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地理科学进展 >

2015 , Vol. 34 >Issue 3: 381 - 388

DOI: https://doi.org/10.11820/dlkxjz.2015.03.013

水文水资源

白洋淀流域地下水更新速率

  • 袁瑞强 1 ,
  • 龙西亭 2 ,
  • 王鹏 3 ,
  • 王仕琴 4 ,
  • 宋献方 5
展开
  • 1. 山西大学环境与资源学院,太原 030006
  • 2. 湖南省地质矿产勘查开发局四零二队,长沙 410014
  • 3. 江西师范大学鄱阳湖湿地与流域研究教育部重点实验室,南昌 330022
  • 4. 中国科学院遗传所农业资源研究中心,石家庄 050021
  • 5. 中国科学院地理科学与资源研究所,北京 100101

作者简介：袁瑞强(1980-),男,山西太原人,副教授,博士,主要从事流域水循环与水环境研究,E-mail: 。

网络出版日期: 2015-03-25

基金资助

国家自然科学基金项目(41301033)

国家重点基础(973计划)项目(2010CB428805)

收起

Renewal rate of groundwater in the Baiyangdian Lake Basin

  • YUAN Ruiqiang 1 ,
  • LONG Xiting 2 ,
  • WANG Peng 3 ,
  • WANG Shiqin 4 ,
  • SONG Xianfang 5
Expand
  • 1. School of Environment and Resource, Shanxi University, Taiyuan 030006, China
  • 2. The 402 Team, the Bureau of Geology and Mineral Resources Exploration of Hunan, Changsha 410014, China
  • 3. Key Laboratory of Poyang Lake Wetland and Watershed Research, Ministry of Education, Jiangxi Normal University, Nanchang 330022, China
  • 4. Center for Agricultural Resources Research, Institute of Genetics and Developmental Biology, CAS, Shijiazhuang 050021, China
  • 5. Institute of Geographic Sciences and Natural Resources Research, CAS, Beijing 100101, China

Online published: 2015-03-25

Copyright

《地理科学进展》杂志 版权所有
Fold

摘要

受到水库拦蓄、抽水灌溉等人类活动的影响,白洋淀流域平原区河流断流,非承压含水层逐渐被疏干。下游的白洋淀无法得到河流和地下水的补给,时刻面临干涸。鉴于白洋淀对区域生态环境和气候有重要的影响,多次实施调水补淀工程。然而,白洋淀渗漏严重,调水补淀的效果不理想。为了保护白洋淀,亟需恢复地下水的可持续性,这首先需要查明地下水的更新能力。2009年,对白洋淀流域平原区地下水进行实地调查,并采集采集地表水和地下水水样共36个,分析其氚含量。利用线性插值法、吴秉钧法和连炎清法恢复了该地区降水氚含量的历史数据,结合数学物理模型估算了非承压地下水的更新能力。结果表明,氚含量较高的白洋淀水渗漏使得周边地下水氚含量增高。总体上,沿山区到淀区的方向非承压地下水更新速率逐渐由15.0%/a降低至4.0%/a。山前平原冲洪积扇区域是非承压地下水的主要补给区,平均更新速率达9.8%/a。冲积平原区域非承压地下水的平均更新速率仅为4.4%/a。为此,需要限制在冲积平原区域开采非承压地下水,以逐步恢复其更新速率,使其重新补给白洋淀。地下水的恢复过程可能较慢,但可从根本上解决调水补淀无法解决的干淀问题。

关键词： 白洋淀流域; 华北平原; 地下水; 更新能力; 氚

本文引用格式

袁瑞强 , 龙西亭 , 王鹏 , 王仕琴 , 宋献方 . 白洋淀流域地下水更新速率[J]. 地理科学进展, 2015 , 34(3) : 381 -388 . DOI: 10.11820/dlkxjz.2015.03.013

Abstract

Human activities, such as water storage in reservoirs and pumping for irrigation, reduce stream flows and deplete unconfined aquifer in the plain area of the Baiyangdian Lake Basin. Without recharges from rivers and groundwater, the Baiyangdian Lake faces the risk of drying up. Considering the impacts of the Baiyangdian Lake on the local environment, biodiversity, and climate, many projects of water transfer for the sustainability of the lake were implemented. However, the result are unsatisfactory due to considerable leakages in the lake. In order to preserve the lake, sustainable groundwater use should be achieved and therefore, it is necessary to study the renewal rate of unconfined groundwater. In this study groundwater was surveyed on the plain area of the Baiyangdian Lake Basin in 2009. thirty six samples from groundwater and surface water were collected for measuring the content of tritium. Tritium content in precipitation since the mid-1950s was rebuilt by comparing the results from linear interpolation, Wu's method and Lian's method. Renewal rate of groundwater in the plain area was estimated based on the tritium data and the well-mixed model. Results show that leakage of the lake slightly increased tritium content in the ambient groundwater. Generally, the renewal rate of unconfined groundwater decreased from 15.0 %/a to 4.0 %/a between the mountain area and the lake. Alluvial fans are the main recharge area with an average renewal rate of 9.8 %/a. The renewal rate dropped to 4.4 %/a in the alluvial plain. We recommend that groundwater development should be restricted in the alluvial plain to recover the renewal rate of unconfined groundwater. Although such recovery may take a long time to occur, it is believed that recharging the lake by shallow groundwater is the only way to maintain a sustainable lake.

Key words： Baiyangdian Catchment; North China Plain; groundwater; renewal rate; tritium

1 引言

干旱和半干旱区地下水的补给事件时空变化大、补给量小,直接估算区域尺度地下水系统的补给速率较困难。地下水更新速率是地下水系统中补给水体积与含水层内赋存地下水体积之比(陈宗宇等, 2006),是地下水获得补给能力,以及对水分传输能力的综合反映(聂振龙, 2004)。同时,地下水系统更新速率有更好的稳定性(翟远征,王金生,滕彦国等, 2013)。因此,地下水更新速率成为了解干旱和半干旱区域地下水获得补给能力的重要指标。放射性核素氚常作为降水补给和水在含水层中运移的标记。利用地下水中氚的含量,结合特定数学物理模型,能解释地下水的年龄及平均更新速率。聂振龙等(2010)利用氚和活塞模型研究发现,民乐山前平原由山前向盆地中心地下水更新速度由快变慢,地下水更新周期由20年左右变化为大于50年。孙琦等(2011)利用氚及活塞流与全混合模型,得出新疆库鲁克塔格中段北部山间洼地浅层孔隙水平均年龄为32~60年。石旭飞等(2012)利用氚法和CFCs法,估算出河南平原北部、中部、南部第四系浅层地下水年龄分别为18~38、21~45和18~44年。翟远征,王金生,周俊(2013)利用氚法研究发现,北京潮白河冲洪积扇地下水的年龄普遍在40年以内,上游地区更是在10年以内。张樑等(2014)利用氚计算出格尔木河出山口的地下水年龄为12~20年。赵良菊等(2014)发现黑河河水氚含量沿河呈逐渐降低趋势,黑河上游地下水和河道附近的浅层地下水氚含量较高,地下水年龄较小;远离河道浅层地下水氚含量较低,地下水年龄较大。
华北平原是中国人均水资源最为缺乏的地区之一,同时又是最重要的粮食产区之一,也是人类活动对水资源影响最严重的区域(王金哲等, 2011; 张建云等, 2013)。近年来华北地区降水呈下降趋势(王艳姣等, 2014),干旱发生频率处于全国首位,主要干旱类型为中旱和重旱(严登华等, 2013)。在此背景下,通过浅层地下水的不可持续性开发支撑着该地区的高产农业(张光辉等, 2013)。随着近几十年来城镇化、人口增长和工业、经济的高速发展,更新缓慢的深层地下水也被集中大量开采。华北平原地下水总开采量超出地下水可利用资源量192.31×108 m3/a(杨丽芝等, 2013),结果造成该区域浅层地下水水位整体大幅度下降,出现众多浅层和深层地下水开采漏斗(Yuan et al, 2013)。为了修复和涵养地下水系统,实现地下水资源的可持续利用和科学管理,逐渐恢复不断退化的地下水水质,必须首先对地下水更新速率有科学的认识。
白洋淀流域是华北平原的典型区域,紧邻北京、石家庄和天津,地理位置十分重要。流域平原部分属于华北平原的山前倾斜平原部分,是重要的地下水补给区(Yuan et al, 2011; 谭秀翠等, 2013)。流域下游的白洋淀是华北平原最大的天然水体,曾具有渔、苇、粮、航等功能,对华北地区的环境、生态和气候具有重要的影响。然而,由于流域内河流断流、地下水超采水位下降,白洋淀无法得到补给,时刻面临干淀。本文以白洋淀流域山前倾斜平原为研究区,应用放射性氚同位素研究浅层地下水的更新速率,着重指出恢复地下水的更新速率对恢复白洋淀的重要性。本文还可为该区域地下水资源的科学管理提供依据,有助于实现地下水资源的可持续利用。

2 研究区域概况与采样分析

2.1 研究区概况

白洋淀流域属于海河流域,行政隶属保定市。西部为中山和丘陵区,东部为山前倾斜平原。山前倾斜平原主要由出山河流在山前堆积的洪积物组成,海拔在30~100 m之间,地形自北、西、南向下游白洋淀倾斜(图1)。山区景观以草地和林地为主,平原区主要为旱地,零星分布村镇。研究区属于温带大陆性季风气候区。多年平均降水量520 mm,多年平均蒸发量1050 mm。年降水量呈现减少趋势。年降水量的70%左右集中在雨季(7-9月份)。研究区属于海河流域大清河水系。由于上游山区王快、西大洋等6座大型水库和许多中小型水库拦蓄来水,下游平原区河流已干涸。白洋淀具有丰富的水生动植物资源,是华北地区最大的湿地生态系统,曾被称为“华北明珠”、“华北之肾”。然而,由于注入的河流干涸和周边浅层地下水水位持续下降,白洋淀出现渗漏(袁瑞强等, 2012),面积大幅度缩减,目前靠流域内、外调水维持不干淀。
Fig.1 Map of the study area and sampling sites (G means sites of groundwater sampling, S means sites of surface water sampling. The postfix d represents deep groundwater)

图1 研究区概图和采样点分布 (以G开头的为地下水采样点,加后缀d的为深层地下水,其余为浅层地下水;以S开头的是地表水采样点)

平原区第四系厚度一般为200~600 m,自上而下有多阶由细—粗交替的岩性韵律,水平方向由西向东呈现由粗—细、由单层到多层、厚度增加的分带规律(陈望和, 1987)。第四系含水层根据地质、水文地质特征自上而下划分为4个含水组,大体以欧庄组上段Q33的底界作为第一含水组底界(陈望和, 1999)。非承压地下水赋存于第一含水组,含水介质主要为冲洪积卵砾石、中粗砂及细砂,地下水水力性质属于潜水,底板深度介于50~80 m(图2)。非承压地下水是农业生产的主要开采对象。
Fig.2 Sketch of hydrogeological cross-section in the study area

图2 研究区水文地质剖面概图

2.1 采样与测试

2009年6月采集了研究区内不同水体放射性同位素氚水样共36个。其中包括地表水水样3个(包括王快水库、西大洋水库和白洋淀的水样),浅层地下水水样23个,承压地下水水样10个。采集含水层中的新鲜水样,采样过程中尽量减少水样与空气接触。采样瓶用塑料瓶,瓶中不留空气,并用密封带封闭瓶口。氚同位素测定过程需样品量为500 mL,且每个样品都采集备用样一个。样品分析测试由国土资源部地下水科学与工程重点实验室完成,样品经过蒸馏、电解富集后,通过超低本底液体闪烁谱仪(Quantulus1220)来测试,分析精度约±1 TU。

3 结果与讨论

3.1 研究结果

3.1.1 地下水和地表水氚含量分布
根据地下水调查结果,得到白洋淀流域平原区浅层地下水水位分布(图3)。研究区平原主要接受来自山前的侧向补给,地下水自山区流向平原。受到保定西部大册营马场浅层地下水漏斗和地形的影响,地下水向中部流动。由于白洋淀存在渗漏,淀区地下水水位相对较高。
Fig.3 Shallow groundwater level in the study area

图3 研究区浅层地下水水位分布图

地表水中氚含量较地下水高,浅层地下水较深层地下水氚含量高(图4)。西大洋水库氚含量为23.5 TU,高于王快水库的17.5 TU。水库内汇集的是近期上游来水,包括降水和山区基岩内排泄出的交替活跃的地下水。水库水的同位素组成主要反映了多年尺度降水同位素组成的平均值。山前平原非承压地下水氚含量介于10~20 TU之间,且冲洪积扇区域高于冲积平原区域。承压地下水氚含量极低,为1 TU左右,表明深层地下水不属于“现代”水(Clark et al, 1997)。
Fig.4 Groundwater tritium content in the study area

图4 研究区地下水氚含量分布图

白洋淀淀水氚含量约为14.6 TU。白洋淀周边浅层地下水采样点G17、G23和G24等的氚含量分别为13.8、13.4和11.7 TU,与淀水接近而高于上游冲积平原的浅层地下水。由于白洋淀水渗漏补给浅层地下水(袁瑞强等, 2012),所以在利用氚同位素分析白洋淀流域地下水系统更新能力时,需要排除白洋淀周边采样点的数据。此外,平原中部地下水氚含量存在异常值(27.7TU),远高于其他地下水水样和地表水水样。在研究区北部易水河下游,浅层地下水出现极低的氚含量值(0.5TU),是由于深层地下水通过正断层向上越流补给浅层地下水造成的(Yuan et al, 2011)。在后续分析中排除上述值。不同水体氚含量的统计结果见表1。
Tab.1 Statistics of tritium content in different water bodies/TU

表1 不同水体氚含量的统计结果/TU

平均值 最大值 最小值
地表水 19 23.5 14.6
浅层地下水 16 27.3 9.1
深层地下水 1 2.1 0.5

3.1.2 大气降水氚含量序列估算

利用氚数据定量估算流域内浅层地下水的年龄与更新能力,必须首先确定研究区降水氚含量的历史变化数据(Stimson et al, 1996)。降水中的氚来自大气中水汽与氚发生的同位素交换反应(吴秉钧, 1986)。大气中的氚有两个来源：一是上层大气中氮原子受到宇宙射线里中子流的轰击而自然生成的宇宙氚;二是1952年以来形成于大气热核试验的人工氚。对降水氚的全球观测于1961年正式启动(GNIP),中国开始于20世纪80年代。目前,这部分数据可以通过IAEA网站下载。
北半球大气降水中氚的变化模式类似(La Salle et al, 2001),可根据靠近研究区的IAEA大气降水氚同位素观测站点降水氚值的历史数据,应用一定的数学方法重建大气降水氚值。一般根据Ottawa站降水实测资料用相关法外推大气降水氚历史数据。国际原子能机构建议联合采用Doney模型法和三角形外推法恢复大气降水氚浓度时间序列。国内学者通过线性插值法、吴秉钧法(翟远征,郭慧等,2013)、多元统计回归法和全球模型法(Zhang et al, 2011)等较好地实现局地降水氚历史数据重建。相比复杂的多元统计法和模型法等方法,线性插值法更适合在同一个自然地理单元内应用。
保定市区位于白洋淀流域平原区中心,周边分布有较多大气降水同位素观测站(GNIP),其中距离最近的是西南面的石家庄站和东面的天津站,均处在150 km以内。考虑到保定、天津和石家庄位于同一自然地理单元,即华北平原,具有一致的水文气象条件,因此选用天津和石家庄的观测数据进行相关插值,得到保定市1985-2002年的大气降水氚年降水量加权平均值。最后与其他恢复方法一样,与观测序列最长的加拿大Ottawa站的数据进行相关分析,利用相关关系(线性相关系数0.67)外推保定降水氚值(包括1954-1984和2003-2007年的数据)。
保定站的降水氚含量年降水量加权平均值与Ottawa站的数据如图5所示。1954年至20世纪80年代左右两条曲线的变化趋势与极值基本吻合,之后两条曲线变化显示出一定的差异,这种现象符合实际情况。1954年-20世纪80年代北半球降水氚含量主要受到核爆氚的控制,导致两条曲线显示迅速升降的年际变化规律;之后降水氚含量逐渐降低,地理因子成为主要的控制因素,因此两条曲线仅显示出相同的长期变化趋势。
Fig.5 Calculated annual content of tritium in precipitation of Baoding (data of Ottawa from IAEA website: http://nds121.iaea.org/wiser/index.php)

图5 保定降水氚含量的估计数据(Ottawa站数据来自IAEA网站：http://nds121.iaea.org/wiser/index.php)

利用吴秉钧法(吴秉钧,1986)和连炎清法(连炎清,1990)分别计算保定降水氚值,并进行对比验证。插值和线性相关结合得到的结果与上述两种方法计算得到的结果之间有较好的线性相关性,相关系数分别为0.99和0.76。此外,重建的保定降水氚历史数据与石家庄地区的降水氚历史数据(陈宗宇等, 2006)十分接近,尤其与1963年出现的降水氚最大值非常接近,表明恢复的数据可靠。
3.1.3 浅层地下水更新速率
假设地下水各条流线到达取样井的时间分布呈指数分布,即最短的流线对应的运动时间为零,最长的流线对应的运动时间为无限大。假设从取样井取样时井内地下水达到完全混合状态,可利用氚的完全混合模型计算地下水的平均更新速率。地下水中的氚含量通过放射性衰变和年输入变化来计算(La Salle et al, 2001),公式为：
A g i = ( 1 - R i ) A gi - 1 e - λ + R i A 0 i (1)
式中：Ri为第i年地下水更新速率/（%/a）;Agi为第i年地下水中3H含量/TU;A0i为第i年降水输入的3H含量/TU;λ为氚衰变常数(3H=0.05576/a),等于ln2除以氚的半衰期(Houston et al, 2007);i为时间/a。初始年定为大气核爆前,1952年,计算年i从1953年起。1952年以前,大气降水中氚含量以常量10 TU(A0)计算(Clark et al, 1997),则1952年地下水中氚含量按下式计算：
A g 1952 = A 0 ( λ / R + 1 ) (2)
如果地下水补给量与年降水量呈线性关系,那么第i年的更新速率Ri等于平均更新速率R乘以当年降水量(Pi)占多年平均降水量(Pm)的百分比。考虑到极端干旱年份降水量极小,对地下水的补给可以忽略,即存在不发生补给的最大年降水量“临界降水量”。因此,采用“临界降水量(Pt)”进行修正。一般认为降水保证率大于95%的降水事件是极端多事件,因此,以年降水量保证率大于95%的年份为极端干旱年份。本文中选取临界降水量为100 mm/a,用临界降水量修正的年更新速率表示为：
R i = R ( P i - P t ) ( P m - P t ) (3)
式中：R为平均地下水更新速率;Pt、Pm分别为临界降水量、平均降水量/mm;Pi为第i年降水量/mm。
以保定年降水量序列和降水氚含量序列作为输入,利用上述方程解出白洋淀流域山前平原非承压地下水更新速率(表2)。结果表明,总体上自山前到淀边沿地下水流动方向上,浅层地下水更新速率逐渐由15.0 %/a降至4.0 %/a;且冲洪积扇区域浅层地下水平均更新速率为9.8 %/a,冲积平原区域平均更新速率为4.4%/a。
Tab.2 Renewal rates of shallow groundwater

表2 地下水更新速率计算结果

编号 地点 更新速率/(%/a) 编号 地点 更新速率/(%/a)
G01 万亩林 15 G04 梁格庄 9
G02 杨树沟 14 G29 喜峪村 7.5
G09 练台村 11 G05 凤凰台村 7
G03 基地大院 10 G28 曲阳县大盖村 6
G07 南易河庄 10 G32 董庄村 5.5
G08 北东村 10 G21 孙村乡南孙村 4.5
G14 新乐县五里铺 10 G15 二十里铺 4
G06 凤凰台村 9.5 G19 银定庄 4
G10 西高里村 9 G30 沈家坯村 4
山前平原冲洪积扇沉积物渗透性较好,有利于接受降水入渗补给和山前侧向补给,是整个平原的主要补给区。冲洪积扇下游的冲积平原沉积物颗粒细,渗透性较差,接受垂向和侧向补给能力较弱。农业生产大量开采非承压地下水,导致整体上非承压地下水获得的补给减少,更新能力下降。由于冲洪积扇区域非承压地下水获得的补给量可观,所以农业开采灌溉对其影响较冲积平原区域弱。因此,沿地下水流动方向呈现地下水更新速率减弱的趋势,冲积平原区非承压地下水的更新速率大大低于冲洪积扇区域。

3.2 讨论

本文首先恢复了研究区降水氚含量的历史数据,再通过地下水氚含量和数学物理模型估算研究区地下水的更新能力。估算结果的不确定性有两个来源：一是所恢复的研究区降水氚含量历史数据的准确性,二是通过地下水氚模型估算地下水更新能力需满足的前提假设。本文恢复降水氚含量的方法虽然简便,但是原理明确,恢复结果与应用吴秉钧法(吴秉钧, 1986)和连炎清法(连炎清, 1990)得到的结果,以及陈宗宇等(2006)重建的石家庄地区降水氚历史数据接近。已有研究表明,山前倾斜平原是华北平原第四系地下水系统的补给区(Chen et al, 2004)。山区降水入渗形成的侧向补给和山前平原降水形成的直接补给构成该区域浅层地下水的主要补给来源。同时山前平原浅层地下水含水层厚度较薄,含水介质分选性好。Clark等(1997)认为,满足上述条件时,可近似认为研究对象满足“各条流线到达取样井的时间呈指数分布”等假设。综上所述,尽管研究结果不可避免存在不确定性,但仍然可以作为白洋淀流域平原区地下水更新能力有意义的估算值。

4 结论

近年来,华北平原白洋淀流域地下水位持续下降,地表水断流,导致白洋淀面积大幅度收缩,且时刻面临干淀的危险,并有可能给该区域的生态环境带来严重影响。目前,通过实施调水工程暂时缓解了白洋淀的危机。但是,仍然无法抑制淀水不断地渗漏损失,使得调水工程的效果不佳。本文应用水中放射性同位素氚研究了该流域浅层地下水的更新能力分布现状和规律,提出通过恢复白洋淀流域上游地下水的可持续性,以解决白洋淀面临的水危机,及由此带来的生态环境危机。主要结论如下：
(1) 总体上,沿山区到淀区方向非承压地下水更新速率逐渐由15.0 %/a降至4.0 %/a。氚含量较高的白洋淀水渗漏使得周边地下水氚含量增高。
(2) 山前平原冲洪积扇区域非承压地下水具有较高的更新速率,平均达9.8 %/a;但冲积平原区域非承压地下水平均更新速率仅为4.4%。
(3) 限制冲积平原非承压地下水的开采,逐步恢复其更新速率,可使地下水重新补给白洋淀,避免淀水渗漏损失。地下水的恢复过程可能较慢,但可从根本上解决调水补淀无法解决的干淀问题。
农田是白洋淀流域平原区最主要的土地利用类型,农业灌溉是浅层地下水最主要的使用去向。当地的农业生产为冬小麦和夏玉米轮作。其中,冬小麦消耗了绝大部分用于灌溉的浅层地下水。因此,如将当地农业生产改为仅种植夏玉米,可以大幅度削减浅层地下水的开采量,有利于快速恢复浅层地下水的更新能力。

The authors have declared that no competing interests exist.

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