富锦市地下水环境同位素及水化学特征研究

2019-01-31

中国水能及电气化 2019年1期

(辽宁省汤河水库管理局有限责任公司，辽宁辽阳 111000)

地下水是居民生活、农业灌溉和工业生产的重要水资源。环境同位素，尤其H、O同位素，被广泛而有效用于水文地质方面研究中[1]。不同来源的水具有不同的同位素组成特征，而水在循环过程中的蒸发和扩散等作用会引起同位素分馏，因此，可通过水体的氢氧同位素组成变化来示踪水循环、判别其来源[2-5]。同时,水化学方法可表明水体的水化学特征，识别水化学作用，反映地质岩性、气候等重要因素的影响[6-7]。地下水年龄是时间尺度上鉴别水体交换和地下水更新能力的重要手段之一，根据地下水中的溶解无机碳(DIC)浓度可以计算深层地下水年龄。

富锦市位于中国东北，是三江平原的一部分，是黑龙江重要的商品粮基地，近些年，由于稻田面积的增加，大量开采地下水，引起地下水位下降[8]，形成区域水位下降漏斗，造成湿地面积急剧减少[9]。地下水的不合理开发利用已经影响到富锦市的粮食安全、供水安全和生态安全。

本文结合水化学、放射性碳同位素和稳定氘氧同位素主要对研究区地下水的稳定同位素特征、水化学组分特征、深层地下水年龄进行了初步研究。研究期望为富锦市水资源评价和水资源合理开发利用提供基础。

1 研究区概况

富锦市位于黑龙江东北部、松花江下游南岸，是三江平原腹地的中心城市，是黑龙江重点产粮基地，享有“中国东北大米之乡，北国粮都”之美誉。位于东经131°25′～133°26′、北纬46°45′～47°45′之间，属于中温带大陆性季风气候，四季分明，年平均温度3.6℃左右，春季风大少雨，夏季温湿多雨，年平均降水量339.5mm,最热的7月份平均气温21.2℃，最冷的1月份平均气温-19.3℃。

区内地势低平，平均海拔60m左右，地势从西北向东南缓慢倾斜，坡降为1/10000～1/15000,大致分为平原、低平原、低湿地、山丘漫岗4种地貌单元。区内地层主要由前第四系和第四系构成，前第四系在该区内零星分布，第四系沉积范围大，厚度大，一般厚度为100～300m,岩性主要为砂砾石、砾卵石、中细砂、含砾中粗砂及粉质黏土。区内含水层主要为第四系孔隙含水层、第三系孔隙裂隙含水层和基岩裂隙含水层。此次研究的目标含水层系统为第四系孔隙含水层系统，第四系孔隙含水层系统按含水层的岩性、成因及分布，自下而上分为下更新统绥滨组、中更新统浓江组、上更新统向阳川组与别拉洪河组和冲积层五个含水岩组[10]，区内地下水总体由南西向北东方向流动。

2 采样测试分析

共有30件地下水样品分别用于稳定氢氧同位素和水化学分析，其中有10件地下水样品进行了放射性碳测试。水样被分为浅层地下水水样和深层地下水水样，井深小于60m为浅井，大于等于60m为深井。水样用聚乙烯瓶采集，并用封口膜密封，在4℃环境下保存。稳定氢氧同位素使用液态水同位素分析仪测试，测试精度分别为±1‰和±0.2‰。水化学数据主要采用离子色谱仪测定，测试精度为1‰，阴阳离子平衡误差小于10%。放射性同位素采用AMS仪测定。

3 结果与讨论

3.1 稳定氢氧同位素特征

研究区地下水的δD-δ18O关系见下页图，参照CHNIP三江站的降水数据得出当地大气降水线(LMWL) 为δD=7.3δ18O-6.7[13]。大气降水线的斜率为7.3，与全球大气降水线(GMWL)δD=8δ18O+10差别不大，表明当地的蒸发作用不强烈。

由后表可知，研究区地下水δ18O值介于-7.54‰～-12.41‰，均值-11.27‰，δD值介于-68.68‰～-93.09‰，均值-86.80‰；浅层地下水δ18O值介于-7.54‰～-12.27‰，均值-11.21‰，δD值介于-68.68‰～-92.40‰，均值-86.35‰；深层地下水δ18O值介于-9.48‰～-12.41‰，均值-11.39‰，δD值介于-77.95‰～-93.09‰，均值-87.69‰，地下水氢氧同位素空间差异较小。浅层地下水氢氧同位素较深层地下水略微偏正，但是浅层地下水和深层地下水δ18O均值较接近，大致表明，浅层地下水和深层地下水存在较密切的水力联系。

由下表和图可知，地下水主要分布在当地大气降水线上，表明地下水主要来源于大气降水的入渗补给。在垂向上深层较浅层地下水贫化，表明大气降水补给地下水过程中，经历了蒸发过程。