翟遠(yuǎn)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(tài)補(bǔ)水下滲對地下水質(zhì)量的影響

翟遠(yuǎn)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(xué)水科學(xué)研究院,北京 100875)

以永定河北京段2019～2020年的生態(tài)補(bǔ)水為例,通過室內(nèi)混合實(shí)驗(yàn)和淋濾實(shí)驗(yàn)研究河水下滲對地下水質(zhì)量的影響.結(jié)果表明,水化學(xué)指標(biāo)的種類與下滲前相比無變化,水-巖相互作用對指標(biāo)濃度的改變作用也比較有限,指標(biāo)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(zhì)量的改變作用從根本上取決于河水與地下水的質(zhì)量差異和河水的補(bǔ)給量,兩者的質(zhì)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(bǔ)水水源的質(zhì)量較好,永定河生態(tài)補(bǔ)水下滲對地下水質(zhì)量的影響總體上可接受,而且對影響地下水質(zhì)量的“瓶頸”指標(biāo)(如硝酸鹽氮)有一定改善作用.

生態(tài)補(bǔ)水；地下水質(zhì)量；水-巖相互作用；淋濾實(shí)驗(yàn)；永定河

受氣候變化和人類活動的影響,世界范圍內(nèi)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(jié)、水質(zhì)惡化和生態(tài)退化等多方面的威脅,這給河流的社會和生態(tài)服務(wù)等功能的正常發(fā)揮帶來巨大挑戰(zhàn)[1].通過跨流域調(diào)水[2]或利用當(dāng)?shù)仄渌?如城市再生水[3])對河流進(jìn)行人工補(bǔ)水(生態(tài)補(bǔ)水)被認(rèn)為是緩解或解決以上問題的最快捷和最有效手段.

水補(bǔ)入河道后會有一部分經(jīng)由河床下滲補(bǔ)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(jié)型河流[5],水下滲期間會與包氣帶介質(zhì)發(fā)生水-巖相互作用[6],水質(zhì)也會因此而發(fā)生變化,從而在水化學(xué)指標(biāo)種類或指標(biāo)濃度方面與河水存在差異.因此,河流生態(tài)補(bǔ)水除了對地下水流場和水量的影響,對地下水質(zhì)量的影響應(yīng)引起重視[7].

關(guān)于此問題,國內(nèi)外已開展過一些調(diào)查和研究.補(bǔ)水水源的質(zhì)量被認(rèn)為是影響地下水質(zhì)量的最關(guān)鍵因素[8].一般情況下污水和再生水產(chǎn)生負(fù)面影響的風(fēng)險(xiǎn)較高[9],跨流域調(diào)水由于在選擇水源時(shí)對水質(zhì)的要求較高,因此影響多是可接受的[10].除了補(bǔ)水水源,包氣帶中發(fā)生的水-巖相互作用也因能夠改變下滲水的化學(xué)組分而被認(rèn)為是另一個(gè)關(guān)鍵影響因素[11].下伏于河床的包氣帶的巖性和可溶化學(xué)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(fā)生化學(xué)作用的活性組分越多,作用越充分,淋濾作用對下滲水質(zhì)量的改變作用越明顯,下滲水的質(zhì)量與補(bǔ)水水源質(zhì)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(tài)補(bǔ)水下滲對地下水質(zhì)量影響的結(jié)論也就越不準(zhǔn)確.總的來說,河流生態(tài)補(bǔ)水對地下水質(zhì)量的影響過程非常復(fù)雜,涉及物理化學(xué)和生物學(xué)多重作用.已有研究[12-14]多集中于野外監(jiān)測,即應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)法通過對比受影響前后地下水質(zhì)量的變化去評價(jià)這種影響.

本研究以永定河北京段2019～2020年的生態(tài)補(bǔ)水為例,通過室內(nèi)靜態(tài)混合實(shí)驗(yàn)和滲流柱淋濾實(shí)驗(yàn)研究河水下滲補(bǔ)給地下水后對地下水質(zhì)量的影響,并基于野外實(shí)測結(jié)果對實(shí)驗(yàn)所得結(jié)論進(jìn)行檢驗(yàn);從物理和化學(xué)的角度對影響機(jī)理進(jìn)行分析.本文旨在為評價(jià)永定河生態(tài)補(bǔ)水對地下水環(huán)境安全的影響提供參考.

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)補(bǔ)水概況

永定河是流經(jīng)北京市的最大河流.平原區(qū)河段(研究區(qū))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(qū)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(jīng)常泛濫成災(zāi)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(fù)流,2019～2020年實(shí)施了“引黃入京”工程對其補(bǔ)水.補(bǔ)水在一定時(shí)期內(nèi)實(shí)現(xiàn)了全河段有水.監(jiān)測和研究結(jié)果顯示,補(bǔ)入河道的水經(jīng)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(bǔ)給作用[15-16],其對地下水質(zhì)量的影響也受到關(guān)注.

受沖積扇沉積規(guī)律的控制,研究區(qū)地層自上游到下游存在顯著的空間差異[17].根據(jù)這種差異將河段分成上、中、下游三段,這3段所流經(jīng)地層的典型介質(zhì)分別為卵礫石、砂、粉細(xì)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(guān)系屬于“脫節(jié)型”.

受自然演化規(guī)律和人類活動的共同影響,研究區(qū)大部分區(qū)域的地下水質(zhì)量能夠達(dá)到《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》[18](GB/T 14848-2017,下同)中III類的要求;局部區(qū)域?yàn)镮V類,V類有零星分布.影響地下水質(zhì)量的“瓶頸”指標(biāo)主要為NO3-N、TDS、總硬度,局部也存在原生Fe、Mn、F超標(biāo)問題.

由河水下滲補(bǔ)給地下水的過程可以推知,影響地下水質(zhì)量的因素有河水質(zhì)量和下滲量、下滲過程中發(fā)生的淋濾作用,因此分別通過混合實(shí)驗(yàn)和淋濾實(shí)驗(yàn)揭示其影響及其機(jī)理.

1.2 混合實(shí)驗(yàn)

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(xué)組分和水質(zhì),因此下滲水對地下水質(zhì)量的改變作用可以由“兩端元”(分別為河水和地下水)混合實(shí)驗(yàn)法揭示.用于實(shí)驗(yàn)的河水為采自永定河河道的生態(tài)補(bǔ)水,地下水為采自離河流較遠(yuǎn)且不受河流補(bǔ)水影響的井水.河水和地下水各設(shè)1個(gè)采樣點(diǎn).

考慮到河水下滲補(bǔ)給量會對混合作用產(chǎn)生影響,在實(shí)驗(yàn)室分別開展5組混合實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)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(huán)境,混合實(shí)驗(yàn)均用棕色玻璃器皿進(jìn)行,并將實(shí)驗(yàn)溫度設(shè)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(zhì)量變化,對水樣連續(xù)跟蹤監(jiān)測10d,每天一次.

1.3 淋濾實(shí)驗(yàn)

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(zhì)中的一些可溶化學(xué)組分?jǐn)y帶至地下水中,從而影響地下水的質(zhì)量,因此通過在滲流柱中開展淋濾實(shí)驗(yàn)揭示該過程.實(shí)驗(yàn)的淋濾用原水采自永定河河道的生態(tài)補(bǔ)水(與混合實(shí)驗(yàn)所用河水同源),淋濾介質(zhì)為采自永定河河床一定深度的松散土.設(shè)置2組淋濾實(shí)驗(yàn)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(zhì)為卵礫石,其化學(xué)組分的溶出作用極其有限,因此不予考慮).實(shí)驗(yàn)室滲流柱高度有限而實(shí)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(nèi)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(shí)驗(yàn)的淋濾用原水相同.

淋濾實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(fā)生的淋濾作用.滲流柱采用有機(jī)玻璃制成,內(nèi)徑15cm,高90cm,使用前用去離子水清洗柱子內(nèi)壁.

圖1 淋濾實(shí)驗(yàn)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(wǎng)、2層纖維布和2cm厚的石英砂,防止淋濾介質(zhì)在實(shí)驗(yàn)中流失.然后在柱內(nèi)填充80cm厚的淋濾介質(zhì),并在介質(zhì)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(zhì)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(gè)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(shí)驗(yàn)均采用穩(wěn)定流淋濾方式進(jìn)行,淋濾時(shí)長均為13d.為充分揭示淋濾作用對下滲水質(zhì)量的改變作用,實(shí)驗(yàn)期間對淋濾液進(jìn)行連續(xù)跟蹤監(jiān)測,監(jiān)測頻率為每天1次.

1.4 水樣檢測

實(shí)驗(yàn)前對采集的河水和地下水樣品化學(xué)組分進(jìn)行檢測,實(shí)驗(yàn)期間也對混合水和淋濾液的化學(xué)組分進(jìn)行檢測.檢測指標(biāo)種類在參考《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》[18]和研究區(qū)地下水質(zhì)量現(xiàn)狀等的基礎(chǔ)上確定,總的選取原則為能夠全面覆蓋常規(guī)指標(biāo)、宏量可溶組分和影響地下水質(zhì)量等級的“瓶頸”指標(biāo),并充分預(yù)見和重視可能存在的有害化學(xué)組分.由此確定的檢測指標(biāo)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(fā)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(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》[18]中推薦方法的要求進(jìn)行.

2 結(jié)果和討論

2.1 河水和地下水質(zhì)量

檢測結(jié)果顯示,Fe、Mn、Cu、Zn、Al、揮發(fā)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(jìn)一步分析;其他指標(biāo)均有檢出.河水的所有檢出指標(biāo)均達(dá)到《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》[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(xué)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(dá)標(biāo),這些影響地下水質(zhì)量等級的“瓶頸”指標(biāo)在河水中的濃度則低得多;地下水的其他指標(biāo)都達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求.因此,河水質(zhì)量優(yōu)于地下水.

表1 河水和地下水質(zhì)量指標(biāo)濃度

注:指標(biāo)單位為mg/L,pH無單位.

2.2 混合作用的影響

混合實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,河水和地下水中未檢出的Fe等指標(biāo)(詳見2.1節(jié)),混合實(shí)驗(yàn)期間也沒有在混合水中檢出,因此也不作進(jìn)一步分析;其他指標(biāo)如圖2所示.5組混合實(shí)驗(yàn)得到的混合水指標(biāo)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(biāo)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(biāo)的濃度隨時(shí)間呈現(xiàn)出輕微的波動變化,沒有持續(xù)上升或下降等趨勢性變化.這表明混合水的化學(xué)性質(zhì)總體上比較穩(wěn)定,進(jìn)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(jī)械作用為主,不涉及明顯的化學(xué)作用.

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

圖2 混合水質(zhì)量的時(shí)間變化

2.3 淋濾作用的影響

淋濾實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,河水和地下水中未檢出的Fe等指標(biāo),在淋濾液中也未檢出,因此也不作進(jìn)一步分析;其他指標(biāo)均有檢出(圖3).兩組淋濾實(shí)驗(yàn)得到的淋濾液中檢出指標(biāo)的濃度大部分在淋濾實(shí)驗(yàn)初期呈現(xiàn)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(biāo)的趨勢性變化不明顯.隨著實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行,這些指標(biāo)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(biāo)濃度的時(shí)間變化規(guī)律和濃度值在兩組實(shí)驗(yàn)間總體上均無明顯區(qū)別(F的濃度值除外),這表明發(fā)生在中游和下游的淋濾作用無明顯區(qū)別.

圖3 淋濾作用影響下下滲水質(zhì)量的時(shí)間變化

以上變化表明,包氣帶介質(zhì)在淋濾初期可以吸附下滲水中的Na+K、HCO3、Cl等組分.隨著時(shí)間延長,介質(zhì)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(jìn)入地下水.與這些組分不同,包氣帶介質(zhì)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(shí)間的延長,包氣帶中的這些組分迅速釋放殆盡,導(dǎo)致新下滲水無法再發(fā)揮浸出作用.受這些過程的影響,TDS和總硬度等綜合指標(biāo)在淋濾過程中也發(fā)生相應(yīng)變化.下游實(shí)驗(yàn)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(guān),且后者也是導(dǎo)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(zhì)量在下滲過程中發(fā)生的變化非常有限,表明發(fā)生在包氣帶中的淋濾作用不顯著,其對下滲水質(zhì)量的改變作用也不明顯,即下滲補(bǔ)給水的質(zhì)量總體上與河水的保持一致.這也進(jìn)一步表明,河流生態(tài)補(bǔ)水對地下水質(zhì)量的影響取決于河水,與發(fā)生在包氣帶中的過程關(guān)系不大.

2.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果的檢驗(yàn)

利用已有的野外調(diào)查和研究結(jié)果[10](圖4)對以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行檢驗(yàn).由圖可見,相較于2019年,受2020年春季永定河生態(tài)補(bǔ)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(qū)的面積達(dá)到450km2以上,HCO3和影響地下水質(zhì)量等級的“瓶頸”指標(biāo)NO3-N的濃度也有所下降[20].2019年的地下水質(zhì)量已受到當(dāng)年生態(tài)補(bǔ)水的影響,因此如果以更早的地下水質(zhì)量[21-27]作為基準(zhǔn)進(jìn)行對比,“瓶頸”指標(biāo)NO3-N、TDS、總硬度等的濃度在生態(tài)補(bǔ)水的影響下均有所下降.

2.5 影響機(jī)理分析

除了河水質(zhì)量和受影響前后地下水的質(zhì)量能夠準(zhǔn)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(zhǔn)確刻畫.

以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,發(fā)生在地下“黑箱”中的過程并沒有明顯改變下滲水的質(zhì)量,原因是期間并未發(fā)生明顯的淋濾作用.出現(xiàn)這種情況的原因?yàn)榘鼩鈳Ы橘|(zhì)中缺乏易溶的化學(xué)組分,或者下滲水不足以使介質(zhì)中的可溶組分溶出.一方面,經(jīng)過長年大氣降水和有水期河水等的下滲淋濾,包氣帶介質(zhì)中的易溶組分尤其是微量和痕量組分已比較匱乏,進(jìn)一步溶出潛力不足.另一方面,河流生態(tài)補(bǔ)水的質(zhì)量總體較好,缺乏諸如溶解性有機(jī)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(wěn)定性,因此不足以與包氣帶介質(zhì)和原有地下水中的組分發(fā)生明顯的生化作用.由此可見,生態(tài)補(bǔ)水對地下水質(zhì)量的影響主要受河水與地下水機(jī)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(bǔ)給量和河水的質(zhì)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(zhì)指標(biāo)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(hù)層”的原因[32].

3 結(jié)論

3.1 永定河生態(tài)補(bǔ)水對地下水質(zhì)量的影響較小.永定河生態(tài)補(bǔ)水在經(jīng)由包氣帶下滲補(bǔ)給地下水的過程中發(fā)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(xué)指標(biāo)種類.淋濾實(shí)驗(yàn)前后各化學(xué)指標(biāo)的濃度值變化較小,因此下滲過程對原有化學(xué)指標(biāo)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(zhì)量的改變作用取決于河水與地下水的質(zhì)量差異和下滲量.生態(tài)補(bǔ)水對地下水質(zhì)量的影響受控于補(bǔ)水下滲后與地下水的機(jī)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(zhì)量總體上介于河水和地下水之間.河水質(zhì)量與受影響前的地下水的差異越大,下滲量越大,補(bǔ)水對地下水質(zhì)量的改變越明顯,反之則越微弱.由于永定河生態(tài)補(bǔ)水水源的質(zhì)量較好,補(bǔ)水對地下水質(zhì)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(bǔ)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(bǔ)水對“瓶頸”指標(biāo)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(yuǎn)征(1983-),男,河南鞏義人,副教授,博士,主要從事環(huán)境水文地質(zhì)學(xué)研究.發(fā)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(xiàng)資助項(xiàng)目(2018ZX07101005-04);國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41831283,42077170)

*責(zé)任作者, 碩士研究生, 527299974@qq.com