同位素技術(shù)在河南省豫北平原地下水源地規(guī)劃中的應(yīng)用

苗晉祥

(河南省地質(zhì)調(diào)查院，河南 鄭州 450001)

半個(gè)世紀(jì)以來，豫北平原(即華北平原河南部分)隨著工農(nóng)業(yè)和城市建設(shè)的不斷發(fā)展，地下水開采量與日俱增，加上自然因素的影響，地下水環(huán)境發(fā)生了較大的變化。多數(shù)地區(qū)地下水入不敷出，已形成了濮清南和溫孟武陟區(qū)域地下水位降落漏斗，以及安陽、濮陽、新鄉(xiāng)城市地下水降落漏斗，沿黃濕地銳減;巖溶水水位持續(xù)下降，河南輝縣百泉泉水?dāng)嗔?。由于地下水位下降產(chǎn)生的環(huán)境地質(zhì)問題還有濮陽地面沉降。

以犧牲環(huán)境為代價(jià)的人類工程經(jīng)濟(jì)活動(dòng)的不斷加劇，城鄉(xiāng)垃圾的亂堆亂放，工業(yè)廢水及城市生活污水的隨意排放，農(nóng)業(yè)農(nóng)藥化肥的施用，這些因素對人們賴以生存的環(huán)境產(chǎn)生了嚴(yán)重的影響。豫北平原沿河道、城市周圍及部分農(nóng)田區(qū)淺層地下水也因此遭受不同程度的污染。

為查明豫北平原地下水形成與演化規(guī)律、循環(huán)演化模式，中國地質(zhì)調(diào)查局在工作區(qū)安排了國土資源大調(diào)查項(xiàng)目“華北平原地下水資源可持續(xù)利用調(diào)查評價(jià)(河南)”(200310400004)的地下水同位素研究。

同位素技術(shù)對于地下水的深入研究和定量化、微觀化至關(guān)重要，它可以提供地下水系統(tǒng)的詳細(xì)信息，不同成因的地下水具有不同的同位素特征，穩(wěn)定同位素的分餾原理和放射性同位素的衰變原理，為地下水的補(bǔ)給來源、運(yùn)移速度、滯留時(shí)間、排泄過程及轉(zhuǎn)化和地下水質(zhì)和量的深入研究，提供了重要手段［2］。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)地處華北平原的河南省北部，簡稱豫北平原，西北以太行山為界，南部以黃河為界，北部、東部與河北省和山東省為臨，工作區(qū)地處黃河沖積平原的上游，西北部為山前傾斜平原(見圖1)。

豫北平原分屬黃河與海河水系，以黃河為其南界。重要的河流有黃河和衛(wèi)河，據(jù)黃河花園口水文站1949～1994年資料，黃河多年平均流量為1 387 m3/s，最大流量22 300 m3/s(1958年7月17日)，最小流量斷流，濮陽南黃河段最長斷流時(shí)間為226天(1997年)。區(qū)內(nèi)引黃渠系成網(wǎng)，水利條件優(yōu)越。區(qū)內(nèi)重要的引黃渠道有:焦作市、新鄉(xiāng)市的武嘉灌渠、人民勝利渠，新鄉(xiāng)市的韓董莊、祥符朱、大功、石頭莊灌渠，濮陽市的濮清南、彭樓、邢廟、王集等灌渠。

黃河沖積平原是由多期沖積扇疊置而成，工作區(qū)地下水主要賦存于其中的各種砂及粉土的孔隙中，是一個(gè)形狀復(fù)雜的含水地質(zhì)體。在垂向上可分為淺層含水巖組和深層含水巖組。

圖1 工作區(qū)地貌圖

淺層含水層包括全新統(tǒng)、上更新統(tǒng)、中更新統(tǒng)含水砂層，含水層底板埋深一般為60～120 m，平均厚度40～50 m，自頂部向東北顆粒變細(xì)，厚度變大，由上游到下游含水層顆粒由粗砂變?yōu)榧?xì)砂。淺層地下水補(bǔ)給項(xiàng)有大氣降水入滲、黃河側(cè)滲、引黃灌溉入滲與引黃渠道滲漏、河道滲漏、地表坑塘及引黃蓄水池、側(cè)向逕流補(bǔ)給，其中引黃灌溉和引黃渠道滲漏已成為淺層地下水的重要補(bǔ)給項(xiàng)。淺層地下水的排泄方式主要為開采和蒸發(fā)，側(cè)向逕流排泄已變?yōu)榇我?xiàng)。淺層地下水總逕流方向由西南流向東北，由于受人工開采和引黃灌溉的影響，局部流場發(fā)生變化;在地下水開采漏斗區(qū)，地下水由漏斗周邊向中心流動(dòng);在沿黃渠道與引黃蓄水池一帶，地下水以渠道或蓄水池為中心向兩側(cè)及下游流動(dòng)。

深層含水層組包括中更新統(tǒng)下段和下更新統(tǒng)的砂、砂礫石組成，底板埋深200～340 m，平均厚度40～80 m，含水層巖性由盆地邊緣至中部的砂礫石、粗砂變?yōu)榧?xì)砂、細(xì)粉砂。深層水主要接受西南方向的側(cè)向逕流補(bǔ)給;在省界以側(cè)向逕流方式排泄入外省，在濮陽油田一帶由于開采已形成局部地下水漏斗，逕流方向?yàn)槲髂狭飨驏|北。

2 樣品布置與測試

樣品布置:同位素樣品按不同水文地質(zhì)單元、不同層位、地表水分別布置了樣品，基本控制了全區(qū)，同位素分析樣175件(見圖2)，收集了50組同位素樣品數(shù)據(jù)，同時(shí)還引用了吉林大學(xué)、北京師范大學(xué)、中國地質(zhì)科學(xué)院水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)研究所的同位素方面資料和論文。布置水化學(xué)樣290件，收集了2001～2005年的水化學(xué)資料;布置地下水位統(tǒng)調(diào)5次，地下水位長觀40井等工作。

圖2 同位素采樣與剖面布置圖

樣品測試:所有采集的水樣在中國地質(zhì)科學(xué)院地下水科學(xué)與工程重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了穩(wěn)定同位素的分析處理。18O采用水平衡法，D(2H，氘)采用Zn法，13C采用磷酸法，14C采用Quantulus－1220(LKB)低本底液閃儀，T(3H，氚)采用Quantulus－1220(LKB)低本底液閃儀測定。質(zhì)譜儀型號為MAT－251。計(jì)量單位采用的國際標(biāo)準(zhǔn)為:D、18O均為SMOW‰，13C為PDB‰，14C為pmc，T為 TU。分析精度 D為2‰ ，18O、13C 為 0.2‰，T為 1TU，14C 為 1%(pmc)。

在物理課堂教學(xué)中，要做好與力學(xué)相關(guān)的演示實(shí)驗(yàn)，首要工作是根據(jù)物理課堂教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)目的進(jìn)行力學(xué)課堂演示實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。力學(xué)演示實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)要盡可能采用簡單常見的儀器，儀器個(gè)數(shù)盡量少，設(shè)計(jì)的選題要盡可能與日常生活實(shí)際相聯(lián)系，實(shí)驗(yàn)的原理要在學(xué)生理解范圍之內(nèi)。力學(xué)演示實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)應(yīng)是建立、鞏固物理概念或引入課題的定性演示，沒有必要過分將操作過程和操作方法復(fù)雜化。而且，演示實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)特別強(qiáng)調(diào)直觀性，它包含實(shí)驗(yàn)過程、實(shí)驗(yàn)器材、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的直觀性。

樣品采集嚴(yán)格按規(guī)程進(jìn)行，對不符合要求的樣品進(jìn)行了補(bǔ)充采樣。為了保證質(zhì)量，按樣品數(shù)量的5%取了對比樣，經(jīng)對比，18O、13C、14C數(shù)據(jù)誤差較小，可直接選用;而D(2H)、T(3H)誤差較大，在與18O、13C、14C數(shù)據(jù)的對比修正下，可以利用。

3 同位素T(3H)估算的淺層地下水更新速率研究［1，4～8］

地下水更新速率(Renewal rate)定義為地下水系統(tǒng)中補(bǔ)給水體積與含水層總水體積的比。地下水中的放射性核素氚通常作為降水補(bǔ)給和水在含水層中運(yùn)移的標(biāo)記，最近，Le Gal La Salle［7］等提出了利用氚來計(jì)算地下水的平均更新速率，其原理簡要介紹如下:假設(shè)含水層是穩(wěn)定狀態(tài)，即水的輸入等于輸出，地下水連續(xù)補(bǔ)給且完全混合。則地下水中的氚含量通過放射性衰變和年輸入變化來計(jì)算:

式中:Rr為多年平均更新速率(%/a);Ag為地下水的T(3H)含量(TU);A0為輸入水的 T(3H)含量(TU);Λ為放射性常數(shù)(T(3H)=0.05626/a);i為時(shí)間(年)，0計(jì)算年(初始年定為大氣核爆前，定為公元1952)，如以公元1997年為計(jì)算年，則i從0到45年(對應(yīng)于1997～1952年)。

方程(1)考慮了自1952年以來氚的年輸入變化，1952年以前，假設(shè)系統(tǒng)是穩(wěn)定狀態(tài)，地下水的含量以常量A0輸入(氚為10TU)計(jì)算:

考慮到隨年降水變化，年補(bǔ)給發(fā)生變化。假設(shè)年補(bǔ)給與年降水成比例關(guān)系，那么，年更新速率Rri可以從年降水加權(quán)平均更新速率Rr得到:

如果補(bǔ)給與年降水量成線性關(guān)系，那么，某年的更新速率Rri等于平均更新速率R乘以當(dāng)年降水量(Pi)占多年平均降水量(Pm)的百分比。但是，在干旱、半干旱區(qū)，這種關(guān)系通常不完全適用，因此，在考慮發(fā)生補(bǔ)給的極限降水量值(Pt)的情況下，年更新速率表示為:

對于各區(qū)如果有Pt值則直接應(yīng)用，如果沒有則可以利用當(dāng)?shù)貧庀笳咀钚∧杲邓拷拼?。更新速率?jì)算通常采用降到地面的降水氚含量年加權(quán)平均濃度作為地下水系統(tǒng)的輸入函數(shù)，我國大陸廣大地區(qū)缺少1952年以來的系統(tǒng)觀測資料，因此，本次工作是在重建的石家莊地區(qū)大氣降水氚濃度時(shí)間序列的基礎(chǔ)上進(jìn)行的。

計(jì)算過程首先恢復(fù)輸入函數(shù)，然后給定一系列更新速率(如0% ～100%/a)，計(jì)算輸出濃度，作出Rr—輸出濃度模擬曲線圖，通過圖解確定每個(gè)樣品實(shí)測數(shù)據(jù)代表的更新速率(圖 3)。

地下水的更新速率隨著水位埋深增加而減小，在沖積扇頂部，地下水系統(tǒng)平均更新速率很高，在焦作至輝縣山前與黃河補(bǔ)給影響地帶、引黃灌渠與河流兩側(cè)淺層地下水的更新率較大，一般4～10%/a，沖洪積扇頂部與近黃河地帶大于10%/a;向下游水位埋深10～20 m，地下水系統(tǒng)平均更新速率減小，工作區(qū)西部至地下水位降落漏斗的西邊緣2%/a至4%/a;一般地下水位降落漏斗區(qū)1～2%/a，漏斗中心區(qū)小于1%/a。

表1 城市應(yīng)急地下水水源地供水地質(zhì)條件概況表

地下水的更新速率與包氣帶巖性有關(guān)，在沖積扇上部，包氣帶巖性以砂礫石夾少量粘土為主，而在沖積扇邊緣，包氣帶巖性以粉質(zhì)亞粘土和亞砂土為主。在水位埋深小于30 m的情況下，前者平均更新速率可達(dá)5% ～33%/a以上，而后者為僅1.5% ～2.5%/a，說明地下水的補(bǔ)給具有空間不均勻性。

假設(shè)整個(gè)研究區(qū)地下水更新速率的統(tǒng)計(jì)中值(2.8%/a)代表該區(qū)的總體更新速率，以含水層平均厚度40 m、平均有效空隙度為0.2來計(jì)算，地下水的補(bǔ)給強(qiáng)度是224 mm/a，與利用降水入滲系數(shù)為0.2～0.3得出的降水補(bǔ)給量相當(dāng)。

中國地質(zhì)大學(xué)的天然環(huán)境氯離子質(zhì)量平衡法試驗(yàn)成果的更新速率:山前沖洪積扇區(qū)(埋深10～15 m，粉土)為0.082，平原區(qū)(埋深 30～35 m，粘性土與粉土互層)為0.055，與本次估算的淺層地下水更新速率基本一致。

圖3 淺層地下水平均平均更新速率等值線與應(yīng)急地下水水源地分布圖

4 同位素技術(shù)在地下水水源地規(guī)劃中的應(yīng)用［1，9 ～11］

應(yīng)急地下水水源地按淺層地下水更新速率和地下水年齡特征分為四個(gè)類型(見表1，圖3)，沿黃強(qiáng)補(bǔ)給型;引黃灌溉補(bǔ)給型;山前側(cè)向強(qiáng)逕流與河流補(bǔ)給型;巖溶水補(bǔ)給型應(yīng)急地下水水源地，它們的同位素特征為:

(1)沿黃強(qiáng)補(bǔ)給型:地下水更新速率大于4%/a;地下水年齡小于10年;地下水樣同位素特征與黃河水樣相似，受黃河上游補(bǔ)給區(qū)緯度與高程效應(yīng)的影響，18O、D、13C值低，T、14C值高。

(2)引黃灌溉補(bǔ)給型:地下水更新速率1～4%/a;地下水年齡5～10年;地下水樣同位素特征與黃河水樣接近，受當(dāng)?shù)亟邓挠绊懀?8O、D值較沿黃強(qiáng)補(bǔ)給型略有升高，18O值較低并構(gòu)成封閉區(qū)、D值特征不明顯;13C值較低，但比黃河側(cè)滲補(bǔ)給源高;T、14C值較高，但比沿黃強(qiáng)補(bǔ)給型低。

(3)山前側(cè)向強(qiáng)逕流與河流補(bǔ)給型:地下水更新速率一般大于2%/a，個(gè)別可大于1%/a;地下水年齡小于15年;焦作至輝縣地下水補(bǔ)給距離長，18O、D值低、而衛(wèi)輝至安陽補(bǔ)給地下水距離短，18O、D值較高;受上游碳酸鹽巖的影響，13C值較沿黃強(qiáng)補(bǔ)給型略有升高，屬中等值;T、14C值較高。

(4)巖溶水補(bǔ)給型:地下水更新速率大于1%/a;地下水年齡5～20年;18O、D值中等與淺層地下水相似;受上游碳酸鹽巖的影響，13C值較高與淺層地下水有較大差別;巖溶水都含有T，14C值一般較低。

在同位素T(3H)估算了淺層地下水更新速率和地下水年齡的基礎(chǔ)上，充分考慮了地下水的可恢復(fù)性和地下水資源可持續(xù)利用，制訂應(yīng)急地下水水源地的規(guī)劃的原則為:

(1)選擇淺層地下水更新速率較大的，一般大于1.0%/a，地下水年齡小于15 a，補(bǔ)給條件較好，具有較強(qiáng)的恢復(fù)更新能力、有利于改善環(huán)境的區(qū)域;

(2)具有地下水水源地的特征(儲(chǔ)量、供水能力):有良好的含水層空間。一般選擇在古河道帶，砂層厚度大的地方，有良好的水質(zhì);

(3)具有較大的地下水調(diào)節(jié)能力:地下水應(yīng)急供水水源在一定時(shí)期內(nèi)，允許按一定的地質(zhì)環(huán)境約束下動(dòng)用地下水儲(chǔ)存量;

(4)具有經(jīng)濟(jì)可行性:以淺為主，減少投資成本。

根據(jù)上述這幾項(xiàng)原則對工作區(qū)20個(gè)市縣規(guī)劃了20處地下水應(yīng)急供水水源地，供水開采量共34×104m3/d。

5 綜合分析討論

將同位素技術(shù)用于地下水更新恢復(fù)能力研究，對于地下水可持續(xù)利用意義重大，應(yīng)注重以下兩方面的研究:

(1)用同位素T(3H)估算的淺層地下水更新速率。過去，在淺層地下水資源評價(jià)中，由于對地下水更新能力的認(rèn)識(shí)不夠，對地下水的可開采資源量估計(jì)的過高，因而許多地區(qū)的開采強(qiáng)度大大超過地下水的天然更新速率，產(chǎn)生了一系列與地下水開發(fā)利用有關(guān)的環(huán)境問題，同位素T(3H)估算的淺層地下水更新速率充分考慮了地下水的可恢復(fù)性，這在制訂地下水資源可持續(xù)利用規(guī)劃中是至關(guān)重要的，是傳統(tǒng)的地下水資源量不可替代的參數(shù)，利用同位素技術(shù)估算地下水的更新速率是今后的很重要的研究方向。

(2)用地下水同位素更新速率評價(jià)地下水資源量方法研究:需進(jìn)行新的地下水同位素元素研究、淺層地下水的更新深度的研究，建立區(qū)域同位素系列(大氣降水、地表水、地下水)長期觀測資料，為計(jì)算地下水補(bǔ)給強(qiáng)度提供依據(jù)。

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