生态补水改变了华北平原地下水化学成分的时空分布模式

《Journal of Hydrology》：Ecological water replenishment reshapes the spatiotemporal patterns of groundwater hydrochemistry in the North China plain

　　

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  欧洲 rerouting of water (EWR) 与显著的地下水流时空变化相关。
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  在 EWR 期间，水化学响应表现出明显的阶段依赖性变化。
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  不同河流系统及含水层类型之间的响应存在显著差异。
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  从量到质的综合视角对可持续的地下水恢复至关重要。

引言

地下水是世界上最大的常年性、空间分布广泛的淡水资源，满足了全球约 40% 的灌溉需求，也是大约一半人口的饮用水来源（Gleeson 等人，2010；Aeschbach-Hertig 和 Gleeson，2012）。因此，它对农业生产、工业活动、家庭用水安全和生态系统可持续性至关重要（Zang 等人，2022；Xia 等人，2026）。不幸的是，不可持续的过度抽取导致地下水迅速枯竭，尤其是在集约耕作的干旱地区（Siebert 等人，2010；Jasechko，2026）。过度抽取地下水使含水层储水量减少，并引发了一系列负面后果，包括地面沉降、海水入侵、作物产量下降和生态系统退化，从而对地质稳定性、粮食安全和长期水资源可持续性构成严重威胁（Werner 等人，2013；Famiglietti，2014；Jain 等人，2021；Ohenhen 等人，2026）。全球为逆转地下水枯竭所做的努力越来越依赖于多方面的干预措施，包括从需求端调节地下水抽取量，以及通过地表水替代、人工补给含水层和跨流域调水来增加供给（Jasechko 等人，2024；Kuang 等人，2024）。这些综合的水资源管理和有针对性的政策干预措施已经在世界多个地区证明能够稳定甚至恢复地下水水位（Chang 等人，2025；Long 等人，2025；Wei 和 Wang，2025）。例如，在泰国曼谷盆地和伊朗的 Abbas-e Sharghi 盆地，通过监管干预（如收取地下水抽取费和发放井许可证）和地表水调水措施，水文状况得到了改善（Jasechko 等人，2024）。最近，Long 等人（2025）记录到华北平原（NCP）的地下水水位自 2020 年以来平均每年上升约 0.7 米，这表明基于干预的地下水管理方法有效，同时也强调了需要评估其超出水位恢复之外的更广泛环境影响。

实际上，地下水恢复涉及多重协同效益与潜在意外风险之间的权衡。一方面，补充枯竭的含水层可以带来多种协同效益，包括减缓地面沉降、减轻海水入侵、降低干旱脆弱性、恢复生态系统和改善水资源获取。另一方面，当地下水位上升到过浅深度时，可能会出现新的挑战，如土壤盐碱化、结构不稳定和洪水灾害（Qureshi 等人，2008；Long 等人，2025；Wei 和 Wang，2025；Jasechko，2026）。更重要的是，与补水相关的渗透作用会改变水力连通性、改变混合机制并扰乱地下化学平衡。这些水文地球化学扰动可能会释放之前被封存的盐分、营养物质和新污染物，从而重塑地下水质量，并对地下水可持续性构成长期挑战（García-Menéndez 等人，2021；Waterhouse 等人，2021；Ore 等人，2025）。据我们所知，先前的研究为阐明与生态补水（EWR）相关的水动力和水化学响应及其控制因素奠定了重要基础（Makhlouf 等人，2024；Wang 等人，2024；Chang 等人，2025；Li 等人，2026）。例如，Makhlouf 等人（2024）研究了埃及米尼亚省地表水补给对地下水质量的影响，发现地下水化学成分随距离尼罗河的距离而显著变化，表明补给源的邻近性是控制地下水质量的关键因素。同样，Wang 等人（2024）在胡图奥河冲积扇区域进行了动态监测，发现补水期间地下水发生了明显的时空变化，其中水与岩石的相互作用、河流与地下水的混合以及氧化还原变化是主要影响因素。最近的研究进一步表明，补水引起的水化学扰动与地下生物地球化学机制的变化密切相关，强调了微生物群落在塑造地下水质量演变中的作用（Barba 等人，2019；Li 等人，2022；Jiang 等人，2025；Zhong 等人，2025）。然而，大多数先前的研究仅针对特定河流或补给段、浅层含水层系统以及相对较短的活跃补给期。跨含水层类型、河流系统和时间阶段的深入比较分析仍较为有限。因此，迫切需要系统地描述补水期间的时空水化学演变轨迹及其在不同河流-地下水系统中的潜在控制因素。

华北平原（NCP）是一个理想的研究区域，可以填补这一知识空白。该地区支撑着中国约 20%的粮食生产，养活了约 1.3 亿人，但其每年可再生水资源量人均不到 500 立方米，远低于全球水资源压力基准（Zheng 等人，2010；Zhang 等人，2021；Long 等人，2025）。过去几十年来，由于灌溉需求强烈和过度抽取地下水，该地区的地下水持续下降，水位年平均下降幅度约为 0.5 至 2.0 米，使其成为全球地下水枯竭最严重的地区之一（Pan 等人，2017；Rodell 等人，2018）。为了缓解这一危机，该地区实施了多项跨流域调水项目，包括从黄河流域调水和自 2014 年开始的大规模南水北调项目（Liu 和 Yang，2012；Dong 等人，2023）。除了替代市政和工业用水外，调来的水越来越多地用于河流和湖泊的生态补水和含水层补给。在此基础上，2018 年 9 月 13 日，河北省的三个关键试点河流（胡图奥河、富阳河和南朱玛河）启动了大规模的 EWR （Wang，2020）。结合更严格的抽水规定，这些干预措施有助于整个华北平原地下水水位的稳定和局部恢复（Long 等人，2020；Long 等人，2025；Zhang 等人，2020；Yang 等人，2022）。 实际上，这些干预措施对地下水恢复的区域效益日益得到认可，但其在华北平原的水化学后果仍知之甚少。因此，本研究的目标是：（i）描述补水前后代表性河流系统中地下水水化学的时空演变；（ii）阐明非承压含水层和承压含水层中水位波动与水化学变化之间的阶段依赖关系；（iii）识别不同河流-地下水系统中的空间差异性水化学响应，并探讨其在华北平原的潜在水文地质控制因素。本研究的结果不仅有助于阐明时空演变和差异性水化学响应模式及其潜在控制因素，还为优化补水策略、预防次要环境风险以及推进大规模地下水恢复的从量到质综合管理提供了重要见解。

章节片段

研究区域和背景

华北平原（北纬 34°-41°，东经 113°-120°）从太行山脉东麓延伸至渤海，从燕山山脉南麓延伸至黄河（图 1a 和 b）。它涵盖了北京和天津两市以及河北、河南和山东的部分地区，总面积约为 140,000 平方公里。根据地形特征、地下水埋藏条件和径流情况，该平原可分为三个水文地貌区

地下水水化学的一般特征

表 1 显示了非承压含水层和承压含水层中水化学指标的描述性统计结果。该地区的地下水通常呈中性至微碱性，非承压含水层的平均 pH 值为 7.69，承压含水层的平均 pH 值为 7.86。非承压含水层中 TH、TDS、Na⁺、Cl^-、SO₄^2-、NH₄-N、Fe 和 Mn 的中位数浓度分别为 309.35、425.50、43.70、29.75、95.80、0.02 和 0.0300

讨论

在 EWR 期间观察到的水化学演变反映了水文扰动和随后的水化学调整的综合影响。水位波动整合了补给和排放条件的变化，可以改变水力梯度、流动路径和混合模式。相关的水化学响应还受到含水层异质性、背景地下水化学成分、补给水化学成分以及水与岩石相互作用的影响

结论

本研究通过跨含水层和阶段解析的评估，系统地评估了华北平原（NCP）中 EWR 期间的时空轨迹、差异性水化学响应及其潜在环境影响。这一比较框架使得可以同时从时间顺序、纵向差异性和垂直含水层异质性角度评估水化学响应

CRediT 作者贡献声明

Yin Ziyue：写作——审阅与编辑、初稿撰写、可视化、方法论确定、研究开展、资金筹集、数据分析、概念构思。 Wu Jianfeng：写作——审阅与编辑、初稿撰写、监督、资源协调、项目管理、资金筹集。 Sun Xiaomin：写作——审阅与编辑、初稿撰写、资源协调、数据分析。 Song Jian：写作——审阅与编辑、初稿撰写

Chen 等人，2020；河北省水利厅，2019；von Rohden 等人，2010；Xia 等人，2023。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了中国国家自然科学基金（U2443201、42502244、42272277）、中国国家创新人才博士后计划（BX20240165）和江苏省优秀博士后人才资助计划（2024ZB125）的财政支持。作者感谢三位匿名审稿人的建设性评论和建议，这些评论和建议有助于提高本文的质量。

Yin Ziyue | Wu Jianfeng | Sun Xiaomin | Song Jian | Yang Yun | Wu Jichun