冲洪积扇平原区地下水资源丰富、人类活动较为集中, 工农业和生活用水主要依赖于冲洪积扇平原区地下水^[1]。随着经济、社会和工农业的发展, 过量开采地下水、过量施肥等导致世界范围内很多冲洪积扇地区地下水储量下降、硝酸盐污染等问题突出^[2-5]。山区侧向补给是冲洪积扇含水层地下水重要的补给来源^[6-7], 对平原区地下水的水量和水质具有重要影响。因此, 研究山区侧向补给对平原区地下水补给的作用及其对地下水硝酸盐的影响, 可为冲洪积扇地下水资源和水环境保护提供重要依据。

华北平原是我国重要粮食基地和经济发展区, 地下水是其主要的供水水源^[8]。滹沱河冲洪积扇位于华北平原西部, 是华北平原浅层地下水超采最为严重的地区, 农业用水增加造成地下水水位持续下降、地下水漏斗区面积扩大; 农业过度施肥、生活和工业污废水渗漏导致大量氮素淋滤至含水层, 造成地下水硝酸盐浓度持续升高^[9-10]。太行山山区是华北平原地下水重要的水源补给区, 过去已有很多研究关注山区侧向补给量的变化, 其结果表明山区水利工程等拦蓄地表径流以及农业用水等措施导致山区地下水侧向补给量逐年降低^[11-12]。但近年来气候变化导致极端降水事件的频率增加, 生态补水等措施的实施使得地下水储量和局部地下水位逐渐回升^[13-15]。平原区地下水水位变化会改变区域水循环过程, 也会改变山区侧向流对平原区地下水量和水质变化的影响。

近年来, 低山丘陵区人类活动频繁, 地下水硝酸盐污染问题凸显^[16-17]。研究表明, 位于太行山山区至低山丘陵区的沙河、北易水河和潴泷河流域地下水硝酸盐浓度超标率[世界卫生组织(WHO)标准: 50 mg∙L⁻¹]分别为7%、23%和52%^[16,18-19], 山区、低山丘陵区和平原区地下水硝酸盐浓度均呈增加的趋势^[17]。前人研究分别针对山区和平原区揭示了区域地下水硝酸盐来源以及迁移转化规律、不同施氮水平下氮素从包气带到地下水的迁移过程等^[17,20-21]。但是, 随着山区侧向补给对平原区地下水影响程度的不断变化, 山区侧向流对平原区地下水补给和硝酸盐动态的影响仍不明确。

因此, 本研究选择滹沱河冲洪积扇为研究区, 以上游山区平原交界面和平原区的浅层地下水为研究对象, 基于水文观测、水文地球化学和氢氧稳定同位素示踪等方法, 研究山区侧向流与平原区地下水的补给关系, 并揭示侧向补给对平原区地下水硝酸盐分布的影响程度和范围, 估算山区侧向流补给平原区地下水的水氮通量, 为区域地下水环境保护和硝酸盐污染防控提供科学依据。

1.   材料与方法

1.1   研究区概况

研究区包括华北山前平原的滹沱河冲洪积扇及其上游山区(113.98°~115.45°E, 37.55°~38.70°N), 横跨太行山区和华北平原区两大地貌, 地势西高东低, 是华北平原典型的山前冲洪积地貌, 平原区主要由冲洪积扇构成(图1)。研究区气候类型为半湿润、半干旱大陆性季风气候, 年平均气温约13.2 ℃, 多年平均降水量为496 mm [中国科学院栾城农业生态系统试验站(图1中的“栾城站”)1971—2013年监测数据], 降水量年内和年际变化大^[22-23]。多年降水量正态分布分析表明2021年和2022年为丰水年, 2021年7—10月共连续降水514 mm, 存在多场连续集中降水, 如7月17—20日共持续降水4 d, 降水量高达155 mm。2022年6—10月同样存在多场连续降水, 降水总量为537 mm, 如7月27—28日连续两天共降水45 mm。2021年和2022年均存在多场连续降水事件, 且每场降水持续时间长, 强度变化较小, 根据降水强度特征定义为连续降水(图2)。

图  1  研究区地形地貌及采样点分布

Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ分别表示滹沱河冲洪积扇北部扇顶、扇中、滹沱河附近扇缘区以及滹沱河冲洪积扇南部区域。Ⅰ, Ⅱ, Ⅲ and Ⅳ represent the northern top, middle parts of the Hutuo River alluvial-pluvial fan, the fan margin area near the Hutuo River, and the southern part of the Hutuo River alluvial-pluvial fan, respectively.

Figure  1.  Geographic location and topography and distribution of sampling sites of the study area

下载: 全尺寸图片 幻灯片

图  2  2016—2022年栾城站日降水量

Figure  2.  Daily precipitation in the Luancheng Station from 2016 to 2022

下载: 全尺寸图片 幻灯片

滹沱河是贯穿研究区的主要地表径流, 由黄壁庄水库控制下游地表径流量, 河流由西向东汇流进入子牙河, 将整个研究区划分为南北两部分区域, 滹沱河河道地带为地下水蓄水补给源区^[24]。区域地下水赋存于第四系松散岩层孔隙中, 地下水自西北流向东南。第四系沉积物厚度由西部山区向东部平原区逐渐变厚, 含水层厚度减小, 岩性由粒径较粗的砂砾卵石逐渐过渡为粒径较细的细砂和粉细砂, 在滹沱河河道附近以砂层为主, 渗透性良好。依据水文地质特征、地层特征将含水层等分为4个含水层组, 第Ⅰ和第Ⅱ含水层组为潜水, 第Ⅲ和第Ⅳ含水层组为承压水^[25-27]。本研究重点关注浅层地下水硝酸盐动态, 以第Ⅰ和第Ⅱ含水层组(井深80~120 m)的浅层地下水为研究对象。此外, 研究区土地利用类型以农田[小麦(Triticum aestivum)、玉米(Zea mays)]为主, 施肥量范围为350~600 kg(N)∙hm^−2[28]。

根据水文地质条件和采样点分布位置, 将研究区采样点划分到4个分区(Ⅰ-Ⅳ区, 图1), Ⅰ区采样点位于滹沱河北部冲洪积扇扇顶, 包气带较薄, 含水层岩性以渗透性强的砂砾卵石为主; Ⅱ区采样点位于滹沱河北部冲洪积扇扇中, 包气带逐渐变厚, 含水层岩性以粗砂、中粗砂为主, 渗透性好; Ⅲ区位于滹沱河河道附近以及冲洪积扇东部边缘地带, 包气带变厚, 河道带附近含水层以渗透性良好的砂土为主, 冲洪积扇边缘地带含水层以中细砂和粉细砂为主, 渗透性变差; Ⅳ区位于滹沱河南部冲洪积扇的扇顶和扇中, 包气带较厚, 含水层岩性由砂、粉砂夹杂黏土和砾石组成, 渗透性差^[29]。在研究区选择5个国家监测井(1#-5#, 图1), 由中国地质调查局提供, 用以实时监测平原区地下水水位动态变化, 监测时间为2018年1月至2021年12月。

1.2   样品采集和室内分析

在山区平原交界处由北向南布设5个断面(断面1-断面5), 5个断面位于山区, 用于估算山区向平原区的侧向补给通量和硝酸盐输移通量。其中断面1-断面3位于滹沱河北部, 断面4-断面5位于滹沱河南部。结合地下水等水位线确定地下水侧向入流边界断面, 5个断面控制长度总计80.5 km, 每个断面沿地下水流方向在上游和下游分别布设2个监测孔, 上游监测孔编号为奇数, 下游监测孔编号为偶数, 总计10个监测孔(图1, JC1-JC10), 安装地下水水位自动监测仪(Solinst Levelogger 5 Model 3001)监测地下水水位, 监测层位为潜水含水层(井深7~40 m), 监测时间为2022年2月至2023年3月, 监测频率为1 h。采集地下水样品, 采样时间为2022年2月至2023年3月, 采样频率为每月1次。

在平原区根据土地利用和地貌类型采集地下水样品, 共采集83个点, 采样时间为2022年6月(图1)。现场利用便携式手持测定仪(Horiba D-75)测定地下水电导率(EC)、酸碱度(pH)、溶解氧(DO)、氧化还原电位(ORP)和温度等参数。采集的水样用于分析主要水化学离子(Cl⁻、SO₄²⁻、NO₃⁻、HCO₃⁻、Na⁺、K⁺、Mg²⁺和Ca²⁺)和氢氧同位素(δ²H和δ¹⁸O)。

所有水样在测定前需用0.2 μm滤膜进行过滤, 主要水化学离子采用离子色谱(ICS-2100, Dionex, 美国)测定, HCO₃⁻和CO₃²⁻采用双指示剂滴定法滴定。对于所分析的水样通过阴阳离子平衡验证, 保证可信的误差范围在±5%以内。

氢氧稳定同位素(δ²H、δ¹⁸O)用液态水稳定性同位素分析仪(L2120-i Isotopic H₂O; Picarro-i2120 美国)测定。稳定同位素浓度δ值[$ {\delta }_{\mathrm{s}\mathrm{a}\mathrm{m}\mathrm{p}\mathrm{l}\mathrm{e}}\left(\text{‰}\right) $]计算方法如下:

式中: R_sample和R_standard分别表示样品和标准样品的同位素比值(²H/¹H, ¹⁸O/¹⁶O), δ²H和δ¹⁸O的分析精度分别为±0.5‰和±0.2‰。

1.3   地下水侧向补给量计算方法

由于该区域地下水水位日变化幅度小, 取监测孔某一固定时间点的地下水水位代表当日水位计算日侧向补给量, 累计计算月侧向补给量。利用达西定律结合前期水文地质调研及文献资料^[29]确定含水层渗透系数、厚度等相关水文地质参数。野外调研表明, 监测孔打至基岩裂隙且上下游监测孔含水层进水厚度相近。因此, 假定目前上下游监测孔代表了统一含水层厚度, 可以利用达西定律计算山区含水层侧向补给通量。研究区各控制断面地下水侧向补给通量计算公式如下:

式中: $ {Q}_{\mathrm{侧}} $表示某一时期内山区地下水侧向补给量总和, m³; i表示月份(i=1, 2, ···, 12); j表示断面(j=1, 2, ···, 5); K表示断面含水层渗透系数, m·d⁻¹; h₁表示上游监测孔地下水水位, m; h₂表示下游监测孔地下水水位, m; D表示上下游监测井间距, m; M表示含水层厚度, m; L表示监测井断面控制长度, m。

各分区含水层以砂砾卵石、粗砂及中细砂为主。根据华北平原水文地质手册, 渗透系数分别取100 m·d⁻¹、50 m·d⁻¹、30 m·d⁻¹和20 m·d^−1[29]。各断面监测孔含水层厚度分别为24.23 m、20.00 m、21.07 m、10.00 m和11.58 m, 控制长度由北向南依次为18 283.50 m、17 515.00 m、20 945.10 m、13 151.50 m和10 606.10 m。利用上下游监测孔的日水位差与其之间的距离计算水力梯度。

1.4   地下水硝酸盐通量计算方法

通过山区侧向补给量计算山区侧向补给输入平原区地下水的硝酸盐通量, 不考虑硝酸盐运移过程中的外源输入和化学反应产生的损耗, 计算理想山区侧向补给运移的硝酸盐通量, 计算公式为:

式中: J为侧向补给输入的硝酸盐通量, kg; Q_ij侧为山区第i月第j断面地下水的侧向补给量, m³; ${n}_{i j{\rm{NO}}_3}$为第i月第j断面下游监测井的硝酸盐浓度值, mg·L⁻¹。

2.   结果与分析

2.1   山区平原交界处地下水水位与硝酸盐动态

山区平原交界处监测孔地下水水位数据表明, 山区地下水水力梯度较大, 据监测断面地下水水位日数据计算得断面1-5水力梯度变化范围为0.002~0.019。由图3可知, 断面上下游监测孔地下水水位动态变化趋势基本一致: 所有断面地下水水位在2021年9月后受雨季降水补给呈上升趋势, 2022年2月至5月地下水水位持续下降至6月达到全年最低; 期间在4月受灌溉回渗水补给影响, 监测孔JC2、JC5、JC6、JC7的地下水水位小幅回升, 7月受降水补给作用, 所有监测孔的水位显著升高, 至9月份逐渐达到水位峰值后呈下降趋势。断面3的地下水监测孔JC5和JC6较其他断面地下水水位波动幅度大, 主要原因是由于距滹沱河较近, 受河水补给影响较大。

图  3  滹沱河冲洪积扇区断面监测孔地下水水位变化(左侧)及地下水硝酸盐浓度变化(右侧)

S1-S5分别代表断面1-5, JC1-JC10代表监测孔1-10。S1-S5 represent section 1-5, respectively; and JC1-JC10 represent monitoring hole 1-10, respectively.

Figure  3.  Change of groundwater level (left) and nitrate concentration (right) in the monitoring holes at the sections of the Hutuo River alluvial-pluvial fan

下载: 全尺寸图片 幻灯片

由图3可知, 所有断面地下水硝酸盐浓度变化与地下水水位呈相反趋势(断面3的JC5、JC6以及断面1 的JC2除外)。旱季2月至5月, 由于地下水受灌溉回渗水补给过程中农田氮素淋溶的影响, 硝酸盐浓度有所升高。雨季6—7月地下水硝酸盐浓度持续降低并在7月达到最低值, 说明降水初期稀释作用对地下水硝酸盐浓度影响较大。8—10月地下水硝酸盐浓度逐渐增加, 由于农田储存的氮素受连续降水淋滤至地下水影响, 其硝酸盐浓度持续升高。不同断面上下游监测孔地下水硝酸盐浓度显示, 断面1和断面4的上游监测孔地下水硝酸盐浓度高于下游, 而断面2、3、5上游监测孔地下水硝酸盐浓度低于下游。根据实地调研发现, 浓度较高的监测孔周边存在人畜粪污水影响, 导致不同断面上下游监测孔地下水硝酸盐浓度值相对大小不同。可见, 人类活动对地下水硝酸盐的影响较大。

对比图3不同断面地下水硝酸盐浓度分布发现, 滹沱河北部断面1-断面3的地下水硝酸盐平均浓度高于南部断面4和断面5。北部地下水硝酸盐浓度变化范围为23.60~505.31 mg·L⁻¹, 平均值为179.42 mg·L⁻¹, 地下水硝酸盐超标率(WHO标准)为76%, 其中断面2的JC3和JC4监测孔地下水硝酸盐浓度最高, 浓度变化范围分别为185.03~418.26 mg·L⁻¹和193.04~505.31 mg·L⁻¹, 平均值分别为299.71 mg·L⁻¹和428.10 mg·L⁻¹。南部断面地下水硝酸盐浓度变化范围为20.71~118.13 mg·L⁻¹, 平均值为66.23 mg·L⁻¹, 地下水硝酸盐超标率为60%。

2.2   平原区地下水水位与硝酸盐动态

冲洪积扇平原区各分区2018—2021年地下水水位动态与降水量关系如图4所示, 各监测井地下水水位对降水响应的滞后时间因分布位置的不同而不同。Ⅰ区的1#和Ⅳ区的5#监测井位于滹沱河冲洪积扇扇顶, 地下水水位对降水的响应最快, 地下水水位波动无显著下降的峰值。雨季后地下水水位持续上升, 表明存在山区侧向补给, 特别是2021年连续降水补给作用导致地下水水位上升幅度最大, 1#和5#监测井地下水水位上升幅度分别为1.46 m和4.22 m。

图  4  平原区各分区监测井地下水水位变化^[30]

1#-5#分别表示各个分区的国家监测井。1#-5# represent the national monitoring wells of each subregion.

Figure  4.  Change of groundwater level of the national monitoring wells in each subregion of the plain areas of the Hutuo River alluvial-pluvial fan^[30]

下载: 全尺寸图片 幻灯片

Ⅱ区的2#和Ⅳ区的4#监测井位于冲洪积扇扇中, 受抽水开采影响, 4#地下水水位降低幅度大于2#, 2018—2021年2#和4#监测孔地下水水位下降幅度分别为0.16 m和2.30 m。雨季后, 2#和4#地下水水位缓慢抬升, 与1#和5#水位波动趋势相近, 但波动幅度小, 这表明山区侧向补给的作用减弱。3#监测井位于Ⅲ区滹沱河附近, 受河水补给作用, 地下水水位下降幅度小, 2021年受连续降水补给地下水影响其水位显著抬升, 上升幅度为4.36 m。3#与1#和5#的水位波动趋势相似说明地下水受到河水或山区地下水侧向径流持续补给作用的影响。

据图5可知, 北部Ⅰ、Ⅱ区地下水硝酸盐浓度普遍高于南部Ⅳ区。沿地下水流动方向, 地下水硝酸盐浓度呈现扇顶Ⅰ区(范围: 7.27~258.26 mg·L⁻¹; 均值105.28 mg·L⁻¹)>扇中Ⅱ区(范围: 23.71~188.69 mg·L⁻¹, 均值为99.22 mg·L⁻¹)>南部Ⅳ区(范围: 7.70~117.25 mg·L⁻¹, 均值为37.10 mg·L⁻¹)>扇缘Ⅲ区(范围: 0~60.76 mg·L⁻¹, 均值为23.08 mg·L⁻¹)的空间分布特征。同样Ⅳ区扇顶部分地下水硝酸盐浓度范围为8.60~117.25 mg·L⁻¹, 均值为55.50 mg·L⁻¹, 高于扇中部分地下水硝酸盐浓度(范围为7.70~86.33 mg·L⁻¹, 均值为31.80 mg·L⁻¹)。北部山区断面地下水硝酸盐浓度均值为179.42 mg·L⁻¹, 高于与之对应的北部平原区地下水硝酸盐浓度均值(105.28 mg·L⁻¹); 南部山区断面地下水硝酸盐浓度均值为66.23 mg·L⁻¹, 高于平原区南部Ⅳ区地下水硝酸盐浓度均值(37.10 mg·L⁻¹)。

图  5  2020年滹沱河冲洪积扇平原区各分区地下水硝酸盐浓度空间分布

Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ分别表示滹沱河冲洪积扇北部扇顶、扇中、滹沱河附近扇缘区以及滹沱河冲洪积扇南部区域。Ⅰ, Ⅱ, Ⅲ and Ⅳ represent the northern top, middle parts of the alluvial-pluvial fan of the Hutuo River, the fan margin area near the Hutuo River, and the southern part of the alluvial-pluvial fan of the Hutuo River, respectively.

Figure  5.  Spatial distribution of nitrate concentration in groundwater in the plain area of each subregion in the Hutuo River alluvial-pluvial fan in 2020

下载: 全尺寸图片 幻灯片

2.3   山区侧向补给量

根据公式(2)计算2022年3月至2023年2月山区断面地下水侧向补给量(图6和表1), 计算结果显示监测期间山区地下水侧向补给量约为2.10×10⁸ m³, 3月至7月侧向补给量增加, 7月达到最大值后逐渐降低, 9—12月地下水侧向补给量有增加的趋势。滹沱河北部断面(断面1-断面3)的侧向补给总量(1.80×10⁸ m³)高于滹沱河南部断面(断面4-断面5)侧向补给总量(3.00×10⁷ m³)。各断面地下水侧向补给量大小为断面1 (1.17×10⁸ m³)>断面3 (0.35×10⁸ m³)>断面2 (0.29×10⁸ m³)>断面4 (0.27×10⁸ m³)>断面5 (0.03×10⁸ m³), 这反映了南北水文地质条件差异的影响。靳孟贵等^[31]利用同位素测井技术估算太行山前地下水侧向补给量, 在鹿泉至灵寿布设了46.2 km的控制断面, 运用断面流速法计算地下水侧向补给量为5.07×10⁷ m³, 其控制断面约为本研究区控制断面的1/2, 而侧向补给量约为本研究区结果的1/4。本研究计算的侧向补给量高于过去研究结果, 可能与极端降水、地下水压采政策以及生态补水等影响有关, 具有一定可靠性。

图  6  2022年3月—2023年2月滹沱河冲洪积扇区山区侧向补给量统计图

Figure  6.  Statistical map of lateral recharge in mountainous areas of the Hutuo River alluvial-pluvial fan from March 2022 to February 2023

下载: 全尺寸图片 幻灯片

表  1  2022年3月—2023年2月滹沱河冲洪积扇区山区侧向补给对平原区地下水的补给量

Table  1.  Lateral recharge in the mountainous areas of the Hutuo River alluvial-pluvial fan from March 2022 to February 2023

×108 m3
断面 Section	侧向补给量 Amount of lateral recharge
	2022											2023		总计 Total
	3月 March	4月 April	5月 May	6月 June	7月 July	8月 August	9月 September	10月 October	11月 November	12月 December		1月 January	2月 February
1	0.096	0.095	0.100	0.099	0.104	0.101	0.096	0.099	0.095	0.098		0.097	0.087	1.167
2	0.024	0.023	0.024	0.024	0.024	0.024	0.024	0.025	0.024	0.025		0.026	0.023	0.290
3	0.028	0.030	0.031	0.029	0.031	0.029	0.027	0.028	0.028	0.029		0.029	0.026	0.346
4	0.023	0.022	0.023	0.023	0.022	0.023	0.022	0.023	0.023	0.020		0.023	0.022	0.271
5	0.003	0.002	0.003	0.003	0.002	0.002	0.002	0.002	0.002	0.002		0.003	0.003	0.029
总计 Total	0.174	0.172	0.181	0.178	0.183	0.179	0.171	0.177	0.172	0.174		0.178	0.161	2.103

下载: 导出CSV 

| 显示表格

2.4   山区侧向补给输入的硝酸盐通量

利用式(3)计算由山区侧向补给向平原区地下水输移的硝酸盐通量。结果表明, 2022年3月至2023年2月山区侧向流输入平原区地下水的硝酸盐通量共239.56×10⁵ kg (图7)。受南北不同地下水侧向补给量及硝酸盐浓度影响, 如断面2的JC3和JC4监测孔地下水硝酸盐浓度最高, 北部断面地下水输入的硝酸盐通量为223.34×10⁵ kg, 显著高于南部断面硝酸盐通量(16.21×10⁵ kg), 与平原区北部Ⅰ区和Ⅱ区地下水硝酸盐浓度高于南部Ⅳ区的空间特征一致。不同断面地下水侧向补给输入的硝酸盐通量排序为: 断面2 (124.23×10⁵ kg)>断面1 (50.13×10⁵ kg)>断面3 (48.98×10⁵ kg)>断面4 (13.88×10⁵ kg)>断面5 (2.33×10⁵ kg) (表2)。

图  7  2022年3月—2023年2月滹沱河冲洪积扇区山区侧向补给输入的硝酸盐通量

Figure  7.  Nitrate fluxes from lateral recharge in mountainous areas of the Hutuo River alluvial-pluvial fan from March 2022 to February 2023

下载: 全尺寸图片 幻灯片

表  2  2022年3月—2023年2月滹沱河冲洪积扇区山区输入硝酸盐通量

Table  2.  Nitrate fluxes from lateral recharge in mountainous areas of the Hutuo River alluvial-pluvial fan from March 2022 to February 2023

×105 kg
断面 Section	硝酸盐通量 Nitrate flux
	2022											2023		总计 Total
	3月 March	4月 April	5月 May	6月 June	7月 July	8月 August	9月 September	10月 October	11月 November	12月 December		1月 January	2月 February
1	4.99	4.47	4.79	5.03	4.01	4.53	4.38	4.67	3.77	3.34		3.44	2.72	50.13
2	11.03	11.55	12.32	10.37	4.65	10.39	11.53	11.38	10.57	10.42		10.61	9.40	124.23
3	4.74	4.69	4.33	3.64	3.21	2.93	3.70	4.62	4.32	4.31		4.38	4.12	48.98
4	1.55	1.65	1.47	1.08	0.81	1.17	1.08	1.37	1.08	0.86		0.89	0.88	13.88
5	0.18	0.23	0.25	0.23	0.16	0.21	0.20	0.21	0.17	0.17		0.16	0.15	2.33
总计 Total	22.48	22.59	23.16	20.35	12.84	19.23	20.89	22.24	19.90	19.10		19.49	17.27	239.56

下载: 导出CSV 

| 显示表格

3.   讨论

3.1   同位素示踪山区侧向补给平原区地下水过程

地下水中的氢氧同位素可以示踪地下水补给来源和不同水源之间的补给关系。根据山区断面和平原区地下水氢氧同位素分析二者补给关系。由图8可见所有地下水采样点分布于当地大气降水线(LMWL)附近, 表明地下水主要来源于降水。由图8a可知, 滹沱河北部断面监测孔地下水采样点大部分位于LMWL右下方, 平原区Ⅰ区和Ⅱ区所有点以及Ⅲ区少部分点也位于LMWL右下方, 且偏离LMWL, 表明Ⅰ区、Ⅱ区地下水与断面地下水存在一定的水力联系。Ⅲ区大部分点位于LMWL左上方, 较断面地下水同位素贫化, 与河水同位素值接近, 表明Ⅲ区地下水受河水补给作用强于断面地下水侧向补给作用。由Ⅰ区到Ⅱ区再到Ⅲ区沿地下水流向, 地下水的δ¹⁸O均值分别为−6.45‰、−7.14‰和−9.29‰, δ²H均值分别为−55.42‰、−60.74‰和−62.33‰, 具有逐渐贫化的趋势。研究发现从上游到下游, 地下水井深逐渐增大, Ⅰ区采样点位于冲洪积扇扇顶, 井深约为50 m, 而Ⅱ区和Ⅲ区位于扇中和扇缘, 井深约为100 m, 地下水氢氧同位素随井深增加变贫化这一结论与前人研究结果一致^[32-33]。

图  8  滹沱河冲洪积扇区断面监测孔地下水、各分区[北部Ⅰ~Ⅲ区(a), 南部Ⅳ区(b)]地下水及土壤水δ²H、δ¹⁸O关系图

采用栾城试验站降水同位素数据拟合当地大气降水线(LMWL: δ²H = 6.38 δ¹⁸O−3.84), 土壤水同位素为均值。VSMOW表示维也纳平均海洋水标准, GMWL表示全球大气降水线。The local meteoric water line (LMWL: δ²H = 6.38 δ¹⁸O−3.84) was fitted by the precipitation isotope data of Luancheng Station, and the soil water isotope was the mean value. VSMOW refers to Vienna Standard Mean Ocean Water, and GMWL refers to the global meteoric water line.

Figure  8.  Relationships of δ²H and δ¹⁸O for groundwater in monitoring holes at sections, and groundwater and soil water in each subregion [northern I-Ⅲ (a), southern Ⅳ (b)] of the Hutuo River alluvial-pluvial fan

下载: 全尺寸图片 幻灯片

于2020年采集研究区20 m不同深度土壤测定土壤水的氢氧同位素。结果表明, Ⅰ区砂土层土壤水同位素比非砂土层(主要为黏土)土壤水同位素富集, 且深层砂土层土壤水同位素值偏高, δ¹⁸O均值为−4.71‰, δ²H均值为−53.06‰, 与Ⅰ区部分地下水同位素值接近, 表明深层砂层土壤水对Ⅰ区地下水补给作用显著。图8a中对比土壤水同位素发现, Ⅰ区和Ⅱ区地下水氢氧同位素总体位于山区北部断面监测孔地下水和土壤水同位素之间, 说明Ⅰ区和Ⅱ区地下水受山区侧向补给作用和降水通过土壤水的垂向补给作用共同影响。而Ⅲ区大部分点位于LMWL左上方且围绕降水线分布, 表明其受山区侧向补给的影响较小。Ⅲ区地下水采样点均位于滹沱河附近, 受到了河水等生态补水的影响。水源的不同造成了同位素分布的差异性。Ⅰ-Ⅲ区地下水同位素分布特征表明山区侧向补给对平原区地下水的影响范围主要为扇顶和扇中。

研究区Ⅳ区扇顶地下水与山区南部断面地下水氢氧同位素值接近, 表明扇顶地下水受山区侧向补给作用强烈(图8b)。Ⅳ区扇顶至扇中地下水同位素分布规律与冲洪积扇北部扇顶I区至扇中Ⅱ区地下水同位素值的分布一致, 即沿地下水流动方向氢氧同位素逐渐贫化(扇顶δ¹⁸O均值为−8.32‰, δ²H均值为−58.88‰; 扇中δ¹⁸O均值为−9.61‰, δ²H均值为−62.51‰)。扇顶至扇中地下水同位素值变贫化不仅与地下水井深逐渐增加有关, 还受上游地下水超采影响, 导致地下水流场发生改变, 降低了扇中区域地下水与上游山区地下水之间的水力联系, 山区侧向补给作用减弱。Huang等^[34]在华北平原安阳河冲洪积扇地下水的补给研究中表明, 冲洪积扇扇中和扇缘部分地下水接受来自承压含水层的越流补给。因此, Ⅳ区扇中区域地下水同位素贫化还可能与降水和深层承压水的垂向补给有关。山区断面、冲洪积扇扇顶和扇中地下水氢氧同位素空间分布特征表明, 冲洪积扇接受上游山区侧向补给且从西部扇顶向东部扇中侧向补给作用逐渐减弱。因此, 山区侧向补给对平原区地下水的主要影响范围为冲洪积扇扇顶和扇中区域。

由山区侧向补给量得出, 北部各断面侧向补给量均高于南部, 平原区各分区的地下水水位和与之对应的各断面侧向补给量的特征趋势一致, 如断面2侧向补给量(0.29×10⁸ m³)高于断面4的侧向补给量(0.27×10⁸ m³), 同样在下游平原区的1#地下水水位高于4#水位(图4)。可见平原区地下水水位与侧向补给关系密切, 未来仍要关注平原区地下水水位回升与地下水侧向补给之间的相互关系。

3.2   山区侧向补给的氮通量及其对平原区硝酸盐分布的影响

极端降水、生态补水等工程措施增加了山区侧向补给量, 对滹沱河冲洪积扇平原区地下水储量和水位恢复具有重要意义, 而低山丘陵区地下水硝酸盐问题日益凸显, 山区对平原区地下水侧向补给量增加的同时硝酸盐通量增加, 上游山区含有较高浓度硝酸盐的地下水对下游平原区地下水产生一定污染。本研究表明滹沱河北部山区断面地下水硝酸盐平均浓度及超标率均高于南部, 以往研究表明, 滹沱河北部的沙河流域地下水硝酸盐浓度平均为109.80 mg·L^−1[35], 滹沱河南部潴龙河流域地下水硝酸盐浓度平均为78 mg·L⁻¹, 超标率为52%^[16,19]。南部地下水硝酸盐浓度与本研究接近, 但超标率低于本研究结果。一方面表明滹沱河南北部人类活动影响程度不同, 导致南北断面地下水硝酸盐浓度差异显著; 另一方面说明山区地下水硝酸盐污染问题日益突出, 山区侧向补给会影响平原区地下水水质。

由以上分析可知, 不仅滹沱河北部山区断面地下水硝酸盐浓度高于南部, 相应的北部冲洪积扇扇顶和扇中(Ⅰ区和Ⅱ区)地下水硝酸盐浓度也高于南部(Ⅳ区)。在石家庄地区滹沱河冲洪积扇顶地下水硝酸盐的研究表明, 由山区至平原区地下水硝酸盐浓度逐渐降低^[36]。山区侧向补给影响平原区地下水硝酸盐的空间分布。此外, 平原区土地利用类型、地下水埋深等也是决定地下水硝酸盐空间分布特征的主要因素。研究表明蔬菜区地下水硝酸盐浓度偏高, 而地下水埋深越大、硝酸盐浓度越低^[37-39]。本研究采样点土地利用类型以农田为主, 且地下水埋深由冲洪积扇扇顶向东部扇中逐渐增加, 但是其对地下水硝酸盐的影响不作为本研究重点。

本研究同样发现由山区侧向补给向平原区输入的硝酸盐通量也表现为北部高于南部。这一方面与北部较大的山区侧向补给量有关, 该区域含水层以渗透性良好的砂砾卵石和砾石为主, 有利于山区侧向流对平原区地下水的补给; 另一方面与具有较强渗透性的土壤沉积特征有关, 2021年的连续降水导致农田包气带累积的大量氮素淋失进入含水层, 从而形成地下水硝酸盐浓度高值区。Huang等^[40]研究表明连续的暴雨淋滤作用导致表层土壤大量硝酸盐浸出, 对地下水水质造成潜在威胁。Zheng等^[41-42]也揭示了太行山山区极端强降水可通过优先流对地下水补给(贡献率为42%), 优先流携带土壤化肥氮素进入山区地下水, 加大了山区对平原区地下水硝酸盐污染的风险。

滹沱河南部Ⅳ区扇顶区域地下水同样受山区侧向补给影响, 但由于上游山区断面地下水硝酸盐浓度低于北部断面, 因此Ⅳ区扇顶地下水硝酸盐浓度也低于北部扇顶。而Ⅳ区扇中区域受地下水超采导致地下水流场改变的影响, 山区侧向流对该区地下水水位和硝酸盐动态影响有限; 此外, Ⅳ区扇中区域包气带较厚, 地下水埋深较大, 且含水层以渗透性差的砂、粉砂夹杂黏土为主, 土壤累积的氮素对地下水影响较弱, 因此形成了地下水硝酸盐低值区。滹沱河冲洪积扇扇缘(Ⅲ区)地下水硝酸盐浓度主要受河道入渗补给, 氢氧同位素关系同样说明该区域补给水源的差异性(图8a)。

平原区地下水受山区侧向流水量补给的同时也面临地下水硝酸盐污染的威胁。因此, 需继续关注和研究未来环境变化下冲洪积扇区域地下水水量和水质安全问题。

4.   结论

为明确山区侧向补给对平原地下水动态及地下水硝酸盐分布的影响, 本研究基于山区断面监测孔及滹沱河冲洪积扇平原区地下水监测数据, 结合氢氧同位素示踪及硝酸盐浓度分析, 明确了山区侧向流对平原区地下水的补给机制, 并探讨了山区侧向补给对平原区地下水硝酸盐的影响, 最终得出以下结论:

(1) 滹沱河冲洪积扇北部山区断面地下水和平原区地下水硝酸盐浓度均高于南部。山区侧向补给对冲洪积扇南北各分区地下水补给的影响程度不同, 沿地下水流动方向, 冲洪积扇扇顶至扇中再到扇缘, 地下水硝酸盐浓度逐渐降低, 表明扇顶地下水受山区侧向补给影响大, 东部扇中和扇缘区域受山区侧向补给影响减弱且受人类活动干扰明显。

(2) 平原区地下水受山区侧向补给和降水通过土壤水垂向补给的共同影响, 扇顶区域受侧向补给影响比扇中区域明显, 南部扇中区域地下水由于地下水超采影响地下水流场, 减弱了山区侧向补给作用。

(3) 研究区2022年3月至2023年2月山区侧向补给量为2.10×10⁸ m³, 滹沱河北部侧向补给量高于南部。山区侧向补给输入平原区地下水的硝酸盐通量总计239.56×10⁵ kg, 且北部高于南部。山区侧向补给对地下水硝酸盐影响范围为扇顶和扇中区域, 且对扇顶地下水补给和硝酸盐的影响程度更强。