石头口门水库上下游地下水同位素特征及年龄

郭晓东，孙岐发，田 辉，于慧明

(1.中国地质调查局沈阳地质调查中心，沈阳 110024；2.吉林大学环境与资源学院，长春 130026)

同位素技术被广泛应用于地下水起源和地下水测年，不同来源水的同位素组成和差异及同位素含量的时空变化是应用同位素技术解决地下水补给来源的基础[1]。地下水年龄(即地下水平均滞留时间)可以确定含水层的长期补给潜力，可为地下水开发利用提供提供参考依据，其测定可以通过同位素来确定[2]。近年来流域尺度的地下水同位素变化规律与其他水体转化关系，受到人们的关注[3]。陈彭等在陡河流域[4]、姚俊强等在呼图壁河流域[5]、孙芳强等在三工河流域[6]、梁丽娥在呼伦湖流域[7]等开展了地下水与地表水体的相互关系研究。

长春市是我国典型的缺水型城市，而饮马河流域是长春东部重要的地下水源，石头口门水库是长春市重要的城市供水水源。开展石头口门水库上下游地下水同位素特征研究，分析该区地下水与地表水之间的关系，评价地下水来源以及地下水年龄，对于水源地保护与水资源合理开发利用具有重要意义。

1 研究区概况

1.1 研究区位置

研究区位于吉林省长春市东部，包括长春市九台区龙嘉镇、西营城镇、波尼河镇，二道区东湖镇、四家乡，双阳区新安镇、齐家镇，吉林市永吉县万昌镇、官厅乡。研究区西北部松嫩平原区，西南部为伊舒槽地，中部为低山丘陵区。

1.2 水文气象

研究区为北温带大陆性季风气候，年均降水量582.4 mm，6-9月降水量约占全年的70%以上，多年平均蒸发量在1 488 mm以上，年平均气温4.9 ℃，极端最高气温36 ℃。

饮马河全长384 km，流域面积1 827 km2，发源于磐石县呼兰岭，在农安县靠山屯汇入第二松花江，流向大致从南向北流。石头口门水库位于饮马河中游，坝址以上集水面积4 944 km2，水库年平均流量为26.2 m3/s，水库上游通过伊舒槽地，两侧多为河流阶地和波状台地。河流由南向北流，接受两侧地下水补给。

1.3 水文地质

研究区地下水分布于饮马河河谷漫滩以及一、二级阶地上，赋存有第四系孔隙潜水和新近系碎屑岩裂隙孔隙承压水，波状台地区地下水较贫乏，基岩区主要为基岩裂隙水和花岗岩风化带孔隙裂隙水，水量较小。第四系松散岩类孔隙潜水埋藏浅，水量丰富，单井涌水量500～3 000 m3/d。地下水化学类型为重碳酸钙或重碳酸钙钠型水，矿化度0.1～0.5 g/L，属低矿化度水。新近系碎屑岩类裂隙孔隙承压水富水性在100～3 000 m3/d，埋藏深，水质好。水化学特征主要为重碳酸钙型水，矿化度0.13～0.20 g/L[8]。

2 材料与方法

2.1 样品采集与分析

2016年采集地下水、河水和雨水同位素样共20件，样点分布见图1，样品送中国地质科学院水文地质环境地质研究所实验室测试。D和18O的测试采用波长扫描-光腔衰荡光谱法，所用主要设备为L2130i同位素分析仪[9]。氚同位素测定经过样品蒸馏、电解富集后，通过超低本底液体闪烁谱仪(Quantulus1220)进行测试，分析精度约±1 TU[10]。

图1 采样点分布图Fig.1 Map of samples

2.2 同位素分析理论

在水循环的过程中，受混合作用、雨水凝结与蒸发等作用的影响，发生同位素的分流，水体中稳定同位素比率在不同阶段和区域产生规律性的变化。主要表现为环境同位素具有高程效应、温度效应和大陆效应等，不同环境条件具有不同同位素特征，这些特征的差异性以及同位含量的时空变化可以用来研究水循环以及地下水的起源[11]。

3 结果分析

3.1 结 果

样品基本情况及测试结果见表1。

从表1可以看出，研究区地下水δD范围为-77～-58，平均值为-70.59，河水为-73～-64平均值为-68.5，而雨水为-97，地下水δD值与河水相似，但是与雨水具有明显富集。地下水中δ18O范围为-10.4～-6.7，平均值为-9.38，而河水为-10～-8.3，平均值为-9.38。雨水为-13.6，同样具有明显的富集。地下水氚含量平均值为12.44，河水为16.95，雨水为32.3，地下水与雨水相比明显贫化。

图2 饮马河中游不同水体δD～δ 18O关系图Fig.2 The δD～δ 18O map of various kinds of water in Yinma River

3.2 地下水来源分析

从图2可以看出，饮马河中游地下水δD～δ18O关系线为δD=4.857δ18O-25.015，而东北地区雨量线δD=7.2δ18O-2.39[12]，大部分样品点都落在东北地区雨量线附近，说明地下水主要补给来源为大气降水。东北地区雨量稍微偏离国际雨量线，说明存在云下蒸发作用[13]。

ST15和ST18远离东北地区雨量线，地下水δD和δ18O值偏离当地大气降水线的程度反映了其补给及径流过程中所经历地球化学过程的强弱，偏离越大，地下水所经历的地球化学过程越强烈[14]。ST15和ST18点为深层地下水，地下水受到更多水岩相互作用，在地下水的径流过程中同位素富集。两个河水样品点落于东北地区雨量线附近，同时又接近地下水线，地下水与河水联系比较紧密，共同受降水补给。

表1 饮马河中游同位素样品测试结果Tab.1 Result of isotopes samples in Yinma River

3.3 地下水年龄分析

由于大气中氚含量从核试爆集中期到目前，含量逐渐衰减，并接近核试爆之前的水平[15]。而地下水中的氚含量往往受多种因素综合影响，准确定量计算非常困难。Clark提出大陆地区适用的氚含量定性解释方法[16]，见表2。从研究区氚同位素特征来看(见表1)，而地下水氚含量大部分在4～18.8 TU之间，参照表2可知该区地下水多为距今10 a以内的现代水，说明该地区地下水径流条件较好，补给更新及循环速率快，地下水水质较好。而ST03和ST04点氚值<1.0 TU，很有可能是1952年之前补给的地下水，年龄较早，说明ST03和ST04点地下水补给条件较差，地下水循环较慢，可能是由于该两点含水层为淤泥质粉质黏土，含水层渗透性较差，水质可能较差。ST14点氚值为4 TU，则可能是1952年之前补给与现代水补给的混合水。

表2 地下水氚含量及年代定性对应表Tab.2 Qualitative corresponding table between tritiumcontent and source age in groundwater

4 结 语

石头口门水库地区地下水浅层水主要来源于大气降水，河流与地下水联系紧密，深层地下水受较多地球化学作用。

石头口门水库地区地下水多为10 a之内的现代水，个别点为1952年之前的水与现代水的混合水。总体上地下水更新较快，补给条件好。

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