地下水资源可更新性的环境同位素研究

胡伟伟,李 婷,马致远 ,豆惠萍

(长安大学环境科学与工程学院,陕西 西安 710054)

0 前言

地下水可更新性的确定对于当地地下水资源可持续开发利用具有非常重要的意义。地下水资源可更新性是人类利用地下水对于时间尺度的一个相对概念,它体现了地下水资源可持续供给的能力。地下水不同的交替时间反应了更新能力的强弱。在几十年内更新的地下水,与地表水或现代大气降水联系密切,可更新性强;上百年更新的地下水,与地表水或现代大气降水有一定联系,可恢复性不强;上千年更新的地下水,几乎与地表水或现代大气降水没有联系,相对于人类利用的时间尺度是不可更新的[1]。地下水资源可更新性是体现地下水补给、径流、排泄条件的一个综合指标,可通过分析地下水在含水层中的滞留时间以及地下水的年龄来反映地下水的可更新性。相对其他传统方法而言,利用环境同位素技术来研究地下水的起源、补给等条件,进而分析含水层系统中地下水的运移时间和水资源的可更新性更具有时效性和客观性,是目前国内外非常新颖的方法[2-4]。本文以鄂尔多斯盆地白垩系地下水为例,利用环境同位素研究当地地下水资源的可更新性。

1 研究区概况

鄂尔多斯盆地地处我国干旱—半干旱缺水地区,水资源短缺已经成为制约区域经济发展的主要因素。在鄂尔多斯盆地中西部地区分布有面积为 13.21万 km2的白垩纪地层,是由白垩系下统保安群陆相碎屑岩构成大型沉积盆地,其中未完全胶结的砂岩和砾岩是盆地内主要的含水层,位于鄂尔多斯盆地中西部,白垩系地下水是鄂尔多斯盆地地下水研究的主体。平面形状似矩形,南北延伸 640 km,东西宽 200～265 km,面积为 13.21万 km2。区内多年平均降水量为 150～550mm,降水量从东南向西北递减。本区河流均属黄河水系,黄河呈“几”字形从盆地的西、北、东三面环绕流过。黄河及其支流总体上是鄂尔多斯盆地地下水的最终排泄渠道。由于不同时期地质构造作用和沉积特征的差异,使盆地南北两侧的水文地质结构和地下水的形成条件存在着明显差异[5]。大致以白于山北麓鄂托克前旗靖边县城北一线为界,白垩系地下水盆地可划分为盆地北部沙漠高原单一结构地下水系统和盆地南部黄土高原多层结构地下水系统。

图1 研究区地貌及白垩系三维图

2 盆地不同地区白垩系地下水 H、O同位素特征及其指示意义

2.1 研究区南、北部 H、O同位素特征及其指示意义

鄂尔多斯盆地白垩纪地下水南、北部H、O稳定同位素分布特征及其关系如图 2所示,可以看出南区与北区 δD、δ18O值均落在大气降水线附近,指示南北区地下水皆起源于大气降水。北区水样大多落到大气降水线上,指示盆地北区白垩系地下水为现代大气降水补给,且地下水滞留之间短,水交替积极,水循环条件好。南区大多数水样则相对偏离大气降水线,指示其地下水滞留时间相对较长,水交替较慢,水循环条件较北区差。同时,南区与北区 δD、δ18O值存在较大差异,南区 δD值远低于现代大气降水。δD值主要受补给时的高程和温度两个因素的制约,其实质为温度效应。说明南部白垩系地下水接受补给时候的温度较低,应属于年代久且远寒冷气候下的降水补给。因此研究区白垩系北部的地下水较南部交替积极,水循环条件好,地下水滞留时间短,可更新性好。

图2 鄂尔多斯盆地白垩系地下水南北区δD～δ18O关系

2.2 研究区东、西部 H、O同位素特征及其指示意义

图 3显示了研究区白垩系地下水东西部 δD与 δ18O值分布特征,首先所有水样点皆落在大气降水线附近,说明其来源为大气降水。同时除地表水外所有水样δD与 δ18O值都不同程度的偏离了大气降水线,位于大气降水线右下方,发生了程度不等的 D漂移。西部白垩系地下水 δD与 δ18O值偏离当地大气降水 δ值较小,表示西部白垩系地下水与大气降水水交替积极,地下水滞留时间相对较短,水循环条件好。东部水样点则相对较大程度的偏移了当地大气降水 δ值,δD与 δ18O值都小于大气降水,指示其接受补给补给年代久远,补给时的温度较低,水循环条件差,地下水可更新性差。因此研究区白垩系西部较东部的水循环条件好,水交替积极,地下水滞留时间短,地下水资源可更新性好。

图3 鄂尔多斯盆地白垩系地下水东西区δD～δ18O关系

2.3 研究区浅部和深部 H、O同位素特征及其指示意义

其中各水点均落在当地大气降水线附近(图 4),指示南区水样皆来源于现代大气降水补给。值得注意的是南区浅层(小于 100 m)与深层地下水具有较明显的差异,浅层地下水的 δD与 δ18O值较高,接近现代大气降水 δD、δ18O值,说明浅层水与大气降水有更好的水力联系,补给和径流条件好,地下水滞留时间短,可更新性好。深层水(大于 300m)的 δD与 δ18O值相对较小,指示其补给径流条件较差,地下水滞留时间相对较长,可更新性差。

图4 鄂尔多斯盆地南区 δD～δ18 O关系

3 盆地不同地区白垩系地下水 TU值及值及14 C、CFCS特征及其指示意义

3.1 TU值特征及其指示意义

氚是现代水的标志,其大小用单位体积水中氚的浓度表示,即 TU值[6-7]。根据采样氚浓度和取样深度,得到盆地南北两区浓度与深度之间的关系(图 5、图 6)。可以看出,地下水 TU值以 200 m的深度为界,上下差异很大。采样点多数分布于深度小于 210m的含水层中,表明其为现代水积极循环带。当深度大于 210m时,地下水氚浓度多数小于 1.2,水循环速度变慢。部分采样深度小于 210m的采样点的氚浓度低于测试精度,主要原因是其位于中深层水的排泄区,所采集样品现代水所占比例较小而造成的。

图 5 盆地北区地下水深度与 TU值关系

图 6显示了南区 TU值与深度的关系,发现南区现代水的循环深度要比北区浅一些,仅达到 160m。从图 5、图 6中均可以发现在深度大于现代水循环深度以下的含水层中,也有部分样品的浓度较大。这可能是采样或测试时出现的错误或误差所引起的。

以上方法由TU值所确定的现代地下水循环深度北区为210m左右、南区为 160m左右,将盆地内地下水分为浅层地下水和中深层地下水。北区现代大气降水循环深度较深,指示北区地下水与大气降水交替积极,水循环迅速,滞留时间短,可更新性好。而南区循环深度不及北区,指示南区水交替条件不及北区,地下水滞留时间较长,可更新性差。这与H、O稳定同位素所反映的南北区地下水循环特征一致。

图 6 盆地南区地下水深度与 TU值关系

3.2 14 C值特征及其指示意义

从研究区地下水 δ18O与地下水 C14年龄的相关曲线图(图 5)可以看出,3万年以来区内地下水氢氧稳定同位素明显偏重,这与区域近代气候演变有着密切的关系[8]。同时北区地下水年龄远低于南区,指示北区地下水多为近现代大气降水补给,水循环交替积极,地下水可更新性好,南区则相反。这与H、O稳定同位素及 TU值所反映的地下水可更新性相吻合。

图 7 盆地白垩系地下水 δ18 O与14 C年龄相关图

3.3 CFCS值特征及其指示意义

近年来利用人工释放所产生的 CFCS作为示踪剂测定地下水年龄的方法受到广泛关注,CFCS法被认为是确定 50年以来补给形成的年轻地下水年龄的有效工具[9-10].由 CFCS确定的不同区域不同深度地下水年龄如表 1所示。可以看出随着深度的增加,地下水年龄呈递增趋势,指示地下水循环条件变差,可更新性降低。新地层中地下水的年龄小于老地层中地下水年龄,主要是由于大气降水循环深度有限造成的,新地层中几乎都是现代循环水,可更新性好。

表1 CFCS确定不同含水层和深度地下水年龄

4 地下水开采对于可更新性的影响

自然条件下盆地中的补给、径流、排泄条件各异,从而构成了不同的地下水系统,进而决定了不同地下水系统的循环条件和可更新性。但是当地下水被大规模开采之后原有的补给、径流和排泄条件被改变,地下水位变动,地下水化学性质改变,同位素特征也发现相应的变化,原有的地下水系统平衡被打破。如图 8、9为盆地中

图 8 吴坡抽水前后同位素变化

图 9 贤沟抽水前后同位素变化

吴坡、贤沟两地抽水前后地下水中 δD、δ18O、氚(TU值)的变化。显然随着地下水的开采,吴坡、贤沟两地地下水中δD、δ18O、氚值都呈现降低的趋势,主要是由于 δD、δ18O、氚值相对较小且年代久远的深层水混入。对于深层水而言,径流加速,大气降水与浅层水参与到深层水的循环中来,浅层水与深层水之间的水力联系加强。

5 结论

(1)鄂尔多斯盆地白垩系地下水 δD、δ18O、14C呈现区域性特征,氚值(TU)CFCS呈现深层–浅层变化的特点。δD、δ18O、14C、氚值北部大于南部,西部大于东部;浅层地下水δD、δ18O、氚值、CFCS大于埋深较大的地下水;

(2)盆地北部较南部、西部较东部水循环条件好,地下水与大气降水交替积极,滞留时间短,地下水年龄较轻,可更新性好。

(3)盆地浅层较深层水循环条件好,表层和浅层水交替积极,地下水滞留时间短,可更新性好。由氚值确定的北部现代水的循环深度约为 200m作用,南部现代水的循环深度约为 160m左右。

(4)人类对于地下水的开采活动改变了原有地下水系统的平衡,从而改变了地下水的属性。一定要根据盆地不同区域和深度的可更新性适度开发,否则会引起地面沉降及一系列生态环境问题。

[1]Ian D.Clark,Peter Fritz.Environmen tal Isotopes in Hydrogeololgy[M].New York：Lewis Publishers.1997：208-225.

[2]Carrillo-Rivera,J.J.,Clark,I.D.and Fritz,P.,1992.Investigation recharge of shallow and paleo-groundwaters in the Villa de Reyesbasin[J],SLP,Mexico with environmental isotopes.Applied Hydrogeology,4：35～ 48.

[3]马致远,钱会.环境同位素地下水文学[M].陕西科学技术出版社,2003.8.

[4]万军伟,刘存富,晁念英,王佩仪.《同位素水文学理论与实践》[M].中国地质大学出版社,2003.10.

[5]张茂省等.鄂尔多斯盆地地下水资源可持续性利用研究：陕西渭北东部岩溶水环境同位素[C].陕西科技出版社,2004.

[6]马致远.环境氚技术在我国北方隐伏岩溶地下水资源评价中的应用前景[J].地下水,1998,(3).

[7]马致远.用天然氚确定隐伏岩溶水滞留时间及含水层参数[J].煤田地质与勘探,1998,(3).

[8]侯光才,张茂省.鄂尔多斯盆地地下水资源与可持续利用[M].陕西科学技术出版社,2004：40-45.

[9]李晨,秦大军.关中盆地浅层地下水 CFC年龄的计算[J].工程勘察,2009,(9).

[10]钱云平,林学钰等.应用同位素研究黑河下游额济纳盆地地下水[J].干旱区地理,2005,28(05).