環(huán)境同位素在“三水轉(zhuǎn)化”規(guī)律中的應用

劉向楠

（河北省秦皇島水文水資源勘測局，河北 秦皇島066000）

目前我國北方超過80%城市存在水資源缺乏問題，雖然秦皇島為沿海城市，但該地區(qū)的地下水位面臨持續(xù)下降，而地下水是最主要的生活供水源。 “三水轉(zhuǎn)化”是指大氣降水、地表水、地下水三者之間的互相轉(zhuǎn)化過程如圖1。目前環(huán)境同位素法被廣泛應用于自然界水資源循環(huán)規(guī)律研究中，對地區(qū)水資源合理開發(fā)具有重要意義。

圖1 “三水轉(zhuǎn)化”簡化過程

1 區(qū)域概況

秦皇島昌黎縣總面積1212km2，總?cè)丝?6.5萬人，總體地勢由西北向東南傾斜，地貌以丘陵、平原為主。昌黎縣屬于暖溫帶、半濕潤大陸性氣候，年平均降水638.33mm。 目前，該地區(qū)存在地下水超采嚴重、地面陷落、海水入侵、水質(zhì)污染迅速發(fā)展等問題，且工農(nóng)業(yè)用水量還在逐步增加，因此分析“三水轉(zhuǎn)化”規(guī)律，對制定合理的水資源開發(fā)方案有著極大的指導意義。

2 環(huán)境同位素技術(shù)原理

水中的同位素含量會隨著水循環(huán)而不斷變化，目前應用最多的就是穩(wěn)定同位素氘D，18O和放射性同位素氚T。

2.1 穩(wěn)定同位素氘D和18O

不同條件下構(gòu)成水分子的穩(wěn)定同位素物理化學性質(zhì)存在差別，當自然界中的水在蒸發(fā)、冷凝過程中，會引起同位素產(chǎn)生微小變化。 但這個變化無法準確用儀器測量，因此常用δ值表示同位素含量，計算如式1。 穩(wěn)定同位素氘D，18O不與其他物質(zhì)發(fā)生化學反應，可通過分析其比值δ變化來分析水循環(huán)［1］。

式中 R為同位素比值。

2.2 放射性同位素氚T

在環(huán)境同位素中，放射性同位素氚T應用最早、最廣泛，其來源于大氣層，以大氣降水形式進入地表和地下水系統(tǒng)，同時其濃度也會發(fā)生極大變化［2］。 根據(jù)其衰減周期可以推演出50年內(nèi)的水年齡及滯留時間，進而計算出區(qū)域水資源的存儲量、補給量、流出量。 所以綜合來看，D，T18，O是研究“三水轉(zhuǎn)化”的理想示蹤劑［3］。

3 “三水轉(zhuǎn)化”規(guī)律分析

3.1 水樣選取位置

本項目研究區(qū)為潮白河流域，水樣選取位置從上至下依次為：徐新莊水文站、小心莊水文站、趙家港水文站。

3.2 “三水轉(zhuǎn)化”規(guī)律

3.2.1 項目區(qū)降水線方程確定

本項目在水樣采取中，遵循 “縱向以流域為主線，橫向上加密點控制”（注意要避免樣本受過多的人為干擾，遠離水渠、水庫等），共采集水樣60組，各同位素計算值結(jié)果如表1［4］。

表1 同位素測試結(jié)果

續(xù)表1

根據(jù)3個水文站測量的大氣降水中T值數(shù)據(jù)，且氣溫變化情況，推算出大氣降水同位素組成，進而求得δD-δ18O關(guān)系降水線方程：δD=9.2×δ18O+32［5］，如圖2。 與全球雨水線相比，斜率和截距均偏大，說明項目區(qū)降雨量較大，蒸發(fā)量和蒸發(fā)速度均較慢，水資源較充足。

圖2 項目區(qū)降水直線方程

3.2.2 項目區(qū)地表水同位素特征

2018年徐新莊水文站地表水同位素δD統(tǒng)計如圖3。

圖3 地表水同位素δD統(tǒng)計

（1）由徐新莊水文站測得數(shù)據(jù)顯示：地表水中δD，δ18O含量最大的前3個月份分別為7，8，6月份，含量最小為3月份。環(huán)境同位素含量與當?shù)亟邓砍矢叨任呛蠣顟B(tài)。

（2）由徐新莊水文站測得數(shù)據(jù)顯示：雖然項目區(qū)9月份的降水量是5月份2.3倍，但由于其平均溫度比5月份低3 ℃，最終導致9月份地表水中δD，δ18O含量低于5月份。

（3）項目區(qū)地表水中同位素含量受降水量、溫度等因素影響，其中降水量越大、溫度越高（蒸發(fā)量越大），會使地表水中δD，δ18O含量越大。

3.2.3 項目區(qū)地下水同位素特征

2018年徐新莊水文站同一位置地下水同位素δD如圖4。

圖4 2018年徐新莊水文站同一位置地下水同位素δD

（1）由徐新莊水文站測得數(shù)據(jù)顯示：在同一埋深下，項目區(qū)地下水中同位素含量變化情況和地表水相當，但數(shù)值要比地表水小20%，說明大氣降水及地表水會滲透到地下，且夏季降水及地表水對地下水的補給程度大于其他季節(jié)。

（2）由徐新莊水文站測得數(shù)據(jù)顯示：在同一個位置點附近，埋深不同，地下水同位素含量差別很大，埋深與地下水同位素含量呈反比關(guān)系，且埋深對同位素含量大小有著決定性影響。

（3）由于地下水埋深越小，其相對來說越容易蒸發(fā)，此時同位素會發(fā)生分餾作用，使δD，δ18O產(chǎn)生富集，進而使含量增大［6］。

3.3 “三水轉(zhuǎn)化”規(guī)律及轉(zhuǎn)化比例分析

3.3.1 項目區(qū)地下水中同位素氚T的含量變化規(guī)律

氚原子T在大氣中通過與氧原子結(jié)合成為水分子，之后以降水形式進入項目區(qū)地表，滲入地下后成為地下水，其濃度會按照其半衰期（12.5年）進行衰減，通過分析地下水中氚原子T濃度便可推測地下水年齡。

3.3.1.1 項目區(qū)大氣降水和地表水中氚原子T值

經(jīng)過測定，項目區(qū)2016～2018年間大氣降水中氚原子T值為40～45TU，且沒有太大波動，把該值作為基本參照。 本項目測定的地表水主要來自河水和水庫水，水中氚原子T值也為40～45TU，由于項目區(qū)地表水沒有冰川融雪補給，幾乎全部來自大氣降水補給，屬正常數(shù)值。

3.3.1.2 項目區(qū)地下水中氚原子T值

項目區(qū)地下水中氚原子T值因埋深不同而有著較大差別，其中埋深在20m以上的地下水中氚原子T值范圍在20～40TU之間，說明這部分地下水是在2006年及以后入滲的，屬于“新水”，也說明了昌黎地區(qū)主要是對20m地下水進行開采，且開采量較大；埋深在20～30m之間的地下水中氚原子T值為10～13TU，說明這部分水大概是20世紀90年代入滲的； 埋深超過30m，該地下水中氚原子T值為5TU以下，說明該深度地下水是20世紀60年代入滲的。

3.3.2 項目區(qū)地下水補給高程及更新能力確定

地下水是最為重要的水資源，供應穩(wěn)定、水質(zhì)純凈，是理想的供水源，昌黎地區(qū)居民生活及工業(yè)生產(chǎn)用水超過60%來自于地下水，因此必須做好該地區(qū)地下水補給高程及更新能力的相關(guān)研究。

3.3.2.1 地下水補給高程計算

根據(jù)項目區(qū)地下水同位素埋深規(guī)律可確定地下水補給高程范圍，理論計算如式（3）。 結(jié)合之前的相關(guān)資料，計算結(jié)果如表2。

式中 H為同位素入滲深度（m）；h為取樣點地下水埋深（m）；δS為取樣點地下水同位素組成；δP為取樣點附近大氣降水同位素組成；k為同位素高度梯度（%m）。

3.3.2.2 地下水更新能力計算

地下水更新能力是“三水轉(zhuǎn)化”過程的核心，本項目通過測定地下水含水層中氚原子T值推算地下水年齡，計算結(jié)果如表2。 由此可知，昌黎縣地區(qū)對地下水開采集中在埋深20m左右，地下水均為“新水”，預計若不采取人為措施，會以1.5m/a速度向下開采地下水。

表2 地下水補給速度

4 結(jié)語

（1）根據(jù)對昌黎3個水文站水樣中同位素含量分析，可知地表水中δD，δ18O含量與降水量、溫度有較大關(guān)系，據(jù)此可測定項目區(qū)降水量變化趨勢；地下水中δD，δ18O含量除了與地表水存在吻合外，主要取決于地下水埋深。

（2）通過測定氚T含量，可知項目區(qū)地表水補給形式為大氣降水；由氚原子T值推算了不同埋深地下水的年齡及更新速度。

（3）若不采取限制措施，昌黎地區(qū)地下水開采會出現(xiàn)越采越深的惡性循環(huán)，應引起注意。