永定河生态补水下渗对地下水质量的影响

翟远征,姜 亚,夏雪莲,潘成忠,胡立堂,王金生,滕彦国,韩一凡

永定河生态补水下渗对地下水质量的影响

翟远征,姜 亚,夏雪莲,潘成忠,胡立堂,王金生,滕彦国,韩一凡*

(北京师范大学水科学研究院,北京 100875)

以永定河北京段2019～2020年的生态补水为例,通过室内混合实验和淋滤实验研究河水下渗对地下水质量的影响.结果表明,水化学指标的种类与下渗前相比无变化,水-岩相互作用对指标浓度的改变作用也比较有限,指标的浓度水平总体上介于河水和地下水之间.下渗水对地下水质量的改变作用从根本上取决于河水与地下水的质量差异和河水的补给量,两者的质量差异越大且河水的下渗量越大,改变作用就越明显,反之则越微弱.由于补水水源的质量较好,永定河生态补水下渗对地下水质量的影响总体上可接受,而且对影响地下水质量的“瓶颈”指标(如硝酸盐氮)有一定改善作用.

生态补水；地下水质量；水-岩相互作用；淋滤实验；永定河

受气候变化和人类活动的影响,世界范围内的很多河流正面临着水量衰减、水位下降、河道萎缩、与地下水脱节、水质恶化和生态退化等多方面的威胁,这给河流的社会和生态服务等功能的正常发挥带来巨大挑战[1].通过跨流域调水[2]或利用当地其他水源(如城市再生水[3])对河流进行人工补水(生态补水)被认为是缓解或解决以上问题的最快捷和最有效手段.

水补入河道后会有一部分经由河床下渗补给地下水,下渗量受到河流接纳的水量和河床渗透性等因素的影响[4].对于脱节型河流[5],水下渗期间会与包气带介质发生水-岩相互作用[6],水质也会因此而发生变化,从而在水化学指标种类或指标浓度方面与河水存在差异.因此,河流生态补水除了对地下水流场和水量的影响,对地下水质量的影响应引起重视[7].

关于此问题,国内外已开展过一些调查和研究.补水水源的质量被认为是影响地下水质量的最关键因素[8].一般情况下污水和再生水产生负面影响的风险较高[9],跨流域调水由于在选择水源时对水质的要求较高,因此影响多是可接受的[10].除了补水水源,包气带中发生的水-岩相互作用也因能够改变下渗水的化学组分而被认为是另一个关键影响因素[11].下伏于河床的包气带的岩性和可溶化学组分等方面在不同河流或河段之间通常存在差异.一般而言,包气带中含有的能够与下渗水发生化学作用的活性组分越多,作用越充分,淋滤作用对下渗水质量的改变作用越明显,下渗水的质量与补水水源质量的差别也就越大.差别越大,基于河水和地下水两端元混合模型得到的生态补水下渗对地下水质量影响的结论也就越不准确.总的来说,河流生态补水对地下水质量的影响过程非常复杂,涉及物理化学和生物学多重作用.已有研究[12-14]多集中于野外监测,即应用经验法通过对比受影响前后地下水质量的变化去评价这种影响.

本研究以永定河北京段2019～2020年的生态补水为例,通过室内静态混合实验和渗流柱淋滤实验研究河水下渗补给地下水后对地下水质量的影响,并基于野外实测结果对实验所得结论进行检验;从物理和化学的角度对影响机理进行分析.本文旨在为评价永定河生态补水对地下水环境安全的影响提供参考.

1 材料与方法

1.1 研究区补水概况

永定河是流经北京市的最大河流.平原区河段(研究区)位于北京西南部的永定河冲积扇上,上起河流出山口的三家店,下至北京市大兴区与河北省固安县交界处.受气候变化和人类活动影响,永定河已从历史上的经常泛滥成灾退化为断流河,除了建有人工湖和局部坑洼的河段,河床常年干涸.

为使永定河复流,2019～2020年实施了“引黄入京”工程对其补水.补水在一定时期内实现了全河段有水.监测和研究结果显示,补入河道的水经由河床渗漏损失的比例较大,且损失的水对沿岸地下水有显著的补给作用[15-16],其对地下水质量的影响也受到关注.

受冲积扇沉积规律的控制,研究区地层自上游到下游存在显著的空间差异[17].根据这种差异将河段分成上、中、下游三段,这3段所流经地层的典型介质分别为卵砾石、砂、粉细砂.由于长期以来地下水“入不敷出”,沿岸地下水位埋藏较深,自上游到下游从40～50m减少至10m左右,因此河水和地下水之间的关系属于“脱节型”.

受自然演化规律和人类活动的共同影响,研究区大部分区域的地下水质量能够达到《地下水质量标准》[18](GB/T 14848-2017,下同)中III类的要求;局部区域为IV类,V类有零星分布.影响地下水质量的“瓶颈”指标主要为NO3-N、TDS、总硬度,局部也存在原生Fe、Mn、F超标问题.

由河水下渗补给地下水的过程可以推知,影响地下水质量的因素有河水质量和下渗量、下渗过程中发生的淋滤作用,因此分别通过混合实验和淋滤实验揭示其影响及其机理.

1.2 混合实验

如不考虑水-岩相互作用的影响,则下渗过程不会改变下渗水的化学组分和水质,因此下渗水对地下水质量的改变作用可以由“两端元”(分别为河水和地下水)混合实验法揭示.用于实验的河水为采自永定河河道的生态补水,地下水为采自离河流较远且不受河流补水影响的井水.河水和地下水各设1个采样点.

考虑到河水下渗补给量会对混合作用产生影响,在实验室分别开展5组混合实验,实验中河水与地下水的混合比例分别为1:5、2:5、3:5、4:5、5:5.为尽可能地模拟地下环境,混合实验均用棕色玻璃器皿进行,并将实验温度设置为12℃.将配制好的水样轮流放置在恒温水浴振荡器上摇匀.为充分揭示混合水的质量变化,对水样连续跟踪监测10d,每天一次.

1.3 淋滤实验

考虑到河水下渗会穿过河床和地下水面之间的包气带,期间可能会通过水-岩相互作用将包气带介质中的一些可溶化学组分携带至地下水中,从而影响地下水的质量,因此通过在渗流柱中开展淋滤实验揭示该过程.实验的淋滤用原水采自永定河河道的生态补水(与混合实验所用河水同源),淋滤介质为采自永定河河床一定深度的松散土.设置2组淋滤实验反映沿岸地层的空间差异,中游和下游各一组(上游地层介质为卵砾石,其化学组分的溶出作用极其有限,因此不予考虑).实验室渗流柱高度有限而实际包气带厚度较大.为了尽可能充分地模拟包气带的过程,在中游和下游河道的0～2m深度内自上而下各采集五组土样,上下相邻样品的间隔距离为0.5m.将5组土样充分混合后装入渗流柱.两组实验的淋滤用原水相同.

淋滤实验装置如图1所示(图1).渗流柱的一端安装支架后被竖直放置于实验室地面,模拟河水渗漏后在包气带中的垂向一维渗流过程以及其中发生的淋滤作用.渗流柱采用有机玻璃制成,内径15cm,高90cm,使用前用去离子水清洗柱子内壁.

图1 淋滤实验装置示意

柱子底部用带孔的橡皮塞塞紧,在塞子上部自下而上依次置入2层孔径为1mm的尼龙网、2层纤维布和2cm厚的石英砂,防止淋滤介质在实验中流失.然后在柱内填充80cm厚的淋滤介质,并在介质上部铺上4片滤纸、2层纱布和一层2cm厚的石英砂,以保证淋滤水能够均匀地渗入淋滤介质中.淋滤用原水由连接在柱子顶部的马氏瓶装置提供.在支架下层放置一个与柱子外径相同的漏斗,漏斗下用500mL烧杯承接淋滤液.2组淋滤实验均采用稳定流淋滤方式进行,淋滤时长均为13d.为充分揭示淋滤作用对下渗水质量的改变作用,实验期间对淋滤液进行连续跟踪监测,监测频率为每天1次.

1.4 水样检测

实验前对采集的河水和地下水样品化学组分进行检测,实验期间也对混合水和淋滤液的化学组分进行检测.检测指标种类在参考《地下水质量标准》[18]和研究区地下水质量现状等的基础上确定,总的选取原则为能够全面覆盖常规指标、宏量可溶组分和影响地下水质量等级的“瓶颈”指标,并充分预见和重视可能存在的有害化学组分.由此确定的检测指标为K、Na、Ca、Mg、HCO3、Cl、SO4、NO3-N、NH4-N、F、TDS、总硬度、CODMn、pH、Fe、Mn、Cu、Zn、Al、挥发性酚类、阴离子表面活性剂、氰化物、Hg、As、Se、Cd、Cr、Pb、三氯甲烷、四氯化碳、苯、甲苯等.样品制备和检测工作按照《地下水质量标准》[18]中推荐方法的要求进行.

2 结果和讨论

2.1 河水和地下水质量

检测结果显示,Fe、Mn、Cu、Zn、Al、挥发性酚类、阴离子表面活性剂、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检出,因此不作进一步分析;其他指标均有检出.河水的所有检出指标均达到《地下水质量标准》[18]中III类的要求;CODMn(2.80mg/L)的浓度略高于地下水(1.78mg/L),其余化学组分的浓度均低于地下水(表1).地下水的NO3-N、NH4-N、F、TDS、总硬度均不达标,这些影响地下水质量等级的“瓶颈”指标在河水中的浓度则低得多;地下水的其他指标都达到标准要求.因此,河水质量优于地下水.

表1 河水和地下水质量指标浓度

注:指标单位为mg/L,pH无单位.

2.2 混合作用的影响

混合实验结果显示,河水和地下水中未检出的Fe等指标(详见2.1节),混合实验期间也没有在混合水中检出,因此也不作进一步分析;其他指标如图2所示.5组混合实验得到的混合水指标浓度均介于河水和地下水之间,且混合水中河水的比例越大,这些指标的浓度越接近于河水的;反之则越接近于地下水的.

混合水中检出指标的浓度随时间呈现出轻微的波动变化,没有持续上升或下降等趋势性变化.这表明混合水的化学性质总体上比较稳定,进而表明,如果没有在包气带中的水-岩相互作用,河水和地下水的混合以机械作用为主,不涉及明显的化学作用.

综上,如果下渗水在包气带中不发生水-岩相互作用,河水下渗补给对地下水质量的影响取决于下渗量以及河水与地下水之间的质量对比情况,即如果河水质量优于地下水,则补水会促进地下水质量改善,补给量越大改善越明显;反之会使地下水质量恶化,补给量越大恶化作用也越大.

图2 混合水质量的时间变化

2.3 淋滤作用的影响

淋滤实验结果显示,河水和地下水中未检出的Fe等指标,在淋滤液中也未检出,因此也不作进一步分析;其他指标均有检出(图3).两组淋滤实验得到的淋滤液中检出指标的浓度大部分在淋滤实验初期呈现出较明显的趋势性变化,其中Na+K、HCO3、Cl、TDS等呈下降趋势,Ca、Mg、NO3-N、总硬度等呈上升趋势,其他指标的趋势性变化不明显.随着实验的进行,这些指标的浓度值又向河水的靠拢,并在后期总体上“回归”到河水的水平.检出指标浓度的时间变化规律和浓度值在两组实验间总体上均无明显区别(F的浓度值除外),这表明发生在中游和下游的淋滤作用无明显区别.

图3 淋滤作用影响下下渗水质量的时间变化

以上变化表明,包气带介质在淋滤初期可以吸附下渗水中的Na+K、HCO3、Cl等组分.随着时间延长,介质对新下渗水中这些组分的吸附作用迅速减弱,从而使这些组分可以随下渗水穿透包气带从而进入地下水.与这些组分不同,包气带介质中原有的Ca、Mg、NO3-N等组分在淋滤初期会通过解吸作用释放到下渗水中.随着淋滤时间的延长,包气带中的这些组分迅速释放殆尽,导致新下渗水无法再发挥浸出作用.受这些过程的影响,TDS和总硬度等综合指标在淋滤过程中也发生相应变化.下游实验淋滤液中F的浓度高于中游与下游地层中F的含量较高有关,且后者也是导致下游局部地下水中F浓度偏高的原因[19].

综上,下渗水的质量在下渗过程中发生的变化非常有限,表明发生在包气带中的淋滤作用不显著,其对下渗水质量的改变作用也不明显,即下渗补给水的质量总体上与河水的保持一致.这也进一步表明,河流生态补水对地下水质量的影响取决于河水,与发生在包气带中的过程关系不大.

2.4 实验结果的检验

利用已有的野外调查和研究结果[10](图4)对以上实验结果进行检验.由图可见,相较于2019年,受2020年春季永定河生态补水工程的影响,永定河冲积扇第四系地下水位有明显上升的地区的面积达到450km2以上,HCO3和影响地下水质量等级的“瓶颈”指标NO3-N的浓度也有所下降[20].2019年的地下水质量已受到当年生态补水的影响,因此如果以更早的地下水质量[21-27]作为基准进行对比,“瓶颈”指标NO3-N、TDS、总硬度等的浓度在生态补水的影响下均有所下降.

2.5 影响机理分析

除了河水质量和受影响前后地下水的质量能够准确定量,其他要素和过程均处于地下“黑箱”中,既难以感知也难以准确刻画.

以上实验结果表明,发生在地下“黑箱”中的过程并没有明显改变下渗水的质量,原因是期间并未发生明显的淋滤作用.出现这种情况的原因为包气带介质中缺乏易溶的化学组分,或者下渗水不足以使介质中的可溶组分溶出.一方面,经过长年大气降水和有水期河水等的下渗淋滤,包气带介质中的易溶组分尤其是微量和痕量组分已比较匮乏,进一步溶出潜力不足.另一方面,河流生态补水的质量总体较好,缺乏诸如溶解性有机物和氨氮等生化活性较活跃的组分[28-29],含有的宏量组分等具有较高的生化稳定性,因此不足以与包气带介质和原有地下水中的组分发生明显的生化作用.由此可见,生态补水对地下水质量的影响主要受河水与地下水机械混合作用的控制,主要为物理过程,因此取决于河水的下渗补给量和河水的质量.

另外,作为天然过滤层,包气带对下渗水中的悬浮物和易吸附组分等有过滤和净化作用[30],因此对下渗水的一些水质指标具有一定程度的改善作用[31].这也是包气带被视为地下水“保护层”的原因[32].

3 结论

3.1 永定河生态补水对地下水质量的影响较小.永定河生态补水在经由包气带下渗补给地下水的过程中发生的水-岩相互作用(淋滤作用)较微弱,下渗过程并没有改变下渗水的化学指标种类.淋滤实验前后各化学指标的浓度值变化较小,因此下渗过程对原有化学指标浓度的改变作用总体上也比较有限.

3.2 下渗水对地下水质量的改变作用取决于河水与地下水的质量差异和下渗量.生态补水对地下水质量的影响受控于补水下渗后与地下水的机械混合作用,即以物理过程为主,因此受影响后的地下水的质量总体上介于河水和地下水之间.河水质量与受影响前的地下水的差异越大,下渗量越大,补水对地下水质量的改变越明显,反之则越微弱.由于永定河生态补水水源的质量较好,补水对地下水质量的影响总体上是正面的和可接受的.中下游地下水中NO3-N的浓度分别由补水前的14.21mg/L和10.88mg/L降低到之后的3.67mg/L和8.9mg/L,可见补水对“瓶颈”指标具有一定的稀释和改善作用.

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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

翟远征(1983-),男,河南巩义人,副教授,博士,主要从事环境水文地质学研究.发表论文100余篇.

2021-09-24

国家水体污染控制与治理科技重大专项资助项目(2018ZX07101005-04);国家自然科学基金资助项目(41831283,42077170)

*责任作者, 硕士研究生, 527299974@qq.com