同位素技術(shù)解析安陽(yáng)河與地下水相互作用

張 敏，平建華，禹 言，黃先貴，朱亞強(qiáng)，程玉剛

(1.鄭州大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院，河南 鄭州 450001；2.鞏義市水利局，河南 鞏義 451200；3.安陽(yáng)市水利局，河南 安陽(yáng) 455000)

河流與地下水的相互作用是陸地水循環(huán)過(guò)程中重要的組成部分，并影響著兩者的水量和水質(zhì)，同時(shí)對(duì)生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生直接的影響[1-2]。2002—2007年聯(lián)合國(guó)科教文組織實(shí)施的第六個(gè)階段國(guó)際水文計(jì)劃中主要研究方向?yàn)椤暗叵滤c地表水的相互作用”，并將其作為研究重點(diǎn)和前沿課題。分析研究河流與地下水相互轉(zhuǎn)化，對(duì)水資源評(píng)價(jià)與合理開(kāi)發(fā)利用、水污染防治，以及生態(tài)環(huán)境保護(hù)具有重要的理論和實(shí)際意義[3-4]。

地表水與地下水相互作用研究方法主要有野外試驗(yàn)與室內(nèi)試驗(yàn)法、動(dòng)態(tài)分析法、基流分割法、地下水動(dòng)力學(xué)法、同位素法和水化學(xué)法。其中，野外試驗(yàn)、動(dòng)態(tài)分析與同位素和水化學(xué)綜合研究方法得到廣泛應(yīng)用。采用多種方法，可減少不確定性，能有效地、全面地研究地下水與地表水相互轉(zhuǎn)化規(guī)律[5]。宋獻(xiàn)方[6]等運(yùn)用地下水和地表水之間在同位素和水化學(xué)組成上的差異，闡明了懷沙河流域地表水和地下水關(guān)系；焦艷軍[7]等運(yùn)用氫氧同位素和水化學(xué)成分示蹤劑，研究了濟(jì)源盆地地表水和地下水之間的關(guān)系；張兵[8]等應(yīng)用同位素和水化學(xué)方法分析了三江平原地表水與地下水的關(guān)系；胡玥[9]等應(yīng)用環(huán)境同位素對(duì)黑河流域水循環(huán)進(jìn)行了研究。

安陽(yáng)河中下游屬太行山山前的沖洪積扇，地表水與地下水相互轉(zhuǎn)換表現(xiàn)在安陽(yáng)河出山口地帶(安陽(yáng)縣城南部)為河水入滲補(bǔ)給地下水，地下水呈潛水特征，水位標(biāo)高80～85 m，直到安陽(yáng)河匯入衛(wèi)河，即安陽(yáng)河沖洪積扇前緣，地下水為承壓水特征，水位標(biāo)高38～44 m。地下水是安陽(yáng)市主要供水水源，隨著城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展，人口增加，供水需求越來(lái)越大。為此，深入研究地表水與地下水相互轉(zhuǎn)換規(guī)律，對(duì)保障城市供水，建設(shè)地下水庫(kù)，防治地下水污染及生態(tài)環(huán)境保護(hù)至關(guān)重要。目前利用同位素和水化學(xué)等方法綜合解析安陽(yáng)河中下游地表水與地下水關(guān)系的研究較少。因此，本文綜合研究安陽(yáng)河中下游地表水與地下水關(guān)系具有重要的理論和實(shí)際意義。

1 研究區(qū)概況

安陽(yáng)河是衛(wèi)河的較大支流，發(fā)源于林州市林慮山東麓，干流自林州姚村清泉寺起，至內(nèi)黃縣范陽(yáng)口入衛(wèi)河(圖1)。常年流水，全長(zhǎng)164 km，流域面積1 920 km2。河段彰武以上73 km，彰武至安陽(yáng)京廣鐵路28 km，京廣鐵路至入衛(wèi)河口63 km。上游穿過(guò)林州盆地，在橫水鎮(zhèn)附近進(jìn)入丘陵區(qū)，于彰武水庫(kù)以下出山進(jìn)入平原。

安陽(yáng)河沖洪積扇地層巖性主要為亞黏土、亞砂土、砂和砂礫石，賦存有孔隙潛水和承壓水。東部平原區(qū)，主要含水層巖性由西向東為中粗砂層、中細(xì)砂層和粉細(xì)砂層等，透水性良好，厚度在8.0～13.0 m，水位埋深6～18 m，單井涌水量100～500 m3/d。在京廣鐵路線以東，平原區(qū)廣泛分布承壓含水層，其主要由砂礫石與中粗砂層組成，隔水頂、底板多由亞黏土組成，且連續(xù)性較差。沖洪積扇的東南部含水層厚10～40 m，富水性好，3 000～5 000 m3/d，表現(xiàn)為古河道的特征。安陽(yáng)河沖洪積扇的前緣地帶，含水介質(zhì)多為中、細(xì)砂、砂卵石，呈多層狀，厚4～14 m。地下水位埋深一般在4～12 m，平均地下水位標(biāo)高40 m，富水性較好，東部單井涌水量達(dá)1 000～3 000 m3/d，南部為100～1 000 m3/d。目前安陽(yáng)河河道位于沖洪積扇北部，沿線的含水層富水性低于沖洪積扇南部(圖2)。

圖1 研究區(qū)位置及采樣點(diǎn)分布

圖2 安陽(yáng)市南流寺—三官?gòu)R水文地質(zhì)剖面

2 水樣采集與測(cè)試分析

2.1 取樣原則

(1)大氣降水監(jiān)測(cè)

遵循從安陽(yáng)河流域上游到下游的原則，分別在上游橫水水文站、中游安陽(yáng)水文站和下游五陵水文站進(jìn)行監(jiān)測(cè)。從月初到月末收集每次降水量數(shù)據(jù)，每個(gè)水文站每年共采集12個(gè)月的累計(jì)降水量數(shù)據(jù)。

(2)河流

按照河流流向進(jìn)行取樣，分別在安陽(yáng)河上游、中游和下游進(jìn)行取樣。分別在2016年8月(夏季)和2017年1月(冬季)進(jìn)行取樣。

(3)地下水

從地下水補(bǔ)給區(qū)到排泄區(qū)的方向分別采集潛水、泉水和承壓水樣品，與采集河水同步。

2.2 樣品采集

將取樣瓶用蒸餾水反復(fù)沖洗后，保持采樣瓶干燥，大氣降水共26個(gè)樣品，個(gè)別月份無(wú)降水。

將水樣瓶反復(fù)用取樣水清洗，取樣時(shí)排出水樣瓶中的氣泡，將裝滿水的水樣瓶密封置于低溫處保存，并于采樣后7日內(nèi)送入實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行檢測(cè)。本次采樣總共111個(gè)，包括大氣降水樣26個(gè)。2016年8月總共取樣43個(gè)，其中地表水樣9個(gè)，淺層地下水樣5個(gè)，中深層承壓水樣28個(gè)，泉水樣1個(gè)；2017年1月總共取樣42個(gè)，其中地表水樣9個(gè)，淺層地下水樣4個(gè)，中深層承壓水樣27個(gè)，泉水樣2個(gè)。

2.3 測(cè)試分析

(1)同位素

同位素分析包括D和18O。水樣中氫氧穩(wěn)定同位素在國(guó)土資源部地下水礦泉水及環(huán)境監(jiān)測(cè)中心(中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)研究所)測(cè)試，主要檢測(cè)儀器為同位素分析儀，型號(hào)為L(zhǎng)2130i，測(cè)試方法是波長(zhǎng)掃描—光腔衰蕩光譜法，測(cè)試精度δ18O±0.1‰，δD±1.0‰。

穩(wěn)定氫氧同位素的測(cè)定結(jié)果以相對(duì)維也納標(biāo)準(zhǔn)海水(Vienna Standard Mean Ocean Water, VSMOW)的千分?jǐn)?shù)表示：

(2)水化學(xué)

室內(nèi)水化學(xué)分析包括簡(jiǎn)分析和全分析，水化學(xué)分析在河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開(kāi)發(fā)局第二地質(zhì)調(diào)查院完成，檢測(cè)方法為DZ/T 0064—93地下水檢測(cè)方法及GB/T 8538—2008天然水檢驗(yàn)方法?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)試用YSI旗下水質(zhì)監(jiān)測(cè)產(chǎn)品EXO測(cè)定地表水和地下水的電導(dǎo)率等21項(xiàng)數(shù)據(jù)，儀器精度為0.1～0.2 mg/L。

3 結(jié)果與討論

3.1 氫氧同位素特征

3.1.1大氣降水

根據(jù)研究區(qū)大氣降水氫氧穩(wěn)定同位素值(表1)，建立當(dāng)?shù)卮髿饨邓腄—δ18O關(guān)系線(LMWL)(圖3)：

表1 安陽(yáng)市大氣降水同位素

圖3 安陽(yáng)市大氣降水δD-δ18O線

δD=8.39δ18O+11.35

當(dāng)?shù)亟邓€與全球大氣降水線(δD=8δ18O+10)接近平行，表明該線能代表本地區(qū)大氣降水氫氧同位素特征，為研究地表水與地下水相互作用提供可靠依據(jù)。

3.1.2地表水氫氧同位素特征

安陽(yáng)河中下游水體的δD-δ18O關(guān)系(圖4)表明，地表水同位素值偏離當(dāng)?shù)卮髿饨邓€，位于當(dāng)?shù)卮髿饨邓€下方，并與其呈斜交，地表水的δD-δ18O關(guān)系線斜率明顯小于當(dāng)?shù)卮髿饨邓€斜率，表明地表水δ18O同位素值呈現(xiàn)不同程度富集，存在蒸發(fā)現(xiàn)象。2016年8月(夏季，圖4a)和2017年1月(冬季，圖4b)安陽(yáng)河河水的δD、δ18O值，由上游向下游均存在季節(jié)性變化。2016年8月δ18O平均值為-8.8‰，δD平均值為-64‰，2017年1月δ18O平均值為-8.4‰，δD平均值為-62‰。由此可知，夏季氫氧穩(wěn)定同位素值比冬季值總體偏低。同一季節(jié)的氫氧同位素由上游向下游變化幅度不大，夏季δ18O值變化范圍為-9‰～-8.7‰，δD值變化范圍為-65‰～-63‰，冬季δ18O值變化范圍為-8.5‰～-8.2‰，δD值變化范圍為-63‰～-61‰，安陽(yáng)河流域面積較小，大部分流域?yàn)槠皆瓍^(qū)，地形平坦，同位素值變化較小。地表水δD和δ18O值與當(dāng)?shù)卮髿饨邓當(dāng)?shù)據(jù)平均值(δD為-44.31‰，δ18O為-6.60‰)接近，表明安陽(yáng)河流域地表水來(lái)源于當(dāng)?shù)卮髿饨邓?/p>

圖4 安陽(yáng)河中下游水體δD-δ18O關(guān)系

3.1.3地下水氫氧同位素特征

夏季深層承壓水的δD-δ18O擬合線斜率更接近當(dāng)?shù)卮髿饨邓€斜率，冬季深層承壓水的δD-δ18O擬合線斜率明顯比當(dāng)?shù)卮髿饨邓€斜率小。深層承壓水同位素值變化較大，從接近降水值的點(diǎn)(14、26和37)到受“蒸發(fā)”或外來(lái)水影響最大的點(diǎn)(15、17與31點(diǎn))，夏季δD值相差-29‰，δ18O值相差-4.9‰；冬季δD值相差-30‰，δ18O值相差-4.8‰。表明在安陽(yáng)河沖洪積扇頂至扇前緣存在不同來(lái)源的水入滲補(bǔ)給。經(jīng)安陽(yáng)河水文站監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算，河水補(bǔ)給地下水約25%～27%。

安陽(yáng)河中下游(沖洪積扇地帶)地下水δ18O與δD值等值線(圖5)，表明夏季和冬季安陽(yáng)河中下游同位素值由西北向東南降低。泉水樣δ18O和δD值較貧化，可能由于補(bǔ)給源的水體中同位素貧化。

夏季與冬季δ18O值變化范圍分別為-10‰～-9‰，δD值變化范圍-70‰～-65‰，位于河谷中部同位素值相對(duì)增高，δ18O值變化范圍為-7‰～-6‰，δD值變化范圍為-55‰～-50‰，并由安陽(yáng)河出山口向東南同位素值呈圈閉趨勢(shì)，其分布特征與古河道的位置相吻合，表明同位素特征較好地反映了水文地質(zhì)條件[9]。

圖5 安陽(yáng)市區(qū)地下水δ18O值和δD值等值線

3.1.4地下水補(bǔ)給區(qū)的確定

沖洪積扇內(nèi)地下水樣點(diǎn)除個(gè)別點(diǎn)外，均緊密分布于區(qū)域大氣降水線兩側(cè)，表明地下水與地表水和大氣降水聯(lián)系緊密，局部受人類活動(dòng)影響明顯。同時(shí)，δD、δ18O同位素影響只在沖洪積扇后緣出山口一帶[6]。大氣降水氫氧穩(wěn)定同位素δD和δ18O隨著高程的增加而減小，具有高程效應(yīng)，且高程與δD和δ18O之間存在線性關(guān)系[7-11]，為確定地下水補(bǔ)給區(qū)及補(bǔ)給高程提供依據(jù)，地下水補(bǔ)給高程計(jì)算公式：

H=δG|δA+h

式中：H——地下水補(bǔ)給高程/m；

h——取樣點(diǎn)高程/m；

δG——地下水的δ18O或δD值；

δA——取樣點(diǎn)附近大氣降水δ18O或δD值；

K——大氣降水δ18O或δD的高程梯度值。受氣候影響，不同地區(qū)的高程梯度值各異。

地下水與圍巖中的氧同位素交換可使地下水中的δ18O明顯增高，導(dǎo)致根據(jù)δ18O計(jì)算的補(bǔ)給高程偏高[12-14]。δD則不同，通常含水介質(zhì)中含氫礦物較少，對(duì)水中δD值影響較小[15-17]。因此，本文計(jì)算過(guò)程中選用δD值，本區(qū)深層承壓水2017年1月δD值在-75‰～-46‰之間。當(dāng)?shù)卮髿饨邓腄的高程梯度值，取全國(guó)大氣降水δD高程梯度平均值，根據(jù)同位素高程效應(yīng)計(jì)算補(bǔ)給區(qū)高程為185～1301 m。計(jì)算結(jié)果結(jié)合自然地理及地下水流場(chǎng)條件分析，認(rèn)為西部低山丘陵區(qū)和中山區(qū)是該區(qū)地下水的補(bǔ)給區(qū)。在安陽(yáng)河流域內(nèi)西部山區(qū)降水除蒸發(fā)外，大部分匯入安陽(yáng)河谷，少部分滲入地表風(fēng)化層補(bǔ)給地下水，并在其附近排泄補(bǔ)給河水。河水從出山口流出進(jìn)入沖洪積扇后開(kāi)始補(bǔ)給地下水，其位置在安陽(yáng)縣西部由南至北麻鞋店村—南流寺村—柴庫(kù)—杜小屯村一帶。

3.2 水化學(xué)特征

水體電導(dǎo)率(EC)取決于離子的性質(zhì)和濃度、溶液的溫度和黏度等。在一定程度上，反映了水徑流路徑和滯留時(shí)間[10]。根據(jù)不同水體的電導(dǎo)率、溫度、水化學(xué)組分及其濃度在空間上的分布規(guī)律(表2)，推測(cè)水的運(yùn)移路徑，為進(jìn)一步分析區(qū)域內(nèi)地表水和地下水補(bǔ)給排泄關(guān)系提供依據(jù)[11]。

3.2.1地表水水化學(xué)特征

安陽(yáng)河地表水電導(dǎo)率變化特征表明，2016年8月(夏季)安陽(yáng)河上游的地表水中雜質(zhì)較少，水質(zhì)較好，電導(dǎo)率較低，即南水北調(diào)水渠和安陽(yáng)河交匯處電導(dǎo)率最小，僅為819.6 μS/cm。安陽(yáng)河下游與衛(wèi)河交匯口處為入河排污口，水中有機(jī)物和雜質(zhì)較多，溶液濃度高，為971.1 μS/cm。2017年1月(冬季)安陽(yáng)河上游電導(dǎo)率依然最低，僅為519.2 μS/cm，安陽(yáng)河與衛(wèi)河交匯口電導(dǎo)率最高，為535.9 μS/cm。受季節(jié)影響，夏季地表水溫度高，安陽(yáng)河地表水電導(dǎo)率夏季明顯高于冬季，2016年7月19日安陽(yáng)市經(jīng)歷特大暴雨，地表水中溶質(zhì)濃度大為增加，導(dǎo)致電導(dǎo)率增加(表2)。

表2 研究區(qū)取樣點(diǎn)水化學(xué)數(shù)據(jù)

圖6 水化學(xué)Piper圖

3.2.2地下水水化學(xué)特征

安陽(yáng)河中下游地下水樣點(diǎn)分布在Piper圖中菱形區(qū)的Ca+Mg亞區(qū)內(nèi)，并由Cl+SO4區(qū)含量較低的下部向含量較高的上部呈線性排列，其水化學(xué)類型由下部的HCO3—Ca·Mg·(Na)型向上部“演化”為HCO3·Cl·(SO4)—Ca·(Mg)型。地表水樣點(diǎn)位于其中部，水化學(xué)組分較穩(wěn)定，位于沖洪積扇前緣的37號(hào)點(diǎn)，地下水質(zhì)為HCO3—Ca·Mg·Na型(圖7)。

地下水化學(xué)組分的季節(jié)性變化表明，位于安陽(yáng)河中游出山口沖洪積扇后緣一帶地下水有較明顯變化。其中，Cl-含量較高的水點(diǎn)(15、17、31)冬季含量比夏季高18%～146%，水化學(xué)類型為HCO3·Cl·(SO4)—Ca·(Mg)型[18]，此點(diǎn)是Piper圖上在Cl+SO4區(qū)“演化”的最高點(diǎn)。

圖7 安陽(yáng)河中下游地下水Cl-和等值線

4 結(jié)論

(1)安陽(yáng)河流域約25%降水轉(zhuǎn)化為河水，10%降水補(bǔ)給地下水，進(jìn)入中游出山口地帶(沖洪積扇后緣)25%～27%河流量補(bǔ)給地下水，表明地表水和地下水水力聯(lián)系密切。

(2)當(dāng)?shù)卮髿饨邓€與全球大氣降水線接近平行，表明該線能代表本地區(qū)大氣降水氫氧同位素特征。地表水同位素值較集中，表明流域內(nèi)同位素受距離影響較小。地下水穩(wěn)定同位素值變化較大，即從接近降水值到最大值形成一條“蒸發(fā)”線。