环境同位素在“三水转化”规律中的应用

刘向楠

（河北省秦皇岛水文水资源勘测局，河北 秦皇岛066000）

目前我国北方超过80%城市存在水资源缺乏问题，虽然秦皇岛为沿海城市，但该地区的地下水位面临持续下降，而地下水是最主要的生活供水源。 “三水转化”是指大气降水、地表水、地下水三者之间的互相转化过程如图1。目前环境同位素法被广泛应用于自然界水资源循环规律研究中，对地区水资源合理开发具有重要意义。

图1 “三水转化”简化过程

1 区域概况

秦皇岛昌黎县总面积1212km2，总人口56.5万人，总体地势由西北向东南倾斜，地貌以丘陵、平原为主。昌黎县属于暖温带、半湿润大陆性气候，年平均降水638.33mm。 目前，该地区存在地下水超采严重、地面陷落、海水入侵、水质污染迅速发展等问题，且工农业用水量还在逐步增加，因此分析“三水转化”规律，对制定合理的水资源开发方案有着极大的指导意义。

2 环境同位素技术原理

水中的同位素含量会随着水循环而不断变化，目前应用最多的就是稳定同位素氘D，18O和放射性同位素氚T。

2.1 稳定同位素氘D和18O

不同条件下构成水分子的稳定同位素物理化学性质存在差别，当自然界中的水在蒸发、冷凝过程中，会引起同位素产生微小变化。 但这个变化无法准确用仪器测量，因此常用δ值表示同位素含量，计算如式1。 稳定同位素氘D，18O不与其他物质发生化学反应，可通过分析其比值δ变化来分析水循环［1］。

式中 R为同位素比值。

2.2 放射性同位素氚T

在环境同位素中，放射性同位素氚T应用最早、最广泛，其来源于大气层，以大气降水形式进入地表和地下水系统，同时其浓度也会发生极大变化［2］。 根据其衰减周期可以推演出50年内的水年龄及滞留时间，进而计算出区域水资源的存储量、补给量、流出量。 所以综合来看，D，T18，O是研究“三水转化”的理想示踪剂［3］。

3 “三水转化”规律分析

3.1 水样选取位置

本项目研究区为潮白河流域，水样选取位置从上至下依次为：徐新庄水文站、小心庄水文站、赵家港水文站。

3.2 “三水转化”规律

3.2.1 项目区降水线方程确定

本项目在水样采取中，遵循 “纵向以流域为主线，横向上加密点控制”（注意要避免样本受过多的人为干扰，远离水渠、水库等），共采集水样60组，各同位素计算值结果如表1［4］。

表1 同位素测试结果

续表1

根据3个水文站测量的大气降水中T值数据，且气温变化情况，推算出大气降水同位素组成，进而求得δD-δ18O关系降水线方程：δD=9.2×δ18O+32［5］，如图2。 与全球雨水线相比，斜率和截距均偏大，说明项目区降雨量较大，蒸发量和蒸发速度均较慢，水资源较充足。

图2 项目区降水直线方程

3.2.2 项目区地表水同位素特征

2018年徐新庄水文站地表水同位素δD统计如图3。

图3 地表水同位素δD统计

（1）由徐新庄水文站测得数据显示：地表水中δD，δ18O含量最大的前3个月份分别为7，8，6月份，含量最小为3月份。环境同位素含量与当地降水量呈高度吻合状态。

（2）由徐新庄水文站测得数据显示：虽然项目区9月份的降水量是5月份2.3倍，但由于其平均温度比5月份低3 ℃，最终导致9月份地表水中δD，δ18O含量低于5月份。

（3）项目区地表水中同位素含量受降水量、温度等因素影响，其中降水量越大、温度越高（蒸发量越大），会使地表水中δD，δ18O含量越大。

3.2.3 项目区地下水同位素特征

2018年徐新庄水文站同一位置地下水同位素δD如图4。

图4 2018年徐新庄水文站同一位置地下水同位素δD

（1）由徐新庄水文站测得数据显示：在同一埋深下，项目区地下水中同位素含量变化情况和地表水相当，但数值要比地表水小20%，说明大气降水及地表水会渗透到地下，且夏季降水及地表水对地下水的补给程度大于其他季节。

（2）由徐新庄水文站测得数据显示：在同一个位置点附近，埋深不同，地下水同位素含量差别很大，埋深与地下水同位素含量呈反比关系，且埋深对同位素含量大小有着决定性影响。

（3）由于地下水埋深越小，其相对来说越容易蒸发，此时同位素会发生分馏作用，使δD，δ18O产生富集，进而使含量增大［6］。

3.3 “三水转化”规律及转化比例分析

3.3.1 项目区地下水中同位素氚T的含量变化规律

氚原子T在大气中通过与氧原子结合成为水分子，之后以降水形式进入项目区地表，渗入地下后成为地下水，其浓度会按照其半衰期（12.5年）进行衰减，通过分析地下水中氚原子T浓度便可推测地下水年龄。

3.3.1.1 项目区大气降水和地表水中氚原子T值

经过测定，项目区2016～2018年间大气降水中氚原子T值为40～45TU，且没有太大波动，把该值作为基本参照。 本项目测定的地表水主要来自河水和水库水，水中氚原子T值也为40～45TU，由于项目区地表水没有冰川融雪补给，几乎全部来自大气降水补给，属正常数值。

3.3.1.2 项目区地下水中氚原子T值

项目区地下水中氚原子T值因埋深不同而有着较大差别，其中埋深在20m以上的地下水中氚原子T值范围在20～40TU之间，说明这部分地下水是在2006年及以后入渗的，属于“新水”，也说明了昌黎地区主要是对20m地下水进行开采，且开采量较大；埋深在20～30m之间的地下水中氚原子T值为10～13TU，说明这部分水大概是20世纪90年代入渗的； 埋深超过30m，该地下水中氚原子T值为5TU以下，说明该深度地下水是20世纪60年代入渗的。

3.3.2 项目区地下水补给高程及更新能力确定

地下水是最为重要的水资源，供应稳定、水质纯净，是理想的供水源，昌黎地区居民生活及工业生产用水超过60%来自于地下水，因此必须做好该地区地下水补给高程及更新能力的相关研究。

3.3.2.1 地下水补给高程计算

根据项目区地下水同位素埋深规律可确定地下水补给高程范围，理论计算如式（3）。 结合之前的相关资料，计算结果如表2。

式中 H为同位素入渗深度（m）；h为取样点地下水埋深（m）；δS为取样点地下水同位素组成；δP为取样点附近大气降水同位素组成；k为同位素高度梯度（%m）。

3.3.2.2 地下水更新能力计算

地下水更新能力是“三水转化”过程的核心，本项目通过测定地下水含水层中氚原子T值推算地下水年龄，计算结果如表2。 由此可知，昌黎县地区对地下水开采集中在埋深20m左右，地下水均为“新水”，预计若不采取人为措施，会以1.5m/a速度向下开采地下水。

表2 地下水补给速度

4 结语

（1）根据对昌黎3个水文站水样中同位素含量分析，可知地表水中δD，δ18O含量与降水量、温度有较大关系，据此可测定项目区降水量变化趋势；地下水中δD，δ18O含量除了与地表水存在吻合外，主要取决于地下水埋深。

（2）通过测定氚T含量，可知项目区地表水补给形式为大气降水；由氚原子T值推算了不同埋深地下水的年龄及更新速度。

（3）若不采取限制措施，昌黎地区地下水开采会出现越采越深的恶性循环，应引起注意。