滹滏平原漏斗区地下水溶解性总固体演变特征研究

张希雨，张光辉，严明疆

（1.中国地质科学院水文地质环境地质研究所，河北 石家庄 050061；2.中国地质大学（北京），北京 100083；3.河北地质大学水资源与环境学院/河北省高校生态环境地质应用技术研发中心/河北省水资源可持续利用与产业结构优化协同创新中心/河北省水资源可持续利用与开发重点实验室，河北 石家庄 050031）

滹滏山前平原地处滹沱河山前冲洪积扇带，含水层介质颗粒粗、孔隙大，地下水水力梯度较大，径流更替积极，溶滤作用强烈。天然条件下，随溶滤作用长期持续，该平原含水层中易溶盐类贫乏，地下水中难溶离子的相对含量较高，溶解性总固体（total dissolved solids，TDS）较低。1970年之前滹滏山前平原浅层地下水TDS普遍小于0.50 g/L[1]。

1970年以来，滹滏山前平原长期大规模超采地下水，地下水水位不断下降，并形成了稳定的地下水水位降落漏斗（简称“漏斗区”），最大面积曾达473.8 km2，漏斗中心水位埋深大于50m[2−6]。与此同时，该漏斗区地下水TDS及其主要化学组分呈增大趋势特征[7−10]，在漏斗形成中、末期部分区域的地下水TDS超过了《地下水质量标准》III类水标准（小于1 000mg/L）[11−14]。在地下水漏斗形成过程中，滹滏山前平原浅层地下水TDS增大过程的阶段特征、主要化学组分含量影响TDS增大过程以及TDS增大的驱动因素，是值得探讨的科学问题。

本文以滹滏山前平原浅层地下水漏斗区为研究区，应用地学数理统计分析、时间序列异变分析和GIS空间特征分析技术[15]，从地下水漏斗形成初期、中期和末期三个阶段的水位年均降幅、TDS年均增幅及不同时期主要化学组分对TDS增加贡献率和化学组分比值变化特征等方面探讨，以期为改善和保护滹滏山前平原地下水供水安全提供科学依据。

1 研究区概况

滹滏山前平原地处河北省中部的石家庄地区（图1），地势平坦、西高东低，地面高程介于65～100m。年均降水量513.1mm，年均蒸发量1 677mm，年均气温13℃。滹沱河位于研究区北部，自1980年以来，滹沱河常年断流，仅丰水年上游水库泄洪才有河道过水[16]。

研究区地下水为松散岩类孔隙水，自上而下分为4个含水岩组。其中，第Ⅰ+Ⅱ含水岩组为浅层地下水，是研究区主要开采层位和本次研究的主体；第Ⅲ、Ⅳ含水岩组是承压含水层组，厚度较薄、富水性差，尚未大规模开采。目前，第Ⅰ含水岩组已疏干，主要开采第Ⅱ含水岩组。第Ⅰ+Ⅱ含水岩组的岩性主要为砂砾卵石、砂卵石和中粗砂含砾卵石，渗透系数60～130m/d。

图1 研究区地理位置、研究分区与地下水监测点Fig.1 Location of the study area,subregions and groundwater monitoring points

研究区分为3个区。漏斗核心区（记作I区）为本文的目标研究区，位于漏斗区的中心区域（图2）。研究区西部为山区至平原的过渡带，是漏斗核心区的上游地下径流侧向主要补给带（记作II区）。研究区西北部为滹沱河冲洪积扇轴部、河道渗漏对浅层地下水的主要补给带（记作III区），如图1所示。II、III区地处倾斜平原的山前带，地下水水位埋藏浅，1980年之前水位埋深不足10m，含水层以砂砾石层为主，地下水防污性能较弱。

研究区浅层地下水漏斗形成于20世纪60年代末、70年代初，当时较为稳定的漏斗面积为57 km2，漏斗中心水位埋深7.57m。至1980年，该区漏斗面积扩大为200 km2，中心水位埋深下降至23.27m。至2000年，该区漏斗面积达368.0 km2，漏斗中心水位埋深41.93m。研究区地下水漏斗分布面积的峰值出现在2012年，漏斗面积473.8 km2，漏斗中心水位埋深50.60m。之后，研究区地下水超采综合治理力度不断加大。2014年开始，南水北调中线通水给该区供水，研究区地下水漏斗面积扩大趋势得到遏止。至2017年底，漏斗面积缩小至96.2 km2，漏斗中心水位埋深回升至45.83m，2018年区内地下水漏斗消失。在天然条件下，研究区地下水自西北向东南径流；漏斗形成之后，漏斗核心区地下水自漏斗四周向漏斗中心汇流（图2）。

2 数据来源

本研究的数据主要来自国家级、省级监测网地下水动态长期观测和5年期统测资料，以及中国地质调查局地质调查项目“石家庄—西柏坡经济区水文环境地质调查综合研究”（2014—2017年）成果资料。其中时间系列较长并完整的地下水动态监测点61个，Ⅰ区、Ⅱ区和Ⅲ区分别有30，15，16个（图1）。监测指标包括地下水水位、水温、pH值、K+、Na+、Ca2+、、总硬度和TDS等指标。

3 水位埋深变化阶段特征

3.1 初期变化特征

研究区初期地下水水位埋深9.10～23.20m，如图2（a）所示。I区水位埋深较大，20～25m的分布面积占研究区总面积的10.99%。水位埋深小于10m的分布面积占研究区总面积的15.43%，主要分布在II区和III区。水位埋深介于10～20m的分布面积占研究区总面积的73.58%。

图2 研究区漏斗形成不同时期地下水水位与埋深分布特征Fig.2 Distribution of groundwater level and buried depth in different stages of the funnel formation in the study area

相对1972年，Ⅰ区地下水水位年均降幅介于0.76～2.54m，地下水水位呈现显著下降特征。Ⅰ区水位年均降幅的最小值、最大值和平均值分别是Ⅱ区、Ⅲ区水位年均降幅的2.53～4.47倍、1.06～1.47倍和1.07～1.49倍（表1）。

表1 漏斗形成不同时期地下水水位变化特征Table 1 Characteristics of groundwater level changes in different stages of the funnel formation

3.2 中期变化特征

研究区中期地下水水位埋深13.40～42.28m，相对1980年水位埋深极小值与极大值，增大47.25%～82.24%，如图2（b）所示。水位埋深大于20m的分布面积占研究区总面积的52.61%，是初期相同水位埋深分布面积的4.79倍。I区水位埋深普遍下降至30m之下，分布面积达249.6 km2。

Ⅰ区地下水水位年均降幅仍然明显大于Ⅱ区、Ⅲ区（表1）。Ⅰ区水位年均降幅的最小值、最大值和平均值，分别是该区初期水位年均降幅的0.39，0.35，0.38倍，水位年均降幅明显减小。1981—2000年滹沱河河道常年断流[16]，Ⅲ区地下水水位年均降幅明显增大，对Ⅰ区地下水补给能力（影响）显著减弱。

3.3 末期变化特征

研究区末期地下水水位埋深21.41～50.60m；相对2000年水位埋深极小值与极大值，增大19.68%～59.78%，但增大的幅度小于中期，如图2（c）所示。水位埋深大于35m的分布面积占研究区总面积的53.83%，是中期相同水位埋深分布面积的4.11倍。其中，水位埋深35～45m的分布面积890.3 km2，I区水位埋深大于45m的分布面积达135.7 km2。

Ⅰ区地下水水位年均降幅分别是Ⅱ区、Ⅲ区水位年均降幅的1.01～2.64倍和1.13～2.75倍，明显大于Ⅱ区、Ⅲ区（表1）。Ⅰ区地下水水位年均降幅的最小值、最大值和平均值分别是该区中期的2.20，1.31，1.49倍，水位年均降幅明显增大。

4 TDS变化阶段特征

4.1 初期变化特征

研究区初期地下水TDS为342～997mg/L，I区地下水TDS为471～997mg/L，平均值736mg/L，呈现异常高值分布特征，见图3（a）。I区地下水TDS的平均值、最小值和最大值，与Ⅱ区相应特征值相近，但明显大于Ⅲ区（表2），呈现Ⅲ区（滹沱河河道过水渗漏）补给的冲淡作用效应。

相对1973年，Ⅰ区初期地下水TDS年均增幅26.53～49.51mg/L，呈显著增大特征。这一特征与该区水位年均降幅增大趋势特征相同，见图2（a）。Ⅰ区地下水TDS年均增幅的平均值、最小值和最大值是Ⅲ区相应特征值的1.54，5.21，1.61倍，同时普遍大于Ⅱ区相应特征值（表2），呈现漏斗核心区因地下水滞流延长水-岩之间作用的效应（进入水中的化学组分累计增多）。

4.2 中期变化特征

研究区中期地下水TDS为462～1 353mg/L，相对1980年TDS极小值与极大值增大35.09%～35.71%。I区、II区地下水TDS最大值分别为1 231，1 353mg/L，出现地下水TDS异常高值区。Ⅰ区地下水TDS的平均值、最小值和最大值，全部小于Ⅱ区，明显大于Ⅲ区（表2），呈现Ⅱ区为Ⅰ区地下水TDS趋增的物源区特征，见图3（b）。

Ⅰ区中期地下水TDS年均增幅2.50～18.33mg/L，年均增幅的最小值、最大值和平均值分别是Ⅰ区初期相应值的0.09，0.37，0.25倍，明显小于Ⅰ区初期TDS年均增幅。这一特征与Ⅰ区同期水位年均降幅变化特征相同，见图2（b），表明地下水水位下降幅度大小对Ⅰ区地下水TDS的增幅具有一定影响。Ⅰ区地下水TDS年均增幅的平均值、最小值和最大值，是Ⅲ区相应特征值的1.64，0.95，2.34倍，小于Ⅱ区相应特征值（表2），进一步呈现Ⅱ区为物源输出影响特征（图2、图3）。

图3 研究区漏斗形成不同时期地下水TDS分布特征Fig.3 Characteristics of groundwater salinity distribution in different stages of the funnel formation in the study area

表2 研究区漏斗形成不同时期地下水TDS演变特征Table 2 Characteristic of groundwater salinity changes in different stages of the funnel formation

4.3 末期变化特征

研究区末期地下水TDS为700～1 729mg/L，相对2000年TDS极小值与极大值增大27.79%～51.52%。I区、II区地下水TDS最大值分别由中期的1 231，1 353mg/L增大至1 379，1 729mg/L，TDS超标（大于1 000mg/L）范围明显扩大，见图3（c）。Ⅲ区地下水TDS由中期的462～738mg/L增大至700～897mg/L。I区地下水TDS的特征值明显大于Ⅲ区（表2）。I区地下水TDS的平均值和最大值小于Ⅱ区，最小值大于Ⅱ区，表明I区地下水TDS底值继续上升，而最大值和平均值的增幅呈减缓特征，这与水环境综合治理密切相关[17-18]。

Ⅰ区末期地下水TDS年均增幅4.65～24.32mg/L，大于该区中期TDS年均增幅，呈显著增大特征，与该区同期水位年均降幅增大特征相符，见图2（c），即末期Ⅰ区地下水水位年均降幅增大，该区TDS年均增幅也增大。Ⅰ区TDS年均增幅的平均值和最大值是Ⅱ区的0.98，0.91倍，Ⅲ区的0.84，0.90倍，小于Ⅱ区和Ⅲ区；Ⅰ区TDS年均增幅的最小值分别是Ⅱ区、Ⅲ区的3.08，1.50倍，大于Ⅱ区、Ⅲ区，进一步呈现末期漏斗核心区地下水TDS底值普遍上升的特征（表2）。

5 TDS变化影响因素

5.1 水位的影响

自初期、中期至末期，Ⅰ区地下水水位埋深、TDS呈不断增大趋势，且具有阶段性特征（表1、表2）。Ⅰ区地下水TDS年均增幅与水位年均降幅之间互动特征显著（图4）。水位年均降幅每增大1.0m条件下，从总研究期（1972—2017年）来看，Ⅰ区地下水TDS年均增幅增大18.45mg/L，见图4（a）；初期TDS年均增幅增大21.96mg/L，这期间水位埋深9.10～23.20m，见图4（b）；中期TDS年均增幅增大13.54mg/L，这期间水位埋深13.40～42.28m，见图4（c）；末期TDS年均增幅增大12.32mg/L，这期间水位埋深21.41～50.60m，见图4（d）。由此可见，Ⅰ区水位埋深不断增大过程中，水位年均降幅相同变化条件下，初期、中期和末期地下水TDS年均增幅的增大值越来越小。这表明Ⅰ区地下水抵御外部影响的防污性能不断增强，同时，因漏斗区内地下水滞流、更替能力变弱而延长含水层中水-岩之间作用，以至地下水中化学组分的积累量越来越多。

5.2 主要化学组分影响

在初期，Ⅰ区地下水TDS增大与Ca2+、Mg2+含量之间相关性显著，相关系数（R2）分别为0.63，0.56；与Na+、Cl−、和HCO−3含量之间相关性较弱（表3）。

在初期Ⅰ区地下水TDS增大过程中，阳离子组分中Ca2+含量增幅占TDS增幅的比率最大，占14.10%；其次是Na+；Mg2+最小。阴离子组分中含量增幅占TDS增幅的比率最大，占29.17%；其次是Cl−；占比率最小（表4）。由此可见，初期地下水中Ca2+、含量增加是TDS增大的主要因素；Cl−和含量增幅合计占TDS增幅的46.47%，发挥了不可忽视的作用。在中期，Ⅰ区地下水TDS增大仍然与Ca2+、Mg2+含量之间呈较显著相关特征，相关系数（R2）分别为0.72，0.55；与Na+、Cl−、和含量之间相关性仍然较弱。相对初期，地下水TDS增大与含量之间相关性减弱，相关系数（R2）由初期的0.20减小为0.18；地下水TDS增大与Ca2+、Na+、Cl−和含量之间相关性明显增强，相关系数（R2）分别由初期的0.63，0.20，0.22，0.16增大为中期的0.72，0.37，0.37，0.23（表3）。

图4 漏斗核心区地下水TDS年均增幅与水位年均降幅互动关系Fig.4 Interaction between the increase of groundwater salinity and the decrease of groundwater level in the funnel core area

表3 漏斗核心区地下水TDS与主要化学组分相关性Table 3 Correlation between TDS and main chemical components in the funnel core area

在中期Ⅰ区地下水TDS增大过程中，阳离子组分中Ca2+含量增幅占TDS增幅的比率仍然最大，占13.86%，但小于初期的占比率；Na+占比率相对初期呈明显增大特征；Mg2+占比率相对初期呈减小特征。阴离子组分中，占比率由初期的21.63%增大为中期的23.60%，呈增大特征；、Cl−占比率相对初期呈减小特征（表4）。

表4 不同时期地下水TDS增幅中主要化学组分增幅贡献比率Table 4 Variation characteristics of the increment contribution ratio of main chemical components in groundwater salinity increment in different periods

在末期，Ⅰ区地下水TDS增大与Ca2+含量之间呈较显著相关特征，相关系数（R2）为0.68。相对中期，末期地下水TDS增大与Na+、Mg2+含量之间相关性减弱，相关系数（R2）分别由0.37，0.55减小为0.16，0.38。地下水TDS增大与Cl−含量之间相关性仍然较强，相关系数（R2）为0.37；与和含量之间相关性进一步减弱，相关系数（R2）分别由中期的0.23，0.18减小为0.04，0.17（表3）。

在末期Ⅰ区地下水TDS增大过程中，阳离子组分中Ca2+含量增幅占TDS增幅的比率最大，占13.07%，但相对中期进一步减小；Na+占比率相对中期进一步增大；Mg2+占比率由中期4.46%减小为4.17%。阴离子组分中，占比率由中期的23.60%增大为24.14%，呈进一步增大特征；、Cl−占比率相对中期呈进一步减小特征（表4）。

自初期、中期至末期，Ⅰ区地下水TDS增大与Ca2+、Mg2+含量之间相关性显著，相关系数较大；与含量之间相关性较弱，但相关性保持稳定。这表明Ⅰ区地下水仍基本保持山前平原HCO3—Ca型、HCO3—Ca·Mg型水的水化学特征。但由于地下水中Na+、、Cl−含量的不断增大，这种特征越来越不显著。

自初期、中期至末期，在Ⅰ区地下水TDS趋增过程中，Na+含量增幅占TDS增幅的比率由初期的5.14%、中期的6.27%增大至末期的9.98%，占比由初期的21.63%、中期的23.60%增大至末期的24.14%，两者占比呈增大趋势。由此可见，地下水中Na+、含量增幅不断增大是Ⅰ区地下水TDS增大的重要驱动因素。地下水中Ca2+、Mg2+、和Cl−占比呈减小特征，末期四者合计占比率相对初期减少11.17%，但末期四者占比合计仍达65.88%。它们在Ⅰ区地下水TDS增大过程中仍发挥至关重要作用（表4）。

从地下水主要化学组分含量的比值来看，（Ca2++比值（r1）由初期的2.21、中期的1.89，至末期减少为1.45；Na+/Ca2+比值（r2）、比值（r3）和比值（r4）从初期、中期至末期都呈增大特征（表4）。由此进一步表明，随着Ⅰ区水位埋深不断增大，地下水中含量增幅的不断增大对TDS增大发挥了驱动作用。由于Na+、作用不断增强，改变了地下水化学场的原有水-岩作用平衡，环境介质中Na+、Ca2+、Mg2+、和Cl−等组分进一步溶入地下水中。因而，Ⅰ区地下水TDS随着水位埋深不断增大而增大。

5.3 水动力条件与人类活动的影响

自1972年以来，Ⅰ区水力梯度显著变缓导致地下水滞流，以至含水层组中水-岩作用时间不断增长和补给更新水量不断减少[19-24]（记作A类因素）；上游的II区、III区城镇化程度、洗煤及煤化工等产业结构和规模，以及滹沱河沿岸灌溉农田施用化肥农药种类和数量等不断变化[25-29]（记作B类因素）。从初期、中期至末期，A类因素对Ⅰ区地下水中化学组分和TDS增大的影响强度不断增大；随着研究区水位埋深不断增大，地下水抵御外部影响的防污性能不断增强，因而B类因素—地表人类活动（工业、农业、生活等）对地下水中化学组分和TDS增大的影响强度不断减弱。综合分析可知，初期B类因素的影响强、A类因素的影响较弱；中期A、B类因素的影响都较强；末期A类因素的影响强、B类因素的影响较弱。

6 结论

自20世纪70年代初滹滏山前平原形成稳定的地下水漏斗以来，随着地下水水位不断下降，漏斗核心区地下水TDS呈不断增大过程，具有如下特征：

（1）随地下水水位年均降幅的变化，漏斗核心区地下水TDS年均增幅呈现阶段性变化特征。初期地下水水位年均降幅最大，TDS年均增幅也最大；中期地下水水位年均降幅最小，TDS年均增幅也最小；末期地下水水位年均降幅居中，TDS年均增幅也居中。

（2）随水位埋深增大，漏斗核心区地下水水位埋深大小对TDS增大影响呈现递减效应。漏斗核心区地下水水位年均降幅每增大1.0m，初期、中期和末期TDS年均分别增大21.96，13.54，12.32mg/L。

（3）自初期、中期至末期，漏斗核心区地下水中Na+、含量增量占TDS增幅的比率呈不断增大的特征，是TDS增大的主要驱动因素。

（4）水动力条件与人类活动对漏斗核心区地下水TDS增大的影响强度具有阶段性特征。初期人类活动影响强、水动力条件影响较弱；中期人类活动、水动力条件的影响都较强；末期水动力条件的影响强、人类活动的影响较弱。