氫氧同位素在亳州東南部地區(qū)水循環(huán)研究中的應(yīng)用

鄭濤，侯香夢(mèng)，管后春，楊潘，馬濤

（安徽省地質(zhì)調(diào)查院(安徽省地質(zhì)科學(xué)研究所)，安徽合肥230001）

0 引言

在自然界中，氫氧穩(wěn)定同位素具有化學(xué)性質(zhì)較為穩(wěn)定的特性，不參與地下水水-巖相互作用，是研究水循環(huán)的理想示蹤劑。國內(nèi)外學(xué)者通過分析大氣降水、地表水、地下水中氫氧穩(wěn)定同位素的關(guān)系，來研究地下水的起源[1～2]、大氣降水-地表水-地下水三者之間的相互關(guān)系[3-4]、地下水循環(huán)深度[5]等，揭示地下水的形成與演化過程[6-8]。

地下水是渦河流域重要的工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和城鄉(xiāng)飲用水源，開發(fā)利用程度高[9]。渦河流域淺部地下水主要用于農(nóng)田灌溉及農(nóng)村非飲用生活用水，極少未覆蓋自來水的地區(qū)仍使用淺部地下水作為飲用水；中深部地下水主要用于集中供水水源及工業(yè)生產(chǎn)。由于人口稠密，人類活動(dòng)頻繁，地下水已明顯受到人類活動(dòng)的影響[10]，普遍面臨著污染及水質(zhì)異常等問題[11]。

亳州地區(qū)是渦河流域的中下游地區(qū)。本研究利用D和18O同位素特征分析亳州東南部地區(qū)地下水補(bǔ)給來源及不同水體之間的關(guān)系，結(jié)合地下水動(dòng)態(tài)特征，研究淺部地下水循環(huán)深度及不同含水層之間的水力聯(lián)系，為地下水資源合理開發(fā)及地下水污染防治提供理論支撐。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于安徽省亳州市東南部（圖1），屬渦河流域中下游地區(qū)。地勢(shì)總體較為平坦，地面標(biāo)高21.8～88.0m，西北高、東南低，坡降約1／7500。除零星的剝蝕低丘以外，總體為典型的黃淮堆積型地貌。研究區(qū)屬于暖溫帶半濕潤季風(fēng)氣候區(qū)，年平均氣溫14.7℃，多年平均降雨量808.6mm，多年平均蒸發(fā)量1668.8mm。渦河自西北向東南穿過研究區(qū)東北部，地表水多屬于渦河水系。地層區(qū)劃屬于華北東部地層大區(qū)淮河地層分區(qū)的宿縣-阜陽地層小區(qū)，區(qū)內(nèi)除東北部有殘丘出露基巖外，地表一般被較厚的晚新生代松散層覆蓋（圖2），區(qū)內(nèi)第四紀(jì)地層總體自北東向南西逐漸增厚，最厚處達(dá)162.75m。

圖1 研究區(qū)采樣點(diǎn)位置圖Figure 1.Location map of sampling points in the study area

2 研究區(qū)水文地質(zhì)條件

研究區(qū)地下水主要為松散巖類孔隙水，自淺至深可分為淺部孔隙水含水巖組、中部孔隙水含水巖組及深部孔隙水含水巖組三個(gè)含水巖組（圖2），分別對(duì)應(yīng)淺部孔隙水、中部孔隙水和深部孔隙水。淺部孔隙水含水巖組所賦含水層巖性為全新世蚌埠組（Qhb）和晚更新世茆塘組（Qp3m）粉砂、細(xì)砂組成，地下水一般為潛水和微承壓水。單井涌水量以大于500m3/d為主，水化學(xué)類型主要為HCO3-Na型，水位埋深2～4m。地下水來源主要是接受大氣降水入滲補(bǔ)給及地表水體的滲漏補(bǔ)給；地下水總體上自西北向東南方向徑流，水力坡度1/10000左右；排泄方式主要為泄入地表水體和消耗于蒸發(fā)、植物蒸騰，其次是補(bǔ)給中層地下水和民井開采。

圖2 A-A’水文地質(zhì)剖面Figure 2.Hydrogeological profile A-A’

中部孔隙水含水巖組所賦含水層巖性為中更新世潘集組（Qp2p）、早更新世桃園組（Qp1t）粉土、粉砂、粉細(xì)砂，具多層結(jié)構(gòu)，地下水為承壓水。單井涌水量以200～500m3/d為主，水化學(xué)類型主要為HCO3-Na型，水位埋深一般2～30m，渦陽縣城及南部、利辛縣城北部可達(dá)40m，形成局部性降落漏斗。主要接受上游側(cè)向徑流補(bǔ)給及淺部孔隙水的越流補(bǔ)給；在開采條件下地下水主要向降落漏斗中心徑流；排泄方式主要為人工開采。

深部孔隙水含水巖組所賦含水層巖性為新近紀(jì)上新世固鎮(zhèn)組（N2g）和中新世下草灣組（N1x）粉砂、細(xì)砂、中細(xì)砂組成，具多層結(jié)構(gòu)，地下水為承壓水。單井涌水量一般大于500m3/d，水化學(xué)類型為HCO3-Na為主，水位埋深一般大于30m，在渦陽縣蒙關(guān)鎮(zhèn)一帶形成局部性降落漏斗。主要接受上游側(cè)向徑流補(bǔ)給；在開采條件下地下水主要向降落漏斗中心徑流；排泄方式主要為人工開采。

3 研究方法

2018年采集了地下水樣品50組和地表水樣品4組（圖1），包括淺部孔隙水樣品25組，中部孔隙水樣品24組，深部孔隙水樣品1組。其中1月—12月，在鉆孔進(jìn)行抽水試驗(yàn)時(shí)采集了32組地下水同位素樣品。12月13日—16日，在渦河兩岸的民井中采集了18組地下水同位素樣品，在渦河的上中下游以及一個(gè)礦坑采取了4組地表水同位素樣品。采樣容器均為1L的聚氯乙烯塑料瓶。在對(duì)民井進(jìn)行同位素樣品采集前，預(yù)先抽水5～10分鐘。樣品測試由國土資源部巖溶地質(zhì)資源環(huán)境監(jiān)督檢測中心完成，18O采用（CO2-H2O）水平衡法進(jìn)行分析，D采用高溫裂解法進(jìn)行分析，測試設(shè)備為MAT253型穩(wěn)定同位素質(zhì)譜儀和Quantulus1220型超低本底液體閃爍能譜儀，測試結(jié)果以相對(duì)于ⅤSNOW標(biāo)準(zhǔn)的千分差表示（表1、表2），測試精度分別為±0.1‰和±1‰。由于深部孔隙水樣品數(shù)量較少，且本研究主要針對(duì)淺部和中部孔隙水，后文將對(duì)中部和深部孔隙水統(tǒng)一敘述，統(tǒng)稱為中深部孔隙水。

表1 氫氧穩(wěn)定同位素測試結(jié)果Table 1.Test resultsοf δ18O and δD

表2 氫氧穩(wěn)定同位素結(jié)果統(tǒng)計(jì)Table 2.Statisticsοf δ18O and δD

4 同位素特征分析

4.1 大氣降水

亳州在地理位置上位于鄭州和南京之間，三地均屬于大陸季風(fēng)氣候。亳州的年平均降水量和年平均蒸發(fā)量也均位于鄭州和南京之間，因此選用國際原子能機(jī)構(gòu)在鄭州和南京兩個(gè)觀測站1985年至1992年間的逐月雨水同位素?cái)?shù)據(jù)代表亳州地區(qū)的雨水同位素特征。利用115組長期監(jiān)測數(shù)據(jù)，得到亳州地區(qū)的雨水線（LMWL）方程（圖3）：δD=7.22δ18O+4.35（n=115，R2=0.88）。亳州地區(qū)雨水δD的平均值為-45.38‰，δ18O的平均值為-6.89‰，與全球雨水線（GMWL）相比，亳州地區(qū)的降水線斜率明顯偏小，這是由亳州地區(qū)的氣候條件和地理位置所決定，反映出亳州地區(qū)降雨量小、蒸發(fā)量大、蒸發(fā)速度快的氣候特點(diǎn)，且蒸發(fā)程度要高于全球平均值。

圖3 亳州地區(qū)大氣降水同位素δD-δ18O關(guān)系圖Figure 3.Relationship between δD and δ18O of precipitation in the Bozhou area

4.2 地表水

測試結(jié)果顯示，地表水δD的平均值為-48.9‰，δ18O的平均值為-6.4‰，均分布于當(dāng)?shù)赜晁€的右下方（圖4），較富集重同位素，且與當(dāng)?shù)卮髿饨邓€相距較近，反應(yīng)其為大氣降水來源，并在補(bǔ)給地表水之前經(jīng)歷了一定程度的蒸發(fā)分餾效應(yīng)引起了同位素的變化[12]，從而使部分地表水點(diǎn)偏離當(dāng)?shù)赜晁€。地表水形成的蒸發(fā)線為：δD=5.82，δ18O-11.60（n=4，R2=0.99）。地表水蒸發(fā)線斜率明顯低于當(dāng)?shù)亟邓€，反應(yīng)蒸發(fā)濃縮作用對(duì)地表水有較大的影響。其中礦坑水（R6）比渦河水更富集重同位素。該礦坑位于小澗鎮(zhèn)西北側(cè)孤丘頂部，為開挖石材所留礦坑，礦坑水除主要接受大氣降水外，還接受部分大氣降水入滲到基巖形成的基巖裂隙水的側(cè)向徑流補(bǔ)給。這表明在蒸發(fā)濃縮作用對(duì)渦河水和礦坑水作用相同的情況下，渦河水除接受大氣降水外，還接受來自貧于大氣降水同位素的淺部孔隙水的側(cè)向徑流補(bǔ)給。

圖4 研究區(qū)地表水和地下水同位素δD-δ18O關(guān)系圖Figure 4.Relationship between δD and δ18O of surface water and groundwater in the study area

4.3 地下水

4.3.1 總體特征

測試結(jié)果顯示，地下水δD的平均值為-59.86‰，δ18O的平均值為-8.25‰，均分布于當(dāng)?shù)亟邓€的正下方和左下方（圖4），與當(dāng)?shù)卮髿饨邓€相距較近，反應(yīng)其為大氣降水來源，且在接受大氣降水補(bǔ)給后，經(jīng)過較長時(shí)間的徑流或轉(zhuǎn)化，水中同位素發(fā)生分餾而導(dǎo)致了地下水偏離雨水線。

4.3.2 垂向分布特征

地下水中δD和δ18O均表現(xiàn)出了分層性差異（圖4）。總體上δD和δ18O均表現(xiàn)出隨深度增加而偏負(fù)的特征，顯示出不同深度地下水循環(huán)條件的差異性，且受到的影響因素不同。淺部孔隙水中δD含量介于-58.0‰～-42.0‰，平均含量-52.1‰，δ18O介于-8.3‰～-5.2‰，平均值-7.3‰；中深部孔隙水中δD含量介于-74.3‰～-54.1‰，平均含量-67.6‰，δ18O介于-10.01‰～-7.65‰，平均值-9.2‰。

中深部孔隙水與淺部孔隙水相比，δD和δ18O含量更貧化，且平均含量相差較大。淺部孔隙水中δD與δ18O的線性關(guān)系為：δD=4.70δ18O-17.95（n=25，R2=0.92），直線斜率要明顯大于當(dāng)?shù)卮髿饨邓€，表明淺部地下水存在強(qiáng)烈的蒸發(fā)作用，但偏離程度強(qiáng)弱不一，表現(xiàn)出不同的蒸發(fā)特征，這是地下水的不同賦存特征所決定的。一方面，在大氣降水入滲到地下水的過程中，蒸發(fā)作用進(jìn)一步進(jìn)行，使得淺部孔隙水中的氫氧同位素組成更加偏離當(dāng)?shù)卮髿饨邓€；另一方面，不同埋深的淺部孔隙水發(fā)生蒸發(fā)作用的程度不同，淺埋深地下水蒸發(fā)較強(qiáng)烈而更為富集重同位素，表現(xiàn)為部分地下水點(diǎn)更偏離大氣降水線。中深部孔隙水中δD與δ18O的 線 性 關(guān) 系 為：δD=8.01δ18O+6.44（n=25，R2=0.99），中深部孔隙水由于大部分點(diǎn)位埋深較大，天然狀態(tài)下幾乎不發(fā)生蒸發(fā)，因而表現(xiàn)為δD與δ18O的線性關(guān)系直線斜率與大氣降水線的斜率相差不大。

4.3.3 水平分布特征

在淺部孔隙水徑流方向上（圖5）及垂直于渦河方向上（圖6），δD與δ18O的含量并未出現(xiàn)明顯的單向變大或變小的特征規(guī)律，這與該地區(qū)地下水化學(xué)特征無明顯的水平分帶規(guī)律相似。原因是研究區(qū)位于平原區(qū)，地形平坦，水動(dòng)力作用較弱，水文地質(zhì)條件較為復(fù)雜，因而不能像在其他地表水流域[13～15]，通過δD與δ18O的含量的水平分布規(guī)律刻畫出典型的流域范圍內(nèi)的補(bǔ)給區(qū)、徑流區(qū)和排泄區(qū)。

圖5 研究區(qū)淺部孔隙水中δD和δ18O含量沿地下水徑流方向上的變化圖（G1為起點(diǎn)）Figure 5.Variation of δD and δ18O in shallow pore water in the direction of groundwater runoff(G1 as the starting point)

圖6 研究區(qū)淺部孔隙水中δD和δ18O含量在垂直河流方向上的變化圖（渦河為零點(diǎn)）Figure 6.Variation of δD and δ18O in shallow pore water in the direction vertical to the river stream(Guohe River as the zero point)

5 討論

5.1 淺部循環(huán)系統(tǒng)和中間過渡系統(tǒng)邊界的確定

彭玉懷等[16]基于晚新生代地層及其沉積結(jié)構(gòu)、地下水動(dòng)態(tài)、環(huán)境同位素等特征，將淮北平原孔隙水由淺入深劃分了淺部循環(huán)、中間過渡和深部滯流三大地下水流動(dòng)系統(tǒng)，其中淺部循環(huán)系統(tǒng)含水層底板埋深小于50m，中間過渡系統(tǒng)含水層底板埋深50～150m，深部滯留系統(tǒng)含水層底板埋深150～480m。

由于研究區(qū)內(nèi)鉆孔成井時(shí)，在目標(biāo)含水層底板以下的黏性土層中設(shè)置了5m的沉淀管，因而在考慮目標(biāo)含水層底板深度時(shí)需用成井深度減去沉淀管長度。研究區(qū)內(nèi)大致以34m深度為界（圖7），含水層底板埋深在0～34m深度范圍內(nèi)，地下水中的δD和δ18O含量平均值分別為-52.1‰和-7.3‰，δD普遍高于-58‰，δ18O普遍高于-8.3‰，較富集重同位素，δD的變幅為16‰，δ18O的變幅為3.1‰，顯示其分布具有一定的差異性。該深度范圍內(nèi)的鉆孔地下水水位相差不大，且受大氣降水影響波動(dòng)明顯（圖8，ZK03和SK08），水位年變幅1.0～3.0m，顯示出該深度范圍是受現(xiàn)代降水影響較為強(qiáng)烈的積極循環(huán)帶[5]。根據(jù)鉆孔揭露的含水層信息，該深度范圍含水層較連續(xù)，地下水主要賦存于第四紀(jì)晚更新世含水層中。

圖7 研究區(qū)地下水中δD和δ18O的垂向分布特征Figure 7.Vertical distribution of δD and δ18O in groundwater

含水層底板埋深在34～70m深度范圍內(nèi)，地下水中的δD和δ18O含量平均值分別為-59.1‰和-8.19‰，除點(diǎn)ZK01、SK11和SK23外，δD普遍低于-58‰，δ18O普遍低于-8.3‰，與上層含水層相比，該深度范圍內(nèi)的地下水更貧化重同位素。地下水受大氣降水影響波動(dòng)較明顯（圖8，SK11和SK15），地下水位略低于0～34m深度范圍內(nèi)的含水層地下水位，水位年變幅1.1～2.2m，水位整體呈小幅下降趨勢(shì)。根據(jù)鉆孔揭露的含水層信息，該深度范圍含水層多以不連續(xù)的透鏡體形式存在，地下水主要賦存于第四紀(jì)中更新世含水層中。

含水層底板埋深在70～177.5m深度范圍內(nèi)，地下水中的δD和δ18O含量平均值分別為-70.9‰和-9.7‰，δD普遍低于-65‰，δ18O普遍低于-8.9‰，δD和δ18O值隨深度逐漸偏負(fù)，δD的變幅為8.8‰，δ18O的變幅為0.99‰，同位素含量變幅明顯小于0～70m深度范圍的同位素含量變幅，隨著深度的變化，同位素含量變幅逐漸變小，與上部孔隙水之間的聯(lián)系變?nèi)酢Ｍ瑫r(shí)該深度范圍內(nèi)的鉆孔地下水水位相差較大，且與大氣降水無明顯波動(dòng)關(guān)系（圖8，SK17和SK28），地下水位明顯低于上部含水層水位。受深部地下水過量開采影響，該深度范圍內(nèi)的地下水水位整體呈下降趨勢(shì)，降幅1～3m/a。根據(jù)鉆孔揭露的含水層信息，在70～177.5m深度范圍內(nèi)含水層不發(fā)育，在不同深度分布有規(guī)模不一的含水層透鏡體，地下水主要賦存于第四紀(jì)早更新世含水層及新近紀(jì)中新世含水層中。

圖8 地下水和渦河水水位動(dòng)態(tài)歷時(shí)曲線Figure 8.Dynamic change of the groundwater and the Guohe River water levels over time

綜上，可將34m以上劃分為淺部循環(huán)系統(tǒng)，70m為中間過渡系統(tǒng)上部和下部的分界線。本研究劃分的淺部循環(huán)系統(tǒng)含水層底板埋深要小于彭玉懷等[16]劃分的淺部循環(huán)系統(tǒng)含水層底板埋深，可能原因是研究區(qū)內(nèi)的晚更新世地層底板埋深小于淮北平原區(qū)域上的晚更新世地層底板埋深。

5.2 不同水體及含水層之間的水力聯(lián)系

通過對(duì)渦河沿岸民井采樣點(diǎn)位進(jìn)行的四次水位統(tǒng)測發(fā)現(xiàn)，渦河水位和近岸淺層地下水水位的變化趨勢(shì)近于同步，無論在枯水期還是豐水期，渦河近岸的地下水位均高于渦河水位，地層結(jié)構(gòu)顯示渦河切割淺部循環(huán)系統(tǒng)主要連續(xù)含水層，由此表明渦河水還接受沿岸淺部孔隙水的側(cè)向徑流補(bǔ)給。

中間過渡系統(tǒng)上部孔隙水點(diǎn)SK11、ZK01和SK23的同位素含量與部分淺部孔隙水中的同位素含量相差不大，甚至更富集重同位素（圖7），表明區(qū)內(nèi)部分區(qū)域淺部孔隙水越流補(bǔ)給中部孔隙水。

在中間過渡系統(tǒng)下部，同位素含量已無明顯的分層性，即同位素含量相對(duì)趨于穩(wěn)定，表現(xiàn)出均一性的特點(diǎn)，表明在該深度范圍內(nèi)，地下水環(huán)境逐漸趨于封閉狀態(tài)。結(jié)合地下水動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，中間過渡系統(tǒng)下部地下水水位明顯低于其上部地下水水位，且變化趨勢(shì)明顯不同。這表明中間過渡系統(tǒng)下部孔隙水與上部孔隙水的水力聯(lián)系幾乎可以忽略。中間過渡系統(tǒng)下部孔隙水不能直接接受大氣降水的補(bǔ)給，可能主要接受遠(yuǎn)距離貧化地下水的側(cè)向徑流補(bǔ)給[17]，且徑流緩慢。地下水同位素含量隨著深度的增加而越來越偏負(fù)也可反映出貧化同位素的中部孔隙水的補(bǔ)給高程較高，且形成時(shí)氣候較冷[15]。

6 結(jié)論

利用氫氧穩(wěn)定同位素比值對(duì)亳州東南部地區(qū)地下水水循環(huán)特征的研究表明：

（1）研究區(qū)內(nèi)渦河水、淺部孔隙水和中部孔隙水均起源于大氣降水。

（2）結(jié)合地下水動(dòng)態(tài)特征和地層特征，可大致以34m為區(qū)域內(nèi)地下水淺部循環(huán)系統(tǒng)和中間過渡系統(tǒng)的邊界，70m作為中間過渡系統(tǒng)上部和下部的分界線。

（3）淺部循環(huán)系統(tǒng)和中間過渡系統(tǒng)上部的含水層之間存在明顯的越流，水力聯(lián)系密切，中部過渡系統(tǒng)上部和下部水力聯(lián)系較弱。