基于水化学的南水北调中线干渠水与地下水水力联系指标识别

摘要 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^[1]。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^[2]。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^[3]。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^[3-5]，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^[6-8]。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^[9]，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^[2]。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℃^[10]。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^[2-3]。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^[11]。

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使用意大利哈纳（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^[12-15]。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。