水文地球化學(xué)和環(huán)境同位素方法在地下水咸化中的研究與應(yīng)用進(jìn)展

祁惠惠，馬傳明，和澤康，2，3，胡孝景

(1.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)環(huán)境學(xué)院，湖北 武漢 430074;2.中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所陸地水循環(huán)及地表過程重點實驗室，北京 100101；3.中國科學(xué)院大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，北京 100049)

地下水資源是人類生產(chǎn)生活的重要供水水源，尤其是在干旱、半干旱氣候地區(qū)。在沿海地區(qū)，地下水的威脅主要是地下水咸化、地下水水質(zhì)退化等問題。除海水入侵外,蒸發(fā)濃縮[1]、污水回灌[2]、古咸水(古海水)補(bǔ)給[3]、表層水鹽分溶解與滲濾[4]等均可以引起地下水咸化[5]。很多地區(qū)的地下水咸化往往是上述幾個因素共同作用的結(jié)果，使得研究地下水咸化成為一個非常復(fù)雜的問題。目前全球近60% 的人口居住在沿海100 km的范圍內(nèi)，而且更多的人口正在向沿海地區(qū)遷移，而沿海地區(qū)是絕大多數(shù)沿海國家經(jīng)濟(jì)最為發(fā)達(dá)的地區(qū)[6]。迄今為止，全世界已經(jīng)有幾十個國家和地區(qū)的幾百個地方存在海水入侵問題[7]，許多國家和地區(qū)積極開展了對海水入侵的研究與治理。

在沿海地區(qū)不是所有的地下咸水都是現(xiàn)代海咸水，許多沿海地區(qū)既可以出現(xiàn)濃度不同的古海水，也可以發(fā)現(xiàn)與海水無關(guān)的咸水，這種咸水很常見，且一般位于濱海含水層下部。荷蘭、美國西部濱海地區(qū)、地中海三角洲地區(qū)海咸水和我國萊州灣南岸平原地區(qū)鹵水都與古海水有關(guān)[8]，其中萊州灣是我國地下水咸化最為嚴(yán)重的地區(qū)，該地區(qū)賦存鹵水資源，是山東省重要的漁鹽生產(chǎn)基地，對地下淡水及鹵水需求都很大，具有海水入侵及鹵水入侵兩種地下水咸化成因，是我國乃至世界范圍內(nèi)的重點研究區(qū)域。目前研究地下水咸化的方法主要可以分為水文地球化學(xué)方法、環(huán)境同位素方法、實驗?zāi)M方法和數(shù)值模擬方法四大類。其中，水文地球化學(xué)方法和環(huán)境同位素方法在建立地下水循環(huán)過程概念模型、了解水質(zhì)演化、判斷地下水補(bǔ)給水源及地下水溶質(zhì)溯源等方面發(fā)揮著重要的作用[9-13]；實驗?zāi)M方法和數(shù)值模擬方法多用于研究海水入侵引起的地下水咸化問題，通過模擬海水入侵過程，了解海水入侵過程中的水文地球化學(xué)作用，揭示地下水的演化規(guī)律。

本文重點梳理了近年來水文地球化學(xué)方法和穩(wěn)定同位素方法在海岸帶地下水咸化中的應(yīng)用，在了解常見的水文地球化學(xué)作用，即離子交換吸附和碳酸鹽溶解-沉淀的基礎(chǔ)上，總結(jié)了近年來水文地球化學(xué)和穩(wěn)定同位素(37Cl、81Br、7Li、11B)方法在研究地下水咸化成因與演化中的應(yīng)用，并討論了這兩種方法在地下水咸化研究中的優(yōu)缺點及其應(yīng)用前景，以期為進(jìn)一步研究地下水咸化問題、合理開發(fā)淡水資源提供科學(xué)依據(jù)。

1 水文地球化學(xué)作用

由于淡水與海水在水化學(xué)成分上存在著明顯的差異，因此沿海地區(qū)的地下水咸化不僅僅是淡水與海水的機(jī)械混合，而是在地下水咸化的同時還伴隨著復(fù)雜的多組分水化學(xué)作用，其既可以改變地下水水質(zhì)，又可以改變其水力性質(zhì)[14]。國內(nèi)外學(xué)者對地下水咸化的研究多側(cè)重于水化學(xué)特征及其成分的變化，而對咸化過程中水-巖間的水文地球化學(xué)作用研究較少，且現(xiàn)有的研究多集中在離子交換吸附和碳酸鹽溶解-沉淀兩個方面。

1.1 離子交換吸附

通過測定鹽度可以判定地下水是否存在咸化問題，但在沿海地區(qū)該方法很難及時判斷海水入侵的發(fā)生。由于某種原因離子交換吸附不是瞬時完成的，通過判斷陽離子的正/逆向交換作用，可以及時對海水入侵進(jìn)行預(yù)測與防治，同時離子交換吸附可以解釋地下水中離子的比值變化。在濱海碳酸鹽巖區(qū)，由于海水和地下淡水存在陽離子優(yōu)勢的差異，陽離子交換現(xiàn)象十分普遍[15]。黏土礦物和有機(jī)物表面帶負(fù)電荷，具有吸附陽離子的能力，在以Ca2+為主的地下淡水中黏土礦物主要吸附Ca2+以達(dá)到電荷平衡，而當(dāng)發(fā)生海水入侵時，黏土礦物吸附海水中Na+，同時Ca2+被釋放重新進(jìn)入地下水中，而陽離子逆向交換過程則與之相反。Appelo等[16]通過咸淡水驅(qū)替的土柱試驗驗證了離子交換作用的發(fā)生，并應(yīng)用多組分運移模型模擬了海水入侵的過程；吳吉春等[17]通過野外監(jiān)測和室內(nèi)試驗研究，認(rèn)為在山東省龍口市的黃河營地區(qū)，海水入侵淡水層過程中水-巖間存在以Na+和Ca2+交換為主的陽離子交換作用，但試驗所用含水層巖土試樣均采用地下水滲透性較低的黏土，與實際含水層存在一定的差異。而只有在海水-淡水界面移動或地下水咸化/淡化過程中離子交換吸附才會出現(xiàn)，一旦條件改變，交換就會終止(因為交換能力很容易被消耗)。陽離子交換吸附強(qiáng)度取決于陽離子的交換容量，黏土礦物陽離子的交換容量大于其他礦物[14]，在存在黏土或亞黏土夾層的松散沉積物中，可以發(fā)現(xiàn)有明顯的水質(zhì)改變，而在純石英巖或灰?guī)r中則只會有輕微的水質(zhì)改變[8]。因此，根據(jù)地下水中的離子交換吸附行為，可以區(qū)分地下水的咸化與淡化區(qū)域[18-19]。

1.2 碳酸鹽溶解-沉淀

B?gli[25]研究了巖溶地區(qū)的水文物理特征，提出了混合溶蝕理論，當(dāng)兩種不同濃度的飽和方解石(或白云石)溶液混合時，將會產(chǎn)生游離態(tài)CO2，使混合溶液成為不飽和溶液。該混合溶蝕理論可用于解釋沿海地區(qū)碳酸鹽巖含水層中的地下水咸化問題：即使海水與淡水中碳酸鹽飽和，溶解過程也可能發(fā)生，會出現(xiàn)碳酸鹽過飽和的現(xiàn)象。一般情況下，海水入侵初期(海水與淡水的混合比為20%左右)即使理論計算的碳酸鹽飽和比均大于1，但是混合液實測值卻小于1，當(dāng)海水與淡水的混合比達(dá)到40%以后則發(fā)生碳酸鹽過飽和至沉淀，這是陽離子交換作用所致[26]。

2 水文地球化學(xué)方法

地下水組分因含水層的差異具有一些特定的水化學(xué)特征，海水的組分在世界范圍內(nèi)是比較穩(wěn)定的且水化學(xué)特征同地下淡水相差甚遠(yuǎn)。地下水在咸化過程中表現(xiàn)出不同的水化學(xué)特征，使得從水文地球化學(xué)角度研究地下水咸化問題成為可能。開展水文地球化學(xué)研究，分析地下水的水化學(xué)特征、水化學(xué)組分變化機(jī)制和規(guī)律，對判斷地下水咸化與否、咸化程度及范圍是十分必要的。

繪制物理或化學(xué)指標(biāo)相對于其他值的位置(散點)圖有時也是非常有用的，特別是在可獲得大量數(shù)據(jù)時，建立不同離子或參數(shù)間的關(guān)系可以為下一步的調(diào)查提供依據(jù)，也可以顯示出與某一個理論或“標(biāo)準(zhǔn)”特性的系統(tǒng)偏差。Habtemichael等[29]通過采集了佛羅里達(dá)南部沿海含水層地下水水樣進(jìn)行分析，結(jié)合相對離子保守混合線，發(fā)現(xiàn)水樣中Na+、K+、Mg2+濃度相對降低，而Ca2+濃度則升高，從而證實了在Biscayne含水層混合區(qū)存在陽離子交換作用。

地下水中不同組分之間的比值可以用于判斷地下水成因及形成過程，如Cl/Br、Br/I、Ca/Sr、Na/Cl比值等常用于判斷地下水是否是海相沉積水或由海相沉積水組成。除此之外，水化學(xué)特征指數(shù)動態(tài)曲線圖對于研究和顯示地下水咸化及發(fā)展趨勢也是十分有用的。

徐鈁一鳴等[30]在研究廣州海岸帶新洲地?zé)崴畷r，發(fā)現(xiàn)熱水水樣的Cl/Br比值與海水相似，認(rèn)為海水對地下熱水有混合作用；Du等[31]在研究山東省萊州灣的地下咸水起源與演化時，將Fontes等[32]通過試驗得到的海水蒸發(fā)軌跡繪制于Cl-Br離子濃度的關(guān)系圖中，結(jié)果發(fā)現(xiàn)水樣中Cl/Br比值與海水相似，且鹵水落于海水蒸發(fā)線石膏沉淀點附近，結(jié)合溴同位素認(rèn)為萊州灣地區(qū)地下鹵水起源于古海水蒸發(fā)，微咸水中鹽分來源于鹵水(見圖1)， 并隨著Br-濃度的增加，萊州灣南岸地下水中陽離子Ca2+、Mg2+、Sr2+富集,Na+減少，結(jié)合萊州灣地層巖性特征，推測該地區(qū)地下水中存在碳酸鹽溶解作用引起的Ca2+、Mg2+、Sr2+濃度增加，Na+濃度減少與離子交換吸附作用相關(guān)，這一作用同樣使地下水中Ca2+濃度增加。

圖1 萊州灣地下水中Cl-Br離子濃度的關(guān)系圖[31-32]Fig.1 Relation of Cl- versus Br- concentration in total groundwater samples of Laizhou Bay[31-32]注：SET代表海水蒸發(fā)曲線；S、G和H分別代表標(biāo)準(zhǔn)平均海水、石膏沉淀點和鹽巖沉淀點

3 環(huán)境同位素方法

環(huán)境同位素是存在于自然環(huán)境中天然形成的同位素，分為穩(wěn)定環(huán)境同位素和放射性環(huán)境同位素。穩(wěn)定同位素組成受各種條件變化的影響會發(fā)生微小但可測量的改變，可以表征特定環(huán)境和過程且化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，因此穩(wěn)定同位素的精確檢測決定了同位素研究的深度，新測試技術(shù)的創(chuàng)立、新測試儀器的研制、原測試方法的改進(jìn)等都會促進(jìn)穩(wěn)定同位素研究的發(fā)展。穩(wěn)定同位素技術(shù)在20世紀(jì)30年代就已經(jīng)開始應(yīng)用，最開始是天然水體中氫(H)、氧(O)同位素的研究，隨后廣泛應(yīng)用于古氣候、海洋學(xué)、水文地質(zhì)學(xué)、冰川學(xué)、湖沼學(xué)、大氣物理以及其他地學(xué)領(lǐng)域。

在水文地質(zhì)研究中，放射性同位素氚(3H)和碳(14C)對研究地下水中咸淡水關(guān)系具有重要的意義[8]，可用于地下水測齡、區(qū)分現(xiàn)代海水和古鹵水；穩(wěn)定同位素可以從微觀和宏觀角度闡明地下水運移，機(jī)理應(yīng)用更為廣泛，現(xiàn)已成為研究地下水、解決地下水資源與環(huán)境問題不可替代的手段。目前，穩(wěn)定同位素技術(shù)主要應(yīng)用于研究地下水的補(bǔ)給來源、補(bǔ)給量、水-巖作用、地下水污染來源等。H、O同位素在地下水補(bǔ)給與演化研究中的應(yīng)用最為廣泛且成熟，如地下水中δ2H-δ18O與當(dāng)?shù)卮髿饨邓笑?H-δ18O關(guān)系的擬合程度可以指示地下水補(bǔ)給來源，水樣點越接近大氣降水線說明其受大氣降水的影響越顯著[33-34]。在H、O同位素之后，隨著同位素分離及測試技術(shù)的提高，Cl、Br、Li、Sr、B等越來越多的同位素也相繼應(yīng)用于地下水的研究中。經(jīng)過半個多世紀(jì)的發(fā)展，穩(wěn)定同位素方法在地下水的研究中發(fā)揮著越來越重要的作用。在地下水咸化研究中，通過分析地下水穩(wěn)定同位素組成可以追蹤地下水鹽分來源、區(qū)分海水入侵與其他咸化成因，此外穩(wěn)定同位素分析還可以用于研究地下水咸化過程中的水文地球化學(xué)作用、揭示地下水的演化過程。目前，穩(wěn)定同位素技術(shù)在地下水咸化中的應(yīng)用越來越多，研究內(nèi)容也逐漸深入。

3.1 氯、溴同位素

氯(Cl)是自然界常見元素，在水中常以Cl-的形式存在，其化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定且不參與氧化還原反應(yīng)，但水中Cl-濃度受鹽巖溶解-沉淀的影響。海水、鹽湖和鹵水是氯元素最大的儲存庫。氯有兩個穩(wěn)定同位素(35Cl和37Cl)，在自然界氯同位素分餾有限，δ37Cl的變化范圍為-3.5‰～+3.5‰。目前Cl-濃度及δ37Cl值被廣泛地應(yīng)用于研究鹵水成因、鹽湖形成機(jī)理、海水入侵、土壤鹽堿化及相關(guān)鹽礦床成因等[35]。含氯礦物的溶解和沉淀作用、擴(kuò)散作用、混合作用、離子滲透作用和氣溶膠NaCl的酸化作用等水文地球化學(xué)作用可引起地下水中氯同位素分餾，故地下水中氯同位素的組成可以用于研究地下水的起源與演化。Eissa等[36]分析了埃及西北海岸地下水中δ37Cl與Cl-濃度的關(guān)系，認(rèn)為地下水中鹽分的來源除海水之外還有其他來源，如鹽礦床的存在。

溴(Br)與氯同是鹵族元素，兩者化學(xué)性質(zhì)十分相似。溴元素的天然資源主要存在于海水、地下鹵水、古海水沉積物鹽巖礦以及鹽湖中，溴元素在海水中的含量占地球上溴總資源量的99%，有“海洋元素的美稱”。溴不受鹽巖沉淀的影響，在地下水中的含量比氯更穩(wěn)定，因此溴穩(wěn)定同位素(81Br)在解決地下水的起源與演化、示蹤海水和分析咸水成因等方面的水文地質(zhì)問題時有著特殊的指示意義。通過比較不同起源地下水之間的δ81Br值，可以識別地下水起源與主要演化過程。然而地下水中溴含量遠(yuǎn)不及氯高，且受溴同位素分離技術(shù)的限制，目前有關(guān)地下水中溴同位素的研究不多，關(guān)于溴同位素特征的研究在2005年以后才陸續(xù)開展，且多結(jié)合氯同位素特征進(jìn)行分析[37～41]。Cl/Br離子比值是海水的特征系數(shù)，常用于判斷地下水的咸化成因、海水入侵淡水含水層的范圍及程度，其同位素δ81Br-δ37Cl的關(guān)系同樣是研究地下水中不同自然過程的重要參考指標(biāo)[38]。

Du等[39]應(yīng)用氯、溴同位素特征討論了中國萊州灣和柴達(dá)木盆地淺層鹵水的起源與演化，結(jié)果發(fā)現(xiàn)沿海與內(nèi)陸盆地氯、溴同位素的特征相反：沿海地區(qū)37Cl富集、81Br貧化，而內(nèi)陸地區(qū)則37Cl貧化、81Br富集。一般認(rèn)為物理過程(擴(kuò)散、離子過濾等)對氯、溴同位素分餾的影響相似[42]，所以擴(kuò)散和離子滲透不是導(dǎo)致氯、溴同位素特征相反的主要過程，分析認(rèn)為萊州灣淺層鹵水起源于海水的蒸發(fā)與沉淀，37Cl富集于固相的鹽巖中后被潮水或雨水溶解再次進(jìn)入水中，致使萊州灣淺層咸水中富集37Cl，而81Br很少參與沉淀作用，所以水中δ81Br值偏負(fù)。而柴達(dá)木盆地淺層鹵水的演化與之相反，淺層鹵水起源于鹽巖溶解且鹽巖中δ81Br值偏正，因此最初的淺層鹵水中富集37Cl、81Br，隨后受蒸發(fā)-沉淀作用的影響，37Cl再次富集于沉淀的鹽巖中，而溴同位素受蒸發(fā)-沉淀作用的影響很小，最后使得柴達(dá)木盆地的淺層鹵水中81Br富集，37Cl貧化，見圖2。

圖2 沿海和內(nèi)陸盆地的δ37Cl、δ81Br同位素組成圖[39]Fig.2 δ37Cl and δ81Br compositions for representative shallow brine in the coast and inland basin,respectively[39]

3.2 鋰同位素

鋰(Li)是最輕的堿金屬元素，在地球上含量少但分布廣泛。鋰的化學(xué)性質(zhì)活潑，兩個穩(wěn)定同位素(6Li和7Li)間相對質(zhì)量差較大(約+17%)，鋰同位素分餾受溫度控制，是溫度的函數(shù)，在地表溫度下，地球化學(xué)過程中容易產(chǎn)生很大的質(zhì)量分餾。水中的Li離子(Li+)濃度受水-巖作用的控制，且水中Li+濃度主要受控于硅酸鹽風(fēng)化過程中釋放的Li+，碳酸鹽中Li+濃度相對較低(<1 μg/g)，但是鋰的優(yōu)先溶解使其成為碳酸鹽含水層中Li+的主要來源，鋰被吸附在礦物的表面時可引起鋰同位素分餾[43]，輕同位素6Li優(yōu)先保留在次生礦物內(nèi)，而重同位素7Li則富集在液相中，基巖的溶解和不同溫度下次生礦物的形成均會引起鋰同位素分餾。

雨水中δ7Li值處于大陸硅質(zhì)巖(δ7Li為0‰～+22‰)和海水(+30‰ ～ +31‰)之間[41]。地下水中δ7Li值在+6.5‰～+28.6‰之間，幾乎涵蓋了地質(zhì)物質(zhì)中鋰同位素組成的總變化[44]，相當(dāng)于全世界河水所報道的結(jié)果(+6.0‰～37.5‰)[45]。鋰元素在水環(huán)境研究領(lǐng)域，特別是水體污染、水循環(huán)、海水入侵和地下水起源與演化等領(lǐng)域有積極的作用[46]。淡水中Li+含量很低，鋰及其同位素是研究地下水咸化的良好指標(biāo)。Chan等[47]研究了以色列油田鹵水的鋰同位素組成，結(jié)果發(fā)現(xiàn)油田鹵水中Li+濃度是海水的5～8倍，然而δ7Li值(+17.9‰～+26.3‰)比海水(+30‰～+32‰)低，因而認(rèn)為油田鹵水起源于海水，但是后期受到了水-巖作用的改造，油田鹵水中富集的Li+是從硅質(zhì)碎屑沉積物中獲得的，最終導(dǎo)致油田鹵水Li/Cl的離子比值比海水大，但δ7Li值卻比海水小。Bottomley等[48]通過分析加拿大西北部耶洛奈夫(Yelloknife)海灣地下鹵水中鋰及其他同位素的監(jiān)測數(shù)據(jù)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)該地區(qū)地下鹵水中Li+濃度變化范圍較大,而δ6Li值的變化范圍則相對較小，δ6Li平均值(-35.1‰)與現(xiàn)代海水δ6Li值(-32.3‰)相近(見圖3)，并綜合鋰、鍶同位素及其水化學(xué)特征，認(rèn)為該地區(qū)地下鹵水起源于海水，隨后因次生礦物的吸附作用引起鋰同位素分餾，6Li富集于次生礦物中使得水中δ6Li值較海水普遍偏低。

圖3 Yellowknife海灣地下鹵水中Li+-δ6Li的關(guān)系圖[48]Fig.3 Relation of Li+ versus δ6Li in the underground brine of Yellowknife Bay[48]

受鋰同位素分離技術(shù)與測試精度的限制，鋰同位素研究開始得較晚，目前自然界發(fā)現(xiàn)的鋰同位素特征大多仍無法準(zhǔn)確地解釋，有待進(jìn)一步研究。鋰同位素分餾機(jī)制的研究也仍需完善。此外，當(dāng)前鋰同位素的應(yīng)用較為單一，多是利用不同物源鋰同位素組成的差異性來區(qū)分不同污染源或者水源，研究者們已經(jīng)意識到鋰同位素應(yīng)用的無限潛力，關(guān)于鋰同位素的研究已成為地質(zhì)環(huán)境領(lǐng)域的熱點問題之一。

3.3 硼同位素

圖4 未被污染地下水與污染源(海水、城市廢水、硼酸鹽礦物)之間硼含量與硼同位素組成的關(guān)系圖[50-51]Fig.4 Relation of boron concentration and isotopic composition between unpolluted groundwater and possible contaminants(seawater,domestic wastewater,and borate minerals) [50-51]

硼(B)元素較輕，是第三主族唯一的非金屬元素，有兩個穩(wěn)定同位素(10B和11B)。硼易溶于水，主要存在于水圈及上地殼沉積巖系中，海相沉積物、大洋熱液蝕變玄武巖及海水是其主要載體[49]。硼同位素是近十幾年來發(fā)展起來的一門新興穩(wěn)定同位素，兩個穩(wěn)定同位素間相對質(zhì)量差較大，且在自然界中存在明顯的分餾，已有研究結(jié)果表明蒸發(fā)作用、離子交換作用、氣相或液相擴(kuò)散作用、吸附作用都會引起硼同位素分餾。地下水中硼同位素的組成主要受其硼源、不同來源水體的混合以及黏土礦物的吸附分餾所控制。Vengosh[50]研究了未被污染地下水與不同水體混合對水中硼同位素組成的影響(見圖4)，結(jié)果表明地下水中硼同位素的組成隨著混合水體數(shù)量的增加呈非線性變化，且各自之間硼同位素組成的差異明顯。由此可見硼同位素是研究海水入侵的良好指標(biāo)，并可能實現(xiàn)對海水入侵的定量化研究[51]。李俊周等[52]測定柴達(dá)木盆地地下淡水和鹵水中的δ11B值，發(fā)現(xiàn)其遠(yuǎn)小于海水的δ11B值，推測柴達(dá)木盆地地下水的演化過程與海水入侵無關(guān)。Vengosh等[53]在研究以色列地中海沿岸含水層地下水咸化機(jī)理時，對比該地區(qū)微咸水、淡水及人工污染水源硼同位素的組成，認(rèn)為該地區(qū)地下水咸化與廢水灌溉無關(guān)，而是海水入侵造成的。硼同位素在地?zé)崃黧w研究中的應(yīng)用較多，主要是通過對比地?zé)崃黧w值與海水的δ11B值來判斷是否存在海水入侵[54-58]，但僅依靠δ11B值來判斷是否存在海水入侵是不準(zhǔn)確的，還應(yīng)結(jié)合有關(guān)離子或其他同位素進(jìn)行分析。Purnomo等[58]在研究印度尼西亞爪哇島地?zé)嵯到y(tǒng)時，發(fā)現(xiàn)溫泉Krakal、Parangtritis和熱水山湖Kawah Sikidang中δ11B值都很高，推測存在海水混入，但Kawah Sikidang熱水山湖中Cl/B離子比值比海水低5個數(shù)量級，因而排除了海水混入的可能性。

4 討 論

地下水咸化尤其是海水入侵引起的地下水咸化問題已經(jīng)在全球范圍廣泛存在，面對日益匱乏的地下水資源，對地下水水質(zhì)、咸化狀況、鹽分來源及咸化過程等問題進(jìn)行研究迫在眉睫。與地下水咸化相關(guān)的研究在國內(nèi)外已有很多報道，雖研究的內(nèi)容與應(yīng)用的方法及手段不盡相同，但總體趨勢是方法及手段越來越先進(jìn)，研究內(nèi)容越來越深入，分辨率越來越高。應(yīng)用水文地球化學(xué)方法結(jié)合環(huán)境同位素方法，研究者可以將大氣—地表水—地下水視為同一系統(tǒng)，進(jìn)而定量研究其轉(zhuǎn)化關(guān)系，識別地下水組分及特征，揭示地下水水質(zhì)演化過程，追溯溶質(zhì)來源，區(qū)分地下水咸化的不同成因，為今后地下水的合理開發(fā)與利用提供科學(xué)依據(jù)。應(yīng)用水文地球化學(xué)和環(huán)境同位素方法需測定的參數(shù)及其可獲得的信息見表1。

水文地球化學(xué)方法主要是通過分析地下水的水化學(xué)特征，研究地下水補(bǔ)給、徑流和排泄過程，闡明地下水成因與演化過程。盡管水文地球化學(xué)方法的研究應(yīng)用已十分成熟，但該方法本身仍存在一定的局限性，特別是在判斷地下水咸化成因及水中鹽分來源時，分析得到的結(jié)論較模糊，限制了對地下水咸化問題的進(jìn)一步研究。環(huán)境同位素方法在研究地下水補(bǔ)給和可更新性、追蹤地下水鹽分起源方面是國內(nèi)外較為新穎的方法之一[5]。采用該方法得到的研究結(jié)果精確度更高，有助于從宏觀和微觀上闡明地下水咸化問題，彌補(bǔ)水文地球化學(xué)方法在地下水咸化研究中的不足。為了避免單一的穩(wěn)定同位素分析得到的結(jié)論與實際不符，應(yīng)在查明水文地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上，應(yīng)用水文地球化學(xué)分析并結(jié)合一個或多個穩(wěn)定同位素分析來研究地下水的水化學(xué)特征，分析地下水水質(zhì)、鹽分來源等。目前，水文地質(zhì)領(lǐng)域中穩(wěn)定同位素Cl的研究已十分成熟，而對同位素分離及測試精度要求較高的Br、Li、B等同位素的特征及其應(yīng)用還需要進(jìn)一步研究和完善。地下水水化學(xué)特征的研究方法，包括環(huán)境同位素及示蹤劑方法，盡管這些方法還存在簡單量化方面的不足和數(shù)據(jù)處理過程復(fù)雜等缺陷，但它們在地下水系統(tǒng)中特別是地下水咸化研究中具有很重要的作用，而咸化過程中離子交換吸附和碳酸鹽溶解-沉淀等水文地球化學(xué)作用對地下水系統(tǒng)水質(zhì)的巨大影響體現(xiàn)了從水化學(xué)觀點研究地下水咸化的意義[8]。

表1 應(yīng)用水文地球化學(xué)和環(huán)境同位素方法需測定的參數(shù)及其可獲得的信息Table 1 Measured parameters and their available information in the use of hydrogeochemical and environmental isotope approaches

5 結(jié)論與展望

地下淡水資源是人類十分寶貴的戰(zhàn)略資源，在水質(zhì)和水量上都受到人類活動和氣候變化的影響。地下水咸化多發(fā)生于濱海地區(qū)且咸化成因多樣，防治地下水咸化問題是一項繁瑣且富有挑戰(zhàn)性的工作。水文地球化學(xué)方法結(jié)合環(huán)境同位素方法多應(yīng)用于分析地下水的水化學(xué)特征，并以此描述地下水中鹽分起源、徑流與排泄過程，是研究地下水咸化問題的有效方法。

盡管地下水咸化問題的研究正在如火如荼地開展，但仍存在一些不足之處，如地下水咸化問題的研究多集中于討論咸化地下水的水化學(xué)特征及咸化成因，缺乏對野外現(xiàn)場進(jìn)行長期、高密度的監(jiān)測，研究結(jié)果與現(xiàn)實情況聯(lián)系不緊密。水文地球化學(xué)方法雖然較為成熟，但該方法的分析結(jié)果較模糊，可能與實際情況不符。穩(wěn)定同位素方法的高精度彌補(bǔ)了水文地球化學(xué)方法的不足，但穩(wěn)定同位素的研究因受測試技術(shù)的限制而開始得較晚，當(dāng)前穩(wěn)定同位素的研究尚處于對其分餾機(jī)制的研究階段，其應(yīng)用多局限于利用不同物源同位素組成的差異來區(qū)分水源。與國外同位素研究勢頭迅猛相比，國內(nèi)同位素的研究進(jìn)展緩慢，原因在于同位素測試精度要求較高，同位素分析及其測試設(shè)備都需要巨大的經(jīng)濟(jì)投入，而國內(nèi)能滿足同位素測試條件的實驗室較少，且不同同位素的分離方法不同，同位素分離技術(shù)不成熟，從而限制了其發(fā)展與應(yīng)用。因此，建立具有高精度水平的同位素分析測試方法、健全同位素分餾機(jī)制是我國開展同位素應(yīng)用工作的重中之重。

通訊作者：馬傳明(1975—)，男，博士，副教授，主要從事水文地質(zhì)與環(huán)境地質(zhì)等方面的教學(xué)和研究工作。E-mail:hjmcm@163.com