河南省某大型水源地岩溶水水化学及同位素特征

蔡月梅，蔡五田，刘金巍，边 超，吕永高，刘江涛，曹月婷，李敬杰

(中国地质调查局水文地质环境地质调查中心，河北 保定 071051)

某地下水水源地为河南省某市的主要供水水源地之一，是第四系覆盖型岩溶水源地。其共有15口开采井，呈东西向延伸(图1)，井深163～296 m，水源地日开采量9.7×104m3，为一大型地下水水源地。近年来，在水源地周边浅层第四系孔隙水水井中季节性地检出了微量重金属备受有关部门和水文地质工作者的关注。为此，弄清水源地岩溶水的补给来源、补给途径及其与上覆第四系含水层的关系，识别重金属污染风险，成为济源青多水源地地下水保护的重要任务。2012—2013年，焦艳军等在研究区采集水化学及同位素样品14组，研究表明大气降水是研究区内地表水和地下水的主要补给来源，浅层第四系孔隙水来源于大气降水的垂直入渗补给，北部山区为盆地中深层孔隙水和岩溶地下水的补给区。

为查明重金属的污染来源，评估水源地污染风险，2015年，中国地质调查局水文地质环境地质调查中心依托地质调查项目，基本查明了水源地周边的地质条件、含水层岩性和结构，第四系含水层与岩溶含水层的接触关系、地下水及地表水的水质状况等。本文以水源地开采井岩溶地下水为受体，运用水分子稳定同位素和溶液的无机离子作为示踪剂进行研究，从溶质(Cl-、Ca2+、Mg2+和Sr2+等)和溶剂(水分子稳定同位素D和18O)的变化关系分析水源地岩溶水的补给来源、水文地球化学作用过程等特征。

1 研究区概况

水源地位于山前倾斜盆地，地势呈北西高，东南低，属暖温带半湿润半干旱大陆性季风气候，具有春季干旱多风、夏季炎热多雨，秋季旱涝交替、冬季寒冷少雪的特点。年平均气温14.2 ℃，年降水量600～700 mm，多集中于7—9月，区内水面蒸发量1 580～1 860 mm。

对水源地有重要影响的地表水体主要为东西侧两条南北向河流。包气带岩性为第四系冲积物，地面坡度在25°以下，周边基岩断裂构造发育、以高角度断层为主，基岩呈断块状分布。在盆地北缘，出露第四系松散堆积物，下伏石炭系、二叠系煤层及奥陶系灰岩。在水源地开采区，裂隙岩溶含水岩组顶板直接与第四系孔隙含水岩组接触，第四系厚度约50 m。以水源地开采区为中心，第四系沉积物向西、向北、向南变深至80～100 m，在断裂部位可大于150 m；在东南部第四系厚度可达200 m；往东厚度逐渐变薄、直至奥陶系灰岩出露。水源地附近第四系卵砾石层广泛分布，呈蜂窝状或带状分布，厚度几十米到上百米。在水源地开采区及其北、北东约1 km的范围内，卵砾石层与奥灰直接接触，是第四系含水层与奥灰含水层存在水力沟通的物质基础[1～3]。

2 样品及分析方法

图1 水源地开采井位置分布示意图Fig.1 Location of the wellfield

样品名称经度纬度出水量/(m3·h-1)井深/m稳定同位素/‰δ18OδD#1112°33′16.8″35°07′55.0″210273-9.05-63.09#2112°33′01.0″35°07′57.4″130250-9.05-64.20#3112°32′59.4″35°07′57.6″210214-8.96-62.42#4112°32′58.0″35°07′57.7″210219-9.23-64.87#5112°32′55.2″35°07′58.2″210249-8.99-62.66#6112°32′58.9″35°07′58.1″210163-9.09-64.68#7112°33′02.8″35°07′57.1″340213-9.06-64.27#8112°33′14.2″35°08′01.4″210220-9.45-64.51#9112°33′04.4″35°07′56.8″210220-9.26-64.29#10112°33′02.3″35°07′56.8″210230-9.16-64.47#11112°33′06.9″35°07′56.5″210235-9.10-64.05#12112°33′02.5″35°07′54.9″210225-9.16-64.27#13112°32′57.8″35°07′58.1″210260-9.00-63.49#14112°32′48.4″35°07′59.0″210236-8.92-64.20#15112°32′47.4″35°07′54.3″210296-9.53-65.69

表2 水源地样品水化学数据Table 2 Major ions data of the groundwater samples from the public water-supply wells

3 水文地球化学特征

3.1 宏量组分与溶解性总固体(TDS)之间的关系

图2 主要阳离子和阴离子与TDS之间的关系图Fig.2 Relationship between major ions and TDS of groundwater from the public water-supply wells

硬石膏文石方解石白云石石膏岩盐#1-1.910.200.350.68-1.61-8.09#2-1.87-0.140.000.02-1.57-8.15#3-1.880.190.340.70-3.01-8.30#4-1.980.170.320.65-1.68-8.56#5-1.910.020.160.32-1.60-8.22#6-2.030.270.410.81-1.73-8.59#7-1.920.050.190.41-1.62-8.42#8-1.950.230.370.78-1.65-8.47#9-1.990.100.240.49-1.69-8.59#10-1.960.220.360.75-1.66-8.46#11-1.920.050.200.42-1.62-8.40#12-1.960.120.260.55-1.66-8.48#13-1.960.220.360.76-1.65-8.48#14-1.950.040.180.40-1.65-8.46#15-1.880.230.380.77-1.57-8.28

3.2 Ca和Mg与Sr之间的关系

图3 Ca和Mg与Sr之间的关系图Fig.3 Relationship between Ca/Mg and Sr of groundwater in the public water-supply wells

通过图3中Ca—Sr以及Mg—Sr之间的关系，可将水源地水井大致分为两组：第一组为东边五个水井，分别为#1、#2、#5、#3以及#15；第二组为其余十个水井，主要位于水源地西侧。从图中可以看出，第一组随Ca和Mg离子浓度的升高，Sr浓度基本不变；第二组随着Ca和Mg离子浓度的增大，Sr浓度升高，但第一组的Sr浓度要高于第二组，造成这两组样点Sr浓度的差异性可能是由于水-岩相互作用不同引起的[6]。根据已有调查资料，水源地周边第四系厚度为40～100 m，且裂隙岩溶含水岩组顶板直接下伏于第四系孔隙含水岩组之下，因此水源地15口井均为岩溶水，其锶浓度的差异可能受到径流途径不同的影响。第一组样点锶浓度较高，且随着TDS的增大，锶浓度基本不变；第二组样点中Ca与Sr及Mg与Sr同步增长，说明白云石[CaMg(CO3)2]溶解过程中，锶是同时释放出来的，SrCO3应该是白云石的伴生矿物，但Sr/Ca的比值随着Ca2+浓度增大而逐渐增大，Sr/Mg的比值随着Mg2+浓度增大趋于不变，因此Mg的增长速度大于Ca，表明脱白云岩化作用中伴随着方解石沉淀[7]。

3.3 NO3离子和Na离子与Cl离子之间的关系

图4 NO3离子和Na离子与Cl离子之间的关系Fig.4 Relationship between NO3/Na and Cl of groundwater in the public water-supply wells

4 氢氧同位素特征

由青多地下水水源地15口井样品绘制δD-δ18O关系图(图5)。在图5上，标出全球大气降水线和河南平原大气降水线[10～11]对比。由于河南平原地处半干旱内陆地区，蒸发作用较强烈，受同位素分馏作用影响，区域大气降水线斜率明显小于全球大气降水线斜率[10]。研究区曾做过地表水和地下水氢氧稳定同位素的调查[11]，深层地下水的δ18O值为-9.98‰～-8.31‰，平均补给高程为585～1 225 m，该高程区间和研究区北部山区的高程基本一致。统计显示，水源地开采井的δ18O值为-9.53‰～-8.92‰，与前人分析研究区地下水数据一致，说明该水源地岩溶水的补给来源主要是北部山区的大气降水。

图5 水源地地下水δD和δ18O之间的关系图Fig.5 Relationship between δD and δ18O of groundwater in the public water-supply wells

根据水源地井分布位置及δD-δ18O之间的关系图，可将15口井分为4组：A域为#1、#5和#3；B域为#2、#4、#6、#7、#9、#10、#11和#12；C域为#13和#14；D域为#15。所有样点均位于区域平原大气降水线附近，说明青多水源地地下水主要来源于大气降水，同位素值的分布范围，说明水源地岩溶水的补给发源于北部山区。但由于补给环境(平均补给高程)及开采含水层的深度不同，水源地井同位素值表现出一定的差异性[18]。

A域#1、#3、#5三口井的位置从西向东位于同一直线上。在δD-δ18O关系图上3个样点的稳定同位素值相近，表明这3口井具有相近的补给来源[12]；虽然#3、#4和#15三个井位置集中，但这3个井的同位素值差异较大，井深分别为214 m、219 m和296 m，但在δD-δ18O图上，表明同一位置、不同深度的同位素具有分层效应。例如#15井，井深最大、氢氧同位素值最小，样点位于大气降水线左侧，推测该样品循环深度大，其平均补给高程要明显高于#3、#4井；B域样点均位于河南平原大气降水线附近，且氢氧同位素值表现出不同程度的蒸发效应，大气降水线原起点位置可能完全不同[13～14]，但补给高程相差不大。B域样点的氢氧稳定同位素值表现出一定程度的蒸发效应，可能受两方面影响：①在山地补给区，存在多条河道，河道水流由于流程不同，补给时间不同，其在入渗补给时的蒸发效应存在差异，这种差异会在现代水入渗补给时保留下来[16～17]。②在盆地东北部区，沿北西—南东走向，隐伏裂隙岩溶水水位逐渐降低，所有水位均低于河流地表水河床水位，河流地表水可以向西补给岩溶含水层[3](河水：δD=-59.64‰，δ18O=-8.37‰)。

值得注意的是，C域样点位于#8和#12之间(井深在236～260 m，B域样点的井深在163～250 m，根据物探解译结果[15]，#12和#13之间存在断层，#8、#9、#13和#14井位于断层下盘，且该断层为正断层。因此，虽然C域样点与B域组样点位置相近，补给环境相同，但受地质结构影响，氢氧同位素值表现出一定差异性。#9与B域其它样点的补给来源相似，且受蒸发作用影响较小，代表当地山区大气降水的同位素特征。

5 结论

从青多水源地岩溶地下水水化学和同位素特征分析得出以下结论：

(1)水源地岩溶水水化学钙、镁离子主要来自碳酸盐岩中文石、方解石、白云石的溶解，随着白云石溶解作用的加强，锶的溶解作用也加强，但方解石溶解作用减弱。

(2)水源地东侧5口井样品的Sr含量高于西侧10口井，说明东侧生产井样品明显比西侧井经历的径流途径长；东侧生产井的Sr含量变化不大，推测开采区一带沉积层中含锶矿物缺失，侧面反映出两侧沉积地层的差异。

(3)水源地地下水主要补给来源之一是北部山区，但也可能受到盆地东北部地表水、地下水的补给。

(4)从样品中氢氧同位素值可以推断，东侧生产井样品#1、#3和#5的平均补给高程较低，#15的平均补给高程最高。

(6)水源地西侧10口井的Sr含量和氢氧同位素值的分布具有相似性，它们相互之间可以存在水力联系；同理，水源地东侧的#1、#3、#5号井相互之间也存在水力联系。东侧生产井#15因开采深度大，目前和其他井处于无水力联系状态。