長(zhǎng)江下游沿江升金湖河湖過(guò)渡帶地下水來(lái)源及水質(zhì)影響因素分析*

崔玉環(huán)，王 杰，劉友存，郝 瀧，周 婷

(1：安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)理學(xué)院，合肥 230036) (2：安徽大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，合肥 230039) (3：嘉應(yīng)學(xué)院地理科學(xué)與旅游學(xué)院，梅州 514015) (4：安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，合肥 230036)

河湖過(guò)渡帶是河流和湖泊之間的過(guò)渡區(qū)域[1], 也是河水、湖水與地下水相互作用的關(guān)鍵區(qū)域，對(duì)河湖與陸地之間的水力聯(lián)系和碳氮交換起著紐帶作用[2-3]. 在河湖季節(jié)性水文情勢(shì)或洪水過(guò)程的影響下，河湖過(guò)渡帶中具有不同化學(xué)離子和營(yíng)養(yǎng)鹽成分的地表水(江水、河水、湖水)與地下水轉(zhuǎn)換頻繁，過(guò)程復(fù)雜，不僅對(duì)區(qū)域水分傳輸起著重要的調(diào)節(jié)作用[4-5]，同時(shí)還直接參與其生物地球化學(xué)循環(huán)過(guò)程，進(jìn)而引起地下水化學(xué)組分的變化[6]. 作為我國(guó)淡水湖群最集中地區(qū)，長(zhǎng)江中下游地區(qū)河湖過(guò)渡帶分布廣泛，人口聚集，流域水污染狀況日益突出. 因此，深入開展河湖過(guò)渡帶地下水的來(lái)源解析，以及研究混合水源對(duì)地下水水質(zhì)的影響，對(duì)流域水環(huán)境保護(hù)、水資源開發(fā)以及飲用水安全均具有重要意義.

河湖地區(qū)地下水與地表水的轉(zhuǎn)化方式、途徑與轉(zhuǎn)化量的研究,一直是國(guó)內(nèi)外關(guān)注的重要科學(xué)問(wèn)題. 隨著地表水與地下水相互作用研究的不斷細(xì)化和量化，人工示蹤法、水化學(xué)和環(huán)境同位素越來(lái)越多地用來(lái)估算兩者的轉(zhuǎn)化量[7-8]. 處于水循環(huán)系統(tǒng)中的不同水體，因其成因不同而具有不同的同位素組成特征，即氫(δ2H或δD)和氧(δ18O)同位素的富集程度不同[9]. 依據(jù)不同水體中同位素濃度的變化，能夠示蹤其形成和運(yùn)移方式，探究變化環(huán)境下的水循環(huán)規(guī)律及水體間的相互關(guān)系[10-11].

相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)[3,7]，河湖等地表水與地下水的季節(jié)性補(bǔ)排關(guān)系具有空間差異性，在有些區(qū)域地下水補(bǔ)給河流湖泊，而同時(shí)期有些地區(qū)則是河湖水補(bǔ)給周邊地下水. Wang等[12]依托野外調(diào)查和同位素示蹤技術(shù)，提出了黃河流域河水與地下水之間的8種轉(zhuǎn)化方式，并通過(guò)室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)揭示了河水與地下水轉(zhuǎn)化方式對(duì)轉(zhuǎn)化量的影響機(jī)理. Ala-Aho等[13]以芬蘭北部湖泊、河流和濕地為綜合體，基于耦合數(shù)值模型定量計(jì)算了地表水與地下水之間的轉(zhuǎn)化量，并揭示了轉(zhuǎn)化量的時(shí)間變異性及空間分布. 詹瀘成等[14]通過(guò)對(duì)洞庭湖區(qū)4月和8月降水、地表水和地下水氫氧同位素的測(cè)試分析，得出不同水體的同位素特征，及它們之間的水力聯(lián)系. 上述研究從流域尺度上分析了地表水與地下水的轉(zhuǎn)換過(guò)程，但在位于長(zhǎng)江、湖泊之間的河湖過(guò)渡帶，不同水體間的水力聯(lián)系復(fù)雜多變，地表水與地下水之間的補(bǔ)排關(guān)系隨時(shí)間的變化規(guī)律，以及水源混合對(duì)區(qū)域地下水水質(zhì)的影響情況等，目前仍不清楚.

升金湖國(guó)家自然保護(hù)區(qū)是國(guó)際重要濕地，也是我國(guó)重要的越冬鶴類棲息地，地處長(zhǎng)江中下游河湖過(guò)渡帶，其地下水環(huán)境對(duì)保障當(dāng)?shù)鼐用裆a(chǎn)生活、濕地生物多樣性有著重要影響. 鑒于此，本研究以長(zhǎng)江中下游升金湖河湖過(guò)渡帶為研究區(qū)，自2015年3月-2016年2月按月收集該地區(qū)的大氣降水，并于2017年4月中旬全面采集地表水(河水、湖水和長(zhǎng)江水)、地下水水樣，根據(jù)不同水體的氫氧同位素測(cè)定數(shù)值分析不同水體中δ18O和δD的變化特征，并通過(guò)MixSAIR模型進(jìn)行混合水體來(lái)源解析，并探究該區(qū)域地表水對(duì)地下水的補(bǔ)給規(guī)律，旨在揭示大氣降水、地表水和地下水之間的水力聯(lián)系，從而分析不同水體補(bǔ)排對(duì)地下水質(zhì)的影響，以期為水利工程實(shí)施、生態(tài)環(huán)境保護(hù)與治理提供理論指導(dǎo).

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)介紹

研究區(qū)位于安徽省池州市境內(nèi)，地處通江湖泊升金湖與長(zhǎng)江的過(guò)渡帶，北、西瀕臨長(zhǎng)江，南與升金湖相接，東側(cè)由黃湓河將升金湖與長(zhǎng)江連通(圖1). 研究區(qū)屬于升金湖西北沿江沖積平原，為第四紀(jì)地層構(gòu)造，土壤以黃色亞黏土和砂礫土為主[15]. 地勢(shì)從西北向東南逐漸降低，土地肥沃，水網(wǎng)密集，為長(zhǎng)江中下游平原重要的人口集聚區(qū)與集約農(nóng)業(yè)種植區(qū). 根據(jù)國(guó)產(chǎn)高分一號(hào)影像遙感解譯統(tǒng)計(jì)，該區(qū)域的農(nóng)業(yè)用地、建設(shè)用地分別占總面積的37%和22%，林地僅占1%左右. 年平均降水量約為1600 mm，且受亞熱帶季風(fēng)影響，主要集中在夏季，約占50%，地表徑流豐富.

圖1 研究區(qū)采樣點(diǎn)分布Fig.1 Distribution of sampling sites in the study area

為了有效控制升金湖水位，在湖泊至長(zhǎng)江出口的黃湓河上建有黃湓閘，汛期拒江水倒灌入湖，汛后排泄湖泊漬水，干旱年份引江水入湖或關(guān)閘蓄水，在一定程度上維持升金湖水位，減少干旱年份湖泊過(guò)度萎縮的風(fēng)險(xiǎn). 但該閘的運(yùn)作，導(dǎo)致該地區(qū)地表水、地下水之間的水力關(guān)系更為復(fù)雜，地下水受長(zhǎng)江、湖泊和河水的綜合影響較大.

1.2 水樣采集與分析

本研究于2017年4月13-15日對(duì)研究區(qū)進(jìn)行水文化學(xué)調(diào)查，共布設(shè)33個(gè)采樣點(diǎn)(圖1). 其中布設(shè)6個(gè)河流水采樣點(diǎn)(Ch31、Ch32、Ch41、Ch11、Ch12和Ch21)，21個(gè)地下水采樣點(diǎn)(D11～D48)，在長(zhǎng)江干流布設(shè)3個(gè)采樣點(diǎn)(Cj1～Cj3)，在升金湖布設(shè)3個(gè)采樣點(diǎn)(S1～S3). 除了Ch31、Ch32和Ch41位于新河干流的采樣點(diǎn)外(新河為農(nóng)業(yè)區(qū)的引水灌溉渠道，采樣期處于基本不流通狀態(tài))，河湖水樣均采集于流速較大的地方，到岸邊距離大于2 m. 地下水采樣點(diǎn)除D31(農(nóng)田灌溉水井)以外，均為居民區(qū)地下水井，均采集于井深6～9 m的淺層潛水井，且在水樣采集時(shí)用小型抽水泵抽取水井底部水體，以減少水深差異對(duì)同位素值的影響. 另外，為了分析研究區(qū)降水、地表水與地下水之間的轉(zhuǎn)化關(guān)系，本研究自2015年3月至2016年2月按月收集升金湖地區(qū)大氣降水，測(cè)定研究區(qū)降水中的δD和δ18O.

1.3 貝葉斯混合模型

在水文混合模型中，假定水體的成分是不同來(lái)源特征的綜合混合物[16]，可以使用n個(gè)不同的示蹤劑來(lái)唯一確定n+1個(gè)源對(duì)混合物的貢獻(xiàn)比率[17]. 貝葉斯混合模型可以用來(lái)識(shí)別多個(gè)(>3)源并計(jì)算它們對(duì)混合物的貢獻(xiàn)[18-19]，該模型基于狄利克雷分布，在貝葉斯框架下構(gòu)建了一個(gè)邏輯先驗(yàn)分布. 本研究利用由R包創(chuàng)建和運(yùn)行的貝葉斯混合模型(MixSIAR版本3.1.10)[20]來(lái)量化研究區(qū)地下水不同補(bǔ)給來(lái)源的貢獻(xiàn)比率.

1.4 混合水源對(duì)水化學(xué)參數(shù)的貢獻(xiàn)

地下水中pH、Cond和TDS等水質(zhì)參數(shù)受補(bǔ)給水源混合和存儲(chǔ)環(huán)境化學(xué)離子輸入的綜合影響，其中補(bǔ)給水源對(duì)水化學(xué)參數(shù)濃度的貢獻(xiàn)量可用下式計(jì)算：

pHji=pH長(zhǎng)江水·xi長(zhǎng)江水+pH湖水·xi湖水+pH河水·xi河水+pH降水·xi降水

(1)

Condji=Cond長(zhǎng)江水·xi長(zhǎng)江水+Cond湖水·xi湖水+Cond河水·xi河水+Cond降水·xi降水

(2)

TDSji= TDS長(zhǎng)江水·xi長(zhǎng)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指混合水源對(duì)第i個(gè)地下水樣pH、Cond和TDS的貢獻(xiàn)量，xi長(zhǎng)江水、xi湖水、xi河水和xi降水分別為長(zhǎng)江水、湖水、河水和降水對(duì)第i個(gè)地下水樣的貢獻(xiàn)率.

2 結(jié)果與討論

2.1 氫氧同位素特征分析

2.1.1 降水同位素特征 本文根據(jù)2015年3月-2016年2月按月收集的大氣降水?dāng)?shù)據(jù)，分析降水中δ18O 同位素、月降水量的年內(nèi)變化趨勢(shì). 由圖2a可知，研究區(qū)降水量年內(nèi)分配不均勻，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，其余月份較大，主要原因在于：研究區(qū)6-9月屬于夏季季風(fēng)期，降雨充沛，水汽的同位素在多次冷凝后變得越來(lái)越貧化，而其余月份主要受冬季季風(fēng)影響，氣團(tuán)主要來(lái)自高緯度的亞洲內(nèi)陸，所攜帶的水汽同位素值偏正，降水同位素富集，這也是中低緯季風(fēng)區(qū)δD和δ18O存在的一個(gè)普遍特點(diǎn)[21-23].

降水同位素是一種非常理想的天然示蹤劑，δ18O與δD在蒸發(fā)過(guò)程中將保持線性關(guān)系，不同月份的降水蒸發(fā)后都沿著各自的蒸發(fā)線分布. 研究區(qū)降水中δ18O與δD的關(guān)系見圖2b，進(jìn)而獲得對(duì)應(yīng)降水線LMWL：δD= 8.18δ18O+22. 該地區(qū)降水線斜率大于全球降水線斜率8，反映出水循環(huán)過(guò)程中穩(wěn)定同位素非平衡分餾的影響[24]，其截距也明顯大于全球降水線的截距10‰，與穩(wěn)定同位素動(dòng)力分餾和局地氣候有關(guān)[25-27]. 研究區(qū)降水線的斜率和截距與長(zhǎng)沙[28]、桂林[29]和南京[29]等地的大氣水線差別不大，反映了這些地區(qū)在受季風(fēng)影響程度與降水水汽來(lái)源等方面具有相似性.

圖2 研究區(qū)月降水量、氫氧同位素變化特征：(a)降水量與δ18O的月變化過(guò)程； (b) 研究區(qū)降水中δ18O與δD的關(guān)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 地表水與地下水同位素特征 從研究區(qū)地表水、地下水中氫氧同位素δ18O與δD的關(guān)系(圖3a)可以看出，在地表水體中，河水的氫氧同位素最富集，δ18O與δD平均值最大，湖水的次之，而長(zhǎng)江水的δ18O與δD值最小. 地表水δ18O與δD的關(guān)系點(diǎn)基本都落在降水線LMWL之下，得到地表水?dāng)M合線為δD=8.00δ18O+19.8，斜率和截距均小于降水線，這說(shuō)明本地區(qū)地表水補(bǔ)給源主要來(lái)自大氣降水. 根據(jù)地表水δ18O與δD的關(guān)系可將水樣分成兩組，A組包括長(zhǎng)江水和湖水，受降水補(bǔ)給，更新速度較快，同位素較為貧乏；B組包括新河等流通性較差水體，在蒸發(fā)作用下，同位素最為富集. 同位素在蒸發(fā)分餾時(shí)，δD的富集速率遠(yuǎn)大于δ18O[28]，使得新河等流通性差的水體δD富集較δ18O快，進(jìn)而導(dǎo)致地表水蒸發(fā)線斜率小于降水線斜率.

由圖3b可以看出，地下水δ18O值范圍為-5.41‰～-8.68‰，均值為-7.07‰，δD值范圍為-18.7‰～-51.7‰，均值為-35.96‰，由于地下水埋深和來(lái)源不同，不同樣點(diǎn)δ18O與δD值存在較大差異. 本研究所得地下水?dāng)M合線為δD=9.78δ18O+33.1，斜率和截距均大于降水線. 由于水體水分來(lái)源不同，同位素值差異較大，按照δ18O與δD同位素關(guān)系可分成兩組：A組包括近長(zhǎng)江和湖岸的樣點(diǎn)，δ18O最大值為-7.06‰，最小值為-8.67‰，均值為-7.73‰，δD值最大為-36.65‰，最小為-51.7‰，均值為-42.52‰，同位素較為貧乏，且該組地下水δ18O與δD同位素值和長(zhǎng)江、湖泊水接近，與長(zhǎng)江、湖泊水體之間的水力聯(lián)系緊密；B組包括采樣區(qū)中部大部分采樣點(diǎn)，δ18O最大值為-5.41‰，最小值為-6.75‰，均值為-6.00‰，δD最大值為-18.7‰，最小值為-33.2‰，均值為-25.69‰，同位素較為富集，且該組地下水δ18O與δD同位素值和河水接近，說(shuō)明其與河水之間水力聯(lián)系更為密切.

圖3 研究區(qū)地表水(a)和地下水(b)中δD與δ18O的關(guān)系Fig.3 Relationship between δD and δ18O in surface water (a) and groundwater (b)

2.2 地下水補(bǔ)給來(lái)源解析

通過(guò)分析地表、地下水的δ18O和δD值的特征發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)地下水與長(zhǎng)江水、湖水和河水之間的水力聯(lián)系密切，此外降水也是地下水的一種重要來(lái)源. 考慮到本研究采樣期為4月中旬，研究區(qū)還未進(jìn)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補(bǔ)給，僅考慮地表水向地下水的補(bǔ)給水量. 因此，本研究確定地下水具有長(zhǎng)江水、湖水、河水和降水這4種補(bǔ)給水源(即混合水源). 根據(jù)實(shí)地調(diào)查結(jié)果統(tǒng)計(jì)，上述4種補(bǔ)給水源的δ18O和δD數(shù)值范圍如表1所示.

表1 采樣期不同水體δ18O和δD的數(shù)值范圍及對(duì)應(yīng)水位

根據(jù)表1中長(zhǎng)江水、湖水、河水和降水的δ18O和δD實(shí)測(cè)數(shù)值，利用MixSIAR模型定量計(jì)算了采樣期長(zhǎng)江水、湖水、河水和降水對(duì)每個(gè)地下水樣的貢獻(xiàn)率(圖4). 結(jié)果發(fā)現(xiàn)，河水對(duì)地下水的貢獻(xiàn)率最大，范圍為26%～75%，均值為47%；其次為降水，范圍為4%～41%，均值為20%；湖水和長(zhǎng)江水貢獻(xiàn)率接近，范圍分別為13%～20%和5%～21%，均值分別為16%和17%.

圖4 長(zhǎng)江水、湖水、河水和降水對(duì)地下水的貢獻(xiàn)率Fig.4 Contribution ratios of Yangtze River, lake, surface water and precipitation to groundwater

結(jié)合圖1分析，地下水樣點(diǎn)D11、D22、D23、D41和D42位于研究區(qū)中部的河道周邊，主要受河水補(bǔ)給，貢獻(xiàn)率高達(dá)60%以上，D12、D13、D21、D31、D32、D43～D48基本位于長(zhǎng)江南岸，受降水和長(zhǎng)江水的補(bǔ)給較高，總貢獻(xiàn)率達(dá)50%左右，湖水對(duì)每個(gè)地下水樣點(diǎn)的補(bǔ)給差異較小，貢獻(xiàn)率在16%左右. 前期相關(guān)研究[30]分析了2015-2017年長(zhǎng)江安慶段、升金湖水位的年際變化特征，以及黃湓閘控水運(yùn)作方式，夏、秋季長(zhǎng)江高水位，黃湓閘防止長(zhǎng)江水倒流而關(guān)閉，長(zhǎng)江水側(cè)滲補(bǔ)給周邊地下水，冬、春季長(zhǎng)江水位回落，開閘放水，湖泊水向周邊地下水補(bǔ)給. 本研究的采樣期處于長(zhǎng)江高水位期并向周圍地下水下滲補(bǔ)給，導(dǎo)致了長(zhǎng)江南岸的地下水樣受長(zhǎng)江水補(bǔ)給較大. 另外，研究區(qū)河水為農(nóng)業(yè)區(qū)的引水灌溉渠道，受水閘控制，采樣期處于春季引水灌溉之后，因此模型解析結(jié)果表明河水對(duì)地下水的貢獻(xiàn)率最高.

2.3 水源混合對(duì)地下水水質(zhì)參數(shù)的影響

由于不同水體之間的化學(xué)轉(zhuǎn)換非常復(fù)雜且很難定量，因此本研究重點(diǎn)考慮水源混合和外源輸入對(duì)地下水pH、Cond和TDS實(shí)測(cè)水質(zhì)參數(shù)的影響. 為探究水源混合(長(zhǎng)江水、湖水、河水和降水)對(duì)研究區(qū)地下水水質(zhì)的影響，本文根據(jù)MixSIAR模型解析得到各類水源對(duì)地下水的貢獻(xiàn)率，結(jié)合對(duì)應(yīng)pH、Cond和TDS的實(shí)測(cè)值(表2)，進(jìn)一步計(jì)算混合水源對(duì)各地下水樣pH、Cond和TDS的貢獻(xiàn)量(公式(1))，并計(jì)算地下水中混合水源對(duì)水質(zhì)參數(shù)的貢獻(xiàn)率，貢獻(xiàn)率=(貢獻(xiàn)量/實(shí)測(cè)值)×100%，結(jié)果見圖5a.

表2 長(zhǎng)江水、湖水、河水和降水的pH、 Cond和TDS實(shí)測(cè)值(平均值±偏差)

從圖5a可以看出，來(lái)自混合水源的pH貢獻(xiàn)量與實(shí)測(cè)值接近，但在D11、D14、D22、D23、D33～D36、D41、D42地下水樣的貢獻(xiàn)值略大于實(shí)測(cè)值，混合水源基本決定了地下水的酸堿度；混合水源對(duì)地下水Cond的貢獻(xiàn)率在50%以上(除了D21、D34和D47)，均值為69%，貢獻(xiàn)了絕大部分地下水的Cond值；混合水源對(duì)地下水TDS在D11、D22、D34～D36、D45和D48的貢獻(xiàn)率在50%左右，其他樣點(diǎn)均較小，貢獻(xiàn)率均值為37%，混合水源僅貢獻(xiàn)了小部分的地下水TDS值. 結(jié)合圖1中地下水點(diǎn)位和圖4中混合水源對(duì)地下水的貢獻(xiàn)率發(fā)現(xiàn)，混合水源對(duì)地下水pH貢獻(xiàn)值與實(shí)測(cè)值的較大誤差出現(xiàn)在D11、D14、D22、D23、D33～D36、D41、D42等受河水補(bǔ)給較大的地下水樣點(diǎn)，河水補(bǔ)給率達(dá)60%以上，對(duì)地下水Cond、TDS貢獻(xiàn)值與實(shí)測(cè)值的較大誤差出現(xiàn)在D12～D14、D21、D23、D31～D33、D47等受河水或長(zhǎng)江水補(bǔ)給較大的地下水樣點(diǎn)，這與地下水存儲(chǔ)環(huán)境化學(xué)離子的外源輸入有關(guān).

圖5 水源混合及外源輸入對(duì)地下水水質(zhì)參數(shù)的影響：(a) 混合水源對(duì)地下水pH、Cond和 TDS的貢獻(xiàn)率；(b) 地下水pH、Cond和TDS外源貢獻(xiàn)量與的關(guān)系 (r為Pearson相關(guān)系數(shù)，P為顯著性水平，n為樣本個(gè)數(shù))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)

長(zhǎng)江中下游地區(qū)湖泊聚集，河湖過(guò)渡帶空間分布廣泛，地表水類型多樣，與地下水之間的水力聯(lián)系復(fù)雜多變，同時(shí)還受到人類活動(dòng)擾動(dòng)的影響. 本文選擇的升金湖河湖過(guò)渡帶在流域特征上具有明顯的代表性，提出的研究方法與研究結(jié)論都具有一定的推廣價(jià)值，對(duì)整個(gè)區(qū)域河湖過(guò)渡帶的水環(huán)境保護(hù)、水資源開發(fā)以及飲用水安全具有重要的指導(dǎo)意義.

3 結(jié)論

本文以升金湖河湖過(guò)渡帶為研究區(qū)，采用MixSIAR模型定量解析不同補(bǔ)給源對(duì)地下水的貢獻(xiàn)率，并探究了水源混合對(duì)地下水水質(zhì)的影響，得出以下結(jié)論：

通過(guò)不同水體氫氧同位素特征分析，近長(zhǎng)江和湖岸的地下水樣點(diǎn)同位素值貧乏，與長(zhǎng)江水、湖水同位素特征相近，其與長(zhǎng)江、湖泊的水力聯(lián)系密切，而中部地下水同位素值較為富集，與河水同位素特征接近，其與河水的水力聯(lián)系更為緊密.

利用MixSIAR模型對(duì)采樣期地下水源定量解析發(fā)現(xiàn)，受水位、閘控運(yùn)作、引水灌溉等綜合影響，河水對(duì)地下水的貢獻(xiàn)率最大，約為47%；其次為降水，貢獻(xiàn)率約為20%；湖水和長(zhǎng)江水的貢獻(xiàn)率相近，分別約為16%和17%.