嫩江流域河间地块地下水和地表水补给关系研究

摘要：地下水和地表水的补给关系研究，是水资源管理、保护以及合理利用的基础。通过野外测绘、取样、室内试验测试以及数值模拟方法，分析了嫩江流域典型河间地块地下水和地表水的氢氧同位素、水化学特征以及地表水和地下水的补给关系。结果表明：地下水与地表水同位素均因蒸发分馏影响导致同位素富集，浅层地下水富集程度大于深层地下水，地下水富集程度大于地表水；水体中阴离子以HCO-3为主，阳离子以Ca2+、K+和Na+为主，水化学类型主要以Na·Ca-HCO3型或Ca·Na-HCO3型为主；水体中Ca2+与HCO-3主要来源于研究区气液变质成因的碳酸盐化岩类的风化/溶解，K+、Na+主要来源于长石类矿物的风化/溶解；地下水与地表水存在相互补给关系，地表水主要通过断裂通道向地下水进行补给，地下水通过径流补给至周边地表河流。研究结果可为嫩江流域的生态建设和水资源管理提供科学依据和数据支撑。

关 键 词：地下水； 地表水； 补给关系； 氢氧同位素； 水化学特征； 嫩江

中图法分类号： X523

文献标志码： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.09.013

0 引 言

嫩江流域位于东北松嫩平原的农牧交错带，是中国重要的农牧业、工业及能源生产基地。开展当地水资源补给关系研究对水资源合理开发利用、保障城市供水具有重要的现实意义。

同位素和水化学作为地下水和地表水重要组成部分，是良好的环境示踪剂，可较为准确地指示地下水和地表水补给关系。水体中的主要离子以及氢氧稳定同位素具有相对稳定的化学性质，可以反映水体在水循环过程中与周围环境的相互作用，对地表水的水循环过程具有指示作用［1-4］。水体在循环过程中存在同位素分馏现象，使得不同水体间或者受不同因素影响的水体间，同位素含量存在显著差别，可通过同位素含量分布，分析出不同类型水之间的水力联系［5-6］。同时，地下水的水化学特征是地质作用、水动力条件和人类活动等长期综合作用的产物，有助于反演区域水文地质历史［7-9］。常通过Piper三线图、Gibbs图、离子比例关系图、成分散点图和水文地球化学模拟等分析方法获取各离子含量、分析水化学组分的主控因素及水化学类型，进而明确离子来源与水文地质特征［10-16］。考虑到水体中的水化学组分往往受到水文地球化学、水-岩相互作用等因素影响，存在很大不确定性，故采用同位素和水化学相结合的方法，互为印证，可提高水循环关系研究结果的准确性和可靠性。基于此，部分学者已成功采用同位素和水化学相结合的方法探究了地表水与地下水的相互作用关系［17-19］。

本文通过野外考察和室内试验测试，分析了嫩江流域典型河间地块地表水和地下水的氢氧同位素以及水化学特征。同时，结合水文地质调查成果和区域地质资料，采用数值模拟方法，进一步研究了地表水和地下水的相互补给关系，以期为流域的生态建设及流域生态水文过程作用机制的深入研究提供科学依据和数据支撑。

1 研究区概况

研究区地处大兴安岭山脉北部东坡，属嫩江一级支流G河流域，其西侧为G河主河，东侧为G河一级支流E河，南侧为G河与E河交汇地带。冬季严寒而漫长，夏季短暂而炎热，年平均气温-1.2 ℃，冻结期及冰雪覆盖期6～7个月，年降水主要集中在6～9月份，年蒸发量大于年降水量，属寒温带严寒大陆性气候区的湿度不足带。

研究区植被发育，山体近南北走向，区内最高点位于中部丘顶，高程为557.2 m，坡顶及坡面基本上为残坡积物覆盖，在河流漫滩分布冲洪积物。基岩为二叠纪侵入的二长花岗岩，穿插有闪长玢岩和花岗斑岩岩脉，地下水主要为松散岩类孔隙潜水及基岩裂隙水。

2 样本采集与分析方法

2.1 样本采集

2021年9月，采集研究区地表河流G河水样3个（编号G3、G2、G1）、E河水样2个（编号E1、E2）以及地下水水样7个（编号D1～D7），其中D1取样深度11.0 m、D2取样深度9.0 m、D3取样深度1.3 m、D4取样深度18.0 m、D5取样深度33.0 m、D6取样深度5.5 m、D7取样深度32.0 m，采样分布点如图1所示。水样采集与保存/运输参照SL187-1996《水质采样技术规程》、HJ493-2009《水质采样样品的保存和管理技术规定》等规程、规范要求。

2.2 测试方法

水样中的氢氧同位素测试采用稳定同位素比质谱联用仪Flash HT-IRMS进行测试，测得的氢氧稳定同位素含量为维也纳标准平均大洋水（VSMOW）的千分偏差，计算公式为

δ=Rsample-RstandardRstandard×1000‰

（1）

式中：Rsample和Rstandard分别为采集水样和标准样品的D或18O的同位素比率（D/1H或18O/16O），其中δD和δ18O的测定精度分别为2‰和0.2‰。

水化学中溶解性总固体（TDS）采用重量法（105 ℃烘干）测定，试验仪器及型号为ALC210.4，检出限为0.01 mg/L；CO32-、HCO-3、Cl-、Mg2+、Ca2+采用滴定法测定，其中CO32-、HCO-3检出限为0.1 mg/L，Cl-、Mg2+、Ca2+检出限为0.01 mg/L；K+、Na+采用火焰原子吸收分光光度法测定，试验仪器及型号为原子吸收分光光度计AA-S2 System，检出限分别为0.05 mg/L和0.01 mg/L；SO42-采用铬酸钡分光光度法测定，试验仪器及型号为可见分光光度计755B，检出限为0.01 mg/L。

2.3 模拟方法

本模拟根据区域水文地质条件，东西侧边界分别至E河与G河，设定为河流边界；南部和北部无特殊地貌，设定为诺依曼边界；最终划定的模型范围约为6 km×8 km，并建立如图2所示的地质三维数值模型。水文地质参数依据注水试验、抽水试验、压水试验成果，具体取值如表1所列。

为分析地下水和地表水的补给关系，基于地理信息系统，利用MODFLOW、RIVER、MT3DMS程序包来研究补给情况。该耦合模型根据式（2）描述了非稳定流条件下各向异性恒定密度多孔介质中的地下水流动，如下所示：

SsHt=xKxHx+yKyHy+zKzHz-W

x，y，z∈Ω，t≥0

Qriv=Criv（Hriv-hi，j，k） hi，j，k＞Rbot

Qriv=Criv（Hriv-Rbot） hi，j，k≤Rbot

Criv=KLWM

θCkt=xiθDijCkxj-xiθviCk+qsCks+Rn

（2）

式中：Kx，Ky和Kz分别是渗透系数沿x、y 和z方向的分量；H为地下水水位；W为单位含水层的源汇项；SS 为多孔介质的储水系数；Qriv为河流与含水层之间的流量交换；Criv为河床的渗透系数；hi，j，k为对应节点单元下含水层的水头；Hriv是河流的水位；Rbot是河床底部的标高；Ck 是k组分的溶解相浓度；θ为地层介质的孔隙度；t为时间；x i是沿直角坐标系轴向的距离；D ij 是水动力弥散系数张量；vi是孔隙水平均实际流速；qs是单位体积含水层流量，它代表源和汇；Cks为源或汇水流中k组分的浓度；Rn为化学反应项。

3 氢氧同位素与水化学特征

3.1 氢氧同位素特征

距研究区最近的GNIP降水稳定同位素监测站点为齐齐哈尔站点（47.38°N，123.92°E，147 m），二者之间无高大山脉阻挡，且降水主要来源相近［20］，因此可用齐齐哈尔站点的大气降水线方程来表征研究区［21］。研究区不同水体氢氧稳定同位素测试成果绘制δD～δ18O关系图如图3所示。根据测试结果可知，研究区地下水δD变化范围为-96.479‰～-89.190‰，δ18O变化范围为-14.393‰～-12.935‰；地表水δD变化范围为-102.086‰～-91.333‰，δ18O变化范围为-14.339‰～-12.739‰。整体看来，地下水与地表水同位素变化范围基本一致，地下水与地表水水力联系强。同时研究区不同水体δD-δ18O关系均偏离大气降水线（LMWL），说明无论是地下水还是地表水均在一定程度上受到蒸发分馏的影响［22］，且浅层地下水氢氧同位素富集程度大于深层地下水，地下水氢氧同位素富集程度大于地表水。进一步对比发现，E河与浅层地下水水力联系密切，G河与深层地下水水力联系密切。

3.2 水化学特征

研究区不同水体水化学Piper三线图如图4所示。由图4可知：从离子含量来看，优势阴离子为HCO-3，其次为Cl-，SO42-最为贫乏；优势阳离子为Ca2+、K+和Na+离子，Mg2+相对贫乏。地下水水化学类型主要为Na·Ca-HCO3，地表水水化学类型主要为Ca·Na-HCO3。河流水体离子的来源主要包括岩石和矿物的风化、大气的干湿沉降以及人类活动等［23］。

研究区水体优势离子Ca2+与HCO-3浓度存在较好的相关性，如图5所示，这表明研究区水化学成分受碳酸盐矿物风化/溶解影响较大。同时经野外地质测绘及薄片鉴定，研究区节理裂隙等导水构造中多夹气液变质成因的脉状碳酸盐化岩类，如图6所示，这进一步验证了Ca2+与HCO-3高相关性的结论。而K+、Na+的成因，应与研究区基岩二长花岗岩中长石类矿物的风化/溶解相关，二长花岗岩的主要组成矿物为斜长石（30%～50%）、钾长石（30%～40%）、石英（25%～28%左右）及少量黑云母（＜5%）。

此外，从化学性质相对保守的Cl-来看［24］，各类水体中的Cl-浓度变化不大，且在地下水及地表水中均表现出了与TDS一致的变化规律，进一步证明地下水与地表水体水力联系密切。

经氢氧同位素及水化学特征分析，研究区地表水与地下水之间水力联系密切。从研究区井、泉以及地表水高程等水文地质调查成果分析，地下水流场如图7所示，此结果表现出地下水补给地表水。

若按照上述补给关系，下游侧地表水应为上游地表水和地下水的混合补给。依据同位素质量守恒原理，下游地表水同位素含量应介于上游和地下水之间，但实际同位素测试成果并不支持这一结论。再者，从Cl-以及同位素含量分析，Cl-毫克当量百分数多在10%～30%水平，地下水δ18O平均值为-13.77‰，地表水δ18O平均值为-13.79‰，二者基本相当，推测存在相互补给的关系，只是后期因蒸发分馏及水岩作用影响，出现微弱差异，即地下水在补给地表水的同时，也存在地表水通过其他通道补给地下水的情况。通过查阅区域地质资料及现场地质测绘，G河与E河两岸均分布断层三角面地貌，说明两河流处均分布有断层，且区域内NE向及NW向断层多为张性，是导水构造。因此，推测G河与E河也通过两处地下断裂通道向地下水进行补给。

4 数值模拟结果与分析

基于构建的地质三维数值模型，开展地下水流模拟，从而分析地下水与地表水的补给关系。采用参数自动校准与手动试错法相结合验证模型的一致性，根据研究区连续24个月（2020年10月至2022年10月）的监测数据来评估模型的精度。图8（a）为稳态校准的结果，图8（b）为非稳态的校准结果，结果表明模型水位的计算值和测量值较为吻合。因此，该模型具有较好的精确度。

基于校准后的模型开展数值模拟，其结果如图9、10所示。如图9所示，模拟结果显示研究区南侧表现为地下水补给地表水，北侧则表现出G河和E河补给地下水趋势；近岸点以及断层处与地下水的水力联系较强，而远岸点与地下水的水力联系较弱，无明显交换。此外，E河附近水力梯度虽相对较高，但断层规模小，地下水交换多发生在浅层；G河附近水力梯度虽相对较小，但断层规模大，交换多发生在深层。这一结果与3.1中氢氧同位素分析结果一致，即E河与浅层地下水水力联系密切，G河与深层地下水水力联系密切。

如图10所示，溶质运移结果显示研究区南北两侧均表现出距河流近处浓度变化大，距河流远处浓度变化幅度相对较小的趋势。研究区南侧，距河流近处浓度表现出快速上升的趋势，而远离河流浓度则表现出不断下降的趋势，表明南侧河流接受地下水的不断补给，导致溶质差异化上升；研究区北侧，尽管远离河流和靠近河流浓度都呈现下降的趋势，但靠近河流处的浓度下降速度更快，斜率更大，表明靠近河流位置除自身稀释外，还在水动力的作用下向地下水进行了补给（这与同位素和水化学分析推断一致），导致河流附近浓度快速下降，进一步揭示了研究区地下水和地表水存在相互补给关系。图10显示出研究区内TDS浓度在东侧E河变化比G河浓度变化大，其原因为：东侧地势变化较大，压力梯度较大，从而导致浓度变化相对较大；从具体环境来看，E河侧存在大量种植土地，人类活动较为频繁，从而导致浓度变化较大；而G河为水源保护河，受人类活动影响较小。

5 结 论

本文通过野外测绘、室内试验测试以及数值模拟等方法，研究了嫩江流域某河间地块地下水和地表水的氢氧同位素、水化学特征及其补给关系，得出以下结论：

（1）地下水与地表水同位素变化范围基本一致，且均在一定程度上受到蒸发分馏的影响，导致同位素富集，浅层地下水富集程度大于深层地下水，地下水富集程度大于地表水。

（2）地下水及地表水中阴离子以HCO-3为主，阳离子以Ca2+、K+和Na+为主，水化学类型主要以Na·Ca-HCO3型或Ca·Na-HCO3型为主。其中，Ca2+与HCO-3主要来源于气液变质成因的碳酸盐化岩类的风化/溶解，K+、Na+主要来源于长石类矿物的风化/溶解。

（3）研究区地下水在补给地表水的同时，也存在地表水通过地下断裂通道补给地下水的情况，且近岸点以及断层处地表水与地下水的水力联系较强，远岸点与地下水的水力联系较弱。

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（编辑：刘 媛）

Study on relationship between groundwater and surface water recharge in inter river block of Nenjiang River Basin

LI Yepeng1，CAI Wujun1，WANG Yonghui2，LU Le1，LI Kenan2，LI Kanglin3

（1.PowerChina Zhongnan Engineering Corporation Limited，Changsha 410014，China； 2.Daxing′anling Branch，China National Petroleum Corporation Daqing Oilfield Co.，Ltd.，Daxing′anling 165000，China； 3.School of Resources and Civil Engineering，Northeastern University，Shenyang 110819，China）

Abstract：

A study on the recharge relationship between groundwater and surface water is a foundation of water resource management，protection，and rational utilization.Through field surveying，sampling，laboratory tests，and numerical simulations，the hydrogen and oxygen isotopes，hydrochemical characteristics，and recharge relationship between surface water and groundwater in typical inter-river plots in the Nenjiang River Basin were analyzed.The results revealed that both groundwater and surface water exhibited isotopic enrichment due to evaporative fractionation，with shallow groundwater displaying a higher degree of enrichment than deep groundwater，and groundwater showing a higher degree of enrichment than surface water.In the water bodies，anions were dominated by HCO3-，while cations were mainly Ca2+，K+，and Na+.The main hydrochemical types were Na·Ca-HCO3 or Ca·Na-HCO3.The Ca2+ and HCO3- in the water mainly originated from weathering and dissolution of carbonate rocks of gas-liquid metamorphism origin in the study area；while K+ and Na+ mainly came from weathering and dissolution of feldspathic minerals.An interdependent recharge relationship exists between groundwater and surface water，surface water primarily recharges groundwater through fault channels，while groundwater recharges surrounding surface rivers through runoff.These findings can provide scientific evidence and data support for ecological construction and water resource management in the Nenjiang River Basin.

Key words：

groundwater； surface water； recharge relationship； hydrogen and oxygen isotopes； hydrochemical characteristics； Nenjiang River