氢氧同位素在曹妃甸地区水循环研究中的应用

方成，柳富田，孟利山，刘宏伟，秦雅飞，郑锦娜

（中国地质调查局天津地质调查中心，天津 300170）

氢氧同位素在曹妃甸地区水循环研究中的应用

方成，柳富田，孟利山，刘宏伟，秦雅飞，郑锦娜

（中国地质调查局天津地质调查中心，天津 300170）

本文中笔者利用双龙河剖面采集的D、18O同位素分析曹妃甸地区不同水体间的相互关系，识别区域水循环特征。研究发现区内河水、潜水和承压水均起源于大气降水，三者之间存在密切的水力联系；在三个区段上地下水具有不同的补径排条件；区内地下水循环系统可以划分为浅、中、深三级循环系统。

氢氧同位素；水循环；曹妃甸

氢氧是水分子组成部分，化学性质比较稳定，其中的D和δ18O是研究水循环的理想示踪剂。国内外众多学者通过分析不同水体中两者的关系,并与全球大气降水线进行比较,来研究地下水起源[1,2]、大气降水－地表水－地下水间相互关系[3,4]、地下水水循环深度[5]等,揭示地下水的形成和运移过程[6-8]。

曹妃甸区将规划建设为人口密集的国际生态城和工业化基地区。水资源是影响曹妃甸新区经济发展的关键因素，自上世纪80年代以来，沿海地区由于人工开采深层地下水，形成了地下水漏斗，引发了地面沉降、淡水咸化等环境地质问题。区内用水量已经接近可开采的下限，至2020年将面临水资源短缺的问题[9]。

本文针对区域地下水开采受人类活动影响比较剧烈这一特点，利用D、18O同位素特征分析典型剖面地下水补给来源及不同水体间的相互关系，研究曹妃甸地区水循环特征,研究成果可为深入研究和防治地面沉降、海（咸）水入侵等环境地质问题提供基础数据，对指导地下水资源合理开发和保护保障曹妃甸地区经济可持续发展具有重要意义。

1 研究区概况

曹妃甸地区位于河北省唐山市的南部，黄骅台陷的东北端，发育巨厚的新生界。新生代沉积物厚度随着基底的起伏而变化，底界埋藏深度一般在350～500 m，自下而上为下更新统、中更新统、上更新统和全新统。

区内分布有滦河、大清河、陡河、新陡河、沙河、双龙河、青龙河、溯河、清河等水系。研究区属滦河地下水系统，北部为滦河冲洪积扇孔隙淡水系统子区，南部为滦河冲积海积孔隙咸水系统子区[10]。第四系含水层组可划分为四个含水层组。Ⅰ含水层组底界面埋深10～20 m；Ⅱ含水层组底界面埋深120～170 m；Ⅲ含水层组底界面埋深250～350 m；Ⅳ含水层组底界面埋深350～550 m。浅层地下水系统与Ⅰ和Ⅱ含水岩组相对应[11]，深层地下水系统与Ⅲ和Ⅳ含水岩组相对应。在淡水区主要开采第Ⅰ、Ⅱ含水层组；在咸水区主要开采第三含水层组，个别厂矿企业用水开采第四含水层组。区内新生界沉积岩相复杂，很难见到非常稳定的隔水层，由于地下水开采活动人为沟通了不同含水层，各含水岩组间存在一定的水力联系[12]。

双龙河剖面位于研究区的中部，北起山前雷庄镇，南至渤海，长度约78.6 km，北高南低，地形坡度约为0.55‰。剖面走向大致与双龙河平行，同地下水流向大致相同。第四系厚度变化较大，介于90～610 m之间，自北向南厚度不断增加（图1）。

2 样品采集与测试

同位素采集工作分别在2009年7－11月和2010年7月进行，分别采集了大气降水、地表水和地下水（图2）。地下水均采自饮用水井和农灌用井，在样品

采集前,预先抽水5～10分钟，排除井管中积水，再装入聚氯乙烯采样瓶中。样品送至中科院地质与地球物理研究所稳定同位素分析实验室测试，氧同位素采用二氧化碳－水平衡法及毫克级微量水平衡法完成，通过测定与水相平衡的二氧化碳中的18O/16O值来确定水中的氧同位素组成；氢同位素采用铬法提纯技术，进行IRMS测定其δD。δD、δ18O分析误差均在1‰以内。

文中2009年部分分析数据是采用中科院地质与地球物理研究所采集的同位素测试结果（表1）。

图1 曹妃甸地区双龙河水文地质剖面Fig.1 Hyd rogeo logic p ro file o f the Shuang long river in Cao feidian area

图2 取样点位置分布图Fig.2 Sam p ling location in the Shuang long river

潜水

表1 双龙河剖面同位素测试结果Table1 Test resu lts o fδ18O andδD in the Shuang long river p ro file

3 不同水体同位素特征分析

3.1 大气降水

天津位于唐山西南108 km，两个地区同属大陆气候特征，温度、降雨、蒸发等特征相近。因此，研究选用国际原子能机构在天津地区的雨水同位素数据代表曹妃甸区域大气降水同位素特征。利用64组长期监测数据，得到该区的雨水线方程（图3）：

δD=6.61δ18O+0.69（n=64，R2=0.87）

天津当地雨水δ18O平均值为-7.18‰，δD平均值为-46.86‰，与全球雨水线方程δD=8δ18O+10相比，天津雨水线斜率明显偏小，反映出沿海地区虽然降水比较丰沛，但受到较强烈的蒸发作用影响，偏离全球雨水线。

3.2 地表水

3.2.1 海水

2009－2010年两批样品测试结果显示δ18O平均值为-0.97‰，δD平均值为-8.1‰，富集重同位

素。对比发现，2010年海水明显贫重同位素，可能是由于采样点位置差异导致（图4）。

3.2.2 河水

2009年、2010年分别采集双龙河水样品3组和4组。测试结果显示，δ18O平均值为-26.67‰，δD平均值为-27.67‰，均分布于雨水线的右上方（图4、图5），富集重同位素，反映其为大气降水来源，但由于受蒸发浓缩作用影响强烈，偏离当地雨水线。

河水形成的蒸发线为：

δD=4.07δ18O-15.51（n=7，R2=0.85）

河水蒸发线斜率低于当地雨水线，反映蒸发浓缩作用对河水有较大影响。2010年河水比2009年更加富集重同位素，可能是受到2010年双龙河河道修建橡胶坝、碎石坝的影响，阻碍了水体流动，河水在河道中滞留时间过长引起。

3.3 地下水

3.3.1 剖面地下水

2009-2010年双龙河剖面地下水的δ18O-δD

关系（图4）显示，潜水和承压水均位于雨水线的左下方，总体沿雨水线分布，且斜率与全球雨水线基本相同，反映其主要为大气降水起源。潜水明显比承压水富集重同位素，反映了蒸发作用对潜水的影响。

图3 天津地区大气降水δ18O-δD分布图Fig.3 Re lationship betweenδ18O andδD o f p recip ita tion in Tian jin

图4 双龙河剖面地表水和地下水δ18O-δD分布图（上2009，下2010）Fig.4 Re la tionship be tw eenδ18O andδD o f su rface w ater and ground water in the Shuang long river（top：2009,bottom:2010）

3.3.2 区域地下水

利用2009-2010年区域上采集的地下水同位素资料分析，δ18O表现出了分层性差异（图5）。总体上δ18O随深度增加而偏负，显示出潜水和承压水的循环条件具有差异性，且受到的影响因素不同。

大致以100 m深度为界，在0～100 m深度范围内，δ18O普遍高于-8.5‰，较富集重同位素，反映潜水受到较强烈的蒸发作用影响；在100 m深度以下，δ18O普遍低于-8.5‰，多表现贫重同位素，反映承压水受到大气降水直接补给或有其他贫同位素的补给来源，部分样品出现重同位素富集，可能是接受浅部含水层中越流补给导致。

3.4 径流方向变化特征分析

3.4.1 2009年

从不同水体的δ18O和δD变化曲线（图6）可以看出，河水与地下水显现出较为一致的变化趋势。

河水与潜水的变化趋势近于同步，在实际调查中发现，四场一队以北地区，潜水水位埋深较大，局部地区甚至达到了几十米，普遍低于河水位，排除了该区段潜水补给河水的可能，该区段河水补给潜水。

潜水与承压水的变化趋势也表现出相似的峰谷变化，且承压水的总体变化滞后于潜水，反映两者具有较为密切的水力联系，承压水可能受到潜水补给的影响。

3.4.2 2010年与2009年变化对比分析

2009年和2010年不同水体的δ18O和δD变化特征存在一定的异同（图7）。

河水变化趋势基本一致，仅重同位素的富集程度略显差异。潜水的δ18O和δD变化较小，仅入海

口处潜水样品出现极富集重同位素的特征,主要是受取样深度和径流条件变化影响导致。承压水的δ18O和δD总体上显现出下降的趋势，古冶区王辇庄乡后水峪村至曾家湾一带，承压水表现出重同位素偏负的特征，表明该区段的承压水接受了贫重同位素的水体补给；自曾家湾至入海口一带，承压水δ18O和δD含量总体与2009年相比趋于稳定。

图6 2009年双龙河剖面地表水与地下水δ18O（左）和δD（右）变化曲线Fig.6 Change curve o fδ18O（le ft）andδD（right）in surface water and groundwater o f shuang long river p ro file at2009

图7 2010年双龙河流程地表水与地下水δ18O和（左）δD（右）变化曲线Fig.7 Change curve o fδ18O（le ft）andδD（right）in surface water and g roundw a te r o f Shuang long rive r p ro file a t 2010

4 讨论

从径流方向上分析，自山前至渤海可以分为三个区段：1）山前至曾家湾以北区段，为地下水补给区，地下水接受大气降水和地表水的混合补给，潜水受地下水蒸发作用影响较小。2）曾家湾以南至四场一队区段，为地下水补给和径流区，潜水接受河水补给，承压水接受潜水补给。3）四场一队以南至海边区段为地下水径流和排泄区，潜水受到较强蒸发作用影响，承压水接受潜水补给。

垂向上分析，在深度上可以将地下水划分为浅、中、深部三级循环系统。

根据δ18O垂向上表现出的重同位素富集差异，将100 m以上划分为区域浅部循环系统，大气降水是主要的补给来源，在北部淡水区，人工开采是最大的排泄方式，在南部的有咸水区，以蒸发和向下越流为主要排泄途径。区内承压水开采深度主要在400 m以内，前人研究成果发现区内第四含水层组几乎没有现代水的补给，具古封存水的特征[13]，据此将中部循环系统的循环深度定为100～400 m。中部循环系统以大气降水为重要补给来源，接受上部循环系统入渗与底部含水层向上越流的补给，以人工开采作为主要排泄途径。400 m深度以下为深部循环系统，地下水的径流交替较为缓慢[13，14]，主要依靠大尺度区域上地下水侧向渗流补给[15]，排泄于人工开采、上部循环系统及渤海地区。

研究发现，曾家湾至入海口地区间，承压水δ18O、δD数据在2009年与2010年相对稳定，推断这一区间的承压水在一年的周期中补径排条件处于较

为稳定的状态。在维持现状的开采条件下，这一区段的补径排条件是否能够长期处于相对平衡的状态还需要详细地分析和长期的监测研究。

5 结论

利用δ18O和δD同位素比值对曹妃甸区域水循环特征的研究得到以下认识：

（1）区内河水、潜水和承压水水均起源于大气降水。

（2）曾家湾以北地区，地下水接受大气降水和地表水的混合补给。曾家湾以南至四场一队地区，潜水接受河水补给，承压水接受潜水的补给。四场一队以南至渤海地区，潜水受到较强蒸发作用影响，承压水接受潜水补给。

（3）区内地下水循环系统可以划分为浅部（循环深度0～100 m）、中部（循环深度100～400 m）和深部（循环深度400 m以下）三级循环系统。

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Application of Hydrogen and Oxygen Isotopes to Study Hydrologic Cycle in the Caofeidian A rea

FANGCheng,LIU Fu-tian,MENG Li-shan,LIU Hong-wei,QINYa-fei,ZHENG Jin-na

（Tianjin Centre,ChinaGeological Survey,Tianjin,300170,China）

In order to study the hydrologic cycle character in the Caofeidan area,D and18O isotopewere collected along Shuanglong river profile to analysis the relationships of differentwater.Research found the river water, phreatic water and confined water are originated from atmospheric precipitation,and there is a close hydraulic connection among the three kinds ofwater.Recharge,runoff and discharge conditions are differentat three sections.Groundwater circulation system can be divided into shallow cycle system,m iddle cycle system and deep cycle system.

hydrogen isotope;oxygen isotope;hydrologic cycle;Caofeidian area

P641.3

A

1672－4135（2014）02－0102-06

2014-03-05

中国地质调查项目：河北曹妃甸滨海地区海岸带环境地质调查评价（1212011120086）

方成（1982－），男，硕士，工程师，现主要从事海岸带水文地质环境地质研究工作，Email：tjfangcheng@126.com。