持续河流壅水对河岸过滤系统中水动力与水化学条件的改变

《Water Resources and Industry》：Sustained river impoundment alters hydrodynamic and hydrochemical conditions in a riverbank filtration system

　　

： 维持较高的水质和水量对于环境可持续性、经济发展和人类健康至关重要。在此背景下，河岸过滤（RBF）是一种稳健且被广泛采用的饮用水生产技术，通过诱导河水入渗来增强地下水资源。在流经河床和冲积沉积物的地下渗流过程中，入渗河水经历多种物理化学和生物过程，可改善原水水质[1-3]。该预处理工艺相对较低的运行成本和高效率，使RBF场地成为全球许多城市群供水基础设施的关键组成部分，增加了饮用水资源的可获得性[4-6]。 然而，RBF系统的效率日益受到各种人为压力的挑战，包括可再生能源基础设施的扩张，例如在用于饮用水取水的河段建设小型水电站（SHPs）。仅在波兰，就已识别出超过14000座现有挡水建筑物，其中许多可能适用于水力发电改造[7,8]。鉴于RBF和水电基础设施在全球的广泛使用，日益需要理解诸如SHP等水工建筑物可能如何影响邻近含水层，进而影响RBF场地水资源的可持续管理。 尽管SHP具有可观的能源潜力，但其建设和运行会带来潜在的环境影响。研究表明，SHP作为河道中的横向屏障，改变了自然水流情势，往往将河段转变为停滞或半停滞水体[9-11]。持续的河流壅水可导致细颗粒组分、有机质和污染物在底泥中更高程度的积累，可能在水坝上游积累营养物质和重金属，并触发厌氧分解[8,12,13]。此外，SHP的运行可改变地表水-地下水相互作用并改变水质，例如通过改变热状况、溶解氧水平和营养盐动态[11,14]。 尽管越来越多的文献考察了SHP的环境影响，但研究主要集中在地表水系统，关注水工建筑物上下游的泥沙输移、河水理化参数和生态条件的变化[15-21]。然而，河流水位、流态和水质的变化可传播至邻近含水层，改变地下水流条件和水化学特征，特别是在与河流相连的冲积环境中。此类变化可能直接影响RBF系统的功能，因为其高效和可持续的运行依赖于河流-含水层环境中的水力连通性和地球化学条件[2,3]。尽管地表水-地下水相互作用的重要性，考察SHP对地下水系统影响的研究，特别是对运行中的RBF场地的影响，仍然很少[19,22]。这一知识空白限制了研究人员预测壅水引起的变化如何影响利用RBF的饮用水井田性能和长期可持续性的能力。 为填补这一空白，研究人员调查了SHP运行导致的持续河流壅水对RBF系统功能的影响。研究人员采用综合监测方法，结合高分辨率传感器数据与水化学分析（包括微污染物测定），评估了波兰南部杜纳耶茨河沿岸K?pa Bogumi?owicka井田中河流-地下水相互作用和水质的变化。通过比较壅水前后的条件，本研究旨在评估：（i）RBF系统对河流壅水的水动力和水化学响应，（ii）生产井中药品与个人护理产品（PPCPs）出现情况的变化，以及（iii）壅水对RBF场地运行和长期可持续性的影响。

论文解读文章

一、研究背景与问题

河岸过滤（RBF）是一种广泛采用的饮用水生产技术，通过诱导河水入渗，使入渗河水在流经河床和冲积沉积物时经历多种物理化学和生物过程，从而改善原水水质。然而，RBF系统的效率日益受到各种人为压力的挑战，其中可再生能源基础设施的扩张——特别是小型水电站（SHP）在用于饮用水取水的河段中的建设——成为一个日益突出的问题。尽管已有大量文献考察SHP的环境影响，但研究主要集中在表面水系统，关注水工建筑物上下游的泥沙输移、河水理化参数和生态条件变化。关于SHP对地下水系统影响的研究，特别是对运行中的RBF场地的影响，仍然十分匮乏。这一知识空白限制了研究人员预测壅水引起的变化如何影响利用RBF的饮用水井田性能和长期可持续性的能力。为此，本研究以波兰南部杜纳耶茨河沿岸的K?pa Bogumi?owicka井田为研究对象，该井田自1993年起由塔尔努夫自来水公司持续运营，旨在评估SHP运行导致的持续河流壅水对RBF系统水动力条件、水化学特征以及药品与个人护理产品（PPCPs）出现情况的影响。

二、研究内容与主要技术方法

研究人员采用综合监测方法，将高分辨率传感器数据与水化学分析相结合。研究区域设有11口生产井，分为靠近河岸的A排（S30–S36，距河岸75–120米）和较远的B排（S37–S40，距河岸315–380米），均为虹吸井结构。研究人员在杜纳耶茨河、四口生产井（S31、S36、S37、S39）和一口观测井E1中安装了六台Levelogger 5 LTC型数据记录仪，以小时分辨率记录水位、温度和电导率。水化学分析涵盖pH、电导率、浊度、色度、总硬度、碱度以及硫酸盐、氯化物、硝酸盐、亚硝酸盐、铵离子、总铁和总锰等参数。PPCP分析在五次采样活动中进行，分别分析106种（壅水前）和131种（壅水后）化合物。地下水滞留时间通过河水与地下水温度时间序列的互相关分析估算，并采用热迟滞因子（R_T）进行换算。统计分析包括Wilcoxon秩和检验、线性混合效应模型（LMMs）、主成分分析（PCA）、置换多元方差分析（PERMANOVA）和冗余分析（RDA）。环境风险评估（ERA）采用风险商（RQ）方法，人体健康风险评估（HHRA）则针对成人、儿童和婴儿三个年龄组进行。

三、研究结果

水动力条件变化。高分辨率数据记录显示，SHP运行后杜纳耶茨河水位中位数上升0.64米，电导率中位数增加39 μS/cm。所有监测井的地下水位均出现持续上升，增幅为0.26–0.85米，其中S31井增幅最大（+0.85米）。地下水温度在所有监测井中上升1.0–2.2 °C。地下水位短期变异性在壅水后显著降低，四个生产井的水头方差均有所下降。地下水滞留时间估算显示，S31和S36井的滞留时间分别从壅水前的26天和28天缩短至壅水后的16天和19天，表明壅水增强了水力驱动，加速了河水向含水层的入渗。

水化学条件变化。Wilcoxon秩和检验和线性混合效应模型分析显示，A排井中铵离子（+56%）、色度（+258%）和总锰（+40%）显著升高，而硝酸盐（?82%）和硫酸盐（?50%）显著降低。B排井中硝酸盐（?70%）和硫酸盐（?48%）大幅下降，总锰（+56%）升高。B排多个参数向杜纳耶茨河值收敛，表明河水与地下水之间的水化学差异缩小。PCA分析显示，A排和B排的壅水前后样品在排序空间中呈现清晰分离。PERMANOVA证实了各采样组壅水前后水化学组成的显著差异，RDA分析表明SHP时期解释了地下水化学变异的9%左右，采样位置解释了33%。

PPCP出现情况变化。壅水前，S40井未检测到任何PPCPs；壅水后，S40井检测到8–17种PPCPs，总浓度最高达92063.1 ng/L。S30/S31井中检测到的PPCPs数量从壅水前的0–10种增加至壅水后的13–20种。壅水后河水和地下水中的主要化合物包括双酚A（最高达157000 ng/L）、三氯蔗糖、黄嘌呤和对羟基苯甲酸甲酯。观测井E1中仅检测到DEET（317 ng/L），表明原生地下水受PPCP污染影响有限。

风险评估结果。壅水前，环境风险评估（ERA）显示各采样点的累积风险商（RQ_mix）主要为中等风险水平。壅水后，2025年7月采样中杜纳耶茨河（RQ_mix = 662.53）和S40井（RQ_mix = 378.00）出现极高的环境风险，主要由双酚A和布洛芬的高浓度驱动。人体健康风险评估（HHRA）显示，壅水前所有年龄组和情景均为可忽略风险；壅水后2025年7月采样中，杜纳耶茨河对成人（RQ_mix = 1.01）、儿童（RQ_mix = 3.02）和婴儿（RQ_mix = 4.54）构成潜在健康风险，S40井对儿童和婴儿也构成潜在风险。2025年11月采样中，所有位置的健康风险恢复至可忽略水平。

四、讨论与结论

研究表明，SHP运行导致的持续河流壅水显著改变了RBF系统的水动力和水化学条件。壅水使河流水位上升并减弱了自然水位变异性，导致地下水水位上升和短期波动减小，表明含水层水力条件趋于稳定，诱导河水入渗贡献增加。地下水化学的显著变化——包括硝酸盐和硫酸盐的下降、铵离子和锰的升高——表明壅水后含水层出现更强的还原条件。PPCPs在生产井中检出数量和浓度的增加，特别是此前未受影响的S40井，表明壅水增强了河水污染物向含水层的迁移。2025年7月采样中出现的极高双酚A浓度可能与该时期特殊排放事件有关，而非壅水的直接结果。这些水化学变化降低了原水水质，导致2025年底井田地下水开采量从占区域总供水量的32%降至16%。研究强调，在规划SHP等水工建筑物时，需要充分考虑其对邻近RBF系统长期可持续性的潜在影响，将地表水和地下水管理纳入统一的决策框架。