韩晓东 贾兵营 何康 陈玺

摘要 從一般水化学角度研究了南水北调中线源头地表水、干渠水及其周边地下水的差异。结果发现，钠离子在地下水与干渠水和源头地表水中的浓度差异最为明显，其次是总溶解固体（TDS）浓度，其他主要离子以及pH差异均不明显，说明钠离子浓度可作为识别南水北调中线干渠水及其周边地下水水力联系的备选指标。利用聚类分析和水化学类型的相似性，剔除了与干渠水可能存在水力联系的地下水样钠离子浓度，初步确定南水北调中线沿线与干渠水没有水力联系的地下水钠离子浓度大于9.8mg/L，且该数值是干渠水钠离子浓度的1.6倍以上。因此，可将钠离子浓度及其参考范围用于快速判断南水北调干渠周边地下水与干渠水是否存在水力联系。

关键词 南水北调干渠；水化学；地下水；水力联系；钠离子

中图分类号 P641.12

文献标识码 A

文章编号 0517-6611（2024）02-0190-07

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2024.02.042

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Indices Identification of Hydraulic Connection Between Groundwater and Canal Water in Middle Route of the South-to-North Water Diversion Project Based on Hydrochemistry

HAN Xiao-dong，JIA Bing-ying，HE Kang et al

（1.Hebei Branch of China South-to-North Water Division Group Middle-Route Co.，Ltd.，Shijiazhuang，Hebei050035;2.Nanyang Management Office of Qushou Branch of China South-to-North Water Division Group Middle-Route Co.，Ltd.，Nanyang，Henan473008）

Abstract This paper investigated the differences of hydrochemistry indices between the source surface water，canal water， and its surrounding groundwater in the middle route of South-to-North Water Division Project.The results showed that the difference of sodium ion concentration between groundwater and canal water as well as the source canal water was the most significant，followed by the concentration of total dissolved solids （TDS），while the concentration of other main ions and pH had no significant difference，indicating that sodium ion concentration could be used as an alternative indicator to identify the hydraulic connection between canal water and its surrounding groundwater in the middle route of South-to-North Water Division Project.Using the cluster analysis and the similarity of hydrochemical types，sodium concentration in groundwater samples that might have hydraulic connection with canal water were excluded.It was preliminarily delineated that the reference range of sodium concentration in the groundwater without hydraulic connection with the canal water along the middle route of South-to-North Water Division Project was over9.8mg/L，and the range value was more than1.6times as the range value of sodium concentration in the canal water.Therefore，the indicator of sodium ion and its concentration range could be used to quickly identify whether the groundwater around the main canal of South-to-North Water Division Project had hydraulic connection with the canal water.

Key words Main canal of South-to-North Water Division Project;Hydrochemistry;Groundwater;Hydraulic connection;Sodium ion

基金项目 中国南水北调集团中线有限公司资助项目“南水北调中线干线水体特征与溯源分析研究”（ZXJ/HB/YW/SZ-2020-007）。

作者简介 韩晓东（1983—），女，河北冀州人，高级工程师，硕士，从事南水北调工程水质监测工作。*通信作者，高级工程师，从事水文地质调查工作。

收稿日期 2022-10-14

伴随着人口增长及城镇化发展，水资源供需矛盾日益凸显。为了满足区域水资源合理配置的需求，新建了大量水利工程，以满足缺水地区生活用水、工业生产以及农业灌溉等方面的用水需求。例如，我国南水北调中线工程是缓解京津冀以及河南地区水资源短缺的重大水利工程。这些水利工程在连接和分配河流、湖泊以及其他水资源供人类使用的同时，也使得人类面临的水安全问题比以往任何时候都更加复杂。例如，南水北调中线总干渠输水距离长达1277km，供水范围内总面积15.5万km，虽然相关研究表明南水北调中线工程运行至今干渠水质长期处于良好状态，但其长距离、宽范围的特征使其极易受外界因素的影响，存在安全隐患。例如，南水北调中线部分渠段基底低于其周边的地下水水位，致使其存在地下水补给干渠水的可能性。另外，一旦水利工程设施维护不及时，在基底高于周边地下水水位的渠段就存在南水北调干渠水外泄并补给地下水的安全风险。因此，高效、经济的干渠水与其周边地下水的水力联系识别方法是保障南水北调水利工程水安全的有效手段之一。

目前，水位、水温等物理参数信息与同位素以及常规水化学信息组合使用是识别地表水和地下水水力联系的常用方法。然而，对南水北调工程的水质监管工作而言，长期多指标的水质监测致使运行成本过高，同时数据量巨大，增大了分析难度。因此，从运行成本和分析难度来看，需要基于少量指标甚至单一指标即可识别干渠水与其周边地下水水力联系的水质监管模式。南水北调作为人工水利工程而言，利用水位、水温等物理参数信息识别其干渠水与周边地下水水力联系时存在信息灵敏度不高的问题；另外，同位素信息用于识别干渠水与周边地下水水力联系时虽然不存在灵敏度问题，却存在检测费用偏高的问题。因此，从检测费用相对低廉的一般水化学指标中筛查出可有效、快速识别干渠水与其周边地下水水力联系的指标成为南水北调干渠水质监管工作中亟待解决的工作难点。为阐明南水北调中线干渠水及其周边地下水化学特征，筛查出可有效识别干渠水与其周边地下水差异的水化学指标，笔者利用聚类分析等方法评估所筛选出的识别干渠水与其周边地下水水力联系的水化学指标，以期为南水北调干渠水质监管工作提供技术支撑，进而保障南水北调工程的安全供水。

1 研究区概况

南水北调中线工程（坐标111.71°～116.27°E，32.67°～39.98°N）是从长江最大支流汉江中上游的丹江口水库调水，沿华北平原中西部边缘自流到北京市颐和园团城湖的输水工程（图1）。干渠沿线途径南阳、平顶山、许昌、郑州、焦作、新乡、鹤壁、安阳、邯郸、邢台、石家庄、保定、北京、天津14个大中城市，输水干渠总长1277km。干渠南北横跨亚热带季风和暖温带季风2个气候区，其区域年降水量543～1173mm，年平均气温14.6～21.2℃。自2014年通水以来，南水北调中线工程累计向华北地区输水超300亿m，占河南、河北、北京、天津4省（市）饮用水的70%以上。南水北调中线干渠跨越长江、黄河、海河、淮河四大流域，地下水埋藏条件不一，部分渠段基底低于其周边地下水位。

2 材料与方法

2.1 采样与分析 2020—2021年夏季从陶岔（渠首）、姜沟、宝丰、新郑、汤阴、磁县、沙河、石家庄、唐县、易县以及惠南庄11个断面以及南水北调中线干渠源头（丹江口水库等）采集127组地下水样、54组干渠水样以及5组源头地表水样。水样低温保存，送至自然资源部地下水矿泉水及环境监测检测中心检测。水样测试指标包括pH、溶解性总固体（TDS）浓度以及钾离子、钠离子、钙离子、镁离子浓度以及氯化物、硫酸盐、重碳酸盐以及硝酸盐含量。其中，pH使用意大利哈納（HANNA）便携式pH测试仪进行现场检测；TDS浓度采用重量分析法测定；钾离子、钠离子、钙离子、镁离子浓度采用电感耦合等离子原子发射光谱法测定；采用酸碱滴定法测定重碳酸盐含量；采用离子色谱法测定氯化物、硫酸盐以及硝酸盐含量。检测指标的相对误差均在5%以内。上述水化学指标分析所用的地下水样、干渠水样以及源头地表水样分别有41、17和5组。

2.2 聚类分析

基于水化学指标信息，可将水样依据水化学信息的相似程度进行聚类分析。聚类分析主要有系统聚类法和K-均值算法2种方法，该研究采用系统聚类法。系统聚类分析选用瓦尔德法（离差平方和法），区间测量采用平方欧氏距离；同时，进行数据0～1标准化转换。试验所用软件为SPSS23.0统计软件。

3 结果与分析

3.1 南水北调中线源头地表水及干渠水化学特征

从图2可以看出，南水北调中线源头地表水pH波动范围很小（7.6～7.8），中位值为7.7，指示源头地表水呈偏弱碱性的特征。南水北调中线干渠水pH波动范围也很小（7.5～8.6），中位值为7.8，指示干渠水也呈弱碱性。源头地表水TDS浓度为142～169mg/L，中位值为154mg/L；南水北调中线干渠水TDS浓度波动范围与源头地表水大致相当，其中位值为158mg/L，略高于源头地表水。源头地表水钾离子浓度较为稳定，为1.8～1.9mg/L；干渠水钾离子浓度波动范围为1.7～2.2mg/L，其中位值也略高于源头地表水。钠离子在南水北调中线源头地表水和干渠水中的浓度较为稳定且基本一致，其浓度范围分别为5.1～5.8和5.1～5.9mg/L。钙离子在南水北调中线源头地表水和干渠水中的浓度大致相当，其中位值分别为39.5和40.8mg/L，源头地表水钙离子浓度的波动范围大于干渠水。镁离子在南水北调中线源头地表水和干渠水中的浓度虽然也大致相当，其中位值分别为7.7和7.5mg/L，但干渠水中镁离子浓度波动范围大于源头地表水。南水北调中线源头地表水和干渠水中主要阳离子浓度大小均表现为钙离子>>镁离子>钠离子>钾离子，且各主要阳离子浓度在南水北调中线源头地表水和干渠水中均大致相当。与主要阳离子不同，主要阴离子在南水北调中线源头地表水和干渠水中的含量差异明显。从中位值来看，氯化物、硫酸盐以及硝酸盐在干渠水中的含量中位值分别为3.8、18.6和4.2mg/L，明显低于其在源头地表水中的含量；相反，重碳酸盐含量的中位值则干渠水明显高于源头地表水。从主要阴离子含量中位值来看，在南水北调中线源头地表水中表现为重碳酸盐>>硫酸盐>氯化物>硝酸盐，在干渠水中表现为重碳酸盐>>硫酸盐>硝酸盐>氯化物。

3.2 南水北调中线周边地下水化学特征

从图2可以看出，南水北调中线周边地下水呈弱碱性，pH变化范围为6.5～7.9。地下水TDS浓度波动较大，其变化范围为151～993mg/L，中位值330mg/L。南水北调中线周边地下水主要阳离子浓度波动均较大，其最低值和最高值相差均在100倍以上；从中位值来看，南水北调中线周边地下水主要阳离子浓度大小顺序为钙离子（85.8mg/L）>>钠离子（16.4mg/L）>镁离子（12.4mg/L）>>钾离子（1.6mg/L）。南水北调中线周边地下水氯化物、硫酸盐以及硝酸盐等主要阴离子含量波动较大，其最低值和最高值均相差30倍以上；重碳酸盐含量的波动偏小，其最低值和最高值相差不足5倍。从中位值来看，南水北调中线周边地下水主要阴离子含量大小顺序为重碳酸盐（228.4mg/L）>硫酸盐（47.1mg/L）>氯化物（17.0mg/L）>硝酸盐（6.9mg/L）。

3.3 南水北调中线源头地表水、干渠水与地下水化学特征的差异

从图2可以看出，南水北调中线干渠水和其周边地下水的pH大致相当，均呈弱碱性。TDS在南水北调中线干渠水和其周边地下水中的浓度有一定的差异，地下水TDS浓度中位值均为其在干渠水和源头地表水中浓度的2倍多。这些信息指示pH和TDS浓度均难以作为识别南水北调中线干渠水与其周边地下水水力联系的特征指标。主要阳离子中，仅地下水中钠离子浓度范围与其在南水北调中线源头地表水和干渠水中的浓度范围无重叠，且钠离子在地下水中的浓度均高于其在源头地表水和干渠水中的浓度，即南水北调中线干渠水和地下水中钠离子浓度的差异明显，指示钠离子可作为识别南水北调中线干渠水与其周边地下水水力联系的备选指标；相反，其他主要阳离子在南水北调中线周边地下水中的浓度范围均包含其在源头地表水和干渠水中的浓度范围，指示钙离子、镁离子以及钾离子浓度均难以作为识别南水北调中线干渠水与其周边地下水水力联系的特征指标。南水北调中线源头地表水和干渠水中主要阴离子含量范围均与其在地下水中的含量范围重叠或部分重叠，指示主要阴离子也均难以作为识别南水北调中线干渠水与其周边地下水水力联系的特征指标。因此，从上述宏量组分来看，仅钠离子在南水北调中线源头地表水和干渠水中的浓度与其在地下水中的浓度有明显差异，即宏量组分中仅钠离子浓度可作为识别南水北调中线干渠水与其周边地下水水力联系的备选指标。此外，地下水中钠离子最低浓度（6.7mg/L）与其在干渠水中的最高浓度（5.9mg/L）较为接近，表明地下水中钠离子浓度偏低的渠段钠离子指标可能难以作为识别干渠水与其周边地下水之间水力联系的特征指标，为此需要论证钠离子浓度接近干渠水钠离子浓度最高值的地下水是否与其周边干渠水存在水力联系（后面结合聚类分析论证），进而确定是否排除这些钠离子含量低的地下水，因为上述地下水与干渠水化学差异性分析是在未考虑其是否存在水力联系的情况下进行的。

从图3可以看出，南水北调中线源头地表水的水化学类型有Ca-HCO型和Ca·Mg-HCO型2种，分别占比60%和40%。类似地，干渠水的水化学类型也较为单一，仅有Ca-HCO型和Ca·Mg-HCO型2种，分别占比94.1%和5.9%。相比之下，南水北调中线周边地下水的水化学类型偏复杂，有Ca-HCO型、Ca·Mg-HCO型、Ca-HCO·SO型、Ca·Na-HCO型、Ca·Mg·Na-HCO型、Ca·Na-Cl·SO型、Ca-HCO·Cl·SO型、Ca-HCO·SO·Cl型、Ca-SO·HCO型、Na·Ca·Mg-HCO型、Na·Ca-HCO₃型以及Na·Ca-HCO·SO·Cl型12種。其中，Ca-HCO型水（41.46%）占主导，Ca·Mg-HCO型（14.63%）、Ca-HCO·SO型（14.63%）、Ca·Na-HCO型（9.76%）次之，其余8种水化学类型占比均不足3%。通过对比源头地表水、干渠水以及地下水的水化学类型发现，源头地表水和干渠水水化学类型较为一致，仅有12%的地下水水化学类型与干渠水和源头水一致（图3）。

3.4 南水北调中线干渠水与地下水的水力联系识别指标的优化

利用系统聚类分析方法，对10项水化学指标分析所用的41组地下水样、17组干渠水样以及5组源头地表水样进行聚类分析，结果如图4所示。这些样本被分为3组，组 Ⅰ 包含了所有的干渠水样和源头地表水样，还包括部分地下水样；组Ⅱ和组Ⅲ则均为地下水样。将组 Ⅰ 进一步细分为3个子组，组 Ⅰ-1包括所有的干渠水样和源头地表水样以及部分地下水样，而组 Ⅰ-2和组 Ⅰ-3则均为地下水样。由于系统聚类按照水化学指标浓度的相似性进行分组，指示组 Ⅰ-1中的地下水样与干渠水样存在水力联系的可能性较其他组更大。另外，组 Ⅰ-1中的地下水样均为Ca-HCO型水，且其水化学相均在图3中包含干渠水样的黑色圈内，进一步表明组 Ⅰ-1中的地下水样与干渠水样存在水力联系的可能性较大。此外，通过对比各组地下水相关水化学指标的中位值与其在干渠水中的中位值可知，组 Ⅰ-1中的TDS浓度、钠离子浓度、钙离子浓度、镁离子浓度、重碳酸盐含量等水化学指标的中位值较其他组更靠近干渠水，而这些水化学指标在其他组中的中位值则远高于干渠水（表1）。从图5可以看出，组 Ⅰ-1中钠离子的浓度范围波动较小且明显低于其他组，而其余水化学指标在组 Ⅰ-1中的浓度范围则多与其余组中的浓度范围重叠。以上结果均指示钠离子浓度作为识别南水北调中线干渠水与其周边地下水水力联系的指标时，应剔除存在水力联系可能性的地下水样中的钠离子浓度。剔除组 Ⅰ-1后，南水北调中线沿线的地下水钠离子浓度更适合用于识别南水北调中线干渠水与地下水的水力联系。因此，初步可确定南水北调中线沿线与干渠水无水力联系的地下水钠离子浓度大于9.8mg/L，该数值是干渠水钠离子浓度的1.6倍以上。

4 結论

该研究从一般水化学角度研究了南水北调中线源头地表水、干渠水以及其周边地下水之间的差异，结果发现钠离子浓度差异最为明显，其次是TDS浓度，其余主要离子浓度以及pH差异均不明显，因此钠离子浓度可作为识别南水北调中线干渠水和其周边地下水水力联系的备选指标。利用聚类分析和水化学类型的相似性，剔除了与干渠水可能存在水力联系的地下水样中的钠离子浓度，初步确定南水北调中线沿线与干渠水无水力联系的地下水钠离子浓度大于9.8mg/L，且该数值是干渠水钠离子浓度的1.6倍以上。因此，可将钠离子浓度及其参考范围用于快速判断南水北调干渠周边地下水与干渠水是否存在水力联系。

上述钠离子浓度范围是在数十组地下水样的数据上得出的结论，存在地下水样品数量不足以及地下水样品代表性不够等缺点，因此后续工作应增加采集南水北调中线沿线不同类型的地下水样，进一步明确供参考的钠离子浓度范围的有效性。

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