廣州市區(qū)域淺層地下水中氫、氧與碳穩(wěn)定同位素比值的控制因素分析

曾 慧,卓泉龍,張明珠,龐 園,梁作兵

(1.廣州市水務(wù)科學(xué)研究院有限公司,廣東 廣州 510220;2.中山大學(xué)地理科學(xué)與規(guī)劃學(xué)院,廣東 廣州 510275)

地下水在中國(guó)的歷史與發(fā)展過(guò)程中扮演著重要的角色,如今地下水也已經(jīng)成為農(nóng)業(yè)、工業(yè)和城鄉(xiāng)生活用水的主要水源[1]。地下水還是城市發(fā)展的基礎(chǔ)性和戰(zhàn)略性資源,它關(guān)系到城市的供水安全以及城市社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展[2],而地下水資源兼具可再生性與不可再生性、系統(tǒng)性和變動(dòng)性三個(gè)重要性質(zhì)[3],但地下水資源在人類(lèi)的持續(xù)索取中已經(jīng)付出了巨大代價(jià)——地下水水位下降、地面塌陷、生態(tài)破壞,海水入侵以及水質(zhì)污染與惡化等后果。

粵港澳大灣區(qū)開(kāi)放程度高、經(jīng)濟(jì)活力強(qiáng),大灣區(qū)未來(lái)的發(fā)展離不開(kāi)水資源的支撐和良好的水生態(tài)環(huán)境[4],但隨著人口數(shù)量的不斷增加和經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展,人類(lèi)在生產(chǎn)活動(dòng)中對(duì)地下水資源的開(kāi)采與利用程度不斷加大,地下水水質(zhì)日益惡化,威脅著當(dāng)?shù)鼐用竦纳眢w健康和經(jīng)濟(jì)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展,這就需要加強(qiáng)對(duì)地下水資源的保護(hù)?；浉郯拇鬄硡^(qū)獨(dú)特的區(qū)情和高標(biāo)準(zhǔn)的建設(shè)要求,使得粵港澳大灣區(qū)水安全保障具有一定的特殊性,灣區(qū)未來(lái)發(fā)展離不開(kāi)水資源的支撐和良好的水利環(huán)境。因此,了解廣州市地下水運(yùn)動(dòng)特征與規(guī)律對(duì)大灣區(qū)地下水資源保護(hù)與治理意義顯著。

廣州市地理位置特殊,地下水環(huán)境復(fù)雜多變,既有廣泛發(fā)育的高銨地下水[5],也受海水入侵影響造成的海水咸化[6]。因此,需要對(duì)地下水運(yùn)動(dòng)特征進(jìn)行研究。目前同位素示蹤手段在分析地下水來(lái)源、運(yùn)動(dòng)規(guī)律及污染源示蹤等方面發(fā)揮了重要作用,如通過(guò)分析大氣降水、地表水和地下水中環(huán)境穩(wěn)定同位素(氫、氧)組成,并繪制出δ18O與δ2H散點(diǎn)圖,結(jié)合當(dāng)?shù)卮髿?LMWL)以及全球大氣降水線(GMWL)分析其相互作用和過(guò)程,揭示地下水形成的補(bǔ)給來(lái)源和運(yùn)移特征,從而為水資源評(píng)價(jià)與管理提供技術(shù)手段[7];此外,地下水中氧同位素升高的程度不僅取決于“水-巖石”中氧的交換程度、含水層溫度還取決于地下水在含水層內(nèi)的滯留時(shí)間長(zhǎng)短,即在同一地區(qū)、統(tǒng)一含水層內(nèi),地下水在含水層內(nèi)滯留時(shí)間越久,其 δ18O 越高[8]。溶解無(wú)機(jī)碳同位素被廣泛應(yīng)用于地表水和地下水碳循環(huán)研究中[9-10]。在巖溶泉中,有機(jī)質(zhì)的降解和碳酸鹽巖的溶解可以通過(guò) δ13TDIC值進(jìn)行判別,而地下水中富 δ13TDIC值被認(rèn)為指示“老水”。另外,與河流不同巖溶泉被認(rèn)為是一個(gè)封閉系統(tǒng),巖溶泉中δ13TDIC值還受到補(bǔ)給區(qū)域巖石地質(zhì)組成控制,所以通過(guò)巖溶含水層中δ13TDIC值有助于對(duì)巖溶含水層的補(bǔ)給來(lái)源及遷移路徑進(jìn)行判別[11]。通過(guò)分析廣州市淺層地下水氫氧和溶解無(wú)機(jī)碳穩(wěn)定同位素組成特征,探究廣州市淺層地下水的運(yùn)動(dòng)特征及其水環(huán)境的影響因素,以期為廣州市地下水環(huán)境保護(hù)提供理論支持。

1 研究區(qū)域及方法

1.1 研究區(qū)概況

廣州市地處珠江三角洲的北部邊緣,是三角洲平原與低山丘陵區(qū)的過(guò)渡地帶,地形總的特征是東北高、西南低。東北部是由花崗巖與變質(zhì)巖組成的低山丘陵區(qū),海拔標(biāo)高一般在300 m以下,地形高差250 m左右,坡度15～35°,水系呈樹(shù)枝狀,切割強(qiáng)烈。西部是由河流堆積組成的沖積平原;南部為微向南傾斜的珠江三角洲平原,標(biāo)高5～7 m,其中分布零星的殘丘和臺(tái)地;廣州市地處南亞熱帶,屬海洋性季風(fēng)氣候;年平均降雨量1 725.7 mm,相對(duì)集中在4—9月的雨季,占全年的82.1%,兼受臺(tái)風(fēng)襲擾,年平均蒸發(fā)量1 603.5 mm。大氣降水是地下水的主要補(bǔ)給來(lái)源,補(bǔ)給期在4—9月,消耗期或排泄期在10月至次年3月,補(bǔ)給條件較好。

地層巖性是形成不同類(lèi)型地下水的基礎(chǔ),第四系河流沖積相和三角洲相的砂、砂礫層,賦存松散巖類(lèi)孔隙水。下第三系和白堊系(K～E)紫紅色砂巖、礫巖、泥巖等,賦存紅層裂隙水。二疊系下統(tǒng)棲霞組(P1q)、石炭系中上統(tǒng)壺天群(C2+3ht)和石炭系下統(tǒng)石磴子組(C1ds)灰?guī)r,賦存巖溶水。三疊系小坪組(T3x)和大冶群(T1d)、二疊系大隆組(P2d)、龍?zhí)督M(P2l)、文筆山組(P1w)、石炭系梓門(mén)橋組(C1dz)、測(cè)水組(C1dc)孟公坳組(C1ym)、和泥盆系帽子峰組(D3m)的砂巖、砂礫巖、頁(yè)巖、砂質(zhì)泥巖等,賦存層狀巖類(lèi)裂隙水。震旦系(Z)云母石英片巖、混合巖和燕山期花崗巖,賦存塊狀巖類(lèi)裂隙水。

地下水的運(yùn)移總的來(lái)說(shuō)是由北向南流。丘陵、基巖山區(qū)地形切割密度和深度較大,徑流途徑短,大氣降水滲入形成地下水后,大部分地下水在其附近以泉水的形式排泄。覆蓋型巖溶水的運(yùn)移,主要受構(gòu)造控制,沿灰?guī)r條帶自北東向南西運(yùn)移,局部地段由于受橫向斷裂發(fā)育的影響,使不同巖溶條帶地下水互相溝通,地下水穿越巖溶條帶形成“越流”現(xiàn)象?？偟膩?lái)說(shuō),松散巖類(lèi)孔隙水的運(yùn)移方向自北部、東部和西北部向盆地匯流。廣州丘陵山區(qū)基巖裂隙水多以泉水的形式排泄;平原區(qū)孔隙水和下伏巖溶水自官窯-江村-龍歸一線以北,河水水位低于地下水位,地下水主要向河流排泄;而官窯-江村-龍歸一線以南,地形平坦、河涌發(fā)育,豐水期地下水雖受潮水頂托影響,使地表水、地下水之間呈互補(bǔ)關(guān)系,平均河水位低于地下水位,但地下水仍向河涌排泄;地下鐵道、城市建筑地下空間的利用(通過(guò)機(jī)井、礦坑、基坑開(kāi)挖、人行隧道等)改變第四系松散巖類(lèi)及淺層基巖的地下水的補(bǔ)給排泄條件。

1.2 樣品采集與分析

圖1 地下水采樣點(diǎn)分布

2 結(jié)果與討論

2.1 氫氧同位素組成

為探究廣州市淺層地下水中氫氧穩(wěn)定同位素組成特征及其控制因素,將研究區(qū)淺層地下水及其附近河流水δ2H、δ18O的實(shí)測(cè)值繪制成δ2H、δ18O關(guān)系,見(jiàn)圖2。根據(jù)薛積彬等[11]研究,廣州市大氣降水線(LMWL)見(jiàn)式(1)。

圖2 不同水體 δ2H-δ18O關(guān)系

δ2H=8.15δ18O+12.4

(1)

淺層地下水的δ18O變化范圍為-6.0‰～-2.2‰,平均值為-4.85‰;δ2H的變化范圍為-38.7‰～-12.4‰,平均值為-30.1‰。河水的δ18O變化范圍為-6.6‰～-4.5‰,平均值為-5.4‰。δ2H的變化范圍為-44.6‰～-28.0‰,平均值為-34.6‰。淺層地下水氫氧同位素比值變化較河水大且平均值也較河水大。

研究區(qū)淺層地下水和河水的氫氧同位素組成幾乎均位于當(dāng)?shù)卮髿饨邓€右下方,見(jiàn)圖 2,并與當(dāng)?shù)亟邓默F(xiàn)代同位素組成存在區(qū)別,表明地下水來(lái)源為大氣降水,而且降水在補(bǔ)給地下水之前經(jīng)歷了一定程度的蒸發(fā)作用引起了同位素富集[13]。此外,圖2 所示,A區(qū)域氫氧同位素組成幾乎均位于當(dāng)?shù)卮髿饨邓€附近,且河水和淺層地下水氫氧同位素組成差別不大。一方面,說(shuō)明A區(qū)域地下水和地表水存在密切的水力聯(lián)系,另一方面, 由于A區(qū)采樣點(diǎn)主要集中于廣州市北部從化區(qū)的淺層地下水和河水,該區(qū)地勢(shì)較高,降水直接補(bǔ)給地下水,受蒸發(fā)作用影響較小。位于A和B區(qū)采樣點(diǎn)間的淺層地下水則是經(jīng)歷不同程度的蒸發(fā)程度。

2.2 氘過(guò)量參數(shù)特征

氘過(guò)量參數(shù)(d=δD-δ18O), 是研究水/巖作用、地下水動(dòng)力學(xué)和地表徑流動(dòng)態(tài)組成的一個(gè)十分重要的指標(biāo),具有極為重要的水文地質(zhì)學(xué)意義[14]。由大氣降水補(bǔ)給的地下水,其氘過(guò)量參數(shù)的初始值是當(dāng)?shù)卮髿饨邓捻憫?yīng)值。當(dāng)大氣降水補(bǔ)入到地下水層后,水/巖作用使水與巖石發(fā)生同位素交換。水/巖作用越強(qiáng)烈,水和巖層的氧同位素交換程度越高,則地下水的d-excess值越小[15]。

研究區(qū)淺層地下水中氘過(guò)量參數(shù)(d-excess)值的變化范圍為3.8‰～12.1‰,平均值為9.0‰,最大值出現(xiàn)在ZC29,最小值出現(xiàn)在LW3;河水7 d-excess的變化范圍為6.5‰～12.0‰,平均值為8.4‰。最大值出現(xiàn)在廣州市北部從化區(qū)(CH38-1)。見(jiàn)表2,CH35、CH33、CH38和CH28的d-excess值呈現(xiàn)出下降趨勢(shì),該區(qū)監(jiān)測(cè)井場(chǎng)地上覆土層為第四系沖積層,地下水類(lèi)型為第四系孔隙水及層狀巖類(lèi)裂隙水,且地勢(shì)由高變低。根據(jù)尹觀等[15]的研究,在同一地下含水層內(nèi),水的氘過(guò)量參數(shù) d-excess 的演化是地下水滯留時(shí)間(t)的函數(shù),且從補(bǔ)給區(qū)到排泄區(qū)地下水的d-excess 值逐漸降低,二者之間水的d-excess值差異越大,表明水在含水層內(nèi)滯留的時(shí)間越長(zhǎng),徑流的速度越慢。因此,初步認(rèn)為從化區(qū)地下水中d-excess 值受地下水滯留時(shí)間控制。

表2 不同水體水化學(xué)和氘過(guò)量參數(shù)特征

地下水咸化是一個(gè)世界性的環(huán)境問(wèn)題,包括水化學(xué)和同位素等在內(nèi)的地球化學(xué)工具已經(jīng)廣泛用于此類(lèi)問(wèn)題的研究[17]。地下水咸化的原因很多,不同地區(qū)有其不同的咸化過(guò)程,比如沿海地區(qū)海水入侵造成地下水咸化。根據(jù)李丹等[6]研究,廣州市南部為水頭低值區(qū),其沿海/河流部分受到海水入侵的影響?；谝陨咸攸c(diǎn),嘗試?yán)玫叵滤w中氘過(guò)量參數(shù)和EC的分布特征進(jìn)行研究,對(duì)受海水入侵的地下水井進(jìn)行識(shí)別。

根據(jù)XIE等[18]研究,2007—2009年,廣州市大氣降水中d-excess 的年平均值約為12.1‰。由大氣降水補(bǔ)給的地下水,它的氘過(guò)量參數(shù)(d-excess) 的初始值是當(dāng)?shù)卮髿饨邓鄳?yīng)的值。圖3所示,A區(qū)域地下水和河水中EC值的變化范圍為260～1 130 μS/cm,平均值約為494 μS/cm,而d-excess值的變化為8.6‰～12.1‰,平均值為10.1‰,且河水中EC值變化范圍與其相似。這說(shuō)明,A區(qū)采樣點(diǎn)中地下水受海水影響較小。B區(qū)采樣點(diǎn)中d-excess值與A區(qū)采樣點(diǎn)差異較小,但EC值顯著高于A區(qū),其EC值的變化范圍為8 600～11 100 μS/cm,這說(shuō)明,該區(qū)海水的入侵對(duì)該區(qū)地下含水層存在一定程度的影響。C區(qū)d-excess值顯著低于A、B區(qū)采樣點(diǎn),且電導(dǎo)率均高于19 000 μS/cm以上。一方面,低的d-excess值與較長(zhǎng)的地下水滯留有關(guān),另一方面,高的EC值則說(shuō)明受海水入侵顯著。綜合前人研究及本次結(jié)果說(shuō)明,NS10和PY5可能受海水影響。

圖3 不同水體中 EC與d-excess關(guān)系

2.3 溶解無(wú)機(jī)碳同位素組成特征

圖4 地下水中 與δ13CDIC關(guān)系

研究區(qū)淺層地下水δ13CDIC的值大部分位于-3‰～-9‰之間,且該處含水層多為第四系孔隙水及層狀巖類(lèi)裂隙水,為相對(duì)開(kāi)放的地下水環(huán)境,既遠(yuǎn)高于開(kāi)放水環(huán)境中的土壤CO2輸入的δ13CDIC值,也高于來(lái)自糞肥和生活污水等有機(jī)質(zhì)分解產(chǎn)生的DIC碳同位素值。這說(shuō)明,本區(qū)外源酸的輸入是造成淺層地下水中δ13CDIC顯著偏高的主要原因。

表3 主要相關(guān)系數(shù)矩陣

圖值和濃度變化特征

3 結(jié)論

a)研究區(qū)淺層地下水和河水的氫氧同位素組成幾乎均位于當(dāng)?shù)卮髿饨邓€右下方,地下水來(lái)源為大氣降水,而且降水在補(bǔ)給地下水之前經(jīng)歷了一定程度的蒸發(fā)作用引起了同位素富集;廣州市北部從化區(qū)地下水和地表水存在密切的水力聯(lián)系,降水直接補(bǔ)給地下水,受蒸發(fā)作用影響較小;廣州市南部南沙區(qū),采樣點(diǎn)位于沿海附近,地下水可能受沿岸海水入侵的影響。

b)從化區(qū)地下水中氘過(guò)量參數(shù)(d-excess)值受含水層滯留時(shí)間控制影響明顯,廣州市南部沿海地區(qū)d-excess顯著偏低與海水影響有關(guān)。