地下水研究中地下水年龄的应用分析

李忠媛

(北票市水资源办公室，辽宁 北票 122100)



地下水研究中地下水年龄的应用分析

李忠媛

(北票市水资源办公室，辽宁 北票 122100)

地下水年龄主要是指水在含水层中停留的时间，即大气降水或地表水从进入地下径流时起，一直持续到其在采样点出现时止，在这一全过程中，水在透水岩石的孔隙和裂隙中停留的有效时间。由于地下水年龄实际测定方法和手段不同。因此，其又分为相对年龄与绝对年龄两种。地下水年龄可准确反映地下水实际运动和溶质迁移规律，在近年来的地下水研究过程中，诸多学者都通过地下水年龄这一指标，对地下水运动形式和迁移规律进行研究。结果表明，地下水绝对年龄不仅会受地下水混合作用影响，还会受气-水-岩等相关自然因素影响。与此同时，其也会受人类社会实践活动等因素影响。文章通过对地下水研究中的地下水年龄应用情况进行论述，以此找到地下水水质运移规律，从而为我国地下水科学与工程学研究奠定基础。

地下水；年龄；应用；绝对年龄；相对年龄

地下水年龄又称“groundwater age”，它是研究地下水科学与工程学的重要基础。随着人类对水资源环境的依赖加强，社会经济发展对水资源的实际需求也不断增多[1]。但在此发展过程中，由于人类不合理的开采、开发活动，导致地下水环境遭受严重污染，同时引发了一系列的地质环境问题。为了解决上述问题，中国地质学家及自然科学家付出了诸多努力，采用同位素技术作为地下水科学与工程学科研究的主要动力和手段，其在地下水定年计算方面优势巨大。在这一背景下，文章将重点通过对地下水研究中的地下水年龄应用情况进行分析，以此为解决经济社会发展对生态地质环境造成的影响问题奠定基础。

1 地下水更新研究中地下水年龄的应用

在对地下水环境变化过程进行分析时，首先需结合地下水年龄，对地下水实际更新能力进行科学评价。由于各地区气候及地质条件不同。因此，地下潜水层中的水资源被来水替换及代替，使不同地质条件下的水资源更新能力存在很大差异。从这一过程可以看出，对地下水实际更新能力进行科学评估，能够在一定程度上为地下水资源的可持续利用和合理保护奠定重要基础。在以往的研究过程中，大部分学者都采用地下水更新周期和地下水更新速率及补给速率、周转时间、滞留时间等，对地下水实际更新能力进行分析评估。但这些指标具有单一性，无法准确、全面对地下水研究过程中的地质环境及地下水、地上水等循环交替过程进行描述[1]。基于此，文章在上述基础上，通过对相关指标进行完善，对地下水补给源及地下水补给源具体比例和地下水补给量、地下水更新速率及周转时间和滞留时间等不同指标进行研究，以此借助地下水年龄这一重要指标，对地下水补给过程及水循环交替过程等进行研究分析。

1)通过对地下水补给源进行识别，能够科学揭示地下水参与水循环的过程。比如，通过对混合后的地下水年龄进行科学计算，能够对地下水来源及不同来源所占具体比例进行科学识别。就以本研究区为例，雨水作为主要的地下水补给水源，能够通过地下水中的3H和14C这两大年龄体现出来；通过对该研究区地下水中的3H和14C这两大年龄及CFCs进行定年计算，可准确得到该研究区地下水系统中，不同补给水源在总径流中所占比重。但对于其他研究区而言，由于地下水补给水源形式多样。因此，通过对地下水水龄进行科学计算，可为地下水开采、判断与识别提供重要条件。

2)可通过对地下水水龄进行计算，以此合理评估地下水实际补给量。通常情况下，地下水年龄沿径流路径不断增大。因此，文章通过对研究区地下年龄的实际分布特征进行研究，以此结合径流演变路径，对该地区河道地下水实际补给量进行预估。由于文章所研究的含水层地质层为以垂向径流为主的多孔介质含水层。因此，通过对地下水径流路径进行研究，发现该研究区地下水实际年龄随水深深度不断增大而增大。当地下水补给量及孔隙度和水层结构逐渐增大时，地下水年龄也会随之而增大。因此，在地质剖面中，地下水年龄的实际变化过程具有垂向分布特征，结合这一重要变化规律，可对地下水含水层中的水源补给量进行计算，具体计算公式如下：

R=vu=(△Z/△t)u

(1)

式中：R为地下水补给量；V为地下水实际流速；μ为地下水孔隙度；△Z为含水层补给量估算中，两采样点间的垂向距离；△t为地下水两个不同采样点水样品的年龄差。

在上述基础上，可对地下水更新周期及速率等进行计算，具体计算公式如下：

T=V/R

(2)

文章在研究过程中，假设该研究区地下水系统的可持续开采量为10亿m3；该研究区地下水补给量R=1亿m3/a，则由上述地下水更新周期计算公式进行计算可得到该研究区地下水更新周期T=10a,但在实际计算分析过程中，由于地下水系统会受自身结构及含水层埋藏条件等影响。因此，在同一系统中，由于地下水潜藏位置不同，导致地下水更新周期存在很大差异[2]。文章经过计算得到的地下水更新周期只能在一定程度上反映本研究区地下水接受水源补给及全球系统总体水循环过程，尤其是在人类社会实践活动中，通过对已开采的地下水进行定年分析，在一定程度上可系统了解地下水实际更新情况，以此科学指导人们对地下水综合开采方案进行合理优化和调整。

2 地下水运动研究中地下水年龄的应用

全面、深入掌握和了解地下水运动过程及实际规律，能够为该研究区开展相关地下水实践活动奠定基础。因此，认识地下水运动过程至关重要。文章通过分析研究区概况，认为该研究区地下水实际运动过程主要包括水流流速及水流路径和水流流量以及地下水流场、地下水水力梯度等几大主要要素。因此，通过地下水年龄，可在一定程度上对该研究区地下水运动要素的实际演变机理和交互作用过程进行分析。通常而言，地下水补给区到排泄区，地下水实际年龄在不断增大。因此，要想准确确定地该研究区地下水径流实际演变运移路径，需对研究区地下水年龄的分布情况进行了解。在此基础上，也可对研究区地下水流场进行科学确定；与此同时，还可利用地下水年龄这一重要指标，对研究区承压水系统的实际补给速率进行计算分析[3]。

具体到该研究区的实际工作中，借助地下水年龄这一参数指标对研究区地下水径流进行分析具有重要作用。比如，在该研究区建设大坝等水利工程基础设施时，能够为技术人员制定科学的大坝防渗措施提供参考依据，而对该研究区地下溶质的实际运移过程进行研究分析，能够在一定程度上全面了解区域地下水系统中污染源的实际运移扩散过程及不同水生态系统中，不同水质的地下水混合规律，从而帮助人们正确认识研究区地下水与地表水相互作用的机理。

3 地下水溶质迁移中地下水年龄的应用

近年来，地下水环境污染问题已引发全民关注，因此通过构建地下水年龄与地下污染物浓度之间的相关关系模型，能在一定层面上科学揭示研究区地下水污染物的实际迁移规律[4]。在实际分析计算过程中，结合CFC、3H和SF6对地下水进行定年分析，可全面揭示研究区地下水中的实际氮含量。一般而言，地下水年龄与地下水中农药及氮的浓度呈反比。地下水水龄越大，水体中所含农药及氮含量越低；反之，地下水年龄越小，地下水体中农药残留及氮含量就越高。

与此同时，可利用地下水年龄这一指标，对地下水污染情况进行衡量及对地下水的补给水源进行分析判断。比如，在实际分析研究时，通过对地下水进行定年，则可得知地下水中的实际污染程度。一般而言，如果经分析发现地下水年龄较小，则可初步判断开采的地下水主要补给水源是地表水及当地大气降水。由于这些外来补给水源没有经过全面自我净化及处理。因此，污染物在水体中较为活跃，地下水水质较差。

在此基础上，通过对地下水年龄进行计算分析，还可进一步了解地下水在穿越不同地下通道时，径流的实际滞留时间[5]。对这一过程进行全面了解，能在一定程度上准确掌握地下水系统中污染物的迁移规律。尤其是在地下水污染源识别过程中，通过对地下水年龄这一指标进行分析计算，能够科学识别透水层在阻止污染物污染地下水过程中所发挥的关键作用。对于地下水环境中的弱水层而言，其能够保护地下水体不受外来污染源污染。

4 地下水模型构建中对相关参数的约束

在对区域地下水环境进行分析过程中，通常需构建相关的评价模型。而模型中的相关参数指标都会受特定技术条件及模型结构的约束。因此，指标选取及模型参数值分析科学与否，在一定程度上而言，能够决定模型分析结果准确与否。但是，基于地下水年龄分析结果，可在水文模型构建及地下水污染源识别中，为地下水运动和溶质迁移提供相关约束性参数值，以此对模型参数模拟验证及率定过程提供线性约束条件，从而有助于提升模型分析模拟的规范性与科学性[6]。

从上述分析中可知，在对区域地下水进行研究过程中，地下水年龄始终起着非常重要的作用。但是，在实际分析模拟过程中，由于地下水环境是一个复杂的系统，因此难免会受区域水文地质条件及区域地质特征和地球化学系统等相关因素影响。在此过程中，地下水生态系统平衡同样也会受人类外来影响因素影响。而对地下水年龄进行定年计算的主要依据，是地下水演变过程中的水文地质及水文地球化学信息等，这些复杂因素会对地下水年龄的定年结果可靠性与准确性造成一定的干扰[7]。就本研究区而言，假设该地区地下水体是由比例为9:1的两种不同水源混合而成，而这两种地下水体的实际年龄分别为10a和1000a，而经过混合之后的研究区地下水实际年龄则变为10×90%+1000×10%=109a。因此，从这一结果可以看出，通过计算得出的水龄结果与实际地下水年龄存在一定的差异。由于未经混合后的地下水水质年龄分别为10a和1000a。因此，地下水运移过程活跃，使得地下水年龄定年结果计算成为地下水环境分析的重要环节[8]。

5 结 语

综上所述，地下水年龄有助于了解地下水系统的实际更新能力，也可掌握地下水污染物的实际迁移规率，为对下水环境分析模型提供约束性条件。尽管地下水年龄在地下水环境分析及污染源识别和地下水生态系统研究中起着至关重要的作用。但不可否认，由于地下水环境生态系统异常复杂。因此，必然存在地下水混流问题，再加上实际计算过程中，地下水定年较为困难，故无论采用何种方式测得的地下水年龄，都不具有实际代表指征意义，其只能在一定程度上为地下水分析研究提供参考。故文章通过对下水年龄实际应用情况进行分析，以期为我国地下水研究工作顺利推进提供借鉴思路。

[1]李学森.凌河流域水资源现状及保护措施[J].水土保持应用技术，2015(03)：36-37.

[2]高素丽.辽阳市水资源开发利用和管理保护对策[J].水土保持应用技术，2011(04)：45-47.

[3]白洁娜.基于T-S模型的神经网络在节水灌溉技术选择中的应用[J].水利技术监督,2016(01):40-42.

[4]宋小波,蔡新,杨杰.基于改进AHP法的水闸安全性模糊综合评价[J].水电能源科学,2013(02):174-176，137.

[5]夏云林.农田水利节水灌溉技术浅析[J].水利规划与设计,2015(09):45-47.

[6]李军,蒋世琼.基于改进AHP法的道路选线风险评估研究[J].安全与环境学报,2013(01):246-249.

[7]王春素.高效节水灌溉措施及效益评价[J].水利技术监督,2014(04):50-52.

[8]宋岩,刘群昌,江培福.基于改进AHP模糊物元模型的农业用水效率评价[J].人民长江,2013(22):30-33.

Application and Analysis of Groundwater Age in Groundwater Study

LI Zhong-yuan

(Beipiao Urban Water Resources Office, Beipiao 122100, China)

The age of groundwater may reflect correctly the actual movement and solute transport law about groundwater, in recent years, most scholars researched the type and migration of groundwater movement through the index of groundwater age during the period of groundwater study. The results show that the absolute age of groundwater not only will be impacted by the mixed groundwater but also impacted by relevant natural factors of atmosphere-water-rock, meanwhile, be impacted by the factors of social practice of human beings. Therefore, the paper found the mitigation of groundwater quality by discussing the application of groundwater age in the groundwater research to lay the foundation of Chinese groundwater science and engineering science.

groundwater; age; application absolute age; relative age

1007-7596(2017)01-0111-04

推广应用

2016-12-18

李忠媛(1982-)，女，辽宁北票人，工程师，从事水资源论证及调查评价、地下水监测、水文预报、水文水资源管理等工作。

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