长江下游沿江升金湖河湖过渡带地下水来源及水质影响因素分析*

崔玉环，王 杰，刘友存，郝 泷，周 婷

(1：安徽农业大学理学院，合肥 230036) (2：安徽大学资源与环境工程学院，合肥 230039) (3：嘉应学院地理科学与旅游学院，梅州 514015) (4：安徽农业大学工学院，合肥 230036)

河湖过渡带是河流和湖泊之间的过渡区域[1], 也是河水、湖水与地下水相互作用的关键区域，对河湖与陆地之间的水力联系和碳氮交换起着纽带作用[2-3]. 在河湖季节性水文情势或洪水过程的影响下，河湖过渡带中具有不同化学离子和营养盐成分的地表水(江水、河水、湖水)与地下水转换频繁，过程复杂，不仅对区域水分传输起着重要的调节作用[4-5]，同时还直接参与其生物地球化学循环过程，进而引起地下水化学组分的变化[6]. 作为我国淡水湖群最集中地区，长江中下游地区河湖过渡带分布广泛，人口聚集，流域水污染状况日益突出. 因此，深入开展河湖过渡带地下水的来源解析，以及研究混合水源对地下水水质的影响，对流域水环境保护、水资源开发以及饮用水安全均具有重要意义.

河湖地区地下水与地表水的转化方式、途径与转化量的研究,一直是国内外关注的重要科学问题. 随着地表水与地下水相互作用研究的不断细化和量化，人工示踪法、水化学和环境同位素越来越多地用来估算两者的转化量[7-8]. 处于水循环系统中的不同水体，因其成因不同而具有不同的同位素组成特征，即氢(δ2H或δD)和氧(δ18O)同位素的富集程度不同[9]. 依据不同水体中同位素浓度的变化，能够示踪其形成和运移方式，探究变化环境下的水循环规律及水体间的相互关系[10-11].

相关研究发现[3,7]，河湖等地表水与地下水的季节性补排关系具有空间差异性，在有些区域地下水补给河流湖泊，而同时期有些地区则是河湖水补给周边地下水. Wang等[12]依托野外调查和同位素示踪技术，提出了黄河流域河水与地下水之间的8种转化方式，并通过室内模拟实验揭示了河水与地下水转化方式对转化量的影响机理. Ala-Aho等[13]以芬兰北部湖泊、河流和湿地为综合体，基于耦合数值模型定量计算了地表水与地下水之间的转化量，并揭示了转化量的时间变异性及空间分布. 詹泸成等[14]通过对洞庭湖区4月和8月降水、地表水和地下水氢氧同位素的测试分析，得出不同水体的同位素特征，及它们之间的水力联系. 上述研究从流域尺度上分析了地表水与地下水的转换过程，但在位于长江、湖泊之间的河湖过渡带，不同水体间的水力联系复杂多变，地表水与地下水之间的补排关系随时间的变化规律，以及水源混合对区域地下水水质的影响情况等，目前仍不清楚.

升金湖国家自然保护区是国际重要湿地，也是我国重要的越冬鹤类栖息地，地处长江中下游河湖过渡带，其地下水环境对保障当地居民生产生活、湿地生物多样性有着重要影响. 鉴于此，本研究以长江中下游升金湖河湖过渡带为研究区，自2015年3月-2016年2月按月收集该地区的大气降水，并于2017年4月中旬全面采集地表水(河水、湖水和长江水)、地下水水样，根据不同水体的氢氧同位素测定数值分析不同水体中δ18O和δD的变化特征，并通过MixSAIR模型进行混合水体来源解析，并探究该区域地表水对地下水的补给规律，旨在揭示大气降水、地表水和地下水之间的水力联系，从而分析不同水体补排对地下水质的影响，以期为水利工程实施、生态环境保护与治理提供理论指导.

1 数据与方法

1.1 研究区介绍

研究区位于安徽省池州市境内，地处通江湖泊升金湖与长江的过渡带，北、西濒临长江，南与升金湖相接，东侧由黄湓河将升金湖与长江连通(图1). 研究区属于升金湖西北沿江冲积平原，为第四纪地层构造，土壤以黄色亚黏土和砂砾土为主[15]. 地势从西北向东南逐渐降低，土地肥沃，水网密集，为长江中下游平原重要的人口集聚区与集约农业种植区. 根据国产高分一号影像遥感解译统计，该区域的农业用地、建设用地分别占总面积的37%和22%，林地仅占1%左右. 年平均降水量约为1600 mm，且受亚热带季风影响，主要集中在夏季，约占50%，地表径流丰富.

图1 研究区采样点分布Fig.1 Distribution of sampling sites in the study area

为了有效控制升金湖水位，在湖泊至长江出口的黄湓河上建有黄湓闸，汛期拒江水倒灌入湖，汛后排泄湖泊渍水，干旱年份引江水入湖或关闸蓄水，在一定程度上维持升金湖水位，减少干旱年份湖泊过度萎缩的风险. 但该闸的运作，导致该地区地表水、地下水之间的水力关系更为复杂，地下水受长江、湖泊和河水的综合影响较大.

1.2 水样采集与分析

本研究于2017年4月13-15日对研究区进行水文化学调查，共布设33个采样点(图1). 其中布设6个河流水采样点(Ch31、Ch32、Ch41、Ch11、Ch12和Ch21)，21个地下水采样点(D11～D48)，在长江干流布设3个采样点(Cj1～Cj3)，在升金湖布设3个采样点(S1～S3). 除了Ch31、Ch32和Ch41位于新河干流的采样点外(新河为农业区的引水灌溉渠道，采样期处于基本不流通状态)，河湖水样均采集于流速较大的地方，到岸边距离大于2 m. 地下水采样点除D31(农田灌溉水井)以外，均为居民区地下水井，均采集于井深6～9 m的浅层潜水井，且在水样采集时用小型抽水泵抽取水井底部水体，以减少水深差异对同位素值的影响. 另外，为了分析研究区降水、地表水与地下水之间的转化关系，本研究自2015年3月至2016年2月按月收集升金湖地区大气降水，测定研究区降水中的δD和δ18O.

1.3 贝叶斯混合模型

在水文混合模型中，假定水体的成分是不同来源特征的综合混合物[16]，可以使用n个不同的示踪剂来唯一确定n+1个源对混合物的贡献比率[17]. 贝叶斯混合模型可以用来识别多个(>3)源并计算它们对混合物的贡献[18-19]，该模型基于狄利克雷分布，在贝叶斯框架下构建了一个逻辑先验分布. 本研究利用由R包创建和运行的贝叶斯混合模型(MixSIAR版本3.1.10)[20]来量化研究区地下水不同补给来源的贡献比率.

1.4 混合水源对水化学参数的贡献

地下水中pH、Cond和TDS等水质参数受补给水源混合和存储环境化学离子输入的综合影响，其中补给水源对水化学参数浓度的贡献量可用下式计算：

pHji=pH长江水·xi长江水+pH湖水·xi湖水+pH河水·xi河水+pH降水·xi降水

(1)

Condji=Cond长江水·xi长江水+Cond湖水·xi湖水+Cond河水·xi河水+Cond降水·xi降水

(2)

TDSji= TDS长江水·xi长江水+TDS湖水·xi湖水+TDS河水·xi河水+TDS降水·xi降水

(3)

式中，pHji、Condji和TDSji指混合水源对第i个地下水样pH、Cond和TDS的贡献量，xi长江水、xi湖水、xi河水和xi降水分别为长江水、湖水、河水和降水对第i个地下水样的贡献率.

2 结果与讨论

2.1 氢氧同位素特征分析

2.1.1 降水同位素特征 本文根据2015年3月-2016年2月按月收集的大气降水数据，分析降水中δ18O 同位素、月降水量的年内变化趋势. 由图2a可知，研究区降水量年内分配不均匀，1-4月降水量占全年降水量的26.3%，5-9月占全年降水量的63.3%，10-12月占全年降水量的10.4%；其中月降水量在7月最高(465.8 mm)，占全年降水量的20.5%. 降水δ18O在6-9月最小，其余月份较大，主要原因在于：研究区6-9月属于夏季季风期，降雨充沛，水汽的同位素在多次冷凝后变得越来越贫化，而其余月份主要受冬季季风影响，气团主要来自高纬度的亚洲内陆，所携带的水汽同位素值偏正，降水同位素富集，这也是中低纬季风区δD和δ18O存在的一个普遍特点[21-23].

降水同位素是一种非常理想的天然示踪剂，δ18O与δD在蒸发过程中将保持线性关系，不同月份的降水蒸发后都沿着各自的蒸发线分布. 研究区降水中δ18O与δD的关系见图2b，进而获得对应降水线LMWL：δD= 8.18δ18O+22. 该地区降水线斜率大于全球降水线斜率8，反映出水循环过程中稳定同位素非平衡分馏的影响[24]，其截距也明显大于全球降水线的截距10‰，与稳定同位素动力分馏和局地气候有关[25-27]. 研究区降水线的斜率和截距与长沙[28]、桂林[29]和南京[29]等地的大气水线差别不大，反映了这些地区在受季风影响程度与降水水汽来源等方面具有相似性.

图2 研究区月降水量、氢氧同位素变化特征：(a)降水量与δ18O的月变化过程； (b) 研究区降水中δ18O与δD的关系Fig.2 Monthly variation characteristics of δD， δ18O and precipitation: (a) the monthly change process of precipitation and δ18O; (b) the relationship between δ18O and δD of precipitation in the study area

2.1.2 地表水与地下水同位素特征 从研究区地表水、地下水中氢氧同位素δ18O与δD的关系(图3a)可以看出，在地表水体中，河水的氢氧同位素最富集，δ18O与δD平均值最大，湖水的次之，而长江水的δ18O与δD值最小. 地表水δ18O与δD的关系点基本都落在降水线LMWL之下，得到地表水拟合线为δD=8.00δ18O+19.8，斜率和截距均小于降水线，这说明本地区地表水补给源主要来自大气降水. 根据地表水δ18O与δD的关系可将水样分成两组，A组包括长江水和湖水，受降水补给，更新速度较快，同位素较为贫乏；B组包括新河等流通性较差水体，在蒸发作用下，同位素最为富集. 同位素在蒸发分馏时，δD的富集速率远大于δ18O[28]，使得新河等流通性差的水体δD富集较δ18O快，进而导致地表水蒸发线斜率小于降水线斜率.

由图3b可以看出，地下水δ18O值范围为-5.41‰～-8.68‰，均值为-7.07‰，δD值范围为-18.7‰～-51.7‰，均值为-35.96‰，由于地下水埋深和来源不同，不同样点δ18O与δD值存在较大差异. 本研究所得地下水拟合线为δD=9.78δ18O+33.1，斜率和截距均大于降水线. 由于水体水分来源不同，同位素值差异较大，按照δ18O与δD同位素关系可分成两组：A组包括近长江和湖岸的样点，δ18O最大值为-7.06‰，最小值为-8.67‰，均值为-7.73‰，δD值最大为-36.65‰，最小为-51.7‰，均值为-42.52‰，同位素较为贫乏，且该组地下水δ18O与δD同位素值和长江、湖泊水接近，与长江、湖泊水体之间的水力联系紧密；B组包括采样区中部大部分采样点，δ18O最大值为-5.41‰，最小值为-6.75‰，均值为-6.00‰，δD最大值为-18.7‰，最小值为-33.2‰，均值为-25.69‰，同位素较为富集，且该组地下水δ18O与δD同位素值和河水接近，说明其与河水之间水力联系更为密切.

图3 研究区地表水(a)和地下水(b)中δD与δ18O的关系Fig.3 Relationship between δD and δ18O in surface water (a) and groundwater (b)

2.2 地下水补给来源解析

通过分析地表、地下水的δ18O和δD值的特征发现，研究区地下水与长江水、湖水和河水之间的水力联系密切，此外降水也是地下水的一种重要来源. 考虑到本研究采样期为4月中旬，研究区还未进入雨季，地下水位要低于地表水(表1)，忽略了地下水向地表水的补给，仅考虑地表水向地下水的补给水量. 因此，本研究确定地下水具有长江水、湖水、河水和降水这4种补给水源(即混合水源). 根据实地调查结果统计，上述4种补给水源的δ18O和δD数值范围如表1所示.

表1 采样期不同水体δ18O和δD的数值范围及对应水位

根据表1中长江水、湖水、河水和降水的δ18O和δD实测数值，利用MixSIAR模型定量计算了采样期长江水、湖水、河水和降水对每个地下水样的贡献率(图4). 结果发现，河水对地下水的贡献率最大，范围为26%～75%，均值为47%；其次为降水，范围为4%～41%，均值为20%；湖水和长江水贡献率接近，范围分别为13%～20%和5%～21%，均值分别为16%和17%.

图4 长江水、湖水、河水和降水对地下水的贡献率Fig.4 Contribution ratios of Yangtze River, lake, surface water and precipitation to groundwater

结合图1分析，地下水样点D11、D22、D23、D41和D42位于研究区中部的河道周边，主要受河水补给，贡献率高达60%以上，D12、D13、D21、D31、D32、D43～D48基本位于长江南岸，受降水和长江水的补给较高，总贡献率达50%左右，湖水对每个地下水样点的补给差异较小，贡献率在16%左右. 前期相关研究[30]分析了2015-2017年长江安庆段、升金湖水位的年际变化特征，以及黄湓闸控水运作方式，夏、秋季长江高水位，黄湓闸防止长江水倒流而关闭，长江水侧渗补给周边地下水，冬、春季长江水位回落，开闸放水，湖泊水向周边地下水补给. 本研究的采样期处于长江高水位期并向周围地下水下渗补给，导致了长江南岸的地下水样受长江水补给较大. 另外，研究区河水为农业区的引水灌溉渠道，受水闸控制，采样期处于春季引水灌溉之后，因此模型解析结果表明河水对地下水的贡献率最高.

2.3 水源混合对地下水水质参数的影响

由于不同水体之间的化学转换非常复杂且很难定量，因此本研究重点考虑水源混合和外源输入对地下水pH、Cond和TDS实测水质参数的影响. 为探究水源混合(长江水、湖水、河水和降水)对研究区地下水水质的影响，本文根据MixSIAR模型解析得到各类水源对地下水的贡献率，结合对应pH、Cond和TDS的实测值(表2)，进一步计算混合水源对各地下水样pH、Cond和TDS的贡献量(公式(1))，并计算地下水中混合水源对水质参数的贡献率，贡献率=(贡献量/实测值)×100%，结果见图5a.

表2 长江水、湖水、河水和降水的pH、 Cond和TDS实测值(平均值±偏差)

从图5a可以看出，来自混合水源的pH贡献量与实测值接近，但在D11、D14、D22、D23、D33～D36、D41、D42地下水样的贡献值略大于实测值，混合水源基本决定了地下水的酸碱度；混合水源对地下水Cond的贡献率在50%以上(除了D21、D34和D47)，均值为69%，贡献了绝大部分地下水的Cond值；混合水源对地下水TDS在D11、D22、D34～D36、D45和D48的贡献率在50%左右，其他样点均较小，贡献率均值为37%，混合水源仅贡献了小部分的地下水TDS值. 结合图1中地下水点位和图4中混合水源对地下水的贡献率发现，混合水源对地下水pH贡献值与实测值的较大误差出现在D11、D14、D22、D23、D33～D36、D41、D42等受河水补给较大的地下水样点，河水补给率达60%以上，对地下水Cond、TDS贡献值与实测值的较大误差出现在D12～D14、D21、D23、D31～D33、D47等受河水或长江水补给较大的地下水样点，这与地下水存储环境化学离子的外源输入有关.

图5 水源混合及外源输入对地下水水质参数的影响：(a) 混合水源对地下水pH、Cond和 TDS的贡献率；(b) 地下水pH、Cond和TDS外源贡献量与的关系 (r为Pearson相关系数，P为显著性水平，n为样本个数)Fig.5 Influence of water source mixing and external source input on groundwater quality parameters: (a) Contribution rates of mixed water sources to pH, Cond and TDS values of groundwater samples; (b) the relationship between the deviation of the calculated pH, Cond and TDS values of groundwater samples and (r is the Pearson correlation coefficient, P is the significance level, and n is the number of samples in the figure)

长江中下游地区湖泊聚集，河湖过渡带空间分布广泛，地表水类型多样，与地下水之间的水力联系复杂多变，同时还受到人类活动扰动的影响. 本文选择的升金湖河湖过渡带在流域特征上具有明显的代表性，提出的研究方法与研究结论都具有一定的推广价值，对整个区域河湖过渡带的水环境保护、水资源开发以及饮用水安全具有重要的指导意义.

3 结论

本文以升金湖河湖过渡带为研究区，采用MixSIAR模型定量解析不同补给源对地下水的贡献率，并探究了水源混合对地下水水质的影响，得出以下结论：

通过不同水体氢氧同位素特征分析，近长江和湖岸的地下水样点同位素值贫乏，与长江水、湖水同位素特征相近，其与长江、湖泊的水力联系密切，而中部地下水同位素值较为富集，与河水同位素特征接近，其与河水的水力联系更为紧密.

利用MixSIAR模型对采样期地下水源定量解析发现，受水位、闸控运作、引水灌溉等综合影响，河水对地下水的贡献率最大，约为47%；其次为降水，贡献率约为20%；湖水和长江水的贡献率相近，分别约为16%和17%.