地表水和地下水水源地水量水质响应分析

金玉玺 吴光宇 张福洋

(1.河北省秦皇岛水文水资源勘测局，河北秦皇岛 066000；2.北京艾力泰尔信息技术股份有限公司，北京 100089)

1 引言

据相关文章统计中国现有大型傍河水源地300多个［1］。经多年的开采实践证明，傍河取水是保证长期稳定供水的有效途径，傍河取水会改变地下含水层的水力坡降，进而增加附近河水对其的入渗补给水量［2］；并且傍河取水能够充分利用含水层的物理过滤、化学和生物净化作用，使地表水水质得到天然改善。

对于地表水和地下水水量水质的相互影响关系，多年来国内外学者相继展开了研究。根据吴耀国等［3］对徐州市奎河徐村和黄桥河段的河岸过滤除去污染严重的河流中氮的有效性研究结果，饱和渗流情况下有可能通过生化过程去除氮，且氮去除率超过95%。根据朱学愚等［4］的研究结果，傍河水源地的地下水资源量中河流入渗补给量可达到其总补给量的57%左右。刘洋等［5］在松花江流域德惠姚家村傍河研究工作中发现，丰、平、枯水年三种不同河川径流条件下河道对傍河水源地水资源量的补给量分别占到了59.8%、56.2%、51.1%。

目前，对于水量水质全口径响应研究分析还较少，本文在现有研究成果的基础上，以秦皇岛市地表水源地洋河水库和细河地下水源地为例，尝试探索地表水和地下水水源地水量水质响应变化机理。

2 研究区概况及研究方法

2.1 研究区概况

2.1.1 洋河

洋河是抚宁区第一大河流，河北省沿海诸河中最大的一条河，水量居流域内各河之首。洋河位于抚宁区西部，全长100km，控制流域面积1109km2，抚宁区境内长59km，流域面积759km2。

2.1.2 洋河水库

洋河水库是一座大(2)型水利枢纽工程，位于抚宁区大湾子村北，水库控制流域面积为755km2，占洋河总流域面积的68%。根据调节计算成果：75%保证率可供水量0.61亿m3，95%保证率可供水量0.33亿m3。建库以来在防洪、灌溉等方面发挥了一定作用，1989年引青济秦工程实施后，洋河水库成了“引青济秦”工程的重要组成部分，现主要泄水有经放水洞、发电洞及溢洪道3个途径。

2.1.3 细河水源地

抚宁区细河水源地位于洋河西岸抚宁镇细河村，现有水源井11眼，均位于洋河右岸。细河水源地设计供水能力730万m3/年，供水范围基本覆盖抚宁老城区及部分周边行政村，服务人口约4.0万，用水户达2.3万。根据其水源地保护区划分结果，一级保护区半径为465m，二级保护区半径为2580m。

2.1.4 细河水源地与洋河水库的关系

细河水源地位于洋河水库下游洋河水库—入海口区间流域，距离上游洋河水库直线距离约1km，11眼水源井距离洋河河道约200～300m，属于傍河取水。洋河水库下泄的水量进入洋河河道，河道的水通过渗漏对细河水源地的地下水进行补给，研究区范围见图1。

2.2 研究方法

2.2.1 水量响应研究方法

细河水源地主要接受降雨入渗补给、上游侧向补给及洋河河道渗漏补给量，以水均衡法对细河水源地进行水资源量评价，均衡范围为二级保护区。通过分析洋河不同保证率情况下细河水源地水资源量情况，根据水均衡方程和河道入渗补给量的计算公式，建立细河水源地受洋河水库下泄水量补给的线性关系，探究洋河水库泄水通过洋河河道渗漏补给量对细河水源地地下水可开采量的水量响应关系。

2.2.2 水质响应研究方法

为探究洋河水库下泄的地表水对下游细河水源地水质的影响作用，并考虑到洋河水库的水质监测数据实况，本次研究主要对氨氮和亚硝酸盐氮进行分析，将洋河水库每月的氨氮和亚硝酸盐氮与细河水源地的氨氮和亚硝酸盐氮进行比对及线性分析，研究二者的水质响应关系。

图1 研究区范围

3 数据来源

3.1 区间径流量

洋河水库—入海口区间流域年径流量主要受洋河水库的调节，所以本文选用洋河水库站1971—2016年的实测流量资料进行计算。洋河水库—入海口段的各月平均流量选用洋河放水洞、发电洞及溢洪道3个断面的实测流量之和，其年径流量年内分配见表1。

表1 洋河水库下游洋河年径流量年内分配

3.2 水质监测数据

选择2016年为典型代表年，收集洋河水库每月的水质检测数据与细河水源地的2—11月水质检测数据。洋河水库和细河水源地的3个因子的具体数据见表2。

表2 洋河水库和细河水源地水质统计

4 响应分析

4.1 水量响应分析

水资源量分析评价采用水均衡计算法，各补给项和排泄项及蓄变量情况见表3，经水均衡计算，拟合误差为-7.52%，不超过±10%，满足误差要求。进而运用控制变量法，分别假定50%保证率和75%保证率条件下大气降水入渗补给和侧向径流补给不变，只改变洋河水库下泄的水量，来研究细河地下水水源地的水资源量随洋河水库下泄水量的变化规律。

表3 细河地下水水源地资源均衡计算

表3 细河地下水水源地资源均衡计算

大气降水入渗补给量/(万m3/年) 201.98补给量130.99侧向径流流入量/(万m3/年) 1552.92 1552.92河道入渗补给量/(万m3/年) 1871.49 1185.11小计/(万m3/年) 3626.39 2869.02排泄量522侧向径流流出量/(万m3/年) 2747.47地下水开采量/(万m3/年) 522 2747.49小计/(万m3/年) 3269.47计算量均衡差/(万m3/年) 356.92 3269.47均衡要素 50%计算量 75%-400.45蓄变量/(万m3/年) 370.58 370.58拟合误差/% 3.83-7.52

均衡期内细河水源地在50%保证率下总补给量为3626.39万m3/年，其中河道渗漏补给量为1871.49万m3/年，占总补给水量的51%。75%保证率条件下总补给量为2869.02万m3/年，其中河道渗漏补给量为1185.11万m3/年，占总补给水量的41%。

将水均衡方程和河道入渗补给量的计算公式联立后，可得到细河水源地水资源量与洋河水库下泄水量的关系方程。

50%保证率条件下联立上式得

75%保证率条件下联立上式得

式中：Q细为细河水源地水资源量；Q河为洋河水库下泄水量。

通过研究发现，细河水源地地下水资源量与洋河水库下泄水量呈正相关，且在相同保证率条件下呈线性相关，响应关系见图2。

图2 50%、75%保证率条件下水资源量与下泄水量的响应关系

4.2 水质响应分析

本次主要对氨氮和亚硝酸盐氮进行分析，并考虑汛期洋河水库下泄水量较大，6—10月单独作为一个时段进行分析。经研究发现：2—11月期间洋河水库和细河水源地的水质整体而言相关性不高，但进一步划分到非汛期(2—5月、10—11月)和汛期(6—9月)后，可以看出汛期的氨氮、亚硝酸盐氮和两者累加值存在较好的线性相关性。氨氮、亚硝酸盐氮及两者累加值的线性分析散点图见图3。

再分别构建洋河水库和细河水源地的氨氮、亚硝酸盐氮和两者累加值的线性相关图。综合分析，对于氨氮，6—9月，洋河水库的氨氮浓度表现为先增大后减小再增大的趋势，细河水源地的氨氮浓度虽然也是先增大后减小再增大的趋势，但表现较为滞后，两者的相关性系数可达0.5448。对于亚硝酸盐氮，6—9月，洋河水库的亚硝酸盐氮浓度表现为先急剧增大后缓增大的趋势，细河水源地的亚硝酸盐氮浓度同样呈现先急剧增大后缓增大的趋势，且同样表现较为滞后，两者的相关性系数可达0.7473。对于氨氮、亚硝酸盐氮的累加值而言，洋河水库的氮浓度表现为先缓增大后急剧增大的趋势，细河水源地的氮浓度同样呈现先缓增大后急剧增大的趋势，且同样表现较为滞后，两者的相关性系数可达0.78，两者累加值的相关性分析见图4。

图3 氨氮、亚硝酸盐线性分析散点图

4.3 水量水质联合分析

进一步将表1洋河水库下游洋河年径流量年内分配表中50%平水年的径流量纳入分析。将表2的氨氮、亚硝酸盐氮和径流量数据按其各月占全年百分比处理并绘制折线图。分析可知：洋河水库水质、下泄水量因子变化对细河地下水水源地水质有影响，但单一因子的变化情况下其影响结果并不明显。只有两者同时变化情况下才会成倍数地影响细河地下水水源地水质，其影响具有滞后性。氨氮、亚硝酸盐氮及流量的线 性分析见图5。

图4 氨氮、亚硝酸盐氮的相关性分析散点图

图5 氨氮、亚硝酸盐氮及流量的线性分析图

5 结论和建议

5.1 结论

洋河水库和细河地下水水源地间存在明显补给关系，洋河水库下泄水量的补给是细河水源地重要补给源。细河水源地地下水资源量与洋河水库下泄水量的关系呈正相关，且在相同保证率条件下呈线性相关。

从氨氮和亚硝酸盐氮指标上判断，洋河水库和细河水源地水质间存在较强线性相关关系。洋河水库水质、下泄水量两个因子的变化，对细河水源地水质有影响，但单一因子变化情况下其影响结果并不明显。只有两者同时变化情况下才会成倍数地影响细河地下水水源地水质，其影响具有滞后性。

5.2 建议

a.抚宁区可用洋河水库地表水源以减少对地下水的开采，现有细河水源地及其他傍河取水井备用。

b.可以充分利用洋河水库及地下水之间的补给关系调节调度，解决洋河水库汛期部分月份水质因富营养化不达标不能供水的情况。在洋河水质达标月份，可考虑加大下泄流量补给地下水， 在水质变差月份，临时启用地下水水源地，并且洋河水库的下泄流量宜控制在2m3/s以内。

c.做好洋河水库上游污染源治理工作，并考虑水库清淤、前置库建设等管理及工程措施，保持好水库水质，对构建秦皇岛市供水安全网络，提供补充水源，减少地下水开采，保护生态环境具有重要意义。