水库蓄水对河岸带潜流层中铁锰离子含量的影响研究

水库蓄水对河岸带潜流层中铁锰离子含量的影响研究
王昭怡;赵磊
【摘要】以辽河石佛寺水库为例,采用室内实验与动态监测资料相结合的方法,分析了水库蓄水对河岸带潜流层中铁锰离子含量变化的影响,利用铁锰离子含量确定了河岸带潜流层范围,并绘制了折线图示意,以期为平原型水库水资源保护与治理提供参考依据.结果表明:水库蓄水后河岸带潜流层中铁、锰含量最大变幅分别为27和2.2 mg/L,水库范围内河岸带潜流层范围为水库淹没区至淹没区外1.6 km内.水库蓄水后河岸带潜流层中铁锰离子大幅度降低,水库地区地下水铁锰离子含量整体下降.利用铁锰离子含量确定河岸带潜流层范围比利用水位更为精确.
【期刊名称】《供水技术》
【年(卷),期】2018(012)003
【总页数】5页(P23-27)
【关键词】河岸带潜流层;铁锰;石佛寺水库
【作者】王昭怡;赵磊
【作者单位】沈阳建筑大学市政与环境工程学院,辽宁沈阳110168;沈阳建筑大学市政与环境工程学院,辽宁沈阳110168
【正文语种】中文
【中图分类】TU991
河岸带潜流层是河岸带的下边缘，是地表水与地下水相互作用的区域，具有明显的
边缘效应和丰富的功能。

潜流层是地下水与地表水的混合体，有很强的截流作用，可以去除地表水中多种污染物[1]，因此具有与地表水截然不同的化学成分。

近几十年来，河岸带的研究越来越受到重视，但主要集中在河岸带的划分、功能、保护、管理、生态上。

例如夏继红等[2]对河岸带生态功能进行划分与评价，张建春等[3]通过生态恢复实验，对退化河岸带进行重建。

潘俊等[4]从地下水安全的角度，研究了河岸带底泥并认为河岸带中氨氮与铁锰之间存在相互作用，铁的去除优先于氨氮与锰。

关于河岸带地下水问题的研究则较少，且多数集中在地下水的开采潜力评价上。

例如河岸带的边界难以确定、交互带范围内的生物地球化学过程如何进行等问题也有待深入研究。

由于河岸带的独特特性，其地下水往往作为地下水源地被开采使用。

左恩德等[5]通过地下水水位等因素对河岸带地下水开采潜力进行评价[6]，廖资生等[7]通过地质实验，从埋藏条件、含水层富水性等方面论证了黄河地带地下水的开采潜力以及开采后对黄河的影响。

很多地区由于地表水水质污染严重，因此使用河岸带地下水作为水源地进行取水。

由于地下水中铁锰严重超标，带来了新的问题，诸如水井堵塞、出水含量减少、管道生锈、水质铁锰超标等。

潘俊等[8]认为在高铁锰地区进行地下水回灌，会导致回灌井严重堵塞甚至报废等问题。

此外，铁锰作为环境中的敏感元素，其含量与生物化学行为受地下水的水温水位、溶解氧、含盐量等影响。

因此，对河岸带潜流层中铁锰的迁移规律开展研究，可以为地下水资源的保护与开发、河岸带的生物地球化学研究提供一定的依据。

石佛寺水库是辽河干流唯一的控制型水库，于2009年正式蓄水运行，库区内包含沈阳市黄家水源地与沈阳市农高区水源地，采用傍河取水方式对地下水进行开采。

库区淹没范围为50.41 km2，水库设计为滞洪型水库，具有水浅、水域面积大等特点[9]。

不同于普通河流，库区地貌单元多为高漫滩、低漫滩和一级阶地，上部
为细中砂，局部为粗砂层[10]，整体透水性较好，地表水更容易对地下水进行补充。

地表水与地下水水质差异明显，有更好的研究代表性，其河岸带中铁锰变化更为敏感，对其河岸带潜流层中的铁锰研究有着典型意义。

1 研究方法
水库蓄水前开展库区地下水铁锰采集，水库开采后对水库地区浅层地下水进行采集，原位测定pH、溶解氧等，利用离子气相色谱测定地下水中铁锰含量。

1.1 研究范围的选取
石佛寺水库属于滞洪蓄水型平原水库，影响范围广，因此横向上由坝区出库闸口至黄家水源地均作为监测点。

由于库区南北差异较大，库区北侧为河流，南侧为居民生活区，因此纵向选取范围为辽河至库区坝外。

库区内土壤透水性较好，有利于地表水向下补给地下水，地下水埋深和傍河取水等因素加强了地表水与地下水之间的联系。

潘俊等[9]通过modflow地下水模拟软件对该地区的地下水水位进行了预测，证
明该地区作为地下水水源地进行取水，会对当地水位产生明显的影响，且地下水水位降深在10 m左右。

因此，垂向上对地面标高下15 m浅层地下水作为河岸带潜流层范围进行监测。

1.2 研究区域监测点的布置
设置2个检测点群，分别检测库区靠近水库与辽河处潜流层中的铁锰含量，以及
库区外部断面浅层地表水中的铁锰含量。

地下水检测点位布置与水库蓄水范围如图1 所示。

图1 石佛寺水库监测井平面Fig.1 Plan of monitoring well of Shifosi Reservoir 1.3 地下水监测内容
石佛寺水库蓄水之前，其所处地区以辽河地下水为饮用水水源地，蓄水后以石佛寺水库库区地下水作为饮用水水源地。

通过检测地下水与地表水中铁锰含量，分析水
库蓄水对河岸带中铁锰浓度变化的影响范围。

2 水库蓄水对地下水中铁锰含量的影响
2.1 水库蓄水前后浅层地下水中铁锰含量分布
根据石佛寺水库常年水文资料，对2009—2017年各个监测点铁锰含量进行分析，并根据《地下水质量标准》。

利用单指数法对地下水质量进行评价，结果如表1
所示。

对含量利用surfer进行插值绘制等值线，结果见图2，其中实线为铁离子，虚线为锰离子。

表1 蓄水前地下水质量评价结果Tab.1 Evaluation results of groundwater quality before impounding监测点后高坎高坎达连屯达连v屯东后腰河沿吴家
窝棚评价结果Ⅲ类Ⅴ类Ⅳ类Ⅲ类Ⅳ类Ⅴ类监测点2号井位7号井位3号井位5号
井位13号井11号井位评价结果Ⅴ类Ⅴ类Ⅴ类Ⅳ类Ⅲ类Ⅲ类
图2 蓄水前地下水中铁锰含量Fig.2 The content of iron and manganese before impounding
浅层地下水质量评价结果显示，以铁锰含量作为评价因子，监测地区内水体为Ⅳ～Ⅴ类，其中库区外多为Ⅴ类。

评价结果表明，大部分地下水监测点位水质为良好和较好，但是由于原生地层中铁锰离子存在严重超标，造成评价结果较差。

由图2可知，地表水对浅层地下水有较强烈的补给作用，距离河水越远，地表水
对地下水补给作用越小。

石佛寺水库地区地下水空间分布呈环状，特点是库区内部高，向外逐渐降低，距离河水越近，地下水中铁锰含量越低，且浅层地下水中铁锰含量随河水距离呈阶梯式下降。

其中，祁家屯-肖家网一带为高铁锰地区，最高值
分别为27 和1.1 mg/L；黄家水源地-高坎一带地下水中铁锰含量最小，分别为5
和0.75mg/L。

库区外北部陈平堡一带与库区内浅层地下水铁锰含量与库区内部规律相似，浅层地下水中铁锰含量呈至南向北阶梯状增加，但总锰含量远小于库区内部。

水库建成蓄水后，2017年再次对石佛寺水库地区各个监测点的铁锰含量进行评价与分析，结果如表2所示，利用surfer进行插值绘制等值线。

表2 蓄水后地下水质量评价结果Tab.2 Evaluation results of groundwater quality after impounding监测点后高坎高坎达连屯达连屯东后腰河沿吴家窝棚
评价结果Ⅲ类Ⅲ类Ⅳ类Ⅲ类Ⅳ类Ⅴ类监测点2号井位7号井位3号井位5号井位13号井11号井位评价结果Ⅳ类Ⅲ类Ⅲ类Ⅲ类Ⅲ类类Ⅲ类
由表2可知，利用铁锰浓度进行单指数评价，检测地区地下水整体质量多为Ⅲ～
Ⅴ类，其中库区内部潜流层中Ⅲ类水体数量与蓄水前相比有明显增加，库区外多为Ⅴ类水体。

若以模糊综合评价法对地下水质量进行评价，则地下水中铁锰含量仍多为Ⅲ～Ⅴ类。

与蓄水前相比，铁锰含量虽然明显下降，但由于背景值较高，其仍对地下水质量有重要影响。

根据图3可知，水库蓄水面积较大，沙岗子-辽大农场一带均成为淹没区，蓄水后
河岸带潜流层中地下水铁锰含量特点为：库区内部从沙岗子至水库库中，河岸带潜流层中铁锰含量缓慢降低，由沙岗子至腰长河沿处浅层地下水中铁锰含量逐渐升高。

水库蓄水后库区内部潜流层中高铁锰区为大张家村一带，其中最大值为15 mg/L；最小值在泄洪闸口-黄家水源地靠河一带，最小值为3 mg/L。

图3 蓄水后地下水中铁锰含量Fig.3 The content of iron and manganese after water storage
2.2 水库蓄水对河岸带潜流层中铁锰含量影响
2.2.1 水库水对地下水的垂向补给作用
石佛寺水库地区位于辽河冲洪积扇中部，辽河两岸含水层岩性多为中细砂、粗砂和沙砾石，库区底部为粉质粘土。

给水度大，含水层厚，石佛寺水库属于平原型水库，夏季多雨，冬季干旱，枯水期丰水期水量变化分明，地下水与地表水之间联系密切。

地表水对地下水的补给作用，在水库蓄水前主要集中在降雨与辽河对地下水的补给
作用，无其他补给形式；蓄水后，更多体现为水库对地下水的直接补给作用。

从水位上来看，蓄水前石佛寺地区地下水水位表现为以上游朱尔山一带向下至库外呈阶梯下降。

其原因是辽河上游朱尔山一带地表水水位向下游逐渐降低，水库区内地下水最高水位为35 m，蓄水后地下水水位以库区内原肖家网一带最高，并向南部逐渐降低，总体水位在纵向上相似，在42 m左右。

由于水库蓄水作用，该地区成为淹没区，地下水水位被直接抬高近7 m。

水库蓄水前，由图2可知，铁锰含量最高点为肖家网一带。

由于水库蓄水，受地表水直接补给作用，该地区地下水中Fe含量直接由27 mg/L下降至3 mg/L，Mn含量由1.1 mg/L下降至0.2 mg/L。

横向上，由于水库蓄水作用，该地区淹没范围为库区总体一半左右，河岸带潜流层扩大，该地区整体地下水中铁锰含量受到水库侧向补给作用显著降低，新的高铁锰地区形成在张家窝棚一带。

说明虽然水库对该地区地下水中铁锰含量有巨大影响，但由于地下水中铁锰环境背景值较高，且水库侧向补给范围较小，因此张家窝棚一带铁锰含量与之前相比变幅较小。

2.2.2 地表水作用下的盐分溶解作用
由于地下水地表水的协同作用及两者理化性质的不同，水库水对潜流层水进行补充时，土壤中的天然盐分被溶解，造成潜流层中盐分浓度升高。

由于水库的侧向补给作用，在自然蒸发的条件下，其含盐量进一步增加。

库区蓄水前，地下水中氨氮浓度在0.6 ～ 1.2 mg/L，水库蓄水后，淹没区范围内整体氨氮浓度增大，最终稳定在0.4～1.0 mg/L之间。

水库蓄水会使氨氮下渗，对库区地下水造成一定污染。

垂向上来看，地下水中当氨氮与铁锰共存时，两者存在一定转化规律。

当存在氨氮时，其硝化过程积累亚硝酸盐，具有还原性，在溶解氧含量充足时，氨氮与铁锰同时氧化；溶解氧含量不充足时，铁虽然先于氨氮氧化，但锰的去除则相对迟缓，因
此地下水中铁离子变化速率大于锰离子变化速率[11]。

蓄水后河岸带潜流层中溶解氧为1.33～6.01 mg/L,根据计算，以张家窝棚地区为例，将该地区河岸带潜流层
中氨氮、铁、锰全部去除需要溶解氧5.20 mg/L，而该地区地下水溶解氧含量仅
为1.22 mg/L，因此难以大量去除锰离子。

3 水库蓄水后河岸带潜流层范围的划分
河岸带潜流层中各个离子的含量与深层地下水、地表水均有明显差异，地表水在对地下水进行补给的同时，往往带来大量溶解氧，铁锰离子易受到氧化作用从而总体含量降低，且变化较为明显，对于非河岸带潜流层地区，地下水圈往往呈闭合状态，其铁锰含量较为稳定。

由于水库地区地下水位经常受取水影响，变幅较大，例如石佛寺水库地区存在黄家水源地与农高科水源地，在水平方向上利用水位差来确定河岸带潜流层范围效果往往会带来较大误差。

因此，利用铁锰离子含量对河岸带潜流层范围进行划分更为准确。

根据2010年蓄水前与2017年蓄水5年后地下水中铁锰离子含量的变化，确定水库蓄水后河岸带潜流层水平方向上影响范围。

从图5、图6 可知，水库蓄水前后，河岸带潜流层中铁锰含量随与水库距离的增大而上升。

水库蓄水后，肖家网、辽大农场、西沙岗、祁家屯一带水库淹没范围内地下水中铁锰含量显著降低，大张家窝棚、小张家窝棚、鲁家窝棚地区地下水中铁锰含量明显降低，孙家窝棚、库外地区铁锰含量降低幅度较小。

图4 水库蓄水前后潜流层中铁离子含量Fig.4 The content of iron ion the submerged layer before and after reservoir impounding
图5 水库蓄水前后潜流层中锰离子含量Fig.5 The content of manganese ion the submerged layer before and after reservoir impounding
水库蓄水前，辽河两侧河岸带潜流层中铁离子普遍在5 mg/L、锰离子在1.0
mg/L以内，因此，满足浅层地下水中铁离子5 mg/L以下、锰离子1.0 mg/L以
下的地区，均可以认为是水库淹没范围内河岸带潜流层范围。

根据以上结果，得出根据铁锰离子浓度确定的河岸带潜流层范围，因此可以认为石佛寺水库蓄水后河岸带潜流层范围为地表水向外1.2～1.6 km处，且向辽河处延伸，水库地区存在傍
河取水现象，其在一定程度上加强了水库与辽河之间的水力联系，导致其河岸带潜流层相近甚至重合。

4 结论
水库蓄水对河岸带潜流层中铁锰含量影响主要体现在：
① 通过对地区地下水进行直接补给，提高非淹没地区整体地下水水位，从而使库
区范围内河岸带潜流层中铁锰含量总体降低。

② 大幅度降低河岸带潜流层中铁、锰离子含量，两者最大降幅分别为27和2.2 mg/L，且距离地表水位越远影响越小。

③ 随着蓄水过程的进行，氨氮等无机物通过侧向补给进入河岸带潜流层中，在化学、微生物等作用下发生耦合作用，使Fe离子先发生反应，降低了Mn离子的反应速率。

④ 利用铁锰离子含量确定河岸带潜流层范围，对于地下水中铁锰含量背景值较高
的地区具有一定典型性，水平方向上，比通过水位来确定河岸带潜流层范围更精准。

在通过铁锰离子确定河岸带潜流层范围的情况下，水库地区河岸带潜流层范围多为距离地表水1.2～1.6 km内，河岸带潜流层与常规河流相比范围较广。

⑤ 平原型水库中地表-地下水联合调蓄作用下对河岸带潜流层研究较少，且水力联系复杂，有待进一步的深入研究。

【相关文献】
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