云应盆地北部浅层地下水氢氧同位素特征分析

胡美艳,王 清，陈植华,胡 成

(1.中国地质大学(武汉)环境学院，湖北 武汉 430074；2.中国地质调查局武汉地质调查中心，湖北 武汉 430205)

水资源短缺是当前面临的严峻问题，而水循环则是合理利用水资源的基础，故解决水资源的关键在于深入了解水循环机理。在研究地下水循环的过程中，地下水水化学特征的分析[1-3]、数值模拟[4]、环境同位素特征分析[5-10]都是重要的手段，尤其是环境同位素特征分析方法常被广泛运用于地下水与地表水转化关系的研究中[11-19]。在国外，Aravena等[20]分析了智利北部Loa和Tarapaca河水的同位素特征，揭示了河水与地下水的补给关系；Weyhenmeyer等[21]分析了不同高程下降水的同位素组成，得出了高程效应对地下水补给比例的影响；Barnes等[22]和Lindström等[23]分别用δ18O和δD分析模拟了土壤水的滞留时间。在我国，环境同位素特征分析方法也得到了广泛应用，如田立德等[24]分析了青藏高原河水中δ18O的变化特征；张应华等[25]发现地下水与地表水中同位素δ18O值明显不同，地下水与地表水的转换关系表现为地下水补给地表水;郑扬帆[26]通过分析不同水体中δD-δ18O的组成关系及其同位素特征，确定了地下水的主要补给来源。

鉴于对平原流域地下水转换关系及其水循环方面的同位素特征研究相对较少，本文以云应盆地北部的澴河河谷阶地为研究对象，通过分析流域内不同含水层地下水中氢氧同位素的组成及其空间分布特征，以研究流域内浅层地下水之间的转换关系，为正确评价与合理利用地下水资源提供科学依据。

1 研究区概况

研究区位于云应盆地北部，是山区与平原的地形的转折带，包括云梦县的曾店镇和吴铺镇，孝昌县的白沙镇和陡山乡，孝南区的陡岗镇、肖港镇、朋兴乡和西河镇，其中隶属于湖北省孝感市孝南区的肖港镇位于研究区的中心，见图1。

图1 研究区地理位置图Fig.1 Geographical location map of the research area

研究区横跨3个小型集水流域，其中澴河流域地表面积占优。区内水系发育、分散，堰塘、水库众多，水体分布面积约26.7 km2，占总面积的6%。澴河主干由北至南从研究区中部蜿蜒穿过，在区外汇入府河，是研究区内主要地表水系，其多年年均径流量为1 989亿m3，多年月平均水位高程(黄海高程系)为21.7 m，为本区地下水侵蚀基准面。

研究区为亚热带大陆性季风气候，雨量富足，阳光充足，湿度适中。根据多年统计，研究区6、7月份的降雨量最大，可达150～200 mm，年均降雨量为1 200 mm，蒸发量略大于降雨量，为1 435 mm，潮湿系数为0.93。

2 采样与分析方法

2. 1 采样方法

2016年9月1日至30日对研究区雨水、澴河地表水和各含水岩层地下水进行了现场采样，共采集了50个同位素水样样品，具体取样点分布见图2。由于2016年雨水较少，于2017年3月至4月采集了10个雨水样，取样点位于研究区的中心位置即肖港镇小桃园酒店楼顶。现场采用GPS测定取样点的经纬度和井的地面标高。水样用100 mL塑料瓶采集，密封并置于低温处保存。

2. 2 分析方法

采用离轴整腔输出光谱技术(OA2ICOS)的液态水稳定同位素分析仪(LWIA-24d，LOS Gatos，USA)测定水样中的δD、δ18O，由武汉地质调查中心重点实验室完成测定。水样中同位素δD、δ18O的测定结果均用相对于平均海水VSMOW(维也纳标准平均海洋水)来表示，其计算公式如下：

(1)

(2)

式中： (ξD/ξH)sample、(ξD/ξH)standard分别为D/H的测定值与维也纳标准平均海洋水标准值；(ξ18O/ξ16O)sample、(ξ18O/ξ16O)standard分别为18O/16O的测定值与维也纳标准平均海洋水标准值。其中，δD和δ18O是D和18O的计算值，精度分别为±0.6‰和±0.2‰，检查样为50%。

3 研究区氢氧同位素特征分析

3.1 研究区大气降水中D和18O特征

大气降水中δD和δ18O之间存在线性关系，即称为大气降水线。Craig[27]最早提出了全球大气降水线公式，即δD=8δ18O+10;郑淑蕙等[28]根据107个大气降雨的稳定同位素值，得出我国大气降水线方程为：δD=7.9δ18O+8.2。由于研究区2016年9～12月份雨水太少，课题组于2017年3～4月份采集了雨水样,雨水样中δD和δ18O的测试计算结果见表1。

由表1可知：研究区雨水中δD值的变化范围为-57.25‰～0.62‰，平均值为-22.02‰；雨水中δ18O值的变化范围为-8.98‰～-1.84‰，平均值为-4.58‰。

表1 研究区雨水样中δD和δ18O的测试计算结果

根据所取的10个雨水样的δD和δ18O值(表1)，得到研究区大气降水线方程为：δD=7.76δ18O+12.85，并用Grapher软件绘制出研究区雨水δD-δ18O关系图，见图3。

图3 研究区大气降水δD-δ18O关系图Fig.3 Diagram of δD-δ18O relation of atmospheric precipitation samples in the research area

由图3可见，与全球大气降水线和我国大气降水线相比，研究区大气降水线的斜率与我国大气降水线斜率相近，但各雨水样点基本都在我国降水线上方，说明研究区更加富集18O，也说明研究区的蒸发强度较我国平均蒸发强度大。

3.2 研究区地表水和地下水中D和18O特征

研究区地表水和地下水中δD、δ18O的测试计算结果见表2。

表2 研究区地表水和地下水中δD和δ18O的测试计算结果

由表2可知，在整个研究区内，地表水和地下水δD值的变化范围为-56.45‰～-33.14‰，δ18O值的变化范围为-8.24‰～-4.35‰。

采用Grapher软件绘制出研究区地表水和地下水δD-δ18O的关系图，见图4。

图4 研究区地表水和地下水δD-δ18O关系图Fig.4 Diagram of δD-δ18O relation of surface water and groundwater in the study area

由图4可见，研究区地表水和地下水水样点主要分布在当地大气降水线的下方，构成了斜率明显小于研究区大气降水线的蒸发线，集中反映了蒸发作用对研究区内各类水体的影响，而且研究区各含水层的蒸发强度都较大，澴河地表水的蒸发线斜率最大，3个地下含水层的蒸发线斜率相近，但δD和δ18O分布特征却有所不同。其中，澴河地表水的δD、δ18O值明显高于3个地下含水层水体中的δD、δ18O值；Ey碎屑岩类裂隙水中的δD、δ18O值较高于第四系松散岩类孔隙水和Qbw2变质岩类风化裂隙水中的δD、δ18O值。研究区内地表水和地下水中D、18O的富集程度大致表现为：Qbw2变质岩类风化裂隙水<第四系松散岩类孔隙水

采用Grapher软件对研究区地表水与地下水的δD-δ18O进行拟合，得到研究区地表水与地下水δD-δ18O拟合蒸发线的各种参数和拟合度，其拟合结果见表3。

表3 研究区地表水与地下水δD-δ18O的拟合结果

综上分析，可以得到如下结论：

(1) 研究区内澴河地表水样点主要分布在当地大气降水线的右侧，拟合的蒸发线方程为：δD=6.96δ18O-1.96(R2=0.998)，其δD和δ18O值的变幅不大，表明其补给来源单一，主要接受大气降雨的补给以及上游河流的补给；但并未表现出沿河流富集的特点，这是因为研究区河流的流程较短的原因。

(2) 研究区内第四系松散岩类孔隙水样点主要分布在当地大气降水线的右侧，拟合的蒸发线方程为：δD=6.82δ18O+0.12(R2=0.942)，其δD和δ18O值的变幅最大，蒸发明显，表现出该含水层补给来源多元化的特征，其不仅接受大气降水补给，同时也接受较深层Ey碎屑岩类含水层的补给。

(3) Ey碎屑岩类裂隙水样点集中分布在当地大气降水线右侧，拟合的蒸发线方程为：δD=6.01δ18O-5.06(R2=0.906)，但是其δD、δ18O值的变幅较大，表现出该含水层补给来源多元化的特征，其不仅接受大气降水补给，同时接受山前变质岩含水层的侧向补给。

(4) Qbw2变质岩类风化裂隙水样点主要分布在当地大气雨水线的右侧，拟合的蒸发线方程为：δD=6.10δ18O-5.29(R2=0.980)，其δD、δ18O值较低，说明该含水层循环条件相对较好，地下水更新速度较快，也说明了其主要接受山前侧向补给。

(5) 研究区内澴河地表水和各含水层地下水蒸发线的斜率不同，说明区内各水体的蒸发强度不同，其蒸发强度表现为：澴河地表水>第四系松散岩类孔隙水>Qbw2变质岩类风化裂隙水>Ey碎屑岩类裂隙水，而区内各水体的埋藏深度也表现为：澴河地表水>第四系松散岩类孔隙水>Qbw2变质岩类风化裂隙水>Ey碎屑岩类裂隙水，说明水体的蒸发强度与其埋藏深度存在着相关性。

3. 3 研究区地表水和地下水中氘过量参数特征

氘过量参数(d)主要用来量化及比较气、液相同位素分馏不平衡程度的差异[29]，其定义为：d=δD-8δ18O，即d值的大小相当于当地大气降水线的斜率(ΔδD/Δδ18O)为8时的截距值。d值实际上是对大气降水过程中综合环境的反映[30-31]。研究区地表水和各含水层地下水中氘过量参数见表4。

表4 研究区地表水和各地下水中氘过量参数

由表4可见，研究区内所有水样d值的变化范围为1.66‰～11.11‰，76%的水样d值集中在4‰～9‰范围内，其中第四系松散岩类孔隙水中d值均值较大，其最大值为11.11‰，明显高于区内其他水体，并与当地大气降水线有较大的偏离，说明该地下水与其他水体转换频繁；澴河地表水中d值较区内地下水偏小，主要是由于该地表水夏季蒸发量较大，破坏了同位素之间的平衡关系，从而使δD和δ18O值降低；Ey碎屑岩类裂隙水、Qbw2变质岩类风化裂隙水和第四系松散岩类孔隙水中的d值较为接近，说明这三个含水层的水力联系较密切。

根据研究区不同类水的d值绘制出相应的箱型图(箱形图的两条端线代表最大值和最小值，箱体的大小代表所包含个体取值的离散程度)见图5。由图5也可以看出研究区第四系松散岩类孔隙水中d值比其他类水相对较高。

图5 研究区地表水和各地下水中氘过量参数值箱型图Fig.5 Box diagram of deuterium excess parameters of surface water and groundwater in the study area

4 结 论

(1) 研究区δD和δ18O富集程度的不同体现了区内不同水体水循环条件的差异性。Qbw2变质岩类风化裂隙水的δD、δ18O值较低，说明该含水层循环条件相对较好，地下水更新速度较快；第四系松散岩类孔隙水与Ey碎屑岩类裂隙水δD、δ18O值的变幅最大，蒸发明显，表现出该含水层补给来源多元化的特征，同时也说明其与第四系含水层之间的水力联系较为密切。

(2) 研究区不同水体蒸发线的斜率不同，说明各水体蒸发强度不同，其蒸发强度表现为：澴河地表水>第四系松散岩类孔隙水>Qbw2变质岩类风化裂隙水>Ey碎屑岩类裂隙水；而研究区内各水体的埋藏深度也表现为：澴河地表水>第四系松散岩类孔隙水>Qbw2变质岩类风化裂隙水>Ey碎屑岩类裂隙水，说明水体的蒸发强度与埋藏深度存在着相关性。

(3) 研究区内澴河地表水的d值较各地下水偏小，主要是由于该地表水夏季蒸发量较大，破坏了同位素之间的平衡关系；Ey碎屑岩类裂隙水与Qbw2变质岩类风化裂隙水和第四系松散岩类孔隙水中的d值较为接近，说明这三个含水层的水力联系较为密切。