孔曉樂(lè)　王仕琴　劉丙霞　孫宏勇（.中國(guó)科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所農(nóng)業(yè)資源研究中心/中國(guó)科學(xué)院農(nóng)業(yè)水資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/河北省節(jié)水農(nóng)業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室石家莊 050022；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 北京 00049）

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外來(lái)調(diào)水對(duì)華北低平原區(qū)地表水和地下水水化學(xué)特征的影響*
——以河北省南皮縣為例

孔曉樂(lè)1，2王仕琴1**劉丙霞1孫宏勇1
（1.中國(guó)科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所農(nóng)業(yè)資源研究中心/中國(guó)科學(xué)院農(nóng)業(yè)水資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/河北省節(jié)水農(nóng)業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室石家莊 050022；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 北京 100049）

華北低平原區(qū)有著巨大的糧食增產(chǎn)潛力，同時(shí)也是糧食生產(chǎn)和農(nóng)業(yè)水資源矛盾突出的地區(qū)。外來(lái)調(diào)水與淺層微咸水的聯(lián)合利用是解決區(qū)域水資源問(wèn)題的有效途徑之一，同時(shí)也將引起區(qū)域水循環(huán)和水環(huán)境的改變。為明確外來(lái)調(diào)水對(duì)華北低平原區(qū)地表水和地下水水化學(xué)特征的影響，本研究在華北低平原區(qū)河北省南皮縣域內(nèi)對(duì)調(diào)水后不同季節(jié)地表水和地下水進(jìn)行調(diào)查和采樣，利用水文地球化學(xué)和氫氧（δ2H、δ18O）穩(wěn)定同位素相結(jié)合的方法，研究外來(lái)調(diào)水對(duì)地表水和地下水轉(zhuǎn)化及其水化學(xué)特征的影響。研究結(jié)果表明，11月至翌年7月，受蒸發(fā)作用的影響，地表水電導(dǎo)率（EC）和鈉吸附比（SAR）增加，δ2H、δ18O同位素不斷富集；由于地表水和周?chē)寥赖慕粨Q吸附作用使其水化學(xué)類(lèi)型向Na+、Cl-和增加、減少的咸水轉(zhuǎn)變。調(diào)水改變了地表水和淺層地下水之間的補(bǔ)給關(guān)系，11月至翌年3月，溝渠附近淺層地下水受外來(lái)調(diào)水直接或者灌溉補(bǔ)給，使得3月淺層地下水EC降低，埋深變淺，部分采樣點(diǎn)分布在外來(lái)調(diào)水的SAR-EC區(qū)域。受調(diào)水影響，3月溝渠附近淺層地下水水化學(xué)類(lèi)型為Na·Mg·Ca-Cl·SO4、Na·Mg-Cl·SO4·HCO3、Na·Mg-SO4·Cl·HCO3等，是11月調(diào)水（Na·Mg·Ca-SO4·HCO3·Cl）和淺層地下水（Na·Mg-Cl·SO4）的過(guò)渡類(lèi)型。 3月至7月淺層地下水補(bǔ)給溝渠水，地下水埋深變深，7月淺層地下水水化學(xué)類(lèi)型與3月相似。調(diào)水可以季節(jié)性地改善區(qū)域內(nèi)溝渠水及其附近的淺層地下水水質(zhì)，而對(duì)深層地下水和坑塘水的水質(zhì)無(wú)改善作用。調(diào)水對(duì)溝渠水水質(zhì)的改善體現(xiàn)在調(diào)水季節(jié)，對(duì)淺層地下水水質(zhì)的改善存在滯后性，2014年11月調(diào)水之后，2015年3月淺層地下水的水質(zhì)得到改善。因此，采用調(diào)水和淺層地下水、坑塘水混合灌溉，對(duì)合理開(kāi)發(fā)利用區(qū)域咸淡水資源以及深層地下水壓采，恢復(fù)地下水位意義重大。

調(diào)水水化學(xué)特征 水質(zhì) 地表水-地下水轉(zhuǎn)化 華北低平原區(qū)南皮縣

不斷增長(zhǎng)的人口對(duì)糧食的需求量不斷增加，預(yù)計(jì)到2050年農(nóng)業(yè)產(chǎn)量需求量將翻倍［1］。我國(guó)政府提出到2020年實(shí)現(xiàn)糧食增產(chǎn)500億kg，環(huán)渤海低平原中低產(chǎn)田區(qū)有鹽堿荒地67萬(wàn)hm2，是重要的后備耕地資源，有著巨大的糧食增產(chǎn)潛力［2］。位于華北中東部的低平原區(qū)，淺層含水層多微咸水分布，開(kāi)發(fā)利用程度低；農(nóng)業(yè)灌溉導(dǎo)致對(duì)深層地下水的過(guò)量開(kāi)采，已經(jīng)造成中東部平原區(qū)形成以天津、河北滄州和衡水為中心的復(fù)合型地下水超采漏斗群［3-6］。為了緩解華北平原水資源危機(jī)和深層地下水超采引起的環(huán)境問(wèn)題，2014年6月河北省制定了深層地下水壓采限采規(guī)劃，其中位于華北中東部低平原區(qū)的滄州市為主要的壓采限采區(qū)。壓采措施的提出無(wú)疑給該區(qū)域水資源的利用提出了挑戰(zhàn)。為解決低平原區(qū)水資源問(wèn)題，一方面正在逐步加強(qiáng)淺層微咸水的利用力度，如郭凱等［7］采取冬季咸水結(jié)冰灌溉技術(shù)，提高了對(duì)區(qū)域內(nèi)礦化度較高的淺層地下水的利用程度；李佳等［8］研究了河北低平原冬小麥長(zhǎng)期咸水灌溉礦化度閾值。另一方面跨流域調(diào)水對(duì)于緩解華北低平原區(qū)地下水超采引起的一系列環(huán)境問(wèn)題有著重要作用。通過(guò)“南水北調(diào)”東線工程引入的黃河水和長(zhǎng)江水，將引起該區(qū)域農(nóng)業(yè)用水轉(zhuǎn)向淺層微咸水和當(dāng)?shù)赜晁?、地表水和外?lái)引調(diào)地表水等多水源聯(lián)合利用的模式，同時(shí)減少深層地下水的開(kāi)采。

研究區(qū)南皮縣位于河北省滄州市南部，區(qū)域內(nèi)土壤主要是Cl-或Cl-和、Mg2+混合型鹽化潮土，沿剖面上下多成 T字型分布，表層含鹽量比較高，50cm以下土層基本穩(wěn)定［9］。區(qū)域地下水位埋深較淺，為1～5m，在干旱季節(jié)地下水對(duì)作物有一定的補(bǔ)償作用［10］；水循環(huán)主要以垂直方向上的入滲、蒸發(fā)和蒸騰的方式存在［11］。

針對(duì)華北低平原區(qū)地下水埋深較淺易受地表水影響、流動(dòng)性弱且更新能力較差［4］的情況，外來(lái)調(diào)水應(yīng)用于農(nóng)業(yè)灌溉將改變?cè)械乃h(huán)模式和水環(huán)境，研究華北低平原受水區(qū)地表水和地下水的轉(zhuǎn)換關(guān)系以及調(diào)水對(duì)水化學(xué)特征的影響對(duì)水資源合理開(kāi)發(fā)利用具有重要意義。很多學(xué)者針對(duì)跨流域調(diào)水對(duì)受水區(qū)水循環(huán)和水質(zhì)的影響展開(kāi)了一系列研究。趙世新等［12］通過(guò)三維水力調(diào)配和水質(zhì)模型，并經(jīng)實(shí)測(cè)值驗(yàn)證，結(jié)果證明：調(diào)水可以改善受水區(qū)地表水水質(zhì)狀況。柳強(qiáng)［13］對(duì)黃河三角洲農(nóng)業(yè)區(qū)引黃河水灌溉生態(tài)調(diào)水對(duì)地表水與地下水交換機(jī)制影響的研究結(jié)果表明：調(diào)水和當(dāng)?shù)氐牡叵滤旌喜⑴c區(qū)域內(nèi)水循環(huán)影響地下水的水位和水化學(xué)特征。

“引黃濟(jì)滄工程”是南水北調(diào)的一部分，2014年“引黃濟(jì)滄”通過(guò)潘莊線路分兩次共調(diào)引黃河水3.4億m3，9月一期0.5億m3調(diào)水調(diào)入大浪淀供給城市生活用水，10—11月的二期調(diào)水1.9億m3入大浪淀等水庫(kù)供給城市生活用水，1億m3為農(nóng)業(yè)用水［14］。南皮縣是農(nóng)業(yè)調(diào)水的主要受水區(qū)，也是“渤海糧倉(cāng)”項(xiàng)目縣域糧食增產(chǎn)的主要示范區(qū)。本文以華北低平原區(qū)農(nóng)業(yè)調(diào)水典型的受水區(qū)——河北省南皮縣的地表水和地下水為研究對(duì)象，以氫氧同位素為手段研究區(qū)域內(nèi)地表水和地下水轉(zhuǎn)化關(guān)系，并在此基礎(chǔ)上，結(jié)合水文地球化學(xué)和數(shù)理統(tǒng)計(jì)的方法分析調(diào)水對(duì)區(qū)域地表水和地下水水化學(xué)特征的影響，為合理開(kāi)發(fā)利用區(qū)域咸淡水資源以及防止水環(huán)境惡化提供理論依據(jù)。

1　材料與方法

1.1研究區(qū)概況

研究區(qū)處于內(nèi)陸平原與濱海平原過(guò)渡地區(qū)，屬黃河、海河沖積平原（圖1），為暖溫帶半干旱半濕潤(rùn)季風(fēng)氣候，光照資源充足，年最高氣溫31℃，年最低氣溫-19℃，≥19℃的年平均積溫4 300℃，年平均日照時(shí)數(shù)2 318 h。降水年際和年內(nèi)變化很大，多年（1954—2010年）平均降水量為572.5mm，降水年內(nèi)分布不均，6—8月降水約占全年總降水量的73.6％［9-10］。

圖1　研究區(qū)地理位置和采樣點(diǎn)分布圖Fig.1 Location of the study area in Nanpi County and sampling points

圖2　區(qū)域水文地質(zhì)剖面［根據(jù)張兆吉等［4］繪制］Fig.2 Hydrogeology cross-section in the study area（modified according to Zhang et al.［4］）

區(qū)域有4個(gè)地下含水層（圖2），第Ⅰ、Ⅱ含水層組為咸水和微咸水，開(kāi)發(fā)利用程度低；第Ⅲ、Ⅳ含水層組為淡水，是區(qū)域內(nèi)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主要水源［4］。區(qū)域內(nèi)有發(fā)達(dá)的地表水系統(tǒng)，除大運(yùn)河、漳衛(wèi)新河、宣惠河和四港新河 4條主要的河流和集水區(qū)大浪淀外，還包括大浪淀的5條引水渠（一、二、三、四、五號(hào)干渠）、大浪淀排水、肖圈干渠和路東溝等主要的排水溝渠（圖1）。農(nóng)業(yè)外來(lái)調(diào)水首先經(jīng)南運(yùn)河進(jìn)入肖圈干渠，然后再通過(guò)大浪淀的 4條引水渠輸水供給農(nóng)業(yè)灌溉。2014年11月至2015年7月采樣期間區(qū)域內(nèi)無(wú)二次農(nóng)業(yè)調(diào)水。在采樣期間，共進(jìn)行了3次灌溉，分別為：2014年11月小麥灌溉，水源主要為深層地下水和外來(lái)調(diào)水，引水溝渠附近的農(nóng)田采用溝渠水進(jìn)行灌溉，距離溝渠水較遠(yuǎn)的農(nóng)田采用深層地下水進(jìn)行灌溉；3月小麥灌溉和7月上旬玉米灌溉以深層地下水為主要的灌溉水源。

1.2樣品的采集和分析

本研究以大浪淀引水渠地表水及其周邊地下水為研究對(duì)象，分別于2014年11月、2015年3月和7月針對(duì)宣惠河以北、四號(hào)干渠以西的區(qū)域沿主要干溝和河流進(jìn)行實(shí)地調(diào)查和水樣采集（圖1），采樣包括淺層地下水、深層地下水、溝渠水和坑塘水。現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查淺層地下水水埋深，采用便攜式 pH計(jì)（pH/ ORP/DO METER D-75，HORIBAR Scientific，日本）現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定 pH，電導(dǎo)率儀（COND METER ES-71，HORIBAR Scientific，日本）現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定電導(dǎo)率（EC）。地下水采樣前先抽水3 min左右，然后用50mL和100mL的塑料瓶采集水樣裝滿并密封帶回實(shí)驗(yàn)室，放于4℃冰箱保存，一周之內(nèi)完成分析工作。水化學(xué)和同位素分析均在中國(guó)科學(xué)院農(nóng)業(yè)水資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，水樣K+、Ca2+、Na+、Mg2+、Cl-、SO42-、NO3-采用液相離子色譜（ICS-2100，Dionex，美國(guó)）分析，HCO3-和CO32-采用雙指示劑滴定法測(cè)定，所有水樣進(jìn)行陰陽(yáng)離子平衡驗(yàn)證，保證可信的誤差范圍在±5％以?xún)?nèi)。δ2H、δ18O采用液態(tài)水穩(wěn)定性同位素分析儀（L2120-i Isotopic H2O；Picarro美國(guó)）進(jìn)行測(cè)定，δ2H、δ18O采用VSMOW標(biāo)準(zhǔn)，其中 δ2H的分析精度為±0.5‰、δ18O的分析精度為±0.2‰。

2　結(jié)果與分析

2.1地表水和地下水理化性質(zhì)

表1為研究區(qū)地表水和地下水水化學(xué)參數(shù)統(tǒng)計(jì)值。從中可知，區(qū)域地表水和地下水呈堿性，其中深層地下水和溝渠水pH季節(jié)變化不明顯，而2014年11月至翌年7月淺層地下水和坑塘水pH平均值增加。不同水體pH變化規(guī)律：2014年11月為淺層地下水（7.43）＜坑塘水（8.24）＜深層地下水（8.25）＜溝渠水（8.33），2015年3月為淺層地下水（7.57）＜溝渠水（8.35）＜深層地下水（8.41）＜坑塘水（8.54），2015年7月為淺層地下水（7.60）＜深層地下水（8.43）=溝渠水（8.43）＜坑塘水（8.94）。區(qū)域內(nèi)地表水和地下水EC值呈現(xiàn)不同的季節(jié)變化規(guī)律，深層地下水EC平均值最小，且不同季節(jié)變化?。? 369～1 417 μS·cm-1）；2014年11月至翌年3月淺層地下水EC平均值減小，2015年3月至7月增加，2014年11月和翌年7月EC值接近；坑塘水EC平均值呈現(xiàn)出與淺層地下水相反的變化規(guī)律；2014年11月至翌年7月溝渠水EC平均值增加，增幅為4 520 μS·cm-1。不同水體EC平均值的季節(jié)變化規(guī)律具體為：2014年11月深層地下水（1 417 μS·cm-1）＜溝渠水（1 623 μS·cm-1）＜坑塘水（4 125 μS·cm-1）＜淺層地下水（4 173 μS·cm-1），2015年3月深層地下水（1 403 μS·cm-1）＜溝渠水（3 606 μS·cm-1）＜淺層地下水（3 863 μS·cm-1）＜坑塘水（4 846 μS·cm-1），2015年7月深層地下水（1 369 μS·cm-1）＜淺層地下水（4 167 μS·cm-1）＜坑塘水（4 700 μS·cm-1）＜溝渠水（6 143 μS·cm-1）。結(jié)合當(dāng)?shù)氐乃牡刭|(zhì)條件［4］和野外調(diào)查情況可知，低平原區(qū)地下水埋深較淺，地表水和地下水交換迅速，EC值較低的外來(lái)調(diào)水參與區(qū)域水循環(huán)，可降低區(qū)域內(nèi)地表水和淺層地下水的礦化度，因此不同季節(jié)不同水體 EC值之間的差異可揭示它們之間來(lái)源和補(bǔ)給關(guān)系。

表1　研究區(qū)地表水和地下水水化學(xué)參數(shù)統(tǒng)計(jì)值Table 1 Statistics of hydro-geochemical parameters of surface water and groundwater in the study area

δ2H、δ18O同位素是不同水體之間補(bǔ)給關(guān)系的示蹤劑［15］，表2為不同季節(jié)地表水和地下水δ2H和δ18O 同位素值統(tǒng)計(jì)特征。從表中可知，受地表水體蒸發(fā)作用的影響，地表水體δ2H、δ18O同位素值大于地下水體，且表現(xiàn)出隨季節(jié)變化的趨勢(shì)，而不同季節(jié)地下水δ2H、δ18O同位素值變化不大。不同水體δ2H、δ18O同位素季節(jié)變化為：坑塘水＞溝渠水＞淺層地下水＞深層地下水。

表2　研究區(qū)不同季節(jié)地表水和地下水δ2H和δ18O同位素值統(tǒng)計(jì)特征Table 2 δ2H and δ18O distribution characteristics of surface water and groundwater in different seasons in the study area ‰

2.2地表水和地下水的補(bǔ)給關(guān)系

由于地表水和地下水屬于同一資源的兩個(gè)互相聯(lián)系的成分，它們對(duì)彼此的水量和水質(zhì)相互影響［16］。明確地表水和地下水相互轉(zhuǎn)化關(guān)系，對(duì)于區(qū)域水資源的開(kāi)發(fā)利用和管理非常重要。圖3為地表水和地下水δ2H-δ18O同位素關(guān)系，從中可知，深層地下水δ2H、δ18O同位素分布范圍與地表水和淺層地下水相差很大。徐彥澤［17］通過(guò)格陵蘭冰芯同位素值，結(jié)合當(dāng)?shù)厮牡刭|(zhì)條件和歷史地理狀況，認(rèn)為滄州市深層地下水（井深300～450m，δ2H范圍為-76‰～-72‰，δ18O 范圍為-10.7‰～-10.1‰）是晚更新世冰期古水補(bǔ)給；淺層地下水（井深10～50m，δ2H范圍為-69‰～-59‰，δ18O 范圍為-9.6‰～-8.2‰）主要為全新世黃河河水補(bǔ)給。陳宗宇［18］提出了華北平原淺層地下水和深層地下水同位素分布的范圍，分別與本次研究中淺層深層地下水的δ2H和δ18O同位素值的范圍一致，結(jié)合水文地質(zhì)條件（圖2），可以認(rèn)為深層地下水與淺層地下水無(wú)水力聯(lián)系。因此，本區(qū)域內(nèi)深層地下水和淺層地下水來(lái)源不同，且無(wú)水力交換關(guān)系。

與深層地下水不同，淺層地下水同位素和部分地表水范圍接近，這說(shuō)明地表水和淺層地下水之間水力交換密切。強(qiáng)烈的蒸發(fā)作用使得地表水同位素富集，同位素相對(duì)富集的地表水對(duì)淺層地下水的補(bǔ)給使得淺層地下水的同位素相對(duì)富集，和部分地表水同位素值分布范圍接近。同時(shí)部分地表水同位素值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于地下水體，也體現(xiàn)了一定的蒸發(fā)特征?？犹粮浇臏\層地下水同位素值與坑塘水接近（δ2H分布范圍為-48.9‰～-46.8‰，δ18O 分布范圍為-5.9‰～-5.6‰），但大于其他淺層地下水同位素值，可以證明坑塘附近淺層地下水受坑塘水的補(bǔ)給（S20）。

圖3　研究區(qū)地表水和地下水δ2H-δ18O同位素關(guān)系（全球大氣降水線參考文獻(xiàn)［19］繪制，當(dāng)?shù)卮髿饨邓€參考文獻(xiàn)［11］繪制）Fig.3 Relationship between δ2H and δ18O isotope of surface water and groundwater in the study area ［the global meteoric water line（GMWL） and the local meteoric water line（LMWL）are drawn according to the references ［19］and ［11］，respectively.］

同位素關(guān)系證明地表水體和淺層地下水之間有著密切的水力聯(lián)系［15］，卻無(wú)法證明不同季節(jié)地表水和淺層地下水之間的補(bǔ)給關(guān)系。淺層地下水埋深的季節(jié)變化是地表水和地下水補(bǔ)給關(guān)系的一個(gè)重要反映［20］。因此，可以通過(guò)淺層地下水埋深的季節(jié)變化，判定不同季節(jié)地表水和地下水之間的補(bǔ)給關(guān)系。圖4為部分采樣點(diǎn)淺層地下水埋深，從中可知，除S16外，2014年11月至翌年3月，地下水埋深變淺，2015年3月至7月地下水埋深變深。地下水埋深還呈現(xiàn)出與溝渠距離相關(guān)的空間變化特征，受溝渠直接補(bǔ)給和灌溉回滲的影響，溝渠附近淺層地下水埋深變動(dòng)幅度較大；隨著距離的增加，溝渠水的影響作用變小，淺層地下水埋深變動(dòng)幅度逐漸減小。2014年11月至翌年3月期間降水很少，且淺層地下埋深變淺（圖4），這與以往水文地質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中該時(shí)間段地下埋深持續(xù)下降的變動(dòng)趨勢(shì)相反［17］。由此，可以判定淺層地下水埋深變淺是外來(lái)調(diào)水直接補(bǔ)給和灌溉補(bǔ)給的結(jié)果。2015年3月至7月間，隨著溝渠水量減少，溝渠附近的淺層地下水補(bǔ)給溝渠水，導(dǎo)致其埋深加深。S16采樣點(diǎn)地下水埋深的持續(xù)下降與該點(diǎn)工業(yè)廢水的季節(jié)排放有關(guān)，該點(diǎn)工業(yè)廢水直接通過(guò)暗管排向淺層地下水，隨著排污的停止及淺層地下水流的擴(kuò)散使得該采樣點(diǎn)地下水位持續(xù)下降。

圖4　研究區(qū)部分淺層地下水采樣點(diǎn)埋深Fig.4 Shallow groundwater depth of part sampling points in the study area

綜上所述，2015年11月至翌年3月溝渠附近外來(lái)調(diào)水直接或灌溉補(bǔ)給淺層地下水，2015年3月至7月溝渠附近的淺層地下水補(bǔ)給溝渠水。遠(yuǎn)離溝渠的淺層地下水受溝渠影響作用較小，因此在本文中針對(duì)這部分地表水和地下水的補(bǔ)給關(guān)系不作為討論重點(diǎn)。

2.3調(diào)水對(duì)區(qū)域地表水和地下水水化學(xué)特征的影響

以往的研究結(jié)果表明：外調(diào)水與地下水的混合作用可改善地下水水質(zhì)［21］，同時(shí)地下水流在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中與周?chē)h(huán)境的相互作用導(dǎo)致其水化學(xué)特征發(fā)生變化［22］。由于區(qū)域內(nèi)坑塘水不接受外來(lái)調(diào)水，且大部分坑塘距離溝渠較遠(yuǎn)，因此坑塘水可代表區(qū)域內(nèi)未受調(diào)水影響的地表水；而外來(lái)調(diào)水直接進(jìn)入溝渠，因此溝渠水尤其是調(diào)水起點(diǎn)的溝渠水可以代表調(diào)水的水化學(xué)特征，而地表水對(duì)地下水的補(bǔ)給存在時(shí)間滯后性，因此2011年11月淺層地下水可代表未受地表水補(bǔ)給的地下水水化學(xué)特征。由于外調(diào)水與區(qū)域內(nèi)水資源水化學(xué)特征的差異，外調(diào)水引入受水區(qū)參與水循環(huán)后，對(duì)受水區(qū)不同水體的水化學(xué)特征產(chǎn)生影響。由于外調(diào)水僅存在溝渠中，因此本文主要討論溝渠水和淺層地下水的水化學(xué)特征變化。為明確調(diào)水對(duì)區(qū)域地表水-地下水水化學(xué)特征的影響，采用Piper圖分析溝渠水和淺層地下水的水化學(xué)特征變化。

圖5為研究區(qū)不同季節(jié)地表水和地下水Piper圖。由圖可知，外來(lái)調(diào)水水化學(xué)特征呈現(xiàn)季節(jié)性變化。溝渠水水化學(xué)類(lèi)型呈現(xiàn)出隨水流變化的特征，外調(diào)水源輸入點(diǎn)（C1、C9和C10）水化學(xué)類(lèi)型為Na·Mg·Ca-SO4·HCO3·Cl，在水流方向的終點(diǎn)（C4、C5、C6和C7）水化學(xué)類(lèi)型為Na·Mg-SO4·Cl（圖5a箭頭方向）。淺層地下水水化學(xué)類(lèi)型復(fù)雜，且季節(jié)變化大。2014年11月不同采樣點(diǎn)水化學(xué)類(lèi)型差異較大（圖5a）。受調(diào)水補(bǔ)給作用的影響，2015年3月溝渠附近淺層地下水集中分布在圖5b中的區(qū)域1，水化學(xué)類(lèi)型為Na·Mg·Ca-Cl·SO4、Na·Mg-Cl·SO4·HCO3、Na·Mg-SO4·Cl·HCO3等，是淺層地下水（Na·Mg-Cl·SO4）和外調(diào)水（Na·Mg·Ca-SO4·HCO3·Cl）之間過(guò)渡類(lèi)型（圖5b）。這證明調(diào)水對(duì)2014年11月至翌年3月間溝渠附近的淺層地下水水質(zhì)具有明顯的改善作用。2015年3月至7月由于不受外調(diào)水補(bǔ)給，淺層地下水水化學(xué)類(lèi)型變化不大。2014年11月至翌年7月，由于蒸發(fā)作用以及與周?chē)寥赖南嗷プ饔?，地表水水化學(xué)類(lèi)型向以Na+、Cl-和增加減少的咸水轉(zhuǎn)變（圖5c箭頭方向）。圖5c中不同箭頭也顯示出不同采樣點(diǎn)溝渠水水質(zhì)變化的不一致性，證明溝渠水水質(zhì)的改變與其周?chē)沫h(huán)境密切相關(guān)。

水化學(xué)類(lèi)型的改變除了與地表水和地下水轉(zhuǎn)化關(guān)系有關(guān)外，還受水動(dòng)力條件的影響［23］。不同水動(dòng)力分區(qū)內(nèi)地下水化學(xué)類(lèi)型的形成，主要與碳酸鹽、硫酸鹽、硅酸鹽等礦物的溶解及蒸發(fā)濃縮作用有關(guān)。通過(guò)Gibbs圖可以定性地判斷區(qū)域巖石、大氣降水、蒸發(fā)濃縮作用對(duì)地下水水化學(xué)的影響。Gibbs圖解法將水體劃分為降水控制型、風(fēng)化控制型和蒸發(fā)/結(jié)晶控制型［24］。在Gibbs圖中，橫坐標(biāo)代表水體中陽(yáng)離子Na+/（Na++Ca2+）或陰離子的比值；縱坐標(biāo)代表水體中溶解性總固體。圖6為地表水和地下水Gibbs圖，從圖6a可知，采樣點(diǎn)均落在Na+/（Na++ Ca2+）比值大于0.5的范圍內(nèi)，陽(yáng)離子以Na+為主，水化學(xué)類(lèi)型受蒸發(fā)濃縮影響。部分采樣點(diǎn)陰離子分布在比值小于0.5的范圍內(nèi)，陰離子以為主，水化學(xué)類(lèi)型受巖石風(fēng)化影響；部分分布在比值大于0.5的范圍內(nèi)，陰離子以Cl-為主，水化學(xué)類(lèi)型受巖石風(fēng)化和蒸發(fā)濃縮共同影響。陰陽(yáng)離子之間控制作用的不一致性，主要與水體和土壤中離子交換吸附有關(guān)。水中大量的Na+通過(guò)交換吸附作用，使得吸附在黏土礦物上的Ca2+和Mg2+進(jìn)入水體，反應(yīng)過(guò)程如下［23，25］：

圖5　研究區(qū)溝渠水和淺層地下水Piper圖（a:2014年11月；b:2015年3月；c:2015年7月）Fig.5 Distribution of the channel water and shallow groundwater samples from the study area in Piper diagrams（a：November，2014；b：March，2015；c：July，2015）

其中X為黏土礦物。

圖6　研究區(qū)不同時(shí)間地表水（a）和地下水（b） Gibbs圖［根據(jù)Gibbs［24］繪制］Fig.6 Gibbs diagrams of surface water（a） and groundwater（b） of the study area in different times（modified according to Gibbs［24］）

2.4調(diào)水對(duì)區(qū)域地下水水質(zhì)的影響

外來(lái)調(diào)水改變受水區(qū)水循環(huán)關(guān)系，同時(shí)也會(huì)引起區(qū)域內(nèi)水體水質(zhì)的變化［13］。為評(píng)價(jià)外來(lái)調(diào)水對(duì)區(qū)域灌溉水質(zhì)的影響，采用鈉吸附比（SAR）和EC之間的關(guān)系對(duì)灌溉水進(jìn)行分級(jí)［26］。圖7為灌溉水水質(zhì)分類(lèi)圖，由圖可知2014年11月溝渠水分為3部分，調(diào)水起點(diǎn)處外調(diào)溝渠水，分布在C3-S1區(qū)域（圖7a 1區(qū)）；調(diào)水溝渠終點(diǎn)處的外調(diào)溝渠水分布在C3-S2和C4-S2區(qū)域（圖7a 2區(qū)）；未受調(diào)水影響的溝渠水分布在C4-S3和C4-S4區(qū)域（圖7a 3區(qū)）。外調(diào)溝渠水在流動(dòng)的過(guò)程中存在著EC和SAR增加的趨勢(shì)，從圖7a中的1區(qū)轉(zhuǎn)到2區(qū)，水質(zhì)惡化。受持續(xù)蒸發(fā)和與周?chē)拥澜粨Q吸附作用的影響，2015年3月溝渠水較2014年11月EC和SAR增加，且比未調(diào)水之前的溝渠水更大，部分采樣點(diǎn)已經(jīng)達(dá)到了未受調(diào)水影響的3區(qū)。受6月降雨和蒸發(fā)的共同影響，2015年7月溝渠水體現(xiàn)出了與采樣點(diǎn)周?chē)h(huán)境密切相關(guān)的特征。受降雨影響部分溝渠水分布在C4-S2和C4-S3的區(qū)域，顯示出降雨對(duì)溝渠水水質(zhì)的改善作用。

圖7b為不同季節(jié)坑塘水水質(zhì)分類(lèi)圖。由圖可知，受蒸發(fā)作用的影響，2014年11月至翌年3月坑塘水呈現(xiàn)SAR和EC值增加的趨勢(shì)，2015年3月至7月不同采樣點(diǎn)由于受到采樣點(diǎn)周?chē)h(huán)境的影響呈現(xiàn)出不同的變化規(guī)律。P3和P5采樣點(diǎn)EC值變化不大，SAR升高，體現(xiàn)出了交換吸附的特征；P6采樣點(diǎn)由于受到深層地下水灌溉過(guò)程中的滲漏補(bǔ)給，呈現(xiàn)SAR升高，EC值降低的趨勢(shì)；P4和P7呈現(xiàn)出SAR和EC值均升高的趨勢(shì)，證明蒸發(fā)和交換吸附作用是影響這兩個(gè)坑塘水采樣點(diǎn)的主要原因。

圖7c為不同季節(jié)淺層地下水水質(zhì)分類(lèi)圖，由圖可知，受人為暗管排污的影響，S16地下水分布在深層地下水區(qū)域（圖7c 1區(qū)），地下水EC值較低；溝渠附近的淺層地下水分布在C3-S1和C3-S2區(qū)域，為調(diào)水時(shí)期溝渠水的分布區(qū)域，證明調(diào)水對(duì)其附近地下水水質(zhì)具有明顯的改善作用（圖7c 2區(qū)）。然而這種改善只是暫時(shí)的，在其他季節(jié)淺層地下水灌溉具有較大的鹽漬化風(fēng)險(xiǎn)。圖7d為不同季節(jié)深層地下水水質(zhì)分類(lèi)圖，由圖可知深層地下水水質(zhì)季節(jié)變化不大，結(jié)合同位素和水文地質(zhì)剖面，可明確調(diào)水對(duì)深層地下水水質(zhì)無(wú)影響。

3　結(jié)論

調(diào)水改變了華北低平原區(qū)原有的地表水和地下水轉(zhuǎn)化關(guān)系以及區(qū)域內(nèi)灌溉水水質(zhì)。2014年11月至2015年7月，受蒸發(fā)作用的影響地表水（溝渠水和坑塘水）呈現(xiàn)EC和SAR增加，同位素富集的趨勢(shì)，由于地表水和周?chē)寥赖慕粨Q吸附作用使得地表水呈現(xiàn)Na+、Cl-和SO42-增加的趨勢(shì)，地表水質(zhì)不斷惡化。2014年11月調(diào)水后至翌年3月，溝渠附近淺層地下水受外來(lái)調(diào)水直接或者灌溉補(bǔ)給，淺層地下水水位埋深變淺、EC值增勢(shì)減??；2015年3月至7月，隨著溝渠水的減少，淺層地下水補(bǔ)給溝渠水。淺層地下水和深層地下水之間無(wú)水力聯(lián)系。受溝渠水和區(qū)域內(nèi)淺層地下水混合作用的影響，2015年3月溝渠附近淺層地下水水化學(xué)類(lèi)型為Na·Mg·Ca-Cl·SO4、Na·Mg-Cl·SO4·HCO3、Na·Mg-SO4·Cl·HCO3等，是調(diào)水（Na·Mg·Ca-SO4·HCO3·Cl）和淺層地下水（Na·Mg-Cl·SO4）中間的過(guò)渡類(lèi)型，同時(shí)2015年3月淺層地下水SAR-EC范圍與2014年11月外來(lái)調(diào)水一致。外來(lái)調(diào)水為優(yōu)質(zhì)的淡水資源可直接用于灌溉利用，并可暫時(shí)性地改善溝渠水水質(zhì)，在調(diào)水結(jié)束后溝渠水的水質(zhì)迅速惡化，在3月已經(jīng)不適宜進(jìn)行灌溉。溝渠水的惡化也體現(xiàn)在溝渠水流動(dòng)的過(guò)程中，Na-Ca交換吸附作用使得調(diào)水終點(diǎn)處溝渠水的水質(zhì)處于可以直接灌溉利用和不能灌溉利用的邊緣。區(qū)域內(nèi)的坑塘水和淺層地下水具有較大的鹽漬化風(fēng)險(xiǎn)，不適宜直接進(jìn)行灌溉利用；區(qū)域內(nèi)的深層地下水灌溉也存在較大的土壤Na化風(fēng)險(xiǎn)。因此，采用調(diào)水、淺層地下水和坑塘水混合灌溉是該區(qū)域農(nóng)業(yè)水資源綜合利用和深層地下水壓采恢復(fù)地下水位行之有效的措施。本研究有利于更好地認(rèn)識(shí)跨流域調(diào)水條件下，區(qū)域地下水-地表水之間的轉(zhuǎn)化關(guān)系及其水化學(xué)變化特征的改變，在此基礎(chǔ)上采取合理的農(nóng)業(yè)水利措施，為南水北調(diào)后華北低平原區(qū)糧食保收增收提供一定的理論支持。

圖7　不同時(shí)間研究區(qū)灌溉水水質(zhì)分類(lèi)圖（a:溝渠水；b:坑塘水；c:淺層地下水；d:深層地下水）Fig.7 Water quality classification diagrams of irrigation water of the study area in different times（a：channel water；b：pool water；c：shallow groundwater；d：deep groundwater）

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Effect of water diversion on hydro-chemical characteristics of surface water and groundwater in lowland area of the North China Plain:A case study of Nanpi County，Hebei Province*

KONG Xiaole1，2，WANG Shiqin1**，LIU Bingxia1，SUN Hongyong1
（1.Center for Agricultural Resources Research，Institute of Genetics and Developmental Biology，Chinese Academy of Sciences / Key Laboratory of Agricultural Water Resources，Chinese Academy of Sciences / Hebei Key Laboratory of Water-saving Agriculture，Shijiazhuang 050022，China；2.University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China）

The great grain yield potential of the lowland area of North China Plain have been compromised by regionalcontradiction between water resources and agricultural production.The combined use of brackish shallow groundwater and diversion water is an effective way to address the regional water issue，which will certainly change the regional water cycle and environment.This study took different seasonal investigations in Nov.2014，Mar.and Jun.in 2015 after water diversion in Nanpi County，which is located in the lowland area of North China Plain.The effects of water diversion on hydro-chemical characteristics of surface water and groundwater were determined using hydro-geochemical analysis and stable isotopes.The results showed that evaporation increased electrical conductivity（EC），sodium adsorption ratio（SAR） and enrichment of δ2H and δ18O isotopes in surface water.Soil sorption and exchange increased Na+，Cl-and，but decreasedin surface water，thereby increasing the water salinity in the region.Water diversion changed the interaction between surface water and groundwater.From November to March of the following year，diversion water recharged shallow groundwater near water division channels through directly percolation or irrigation.This decreased EC and depth of shallow groundwater at certain sampling points distributed along the diversion channel.In March 2015，the shallow groundwater types were Na·Mg·Ca-Cl·SO4，Na·Mg-Cl·SO4·HCO3and Na·Mg-SO4·Cl·HCO3，which was as a result of mixing of diversion water（Na·Mg·Ca-SO4·HCO3·Cl） with shallow groundwater（Na·Mg-Cl·SO4） in November 2014.Shallow groundwater recharged channel water in March to July，which decreased groundwater depth.The shallow groundwater type in March was similar to that in July.Water diversion seasonally improved the quality of channel water and shallow groundwater in the vicinity.However，water diversion had no effect on deep groundwater and pool water quality.Water division improved channel water quality immediately after division.However，there was a time lag between diversion operation and shallow groundwater quality improvement.The quality of shallow groundwater improved in March 2015 due to water division in November 2014.Therefore，the combined use of shallow groundwater，division water and pool water for irrigation was critical for the rational development and utilization of both brackish water and freshwater resources，reduction of groundwater exploitation and recovery of deep groundwater level in the study area.

Jan.20，2016；accepted Apr.12，2016

Water diversion；Hydro-geochemical characteristics；Water quality；Groundwater-surface water interaction；Lowland area of North China Plain；Nanpi County

P933

A

1671-3990（2016）08-1135-10

10.13930/j.cnki.cjea.160080

*中國(guó)科學(xué)院百人計(jì)劃項(xiàng)目和國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（2013BAD05B02）資助

**通訊作者：王仕琴，主要研究方向?yàn)樗难h(huán)和地下水環(huán)境。E-mail：sqwang@sjziam.ac.cn

孔曉樂(lè)，主要研究方向?yàn)榘鼩鈳}運(yùn)移機(jī)理和地表水-地下水交換機(jī)理。E-mail：xlkong@sjziam.ac.cn

2016-01-20接受日期：2016-04-12

*The study was supported by the 100-Talent Project of Chinese Academy of Sciences and the National Key Technologies R & D Program of China（2013BAD05B02）.

**Corresponding author，E-mail：sqwang@sjziam.ac.cn