苏北灌南地下水补给源同位素地球化学分析

郑欣虹，陈建生

(河海大学地球科学与工程学院,江苏 南京 210098)

根据区域地下水循环理论，汤沟镇地下水应接受其上游洪泽湖、淮河、长江等径流的补给。水化学分析表明，洪泽湖、淮河、长江的水质都等于或低于Ⅲ类水标准，而汤沟镇酿酒用地下水达到国家Ⅰ类水饮用标准，其偏硅酸与锶含量更达到了国家矿泉水标准。根据热力学熵增原理，液体的熵SL大于固体的熵SS，即，SL>SS，如果液体中的污染物以固态形式沉积在含水层中而使水得到净化，则必须有SL

研究表明，西藏内流区与外流区包括云贵高原一带都存在着渗漏。Zhou等[1]通过水量平衡关系研究发现，西藏高原的纳木错存在渗漏，渗漏量达到120～190 m3/s。陈建生等[2-3]通过水量平衡与同位素研究证实了黄河源头的鄂陵湖与扎陵湖存在渗漏，年渗漏量达到20亿m3；卫星遥感证实，西藏内流区的河流存在渗漏[4]；重力卫星数据分析发现，2003—2009年，青藏高原及周边地区地下水每年增加100多亿m3[5]；周建军等[6]通过水量平衡研究发现，2003年三峡大坝蓄水以来，长江干流宜昌段的径流量减少了570亿m3；Zhang 等[7]的研究也证实，三峡蓄水后径流量至少减少了5%，径流减少的原因可能是渗漏。纳木错下部的高导层沿着嘉黎断裂带延伸到了地幔岩石圈100 km以下，电阻率约10～16 Ω·m[8]，表明渗漏水进入到了地幔岩石圈，在地幔岩石圈中存在导水通道，上地幔的高导低速层可能就是导水层，渗漏水经过深循环补给到河西走廊、阿拉善、内蒙古高原、华北平原、东北平原、苏北平原等地区[9]。黄土高原风尘堆积与深循环地下水有关，上涌的地下水维系了风尘颗粒连续沉积[10]，黄土高原下部的红土层的形成与Fe2+有关，最初的深循环地下水在流经地幔时被加热为超临界态水(SCW)，SCW萃取了玄武岩中的铁成为Fe2+，地下水涌出地表时，Fe2+与空气中的氧发生氧化反应形成了Fe2O3胶膜，铁质胶膜吸附在风尘颗粒的表面形成了红土，深循环地下水经历了从高温到低温的冷却过程[11]。

1 研究区概况

灌南县位于苏北平原，在亚洲大陆的东部。灌南东部濒临黄海，东南部与涟水、响水两县相连，西与沭阳县为邻，北部是新沂河与灌云县。在大地构造上，灌南县位于郯庐断裂带以东，扬子地台东部的苏北凹陷区，该地主要由北东方向排列的箕状断陷组成。苏北平原为典型的冲洪积平原，新生代以来，由长江、淮河、黄河等带来的泥沙淤积形成，典型的地层剖面淮安段参见图1[12]。苏北淮安到灌南一带的深井钻孔一般揭露到白垩纪粉砂层，黏土层用黏土球进行封堵，防止上层的潜水通过井管的间隙进入承压含水层，砂层用花管封堵。

图1 苏北冲洪积平原淮安段典型地层剖面

苏北平原的含水层主要是多孔介质，渗透系数K在0.01～10 m/d之间，地下水的水力梯度J较小，只有0.1%。根据达西定律，V=KJ，当K取最大值10 m/d，可计算出地下水的侧向补给速度V最大为3.65 m/a。虽然苏北平原地下水的侧向补给速度较小，但苏北盆地冲洪积层地下水具有较快的恢复速度和较大的补给量，是苏北地区生活生产用水的主要水源。灌南研究区地下水的年补给量高达2 000 m3/a[14]。由于灌南的上游地区也在开采地下水，考虑到水量的总体平衡与灌南地区地下水水质优于上游地区的事实，推断苏北平原的地下水可能还存在其他补给源。

灌南研究区地貌较为平坦，海拔高度在4～10 m，个别地区地表高程超过10 m，地貌形态为冲积平原，研究区酒厂地层剖面结构参见图2，钻孔揭露了3层中细砂、粉细砂与粉砂含水层，含水层之间为河湖相的黏土层构成隔水构造，140 m以下为黏土、粉砂、粉质黏土与粉土的互层，透水性能介于亚砂土与粉砂之间。新生代火山喷发出的玄武岩位于冲洪积层之下。

图2 灌南研究区地层剖面示意图

图3 灌南县采样分布图

表1 灌南河水同位素与水化学分析

2 样品采集与测试

为了研究汤沟镇及其周边地区众多的地表水、地下水和土壤水资源的补给来源及它们之间的补偿关系，在充分搜集苏北地区地质及水文地质资料的基础上，笔者于2017年4月赴灌南进行了考察并采集了水样，共采集水样66个，其中深井水样46个，浅井水样10个，河水样10个，采样点分布参见图3。

表2 灌南潜水同位素与水化学分析

3 灌南地下水同位素地球化学分析

3.1 同位素特征确定补给源

灌南地区的地表水、潜水含水层地下水、承压水、河水以及全国降水的氢氧同位素关系参见图4。灌南河水的氢氧同位素关系点落在蒸发线EL1上，受到蒸发而偏离全球雨水线(GMWL)。灌南承压水中的氢氧同位素点沿着蒸发线EL2分布，落在相对集中的范围内，表明该区的承压水应该来自相同的补给源区，源区的水在入渗之前受过蒸发，据此推断，深循环地下水的补给源应该是河流或湖泊。根据全国降水同位素特征可知，与灌南承压水氢氧同位素相同或相似的地区有昆明、太原、乌鲁木齐、哈尔滨、齐齐哈尔、长春等，由于太原、哈尔滨、齐齐哈尔、长春等地位于中国北方，且地表高程较低，研究发现这些地区的地下水接受青藏高原的渗漏补给[9]，它们的渗漏水补给苏北平原的可能性很小。乌鲁木齐位于中国西北，研究发现，塔里木盆地的湖泊接受来自昆仑山地下水的补给[15]，天山尚且不足以补给塔里木盆地，补给苏北平原的可能性更小。南京等地区的降水中的氘比灌南的深井水富集约5‰，也有可能是地下水的补给源，为此，笔者采集并分析了南京地区的8个河水样，参见图4。南京河水的氢氧同位素关系点落在了GMWL之上，与灌南的河水较为接近，与灌南的地下水存在较大的差异。通过同位素与水文地质条件分析可知，灌南深层地下水的补给源区可能位于青藏高原东南到云贵高原一带。

灌南承压水与地表水分布在完全不同的两个区域，承压水的氢氧同位素比河水明显贫化，灌南及南京地区的河水与承压水之间显然不存在补给关系。潜水的氢氧同位素关系点介于河水与承压水之间，表明潜水含水层既接受地表水的入渗补给，又接受深循环地下水的越流补给。

通过水位分析发现，承压水的水位在地表以下20 m，而潜水含水层水位一般小于10 m，按照水力学原理，水位高的潜水含水层应该补给到水位低的承压水中。历史上灌南地区的承压水水位是高于地表的，潜水含水层地下水接受承压水的越流补给，近40年来，由于大量抽取承压水，造成了承压水水位大幅度下降，原来的补给、径流与排泄方式发生了改变。水位降低后，承压水已经不能继续补给潜水含水层，潜水含水层接受地表水的入渗补给，于是，潜水含水层的水成了混合水。由于污染严重的地表水入渗，潜水含水层地下水受到污染，TDS增高，潜水含水层中的地下水既不能作为饮用水源，一般也不能用于灌溉。如果承压水水位不能恢复，久而久之，承压水存在被潜水含水层下渗污染的危险。由于在潜水含水层与承压水之间存在相对隔水层，潜水含水层中的地下水一般情况下很难入渗到承压含水层中，除非地层结构遭到钻孔揭穿、地震变形等破坏。

3.2 地球化学分析

图5 灌南承压水、潜水与地表水的Piper三线图

4 灌南承压水补给源讨论

河流与承压含水层是否存在补排关系，主要取决于水文地质条件。通常在平原区，河水与承压水之间的补排关系很弱，多数是通过潜水含水层与河流发生水量交换，除非河谷切穿承压含水层。苏北平原与灌南地区的冲洪积层较厚，潜水含水层的厚度超过10 m，河流切穿潜水含水层补给到承压含水层是很困难的。研究表明，新生代玄武岩地区存在着一种特殊类型的地下水，玄武岩地下水的补给、径流与排泄方式完全不同于孔隙水、裂隙水与岩溶水；玄武岩地下水大都属于HCO3-Mg、HCO3-Ca或HCO3-Na型水，偏硅酸质量浓度一般都在25 mg/L以上。新生代玄武岩具有原生孔洞裂隙、熔岩隧道和次生孔洞、孔隙发育，玄武岩中的气孔构造，显微孔隙形状一般为近圆形至不规则形，通过镜下观测，确定90%以上的孔洞、孔隙与微气孔、微孔隙是相互连通的带[16]。在大面积新生代玄武岩台地分布地区，往往出现较大和特大泉水，泉水在枯水季节的绝对流量仍然很大[17]。根据灌南承压水中偏硅酸高的特征，推断地下水可能来自玄武岩。

新近纪期间，南京、盱眙、灌南、涟水地区发生了早晚两期火山岩喷发，属于加山—六合火山群，在南京、盱眙等地出露的新生代玄武岩都属于孔洞型玄武岩，在灌南、高沟一带喷发的火山玄武岩与南京、盱眙等地的火山玄武岩都属于同期喷发，南京、盱眙玄武岩地区的地下水丰富，玄武岩孔洞裂隙水被认为是主要的储水与导水介质[18]。盱眙东部灌南地区的火山玄武岩是同期喷发的，由于喷发发生在海底，称为隐伏火山群，参见图6[16-17]。隐伏火山群与新生代火山群玄武岩的性质是相同的。灌南与高沟地区的地下水完全符合新生代火山玄武岩地下水的特征，因此认为汤沟与高沟酿酒用水应该来自于下伏的隐伏火山玄武岩。灌南承压水的氢氧同位素关系点分布在很小的范围内，表明地下水的补给源区在较小的范围内，据此推断，地下水可能来自相同的隐伏火山群。从图6可以看出，汤沟镇与高沟镇正好位于隐伏火山之上，故此推断，灌南与涟水地区的地下水应该来自下覆的隐伏火山群。

图6 郯庐断裂带及东部地区新生代火山岩分布

根据降水与河水同位素特征判断灌南深井水接受外源水补给，根据降水同位素与水文地质条件判断，地下水的补给源区可能在青藏高原东南到云贵高原一带，地表高程在2 000～5 000 m之间，该区的降水主要来自印度季风，具有贫化的同位素特征，与苏北地区承压水氢氧同位素贫化的特点一致；该区自新生代以来曾经有过火山喷发，在东西方向发育有大量的褶皱，形成了沟谷地貌，并成为澜沧江等河流的河道，为渗漏提供了良好的条件。渗漏水通过火山裂谷或断裂带入渗到地幔玄武岩孔洞导水层中，经过深循环在苏北火山岩以及隐伏火山区排泄，从隐伏火山口涌出的地下水是承压水的主要补给源，部分地区深循环地下水的温度仍然较高，成为温泉资源。

灌南县深井水富含大量对人体有益的矿物质与微量元素，其地下水符合Ⅰ类饮用水标准，酿出的白酒品质极高。灌南及周边地区的地表水已经受到了严重的污染，深层承压水的水质与同位素都与地下水存在明显的差异，由此推断，深层承压水可能接受下覆的隐伏火山玄武岩地下水的补给，汤沟酒始终保持着高品质的根本原因可能与新生代隐伏火山玄武岩地下水有关。

5 结 论

a. 灌南及周边地区的地表水已经受到较为严重的污染，根据熵增原理，受到污染的地表水入渗地下后不可能被净化。根据氢氧同位素与水文地质条件分析推断，灌南地区的优质承压水接受外源地下水补给，地下水的补给源区可能位于青藏高原东南到云贵高原一带。

b. 新生代火山玄武岩地下水属于一种新型的地下水，地下水在玄武岩孔洞中循环，新生代玄武岩地下水具有偏硅酸含量高的特征。灌南地区下覆新生代隐伏玄武岩，地下水含大量有偏硅酸及丰富的矿物质。由此推断玄武岩地下水可能是灌南承压水的主要补给源。

c. 灌南地区优质的承压水资源在过去几十年被大量开采，用于农业灌溉与工业生产。建议对于这种稀缺的矿水泉资源实行保护性开采利用，停止使用地下水进行农业灌溉，优质的水首先保证居民的饮水，同时发展酿酒、矿泉水等食品产业，确实做到优水优用。

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