氢氧同位素在地下水补给关系中应用研究

林 深

(安徽省地勘局第一水文工程地质勘查院,安徽 蚌埠 233000)

0 引言

环境同位素是地下水流动系统中查找水资源循环的重要方法,在天然地表及地下水体的离子之间作用中,其物质组成和成分是记录水体的转换、循环、流动、富集的重要标志。特别是天然水体中的氢氧稳定同位素完整的体现在水循环演化过程中,是展现地表水和地下水及地下水各含水系统中水岩相互作用及循环的有效标志和示踪剂,国内各流域范围内各水体之间的补给、排泄关系是目前重要环境科学研究内容之一,受到各方广泛重视。我国地下水污染形势严峻,防治基础薄弱,部分地区地下水污染来源和污染途径不清,难以有效实施相应的污染阻控和修复措施[1]。随着经济发展,市场需求不断增加,同位素技术将在各领域不断推进,国外现行技术法规对我国地下水污染同位素源解析技术具有较好指导和借鉴意义。

1 同位素研究现状

自然界各水体中均存在氢氧稳定同位素,在各流域和各含水系统中不同水体在相互补给和排泄中存在平衡分馏和动力分馏作用,分馏作用将造成不同流域含水系统中氢氧稳定同位素的成分差异[2],根据差异变化特征和规律,识别流域中各含水岩组的补给来源,分析地下水受环境变化特征和地下水的成因及演变,在一定程度上初步分析地下水的年龄、交替规律、补给来源、补给方向及参与水循环的过程和含水通道等,为研究流域水体直径补给关系和水体演化形成过程提供重要的科学价值。本文主要研究内容是分析研究区内各地表水体和浅层地下水中氢氧稳定同位素组分的空间变化特征,分析区域内地表水和地下水补给来源,根据历史资料收集、区域水文地质调查、地表水及地下水样品采集,从而分析区域地下水形成规律和补给条件,分析各水体间在丰水期和枯水期的转化关系,为研究区内丘陵平原区地下水资源量估算和水资源、水生态保护提供基础资料。

2 研究区概况

研究区地处于铜陵市-安庆市长江北岸地区,属于北亚热带向中亚热带过渡的湿润季风气候区。横跨的安庆市和铜陵市及下辖县(市、区)地理位置相对接近,总体气象特征相对统一:气候温和,日照充足,雨量充沛,四季分明、无霜期较长。一年中各季节具有不同的气候特点,表现为春季冷暖变化大,光照不足;夏季气温高,湿度大,降雨集中,易形成洪灾;秋季白天气温较高,但早晚凉爽,夏秋两季易受台风影响;冬季寒冷干燥。

研究区位于长江北岸的沿江丘陵平原区,总体地势以船稍石—龙王尖—黄公山一线为界,西北部地势总体由四周向菜子湖倾斜,东南部地势总体向长江倾斜。区内西部地形起伏,柏年河与长河形成宽广的河谷,河谷平坦,两侧主要为河流阶地,呈北北西向展布,少量地势较高地段为低丘,地面标高相对高差一般10～20 m;高河及其支流形成较为宽广的河谷,河间为低丘或岗地,低丘呈北西向展布,相对地形高差为20～30 m。区内东部低山丘陵与平原相间展布,低山丘陵山势呈北东向,地形起伏较大;山间相对平缓。区内东南部为平坦舒缓的长江干流冲积平原区,地形平坦开阔,沟渠纵横。区内最高峰船稍石海拔515.0 m,最低处为夹江一带海拔9.0 m。

3 研究区水文地质条件

3.1 地下水类型

3.1.1 松散岩类孔隙水

广泛分布于枞阳县东南部的沿江平原区、白荡湖周边及枞阳县西北部麒麟乡、钱桥乡、义津镇一带的平原区及部分丘陵地带,主要赋存于新生界第四系松散岩层中。沿江平原区一带松散岩类孔隙水含水层主要为粉砂层及砂砾石层,含水层厚度8.0～63.0 m,区内土质松散,孔隙性好,赋存丰富的孔隙潜水,单井涌水量1 000～3 000 m3/d,水化学类型为HCO3-Ca·Mg型,矿化度0.71～0.94 g/L,pH值7.5～7.7;西北部波状平原区松散岩类孔隙水含水层主要为粉质粘土层、砂层及砂砾层,含水层厚度7.0～15.0 m,由于补给条件较差,地表径流不畅,分布面积小,故该区含水层富水性贫乏,单井涌水量小于100 m3/d,水化学类型为HCO3-Ca·Na型,矿化度小于0.5 g/L。

3.1.2 碳酸盐岩类裂隙溶洞水

主要分布于藕山镇,陈瑶湖镇北部亦有零星分布。藕山镇东部裂隙溶洞水主要赋存于三叠系下统裂隙溶洞中,岩性主要为灰岩,岩溶发育,周边多为长江河漫滩的堆积物覆盖,泉流量1～10 L/S,单井涌水量最大可达3 236.0 m3/d,水化学类型为HCO3-Ca型。陈瑶湖镇北部裂隙溶洞水主要赋存于上古生界石炭系和中生界三叠系地层碳酸盐岩裂隙溶洞中,岩性主要为灰岩,出露面积小,接受降水入渗补给条件较差,泉流量小于0.1 L/S,水化学类型为HCO3-Ca·Na或Ca。

3.1.3 基岩裂隙水

1)火山岩系孔洞裂隙水

广泛分布于白梅乡、钱铺乡、金社乡北部、雨坛乡东部及会宫乡的部分地区,主要赋存于中生界侏罗系火山岩孔洞裂隙中,岩性主要为粗安山岩、粗安质角砾岩、熔结凝灰岩、凝灰质粉砂岩等,该区地貌上表现为高丘或低山地形,地表径流发育,排泄条件良好,受多种方向的构造作用及风化作用影响,裂隙发育,裂隙水赋存条件良好,常以泉的形式排泄于河流之中;该区泉流量小于1.0 L/S,单井涌水量小于100 m3/d,地下水径流模数3～4 L/S·km2,水化学类型为HCO3-Ca型。

2)一般构造裂隙水

广泛分布于周潭镇北部、枞阳镇一带,主要赋存于燕山期侵入岩岩体及中生界侏罗系地层中,岩性主要为石英正长岩、闪长岩、石英砂岩、粉砂岩等,水量贫乏,泉流量小于1.0 L/S,钻孔涌水量10～100 m3/d,地下水径流模数0.3～1 L/S·km2,水化学类型为HCO3-Ca·Na、HCO3-Ca型,矿化度0.11 g/L。

3)风化带网状裂隙水

零星分布于枞阳县西北部麒麟镇、钱桥镇一带,主要赋存于新生界古近系及中生界白垩系地层中,岩性主要为砂岩、粉砂岩,该区以剥蚀堆积作用为主,上部常覆盖以粉质粘土为主的残坡积物,由于构造作用相对减弱,岩层裂隙不发育,加之胶结紧密,不利于地下水的赋存;该区风化程度有限,且多被泥质填充,故含水层富水性贫乏,单井涌水量0.26～50 m3/d,地下水径流模数0.1～2.5 L/S·km2。

3.2 地下水补径排条件

3.2.1 碳酸盐岩裂隙岩溶水

地下水主要包括碳酸盐岩岩溶含水岩组和碳酸盐岩夹碎屑岩裂隙岩溶含水岩组,由于受到较强的构造和风化作用,不同方向的断裂、溶洞互相交错,大气降水沿浅部的溶蚀裂隙下渗补给地下水,一般情况下,在山顶和山坡形成补给区。地下水流向除受构造线方向控制外,一般与地形相一致,沿坡面方向从高处向低处径流,而坡麓则形成排泄区,排泄方式除少部分为人工开采和植物蒸腾及地面蒸发外,主要是以侧向径流的形式排出地表并流入河谷。

3.2.2 碎屑岩类孔隙裂隙水

地下水主要包括碎屑岩类孔隙裂隙含水岩组和红层孔隙裂隙含水岩组,主要接受大气降水的垂向补给及上覆松散层的入渗补给,大气降水多沿基岩表面的裂隙下渗。其径流方向,一般与地形相一致,由丘陵山顶向低处沟谷径流,最终沿河谷汇入长江支流水系。排泄以侧向径流排泄为主,其次是零星的人工开采和蒸发。

3.2.3 岩浆岩类裂隙水

地下水主要包括火山岩裂隙含水岩组和侵入岩裂隙含水岩组,主要接受大气降雨补给,在山区地段,由于河谷深切,山坡陡峭,大气降水多形成地表径流,只有部分能补给地下水,并有具有径流快的特点,向就近的沟谷排泄,而在丘陵区虽然沟谷平缓,但其植被却比山区稀疏,含水岩层蓄水性能差,蒸发量却较大,因此,其获得的降水补给量要比山区少,地下水径流沿地形向沟谷地段排泄,在局部地段以泉的形式排泄出地表。

4 地下水位动态变化特征

工作区丘陵山地区地下水水位随大气降雨变化明显,雨季水位上升,旱季水位下降,统计期间,水位变幅0.85～0.98 m。动态曲线反映,降雨量于2017年12月5日最低,其中ZY2035J号井地下水水位于2017年12月25日达到最低,ZYSW05号孔地下水水位于2017年12月30日达到最低;随后,大气降雨量不断增强,于2018年6月5日达到峰值,其中ZY2035J号井地下水水位于2018年7月10日达到最大,ZYSW05号孔地下水水位于2018年6月10日达到最大,两个孔的地下水水位变化相较于降雨量均有不同程度的延迟现象,并且地势越高,地下水位对降雨反应越敏感。因此,在监测期内,低山丘陵区地下水水位相对于降雨变化明显(如图1所示)。

图1 低山丘陵区地下水水位动态变化曲线

5 地下水氢氧同位素与大气降雨关系

大气降水在流域水循环系统重扮演重要角色,主要体现在输入环节,分馏作用基本参与在水汽形成、降落、蒸发和凝结过程中。因此,通过分析大气降雨中氢氧同位素组成,对研究区域水循环系统中大气降雨、地表水、地下贺岁之间的水文过程和变化特征具有重要意义。不同时间、不同地区的大气降雨在降雨蒸发、凝结和降落过程完全不同,那么通过降雨、地表水、地下水采样分析研究,分析不同水体的δD和δ18O,通过绘制地下水δD-δ18O与大气降水线关系图,判断各水体的相互补给关系和路径。

根据2017年9月在长为了解地下水的补径排条件、形成演化规律和地下水年龄状况,在地下水流线方向上分别采集地表水、孔隙潜水、孔隙承压水分别采集氢氧稳定同位素样品。

开展氢氧同位素采样研究,氢氧稳定同位素δD、δ18O样15组(详见表1),同位素技术在水文地质调查中主要用于研究地下水的形成机制、地下水循环、更新途径及地下水的年龄等。

表1 同位素测试结果统计表

根据本次所取地表水、地下水的氢氧同位素组成实测值,与中国大气降水线的同位素组成分析进行对比(如图2所示),调查区的地表水(D=6.6618O-4.0)与全国大气降雨线(D=7.918O+8.2)有所差别,地表水的同位素组成直线斜率要略小,说明地表水主要接受大气降雨补给,但雨水在补给地表水过程中发生了二次蒸发使得直线斜率略有变化,而本次采样的G08的取样点落在了全国降雨线上,该取样点位于山谷中的水塘,地表水相对封闭,与大气降水联系更为密切。

本次所取的地下水大部分落在了本次地表水同位素组成直线上,由此可以判断,研究区补给关系为大气降雨补给地表水体,地表水体补给浅层地下水,而G06和G09号点落在了全国大气降雨线上,两个采样点均为民井,且民井井深较浅,属于地下水浅循环,因此,其补给源与大气降雨更为接近。

图2 地下水δD—δ18O与大气降水线(MWL)关系图

综上所述,根据研究区的地下水同位素化学特征可知,区内的地下水历史上来源于大气降水,与地表水联系密切,区内的大气降雨线公式为D=6.6618O-4.0,与全国大气降水线接近。区内研究时间段内地下水和地表水主要补给来源为大气降雨。

6 结语

(1)研究区地下水主要受大气降水补给,径流方向一般与地形相一致,主要排泄方式为蒸发和向河流排泄,其次为侧向径流;在长江干流及其主要支流两侧,地下水与地表河流水力联系密切,在丰水期,由河流补给地下水,在枯水期,由地下水补给河流。

(2)目前流域各水体水循环过程受人为环境干扰较为严重,天然水体在自然界中逐渐被影响,以氢氧稳定同位素作为重要科学手段,研究不同地区、不同环境的降雨、地表水和地下水的相互关系,促进水资源系统的转化,对提升经济发展和解决日益严重的水污染问题具有重要作用,但目前国内技术和设备等仍存在较大提升空间,精准化定量分析还不够,进一步加强研究氢氧同位素技术是十分重要的。