同位素技术在河南省豫北平原地下水源地规划中的应用

苗晋祥

(河南省地质调查院，河南 郑州 450001)

半个世纪以来，豫北平原(即华北平原河南部分)随着工农业和城市建设的不断发展，地下水开采量与日俱增，加上自然因素的影响，地下水环境发生了较大的变化。多数地区地下水入不敷出，已形成了濮清南和温孟武陟区域地下水位降落漏斗，以及安阳、濮阳、新乡城市地下水降落漏斗，沿黄湿地锐减;岩溶水水位持续下降，河南辉县百泉泉水断流。由于地下水位下降产生的环境地质问题还有濮阳地面沉降。

以牺牲环境为代价的人类工程经济活动的不断加剧，城乡垃圾的乱堆乱放，工业废水及城市生活污水的随意排放，农业农药化肥的施用，这些因素对人们赖以生存的环境产生了严重的影响。豫北平原沿河道、城市周围及部分农田区浅层地下水也因此遭受不同程度的污染。

为查明豫北平原地下水形成与演化规律、循环演化模式，中国地质调查局在工作区安排了国土资源大调查项目“华北平原地下水资源可持续利用调查评价(河南)”(200310400004)的地下水同位素研究。

同位素技术对于地下水的深入研究和定量化、微观化至关重要，它可以提供地下水系统的详细信息，不同成因的地下水具有不同的同位素特征，稳定同位素的分馏原理和放射性同位素的衰变原理，为地下水的补给来源、运移速度、滞留时间、排泄过程及转化和地下水质和量的深入研究，提供了重要手段［2］。

1 研究区概况

研究区地处华北平原的河南省北部，简称豫北平原，西北以太行山为界，南部以黄河为界，北部、东部与河北省和山东省为临，工作区地处黄河冲积平原的上游，西北部为山前倾斜平原(见图1)。

豫北平原分属黄河与海河水系，以黄河为其南界。重要的河流有黄河和卫河，据黄河花园口水文站1949～1994年资料，黄河多年平均流量为1 387 m3/s，最大流量22 300 m3/s(1958年7月17日)，最小流量断流，濮阳南黄河段最长断流时间为226天(1997年)。区内引黄渠系成网，水利条件优越。区内重要的引黄渠道有:焦作市、新乡市的武嘉灌渠、人民胜利渠，新乡市的韩董庄、祥符朱、大功、石头庄灌渠，濮阳市的濮清南、彭楼、邢庙、王集等灌渠。

黄河冲积平原是由多期冲积扇叠置而成，工作区地下水主要赋存于其中的各种砂及粉土的孔隙中，是一个形状复杂的含水地质体。在垂向上可分为浅层含水岩组和深层含水岩组。

图1 工作区地貌图

浅层含水层包括全新统、上更新统、中更新统含水砂层，含水层底板埋深一般为60～120 m，平均厚度40～50 m，自顶部向东北颗粒变细，厚度变大，由上游到下游含水层颗粒由粗砂变为细砂。浅层地下水补给项有大气降水入渗、黄河侧渗、引黄灌溉入渗与引黄渠道渗漏、河道渗漏、地表坑塘及引黄蓄水池、侧向迳流补给，其中引黄灌溉和引黄渠道渗漏已成为浅层地下水的重要补给项。浅层地下水的排泄方式主要为开采和蒸发，侧向迳流排泄已变为次要项。浅层地下水总迳流方向由西南流向东北，由于受人工开采和引黄灌溉的影响，局部流场发生变化;在地下水开采漏斗区，地下水由漏斗周边向中心流动;在沿黄渠道与引黄蓄水池一带，地下水以渠道或蓄水池为中心向两侧及下游流动。

深层含水层组包括中更新统下段和下更新统的砂、砂砾石组成，底板埋深200～340 m，平均厚度40～80 m，含水层岩性由盆地边缘至中部的砂砾石、粗砂变为细砂、细粉砂。深层水主要接受西南方向的侧向迳流补给;在省界以侧向迳流方式排泄入外省，在濮阳油田一带由于开采已形成局部地下水漏斗，迳流方向为西南流向东北。

2 样品布置与测试

样品布置:同位素样品按不同水文地质单元、不同层位、地表水分别布置了样品，基本控制了全区，同位素分析样175件(见图2)，收集了50组同位素样品数据，同时还引用了吉林大学、北京师范大学、中国地质科学院水文地质环境地质研究所的同位素方面资料和论文。布置水化学样290件，收集了2001～2005年的水化学资料;布置地下水位统调5次，地下水位长观40井等工作。

图2 同位素采样与剖面布置图

样品测试:所有采集的水样在中国地质科学院地下水科学与工程重点开放实验室进行了稳定同位素的分析处理。18O采用水平衡法，D(2H，氘)采用Zn法，13C采用磷酸法，14C采用Quantulus－1220(LKB)低本底液闪仪，T(3H，氚)采用Quantulus－1220(LKB)低本底液闪仪测定。质谱仪型号为MAT－251。计量单位采用的国际标准为:D、18O均为SMOW‰，13C为PDB‰，14C为pmc，T为 TU。分析精度 D为2‰ ，18O、13C 为 0.2‰，T为 1TU，14C 为 1%(pmc)。

在物理课堂教学中，要做好与力学相关的演示实验，首要工作是根据物理课堂教学内容和教学目的进行力学课堂演示实验设计。力学演示实验的设计要尽可能采用简单常见的仪器，仪器个数尽量少，设计的选题要尽可能与日常生活实际相联系，实验的原理要在学生理解范围之内。力学演示实验的设计应是建立、巩固物理概念或引入课题的定性演示，没有必要过分将操作过程和操作方法复杂化。而且，演示实验设计特别强调直观性，它包含实验过程、实验器材、实验现象的直观性。

样品采集严格按规程进行，对不符合要求的样品进行了补充采样。为了保证质量，按样品数量的5%取了对比样，经对比，18O、13C、14C数据误差较小，可直接选用;而D(2H)、T(3H)误差较大，在与18O、13C、14C数据的对比修正下，可以利用。

3 同位素T(3H)估算的浅层地下水更新速率研究［1，4～8］

地下水更新速率(Renewal rate)定义为地下水系统中补给水体积与含水层总水体积的比。地下水中的放射性核素氚通常作为降水补给和水在含水层中运移的标记，最近，Le Gal La Salle［7］等提出了利用氚来计算地下水的平均更新速率，其原理简要介绍如下:假设含水层是稳定状态，即水的输入等于输出，地下水连续补给且完全混合。则地下水中的氚含量通过放射性衰变和年输入变化来计算:

式中:Rr为多年平均更新速率(%/a);Ag为地下水的T(3H)含量(TU);A0为输入水的 T(3H)含量(TU);Λ为放射性常数(T(3H)=0.05626/a);i为时间(年)，0计算年(初始年定为大气核爆前，定为公元1952)，如以公元1997年为计算年，则i从0到45年(对应于1997～1952年)。

方程(1)考虑了自1952年以来氚的年输入变化，1952年以前，假设系统是稳定状态，地下水的含量以常量A0输入(氚为10TU)计算:

考虑到随年降水变化，年补给发生变化。假设年补给与年降水成比例关系，那么，年更新速率Rri可以从年降水加权平均更新速率Rr得到:

如果补给与年降水量成线性关系，那么，某年的更新速率Rri等于平均更新速率R乘以当年降水量(Pi)占多年平均降水量(Pm)的百分比。但是，在干旱、半干旱区，这种关系通常不完全适用，因此，在考虑发生补给的极限降水量值(Pt)的情况下，年更新速率表示为:

对于各区如果有Pt值则直接应用，如果没有则可以利用当地气象站最小年降水量近似代替。更新速率计算通常采用降到地面的降水氚含量年加权平均浓度作为地下水系统的输入函数，我国大陆广大地区缺少1952年以来的系统观测资料，因此，本次工作是在重建的石家庄地区大气降水氚浓度时间序列的基础上进行的。

计算过程首先恢复输入函数，然后给定一系列更新速率(如0% ～100%/a)，计算输出浓度，作出Rr—输出浓度模拟曲线图，通过图解确定每个样品实测数据代表的更新速率(图 3)。

地下水的更新速率随着水位埋深增加而减小，在冲积扇顶部，地下水系统平均更新速率很高，在焦作至辉县山前与黄河补给影响地带、引黄灌渠与河流两侧浅层地下水的更新率较大，一般4～10%/a，冲洪积扇顶部与近黄河地带大于10%/a;向下游水位埋深10～20 m，地下水系统平均更新速率减小，工作区西部至地下水位降落漏斗的西边缘2%/a至4%/a;一般地下水位降落漏斗区1～2%/a，漏斗中心区小于1%/a。

表1 城市应急地下水水源地供水地质条件概况表

地下水的更新速率与包气带岩性有关，在冲积扇上部，包气带岩性以砂砾石夹少量粘土为主，而在冲积扇边缘，包气带岩性以粉质亚粘土和亚砂土为主。在水位埋深小于30 m的情况下，前者平均更新速率可达5% ～33%/a以上，而后者为仅1.5% ～2.5%/a，说明地下水的补给具有空间不均匀性。

假设整个研究区地下水更新速率的统计中值(2.8%/a)代表该区的总体更新速率，以含水层平均厚度40 m、平均有效空隙度为0.2来计算，地下水的补给强度是224 mm/a，与利用降水入渗系数为0.2～0.3得出的降水补给量相当。

中国地质大学的天然环境氯离子质量平衡法试验成果的更新速率:山前冲洪积扇区(埋深10～15 m，粉土)为0.082，平原区(埋深 30～35 m，粘性土与粉土互层)为0.055，与本次估算的浅层地下水更新速率基本一致。

图3 浅层地下水平均平均更新速率等值线与应急地下水水源地分布图

4 同位素技术在地下水水源地规划中的应用［1，9 ～11］

应急地下水水源地按浅层地下水更新速率和地下水年龄特征分为四个类型(见表1，图3)，沿黄强补给型;引黄灌溉补给型;山前侧向强迳流与河流补给型;岩溶水补给型应急地下水水源地，它们的同位素特征为:

(1)沿黄强补给型:地下水更新速率大于4%/a;地下水年龄小于10年;地下水样同位素特征与黄河水样相似，受黄河上游补给区纬度与高程效应的影响，18O、D、13C值低，T、14C值高。

(2)引黄灌溉补给型:地下水更新速率1～4%/a;地下水年龄5～10年;地下水样同位素特征与黄河水样接近，受当地降水的影响，18O、D值较沿黄强补给型略有升高，18O值较低并构成封闭区、D值特征不明显;13C值较低，但比黄河侧渗补给源高;T、14C值较高，但比沿黄强补给型低。

(3)山前侧向强迳流与河流补给型:地下水更新速率一般大于2%/a，个别可大于1%/a;地下水年龄小于15年;焦作至辉县地下水补给距离长，18O、D值低、而卫辉至安阳补给地下水距离短，18O、D值较高;受上游碳酸盐岩的影响，13C值较沿黄强补给型略有升高，属中等值;T、14C值较高。

(4)岩溶水补给型:地下水更新速率大于1%/a;地下水年龄5～20年;18O、D值中等与浅层地下水相似;受上游碳酸盐岩的影响，13C值较高与浅层地下水有较大差别;岩溶水都含有T，14C值一般较低。

在同位素T(3H)估算了浅层地下水更新速率和地下水年龄的基础上，充分考虑了地下水的可恢复性和地下水资源可持续利用，制订应急地下水水源地的规划的原则为:

(1)选择浅层地下水更新速率较大的，一般大于1.0%/a，地下水年龄小于15 a，补给条件较好，具有较强的恢复更新能力、有利于改善环境的区域;

(2)具有地下水水源地的特征(储量、供水能力):有良好的含水层空间。一般选择在古河道带，砂层厚度大的地方，有良好的水质;

(3)具有较大的地下水调节能力:地下水应急供水水源在一定时期内，允许按一定的地质环境约束下动用地下水储存量;

(4)具有经济可行性:以浅为主，减少投资成本。

根据上述这几项原则对工作区20个市县规划了20处地下水应急供水水源地，供水开采量共34×104m3/d。

5 综合分析讨论

将同位素技术用于地下水更新恢复能力研究，对于地下水可持续利用意义重大，应注重以下两方面的研究:

(1)用同位素T(3H)估算的浅层地下水更新速率。过去，在浅层地下水资源评价中，由于对地下水更新能力的认识不够，对地下水的可开采资源量估计的过高，因而许多地区的开采强度大大超过地下水的天然更新速率，产生了一系列与地下水开发利用有关的环境问题，同位素T(3H)估算的浅层地下水更新速率充分考虑了地下水的可恢复性，这在制订地下水资源可持续利用规划中是至关重要的，是传统的地下水资源量不可替代的参数，利用同位素技术估算地下水的更新速率是今后的很重要的研究方向。

(2)用地下水同位素更新速率评价地下水资源量方法研究:需进行新的地下水同位素元素研究、浅层地下水的更新深度的研究，建立区域同位素系列(大气降水、地表水、地下水)长期观测资料，为计算地下水补给强度提供依据。

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