基于水化學(xué)和氫氧同位素的興隆縣地下水演化過程研究

楊 楠，蘇春利，曾邯斌，李志明，劉文波，康 偉

(1.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)環(huán)境學(xué)院，湖北 武漢 430074；2.中國地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測院，北京 100081)

興隆縣隸屬河北省承德市，位于承德最南端，毗鄰京津，是“環(huán)首都綠色經(jīng)濟(jì)圈”規(guī)劃縣之一，水源涵養(yǎng)、生態(tài)環(huán)境保護(hù)的意義和責(zé)任十分重大[1]。興隆縣供水水源主要為地下水，地下水資源較為豐富，近年來由于人口增多和經(jīng)濟(jì)發(fā)展，水源地水質(zhì)和城鎮(zhèn)供水安全受到一定程度的威脅[2]。《興隆縣水利發(fā)展“十二五”規(guī)劃報告(2011—2015年)》顯示，由于柳河、潵河流域經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展，鐵礦采選業(yè)迅速崛起，柳河流域水質(zhì)由原來的Ⅱ類降為Ⅲ類，潵河水質(zhì)由原來的Ⅲ類降為Ⅳ類。區(qū)域地下水利用多為傍河取水，其水質(zhì)直接受河道水質(zhì)影響，河水水質(zhì)下降不僅直接影響當(dāng)?shù)鼐用竦挠盟踩?，也會對水源涵養(yǎng)區(qū)下游地下水水質(zhì)產(chǎn)生重大威脅。

學(xué)者對于承德市的地下水環(huán)境進(jìn)行了較多的研究，王玉杰[3]對承德地區(qū)的地下水進(jìn)行了水位動態(tài)、水質(zhì)動態(tài)和礦泉水動態(tài)等綜合研究；多曉松等[4]對承德市多處鍶型、偏硅酸型飲用天然礦泉水的成因與組分進(jìn)行了研究；袁杰等[5]從不同方面分析研究承德地區(qū)地下水的補(bǔ)徑排規(guī)律，深入研究了區(qū)域地下水的分布特征和動態(tài)變化趨勢。相比之下，對于興隆縣的地下水研究較少，則研究該區(qū)域地下水補(bǔ)給來源以及主要的水-巖作用過程，對于理解區(qū)域地下水演化過程、飲用水安全以及合理利用縣內(nèi)地下水資源具有重要意義。

氫氧穩(wěn)定同位素(δ18O和δD)是研究地下水來源及演化規(guī)律的理想天然示蹤劑[6-8]，主要離子比值及Sr、Ca、Mg 等元素及其組合也廣泛用于分析地下水的循環(huán)與演化過程，以及識別地下水化學(xué)組分的影響因素及水—巖作用程度等[9-12]。本文以興隆縣為研究區(qū)，通過地下水及地表水水化學(xué)類型、主要離子比值及氫氧同位素組成分析，深入討論了區(qū)域地下水補(bǔ)給來源以及主要的水-巖作用過程，以期為區(qū)域地下水演化過程及水源涵養(yǎng)條件提供指示，從而為區(qū)域地下水污染防治和飲用水源安全提供技術(shù)支持。

1 研究區(qū)概況

興隆縣位于河北省東北部承德西南端，縣內(nèi)山高坡陡，溝谷縱橫，地勢總體上北高南低，東高西低，坡降懸殊，平均海拔約800 m，山地面積占90%以上，素有“九山半水半分田”之稱。

興隆縣內(nèi)地層巖性主要發(fā)育為太古界遷西群上亞群、元古界長城系、薊縣系、青白口系、古生界寒武系和奧陶系、中生界侏羅系以及第四系地層。區(qū)內(nèi)構(gòu)造發(fā)育，主要的大斷裂構(gòu)造為密云—喜峰口大斷裂及其派生支斷裂。碳酸鹽巖類及碎屑巖類巖石是興隆地質(zhì)巖性的主體，分布范圍廣、面積大(圖1)。本區(qū)地下水含水巖組可分為松散巖類孔隙水、碎屑巖類裂隙孔隙水、碳酸鹽巖類裂隙巖溶水、基巖裂隙水和隔水巖類五種類型。松散巖類孔隙水和碳酸鹽巖類裂隙巖溶水是本區(qū)主要的地下水類型。松散巖類孔隙水主要分布在山間河(溝)谷、山間盆(洼)地，含水層巖性主要為沖洪積砂、礫石、卵石層、亞砂土層。碳酸鹽巖類裂隙巖溶水分布于興隆縣中部，整體貫穿于興隆縣東西，水量豐富，含水層巖性為白云巖、砂質(zhì)白云巖、泥質(zhì)白云巖、硅質(zhì)白云巖和白云質(zhì)灰?guī)r等。

大氣降水是本區(qū)最主要的地下水補(bǔ)給來源，地下水徑流方向主要受地勢控制，總體上由北向南、由西向東順勢徑流，但是由于地形的差異，部分地區(qū)地下水的流向又具有局部多向性。巖漿巖變質(zhì)巖類裂隙水主要以分散小泉或沿溝谷滲透為主要的排泄方式；碳酸鹽巖裂隙溶洞水多以大泉集中排泄，或側(cè)向徑流排泄；松散巖類孔隙水以側(cè)向徑流排泄和人工開采為主要排泄方式。

區(qū)域?qū)侔霛駶櫚敫珊荡箨懶约撅L(fēng)型山地氣候，年內(nèi)平均氣溫為7.8 ℃，年內(nèi)降雨量具有明顯的季節(jié)性差異，年均降水量為715.5 mm，降水多集中在6—8月份，3個月降水量占全年的71%；蒸發(fā)集中在4—8月，蒸發(fā)量占全年的63.9%，8月份降雨量與蒸發(fā)量持平。

圖1 研究區(qū)采樣點(diǎn)及地下水類型分布Fig.1 Distribution of the sampling points and groundwater types in the study area

2 樣品采集與測試

2019年6—9月對興隆縣地區(qū)的地下水和地表水進(jìn)行了系統(tǒng)采樣，共采集地表水樣5件，地下水樣72件?，F(xiàn)場測定的指標(biāo)包括水溫、pH值、電導(dǎo)率等，堿度在24 h內(nèi)用滴定法測定。樣品采集于干凈的高密度聚乙烯瓶中，取樣前，用待取水樣潤洗采樣瓶3次。采集的水樣經(jīng)0.45 μm濾膜過濾后分別用于主要離子、微量元素以及穩(wěn)定同位素分析。用于金屬元素分析的水樣加硝酸(優(yōu)級純)酸化至pH<2。

實(shí)驗(yàn)室內(nèi)分別采用離子色譜儀(ICS-1100)和電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀(ICP-OES ICAP 6300)測定陰、陽離子；微量元素采用電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(ICP-MS Aglilent 7700)測試。所有元素分析誤差控制在5% 以內(nèi)，測試精度為±0.001 mg/L。氫氧同位素(D和18O)采用IWA-35-EP型液態(tài)水同位素分析儀測定。上述分析在中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)生物地質(zhì)與環(huán)境地質(zhì)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成。

3 結(jié)果與討論

3.1 水化學(xué)特征

興隆縣地下水pH變化范圍為7.3～8.64，平均值為8.01，呈弱堿性。TDS變化范圍為52.2～556.8 mg/L(表1，圖2)，平均值為238.0 mg/L。地表水pH的變化范圍是8.02～9.00，平均值為8.50；TDS范圍為126.5～723.8 mg/L，平均值是311.1 mg/L(表1)。

圖2 興隆縣地下水和地表水Durov圖Fig.2 Durov diagram of the groundwater and surface water samples in the Xinglong County

區(qū)域地下水Sr2+含量為0.04～6.2 mg/L，其中26件水樣Sr2+含量超過0.20 mg/L，占水樣總數(shù)的36%，16件水樣Sr2+含量超過0.40 mg/L，占水樣總數(shù)的22%。富鍶地下水主要分布在興隆縣的東部和南部，西部地下水樣的Sr2+濃度普遍低于0.2 mg/L。區(qū)域西部基巖多為純碳酸鹽巖區(qū)，而東部碳酸鹽巖下伏侵入巖脈、南部分布一套古老變質(zhì)巖，據(jù)此推測地下水Sr2+濃度的差異和富鍶地下水的形成可能與侵入巖脈和變質(zhì)巖分布有關(guān)。

表1 地下水和地表水主要水化學(xué)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)

3.2 地下水補(bǔ)給來源

圖3 承德縣地下水及地表水δD和δ18O值關(guān)系Fig.3 Plot of δD-δ18O in groundwater and surface water samples

δD和δ18O可以指示地下水和地表水補(bǔ)給來源及演化規(guī)律[6]。研究區(qū)大部分地下水和地表水的穩(wěn)定同位素δD和δ18O含量變化范圍較小，分布集中，地下水δD為-69.9‰～-55.1‰，δ18O為-10.7‰～-8‰(表2，圖3)。當(dāng)?shù)卮髿饨邓€[16](LMWL:δD=6.81δ18O+1.656)斜率小于全球大氣降水線[17](GMWL:δD=8δ18O+10)，說明在降雨過程中雨水受到蒸發(fā)作用發(fā)生同位素分餾。地下水樣分布于當(dāng)?shù)卮髿饨邓€附近，表明當(dāng)?shù)卮髿饨邓疄榈叵滤饕a(bǔ)給來源。同位素組成的變化可能是區(qū)域和當(dāng)?shù)貧夂蜃兓慕Y(jié)果，或者由于局部過程的綜合作用，例如蒸發(fā)作用、選擇性滲透、地表水補(bǔ)給、植被分布以及人為作用等[18-19]。選擇性滲透即水流通過優(yōu)先通道直接滲透補(bǔ)給地下水，而不改變補(bǔ)給雨水的同位素組成；蒸發(fā)作用造成同位素分餾使得地下水富集重同位素[15]。研究區(qū)地下水樣主要分布在LMWL的右側(cè)，且偏離較小，δD和δ18O同位素組成線性方程為δD=5.96δ18O-7，斜率(5.96)與當(dāng)?shù)卮髿饨邓€(6.81)相近，指示蒸發(fā)效應(yīng)對地下水的影響較小。除地表水樣品位于當(dāng)?shù)卮髿饨邓€的下方，相比地下水樣品同位素富集，說明地表水主要受降水補(bǔ)給，受到蒸發(fā)作用的影響較地下水大。

氘盈余參數(shù)d值(d=δD-8δ18O)主要受空氣相對溫度控制，蒸發(fā)是影響氘盈余值大小的一個重要因素，蒸發(fā)作用越強(qiáng)，氘盈余值越偏負(fù)[20-21]。該區(qū)域地下水氫氧同位素d值分布在7.6‰～15.7‰，平均值為11.8‰，與全球大氣降水平均d值(10‰)相近，表明地下水主要受水巖作用影響，沿地下水流方向同位素交換反應(yīng)增強(qiáng)，發(fā)生“氧漂移”，d值減小，同時d值減小也表現(xiàn)出地下水受蒸發(fā)作用的影響。

表2 興隆縣地下水及地表水氫氧同位素分析結(jié)果

圖4 研究區(qū)地下水和地表水中δ18O的變化(a)和Cl-與δ18O的關(guān)系(b)Fig.4 Distribution of δ18O in water samples (a) and relationships of Cl- and δ18O (b) in the study area

結(jié)合區(qū)域地形和水文地質(zhì)條件來看，沿地下水總體區(qū)域徑流方向，即從北向南、由西向東，地下水同位素趨向于富集(圖4)。西部、北部地區(qū)地勢相對較高(高程大于700 m)，沿地下水徑流方向，水-巖相互作用越來越強(qiáng)烈，地下水中的18O逐漸富集[22]。Cl-作為保守元素，濃度會隨著蒸發(fā)作用而富集，研究區(qū)水樣中Cl-與δ18O之間的關(guān)系進(jìn)一步說明，蒸發(fā)作用對區(qū)域地下水的影響較小。2XL-05(δD和δ18O的值分別為-61.5‰和-9.4‰)、2XL-09(δD和δ18O的值分別為-64.2‰和-9.6‰)和2XL-18(δD和δ18O的值分別為-64.4‰和-9.3‰)3處采樣點(diǎn)均處于興隆大斷裂處(圖4)，同位素特征近似，水化學(xué)類型均為HCO3—Ca·Mg，說明三者之間可能由于斷裂的連通作用而存在水力聯(lián)系。采樣點(diǎn)XL-02(井深3.58 m，δD和δ18O分別為-55.1‰和-8‰)和XL-03(井深150 m，δD和δ18O分別為-55.9‰和-8.4‰)的同位素特征非常接近，表明不同深度的含水層之間存在密切的水力聯(lián)系。

3.3 水-巖作用演化過程

地表水和地下水中的主要離子和TDS平均濃度高度一致，這表明區(qū)域地表水和地下水水化學(xué)組分來源具有同源性[12](圖5)。

圖5 地下水與地表水各組分平均濃度Fig.5 Average solute concentrations of groundwater and surface water samples

圖6 研究區(qū)地下水及地表水Gibbs圖(a)和HCO3- /Na+與Ca2+/Na+關(guān)系圖(b)Fig.6 Gibbs graph showing water samples (a) and relationships of Ca2+/Na+ and HCO3-/Na+ (b) in the study area

圖7 地下水不同礦物飽和指數(shù)與TDS的關(guān)系Fig.7 Relationship between mineral saturation index and TDS in groundwater

4 結(jié)論

(3)地下水和地表水的主要來源是大氣降水。地下水水化學(xué)組分主要受巖石風(fēng)化作用的影響，主要受碳酸鹽巖如方解石、白云石的風(fēng)化溶解影響，蒸發(fā)作用對地下水水化學(xué)組分的影響較小。鍶含量分析表明，區(qū)域西部純碳酸鹽巖分布區(qū)的Sr2+濃度普遍低于區(qū)域東部和南部碳酸鹽巖下伏侵入巖脈分布區(qū)，說明本區(qū)地下水中Sr2+富集還受到侵入體中礦物質(zhì)的影響。

圖8 興隆縣地下水及地表水rNa+ /rCa2+(a)與rMg2+ /rCa2+(b)關(guān)系圖Fig.8 Relationships of Na+ and Ca2+(a) and Mg2+ and Ca2+(b) in the study area