地下水研究中地下水年齡的應(yīng)用分析

李忠媛

(北票市水資源辦公室，遼寧 北票 122100)

?

地下水研究中地下水年齡的應(yīng)用分析

李忠媛

(北票市水資源辦公室，遼寧 北票 122100)

地下水年齡主要是指水在含水層中停留的時(shí)間，即大氣降水或地表水從進(jìn)入地下徑流時(shí)起，一直持續(xù)到其在采樣點(diǎn)出現(xiàn)時(shí)止，在這一全過(guò)程中，水在透水巖石的孔隙和裂隙中停留的有效時(shí)間。由于地下水年齡實(shí)際測(cè)定方法和手段不同。因此，其又分為相對(duì)年齡與絕對(duì)年齡兩種。地下水年齡可準(zhǔn)確反映地下水實(shí)際運(yùn)動(dòng)和溶質(zhì)遷移規(guī)律，在近年來(lái)的地下水研究過(guò)程中，諸多學(xué)者都通過(guò)地下水年齡這一指標(biāo)，對(duì)地下水運(yùn)動(dòng)形式和遷移規(guī)律進(jìn)行研究。結(jié)果表明，地下水絕對(duì)年齡不僅會(huì)受地下水混合作用影響，還會(huì)受氣-水-巖等相關(guān)自然因素影響。與此同時(shí)，其也會(huì)受人類社會(huì)實(shí)踐活動(dòng)等因素影響。文章通過(guò)對(duì)地下水研究中的地下水年齡應(yīng)用情況進(jìn)行論述，以此找到地下水水質(zhì)運(yùn)移規(guī)律，從而為我國(guó)地下水科學(xué)與工程學(xué)研究奠定基礎(chǔ)。

地下水；年齡；應(yīng)用；絕對(duì)年齡；相對(duì)年齡

地下水年齡又稱“groundwater age”，它是研究地下水科學(xué)與工程學(xué)的重要基礎(chǔ)。隨著人類對(duì)水資源環(huán)境的依賴加強(qiáng)，社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)水資源的實(shí)際需求也不斷增多[1]。但在此發(fā)展過(guò)程中，由于人類不合理的開采、開發(fā)活動(dòng)，導(dǎo)致地下水環(huán)境遭受嚴(yán)重污染，同時(shí)引發(fā)了一系列的地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題。為了解決上述問(wèn)題，中國(guó)地質(zhì)學(xué)家及自然科學(xué)家付出了諸多努力，采用同位素技術(shù)作為地下水科學(xué)與工程學(xué)科研究的主要?jiǎng)恿褪侄危湓诘叵滤暧?jì)算方面優(yōu)勢(shì)巨大。在這一背景下，文章將重點(diǎn)通過(guò)對(duì)地下水研究中的地下水年齡應(yīng)用情況進(jìn)行分析，以此為解決經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展對(duì)生態(tài)地質(zhì)環(huán)境造成的影響問(wèn)題奠定基礎(chǔ)。

1 地下水更新研究中地下水年齡的應(yīng)用

在對(duì)地下水環(huán)境變化過(guò)程進(jìn)行分析時(shí)，首先需結(jié)合地下水年齡，對(duì)地下水實(shí)際更新能力進(jìn)行科學(xué)評(píng)價(jià)。由于各地區(qū)氣候及地質(zhì)條件不同。因此，地下潛水層中的水資源被來(lái)水替換及代替，使不同地質(zhì)條件下的水資源更新能力存在很大差異。從這一過(guò)程可以看出，對(duì)地下水實(shí)際更新能力進(jìn)行科學(xué)評(píng)估，能夠在一定程度上為地下水資源的可持續(xù)利用和合理保護(hù)奠定重要基礎(chǔ)。在以往的研究過(guò)程中，大部分學(xué)者都采用地下水更新周期和地下水更新速率及補(bǔ)給速率、周轉(zhuǎn)時(shí)間、滯留時(shí)間等，對(duì)地下水實(shí)際更新能力進(jìn)行分析評(píng)估。但這些指標(biāo)具有單一性，無(wú)法準(zhǔn)確、全面對(duì)地下水研究過(guò)程中的地質(zhì)環(huán)境及地下水、地上水等循環(huán)交替過(guò)程進(jìn)行描述[1]。基于此，文章在上述基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)相關(guān)指標(biāo)進(jìn)行完善，對(duì)地下水補(bǔ)給源及地下水補(bǔ)給源具體比例和地下水補(bǔ)給量、地下水更新速率及周轉(zhuǎn)時(shí)間和滯留時(shí)間等不同指標(biāo)進(jìn)行研究，以此借助地下水年齡這一重要指標(biāo)，對(duì)地下水補(bǔ)給過(guò)程及水循環(huán)交替過(guò)程等進(jìn)行研究分析。

1)通過(guò)對(duì)地下水補(bǔ)給源進(jìn)行識(shí)別，能夠科學(xué)揭示地下水參與水循環(huán)的過(guò)程。比如，通過(guò)對(duì)混合后的地下水年齡進(jìn)行科學(xué)計(jì)算，能夠?qū)Φ叵滤畞?lái)源及不同來(lái)源所占具體比例進(jìn)行科學(xué)識(shí)別。就以本研究區(qū)為例，雨水作為主要的地下水補(bǔ)給水源，能夠通過(guò)地下水中的3H和14C這兩大年齡體現(xiàn)出來(lái)；通過(guò)對(duì)該研究區(qū)地下水中的3H和14C這兩大年齡及CFCs進(jìn)行定年計(jì)算，可準(zhǔn)確得到該研究區(qū)地下水系統(tǒng)中，不同補(bǔ)給水源在總徑流中所占比重。但對(duì)于其他研究區(qū)而言，由于地下水補(bǔ)給水源形式多樣。因此，通過(guò)對(duì)地下水水齡進(jìn)行科學(xué)計(jì)算，可為地下水開采、判斷與識(shí)別提供重要條件。

2)可通過(guò)對(duì)地下水水齡進(jìn)行計(jì)算，以此合理評(píng)估地下水實(shí)際補(bǔ)給量。通常情況下，地下水年齡沿徑流路徑不斷增大。因此，文章通過(guò)對(duì)研究區(qū)地下年齡的實(shí)際分布特征進(jìn)行研究，以此結(jié)合徑流演變路徑，對(duì)該地區(qū)河道地下水實(shí)際補(bǔ)給量進(jìn)行預(yù)估。由于文章所研究的含水層地質(zhì)層為以垂向徑流為主的多孔介質(zhì)含水層。因此，通過(guò)對(duì)地下水徑流路徑進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)該研究區(qū)地下水實(shí)際年齡隨水深深度不斷增大而增大。當(dāng)?shù)叵滤a(bǔ)給量及孔隙度和水層結(jié)構(gòu)逐漸增大時(shí)，地下水年齡也會(huì)隨之而增大。因此，在地質(zhì)剖面中，地下水年齡的實(shí)際變化過(guò)程具有垂向分布特征，結(jié)合這一重要變化規(guī)律，可對(duì)地下水含水層中的水源補(bǔ)給量進(jìn)行計(jì)算，具體計(jì)算公式如下：

R=vu=(△Z/△t)u

(1)

式中：R為地下水補(bǔ)給量；V為地下水實(shí)際流速；μ為地下水孔隙度；△Z為含水層補(bǔ)給量估算中，兩采樣點(diǎn)間的垂向距離；△t為地下水兩個(gè)不同采樣點(diǎn)水樣品的年齡差。

在上述基礎(chǔ)上，可對(duì)地下水更新周期及速率等進(jìn)行計(jì)算，具體計(jì)算公式如下：

T=V/R

(2)

文章在研究過(guò)程中，假設(shè)該研究區(qū)地下水系統(tǒng)的可持續(xù)開采量為10億m3；該研究區(qū)地下水補(bǔ)給量R=1億m3/a，則由上述地下水更新周期計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算可得到該研究區(qū)地下水更新周期T=10a,但在實(shí)際計(jì)算分析過(guò)程中，由于地下水系統(tǒng)會(huì)受自身結(jié)構(gòu)及含水層埋藏條件等影響。因此，在同一系統(tǒng)中，由于地下水潛藏位置不同，導(dǎo)致地下水更新周期存在很大差異[2]。文章經(jīng)過(guò)計(jì)算得到的地下水更新周期只能在一定程度上反映本研究區(qū)地下水接受水源補(bǔ)給及全球系統(tǒng)總體水循環(huán)過(guò)程，尤其是在人類社會(huì)實(shí)踐活動(dòng)中，通過(guò)對(duì)已開采的地下水進(jìn)行定年分析，在一定程度上可系統(tǒng)了解地下水實(shí)際更新情況，以此科學(xué)指導(dǎo)人們對(duì)地下水綜合開采方案進(jìn)行合理優(yōu)化和調(diào)整。

2 地下水運(yùn)動(dòng)研究中地下水年齡的應(yīng)用

全面、深入掌握和了解地下水運(yùn)動(dòng)過(guò)程及實(shí)際規(guī)律，能夠?yàn)樵撗芯繀^(qū)開展相關(guān)地下水實(shí)踐活動(dòng)奠定基礎(chǔ)。因此，認(rèn)識(shí)地下水運(yùn)動(dòng)過(guò)程至關(guān)重要。文章通過(guò)分析研究區(qū)概況，認(rèn)為該研究區(qū)地下水實(shí)際運(yùn)動(dòng)過(guò)程主要包括水流流速及水流路徑和水流流量以及地下水流場(chǎng)、地下水水力梯度等幾大主要要素。因此，通過(guò)地下水年齡，可在一定程度上對(duì)該研究區(qū)地下水運(yùn)動(dòng)要素的實(shí)際演變機(jī)理和交互作用過(guò)程進(jìn)行分析。通常而言，地下水補(bǔ)給區(qū)到排泄區(qū)，地下水實(shí)際年齡在不斷增大。因此，要想準(zhǔn)確確定地該研究區(qū)地下水徑流實(shí)際演變運(yùn)移路徑，需對(duì)研究區(qū)地下水年齡的分布情況進(jìn)行了解。在此基礎(chǔ)上，也可對(duì)研究區(qū)地下水流場(chǎng)進(jìn)行科學(xué)確定；與此同時(shí)，還可利用地下水年齡這一重要指標(biāo)，對(duì)研究區(qū)承壓水系統(tǒng)的實(shí)際補(bǔ)給速率進(jìn)行計(jì)算分析[3]。

具體到該研究區(qū)的實(shí)際工作中，借助地下水年齡這一參數(shù)指標(biāo)對(duì)研究區(qū)地下水徑流進(jìn)行分析具有重要作用。比如，在該研究區(qū)建設(shè)大壩等水利工程基礎(chǔ)設(shè)施時(shí)，能夠?yàn)榧夹g(shù)人員制定科學(xué)的大壩防滲措施提供參考依據(jù)，而對(duì)該研究區(qū)地下溶質(zhì)的實(shí)際運(yùn)移過(guò)程進(jìn)行研究分析，能夠在一定程度上全面了解區(qū)域地下水系統(tǒng)中污染源的實(shí)際運(yùn)移擴(kuò)散過(guò)程及不同水生態(tài)系統(tǒng)中，不同水質(zhì)的地下水混合規(guī)律，從而幫助人們正確認(rèn)識(shí)研究區(qū)地下水與地表水相互作用的機(jī)理。

3 地下水溶質(zhì)遷移中地下水年齡的應(yīng)用

近年來(lái)，地下水環(huán)境污染問(wèn)題已引發(fā)全民關(guān)注，因此通過(guò)構(gòu)建地下水年齡與地下污染物濃度之間的相關(guān)關(guān)系模型，能在一定層面上科學(xué)揭示研究區(qū)地下水污染物的實(shí)際遷移規(guī)律[4]。在實(shí)際分析計(jì)算過(guò)程中，結(jié)合CFC、3H和SF6對(duì)地下水進(jìn)行定年分析，可全面揭示研究區(qū)地下水中的實(shí)際氮含量。一般而言，地下水年齡與地下水中農(nóng)藥及氮的濃度呈反比。地下水水齡越大，水體中所含農(nóng)藥及氮含量越低；反之，地下水年齡越小，地下水體中農(nóng)藥殘留及氮含量就越高。

與此同時(shí)，可利用地下水年齡這一指標(biāo)，對(duì)地下水污染情況進(jìn)行衡量及對(duì)地下水的補(bǔ)給水源進(jìn)行分析判斷。比如，在實(shí)際分析研究時(shí)，通過(guò)對(duì)地下水進(jìn)行定年，則可得知地下水中的實(shí)際污染程度。一般而言，如果經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)地下水年齡較小，則可初步判斷開采的地下水主要補(bǔ)給水源是地表水及當(dāng)?shù)卮髿饨邓Ｓ捎谶@些外來(lái)補(bǔ)給水源沒有經(jīng)過(guò)全面自我凈化及處理。因此，污染物在水體中較為活躍，地下水水質(zhì)較差。

在此基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)地下水年齡進(jìn)行計(jì)算分析，還可進(jìn)一步了解地下水在穿越不同地下通道時(shí)，徑流的實(shí)際滯留時(shí)間[5]。對(duì)這一過(guò)程進(jìn)行全面了解，能在一定程度上準(zhǔn)確掌握地下水系統(tǒng)中污染物的遷移規(guī)律。尤其是在地下水污染源識(shí)別過(guò)程中，通過(guò)對(duì)地下水年齡這一指標(biāo)進(jìn)行分析計(jì)算，能夠科學(xué)識(shí)別透水層在阻止污染物污染地下水過(guò)程中所發(fā)揮的關(guān)鍵作用。對(duì)于地下水環(huán)境中的弱水層而言，其能夠保護(hù)地下水體不受外來(lái)污染源污染。

4 地下水模型構(gòu)建中對(duì)相關(guān)參數(shù)的約束

在對(duì)區(qū)域地下水環(huán)境進(jìn)行分析過(guò)程中，通常需構(gòu)建相關(guān)的評(píng)價(jià)模型。而模型中的相關(guān)參數(shù)指標(biāo)都會(huì)受特定技術(shù)條件及模型結(jié)構(gòu)的約束。因此，指標(biāo)選取及模型參數(shù)值分析科學(xué)與否，在一定程度上而言，能夠決定模型分析結(jié)果準(zhǔn)確與否。但是，基于地下水年齡分析結(jié)果，可在水文模型構(gòu)建及地下水污染源識(shí)別中，為地下水運(yùn)動(dòng)和溶質(zhì)遷移提供相關(guān)約束性參數(shù)值，以此對(duì)模型參數(shù)模擬驗(yàn)證及率定過(guò)程提供線性約束條件，從而有助于提升模型分析模擬的規(guī)范性與科學(xué)性[6]。

從上述分析中可知，在對(duì)區(qū)域地下水進(jìn)行研究過(guò)程中，地下水年齡始終起著非常重要的作用。但是，在實(shí)際分析模擬過(guò)程中，由于地下水環(huán)境是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，因此難免會(huì)受區(qū)域水文地質(zhì)條件及區(qū)域地質(zhì)特征和地球化學(xué)系統(tǒng)等相關(guān)因素影響。在此過(guò)程中，地下水生態(tài)系統(tǒng)平衡同樣也會(huì)受人類外來(lái)影響因素影響。而對(duì)地下水年齡進(jìn)行定年計(jì)算的主要依據(jù)，是地下水演變過(guò)程中的水文地質(zhì)及水文地球化學(xué)信息等，這些復(fù)雜因素會(huì)對(duì)地下水年齡的定年結(jié)果可靠性與準(zhǔn)確性造成一定的干擾[7]。就本研究區(qū)而言，假設(shè)該地區(qū)地下水體是由比例為9:1的兩種不同水源混合而成，而這兩種地下水體的實(shí)際年齡分別為10a和1000a，而經(jīng)過(guò)混合之后的研究區(qū)地下水實(shí)際年齡則變?yōu)?0×90%+1000×10%=109a。因此，從這一結(jié)果可以看出，通過(guò)計(jì)算得出的水齡結(jié)果與實(shí)際地下水年齡存在一定的差異。由于未經(jīng)混合后的地下水水質(zhì)年齡分別為10a和1000a。因此，地下水運(yùn)移過(guò)程活躍，使得地下水年齡定年結(jié)果計(jì)算成為地下水環(huán)境分析的重要環(huán)節(jié)[8]。

5 結(jié) 語(yǔ)

綜上所述，地下水年齡有助于了解地下水系統(tǒng)的實(shí)際更新能力，也可掌握地下水污染物的實(shí)際遷移規(guī)率，為對(duì)下水環(huán)境分析模型提供約束性條件。盡管地下水年齡在地下水環(huán)境分析及污染源識(shí)別和地下水生態(tài)系統(tǒng)研究中起著至關(guān)重要的作用。但不可否認(rèn)，由于地下水環(huán)境生態(tài)系統(tǒng)異常復(fù)雜。因此，必然存在地下水混流問(wèn)題，再加上實(shí)際計(jì)算過(guò)程中，地下水定年較為困難，故無(wú)論采用何種方式測(cè)得的地下水年齡，都不具有實(shí)際代表指征意義，其只能在一定程度上為地下水分析研究提供參考。故文章通過(guò)對(duì)下水年齡實(shí)際應(yīng)用情況進(jìn)行分析，以期為我國(guó)地下水研究工作順利推進(jìn)提供借鑒思路。

[1]李學(xué)森.凌河流域水資源現(xiàn)狀及保護(hù)措施[J].水土保持應(yīng)用技術(shù)，2015(03)：36-37.

[2]高素麗.遼陽(yáng)市水資源開發(fā)利用和管理保護(hù)對(duì)策[J].水土保持應(yīng)用技術(shù)，2011(04)：45-47.

[3]白潔娜.基于T-S模型的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在節(jié)水灌溉技術(shù)選擇中的應(yīng)用[J].水利技術(shù)監(jiān)督,2016(01):40-42.

[4]宋小波,蔡新,楊杰.基于改進(jìn)AHP法的水閘安全性模糊綜合評(píng)價(jià)[J].水電能源科學(xué),2013(02):174-176，137.

[5]夏云林.農(nóng)田水利節(jié)水灌溉技術(shù)淺析[J].水利規(guī)劃與設(shè)計(jì),2015(09):45-47.

[6]李軍,蔣世瓊.基于改進(jìn)AHP法的道路選線風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估研究[J].安全與環(huán)境學(xué)報(bào),2013(01):246-249.

[7]王春素.高效節(jié)水灌溉措施及效益評(píng)價(jià)[J].水利技術(shù)監(jiān)督,2014(04):50-52.

[8]宋巖,劉群昌,江培福.基于改進(jìn)AHP模糊物元模型的農(nóng)業(yè)用水效率評(píng)價(jià)[J].人民長(zhǎng)江,2013(22):30-33.

Application and Analysis of Groundwater Age in Groundwater Study

LI Zhong-yuan

(Beipiao Urban Water Resources Office, Beipiao 122100, China)

The age of groundwater may reflect correctly the actual movement and solute transport law about groundwater, in recent years, most scholars researched the type and migration of groundwater movement through the index of groundwater age during the period of groundwater study. The results show that the absolute age of groundwater not only will be impacted by the mixed groundwater but also impacted by relevant natural factors of atmosphere-water-rock, meanwhile, be impacted by the factors of social practice of human beings. Therefore, the paper found the mitigation of groundwater quality by discussing the application of groundwater age in the groundwater research to lay the foundation of Chinese groundwater science and engineering science.

groundwater; age; application absolute age; relative age

1007-7596(2017)01-0111-04

推廣應(yīng)用

2016-12-18

李忠媛(1982-)，女，遼寧北票人，工程師，從事水資源論證及調(diào)查評(píng)價(jià)、地下水監(jiān)測(cè)、水文預(yù)報(bào)、水文水資源管理等工作。

TV

B