種類.淋濾實驗前后各化學指標的濃度值變化較小,因此下滲過程對原有化學指標濃度的改變作用總體上也比較有限.

3.2 下滲水對地下水質量的改變作用取決于河水與地下水的質量差異和下滲量.生態補水對地下水質量的影響受控于補水下滲后與地下水的機械混合作用,即以物理過程為主,因此受影響后的地下水的質量總體上介于河水和地下水之間.河水質量與受影響前的地下水的差異越大,下滲量越大,補水對地下水質量的改變越明顯,反之則越微弱.由于永定河生態補水水源的質量較好,補水對地下水質量的影響總體上是正面的和可接受的.中下游地下水中NO3-N的濃度分別由補水前的14.21mg/L和10.88mg/L降低到之后的3.67mg/L和8.9mg/L,可見補水對“瓶頸”指標具有一定的稀釋和改善作用.

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Impact of infiltration of ecology water replenishment of the Yongding River on groundwater quality and the mechanism.

ZHAI Yuan-zheng, JIANG Ya, XIA Xue-lian, PAN Cheng-zhong, HU Li-tang, WANG Jin-sheng, TENG Yan-guo, HAN Yi-fan*

(College of Water Sciences, Beijing Normal University, Beijing 100875, China)., 2022,42(4)：1861～1868

The problems of river flow reduction, water ecological degradation and so on affected by the climate changes and human activities have attracted extensive attention. It’s considered to be the quickest and the most effective means to alleviate or solve these problems by means of artificial recharge such as water diversion. After the water is recharged into the river, some of it will infiltrate through the riverbed to recharge the underlying groundwater. Affected by the quality of the water source and the water-rock interaction in the infiltration, the leakage recharge of the water into the groundwater may change the groundwater quality, which has become a problem worthy of attention. Taking the ecology water replenishment of the Beijing section of the Yongding River in 2019～2020 as an example, this study studied the impacts of the river water infiltration on the groundwater quality through the indoor mixing test and the leaching test. The results show that, the species of the hydrochemical indicators of the water do not change compared with those before the infiltration, the impact of the water-rock interaction on the concentrations of these indicators is also relatively limited, and the content levels of the indicators are generally between those of the river water and the groundwater. The impact of the infiltration on the groundwater quality is fundamentally determined by the quality difference between the river water and the groundwater and the infiltration volume of the river water. That is, the greater the quality difference and the greater the infiltration volume, the more obvious the impact will be; otherwise, the weaker the impact will be. Due to the good quality of the recharge water source of the Yongding River, the impact of the ecology water replenishment of the river on the groundwater quality is generally acceptable, and it can improve the “bottleneck” indicators (such as nitrated nitrogen) affecting the groundwater quality to a certain extent.

ecology water replenishment；groundwater quality；water-rock interaction；leaching test；Yongding River

X522

A

1000-6923(2022)04-1861-08

翟遠征(1983-),男,河南鞏義人,副教授,博士,主要從事環境水文地質學研究.發表論文100余篇.

2021-09-24

國家水體污染控制與治理科技重大專項資助項目(2018ZX07101005-04);國家自然科學基金資助項目(41831283,42077170)

*責任作者, 碩士研究生, 527299974@qq.com