同位素技术解析安阳河与地下水相互作用

张 敏，平建华，禹 言，黄先贵，朱亚强，程玉刚

(1.郑州大学水利科学与工程学院，河南 郑州 450001；2.巩义市水利局，河南 巩义 451200；3.安阳市水利局，河南 安阳 455000)

河流与地下水的相互作用是陆地水循环过程中重要的组成部分，并影响着两者的水量和水质，同时对生态环境产生直接的影响[1-2]。2002—2007年联合国科教文组织实施的第六个阶段国际水文计划中主要研究方向为“地下水与地表水的相互作用”，并将其作为研究重点和前沿课题。分析研究河流与地下水相互转化，对水资源评价与合理开发利用、水污染防治，以及生态环境保护具有重要的理论和实际意义[3-4]。

地表水与地下水相互作用研究方法主要有野外试验与室内试验法、动态分析法、基流分割法、地下水动力学法、同位素法和水化学法。其中，野外试验、动态分析与同位素和水化学综合研究方法得到广泛应用。采用多种方法，可减少不确定性，能有效地、全面地研究地下水与地表水相互转化规律[5]。宋献方[6]等运用地下水和地表水之间在同位素和水化学组成上的差异，阐明了怀沙河流域地表水和地下水关系；焦艳军[7]等运用氢氧同位素和水化学成分示踪剂，研究了济源盆地地表水和地下水之间的关系；张兵[8]等应用同位素和水化学方法分析了三江平原地表水与地下水的关系；胡玥[9]等应用环境同位素对黑河流域水循环进行了研究。

安阳河中下游属太行山山前的冲洪积扇，地表水与地下水相互转换表现在安阳河出山口地带(安阳县城南部)为河水入渗补给地下水，地下水呈潜水特征，水位标高80～85 m，直到安阳河汇入卫河，即安阳河冲洪积扇前缘，地下水为承压水特征，水位标高38～44 m。地下水是安阳市主要供水水源，随着城市经济发展，人口增加，供水需求越来越大。为此，深入研究地表水与地下水相互转换规律，对保障城市供水，建设地下水库，防治地下水污染及生态环境保护至关重要。目前利用同位素和水化学等方法综合解析安阳河中下游地表水与地下水关系的研究较少。因此，本文综合研究安阳河中下游地表水与地下水关系具有重要的理论和实际意义。

1 研究区概况

安阳河是卫河的较大支流，发源于林州市林虑山东麓，干流自林州姚村清泉寺起，至内黄县范阳口入卫河(图1)。常年流水，全长164 km，流域面积1 920 km2。河段彰武以上73 km，彰武至安阳京广铁路28 km，京广铁路至入卫河口63 km。上游穿过林州盆地，在横水镇附近进入丘陵区，于彰武水库以下出山进入平原。

安阳河冲洪积扇地层岩性主要为亚黏土、亚砂土、砂和砂砾石，赋存有孔隙潜水和承压水。东部平原区，主要含水层岩性由西向东为中粗砂层、中细砂层和粉细砂层等，透水性良好，厚度在8.0～13.0 m，水位埋深6～18 m，单井涌水量100～500 m3/d。在京广铁路线以东，平原区广泛分布承压含水层，其主要由砂砾石与中粗砂层组成，隔水顶、底板多由亚黏土组成，且连续性较差。冲洪积扇的东南部含水层厚10～40 m，富水性好，3 000～5 000 m3/d，表现为古河道的特征。安阳河冲洪积扇的前缘地带，含水介质多为中、细砂、砂卵石，呈多层状，厚4～14 m。地下水位埋深一般在4～12 m，平均地下水位标高40 m，富水性较好，东部单井涌水量达1 000～3 000 m3/d，南部为100～1 000 m3/d。目前安阳河河道位于冲洪积扇北部，沿线的含水层富水性低于冲洪积扇南部(图2)。

图1 研究区位置及采样点分布

图2 安阳市南流寺—三官庙水文地质剖面

2 水样采集与测试分析

2.1 取样原则

(1)大气降水监测

遵循从安阳河流域上游到下游的原则，分别在上游横水水文站、中游安阳水文站和下游五陵水文站进行监测。从月初到月末收集每次降水量数据，每个水文站每年共采集12个月的累计降水量数据。

(2)河流

按照河流流向进行取样，分别在安阳河上游、中游和下游进行取样。分别在2016年8月(夏季)和2017年1月(冬季)进行取样。

(3)地下水

从地下水补给区到排泄区的方向分别采集潜水、泉水和承压水样品，与采集河水同步。

2.2 样品采集

将取样瓶用蒸馏水反复冲洗后，保持采样瓶干燥，大气降水共26个样品，个别月份无降水。

将水样瓶反复用取样水清洗，取样时排出水样瓶中的气泡，将装满水的水样瓶密封置于低温处保存，并于采样后7日内送入实验室进行检测。本次采样总共111个，包括大气降水样26个。2016年8月总共取样43个，其中地表水样9个，浅层地下水样5个，中深层承压水样28个，泉水样1个；2017年1月总共取样42个，其中地表水样9个，浅层地下水样4个，中深层承压水样27个，泉水样2个。

2.3 测试分析

(1)同位素

同位素分析包括D和18O。水样中氢氧稳定同位素在国土资源部地下水矿泉水及环境监测中心(中国地质科学院水文地质环境地质研究所)测试，主要检测仪器为同位素分析仪，型号为L2130i，测试方法是波长扫描—光腔衰荡光谱法，测试精度δ18O±0.1‰，δD±1.0‰。

稳定氢氧同位素的测定结果以相对维也纳标准海水(Vienna Standard Mean Ocean Water, VSMOW)的千分数表示：

(2)水化学

室内水化学分析包括简分析和全分析，水化学分析在河南省地质矿产勘查开发局第二地质调查院完成，检测方法为DZ/T 0064—93地下水检测方法及GB/T 8538—2008天然水检验方法。现场测试用YSI旗下水质监测产品EXO测定地表水和地下水的电导率等21项数据，仪器精度为0.1～0.2 mg/L。

3 结果与讨论

3.1 氢氧同位素特征

3.1.1大气降水

根据研究区大气降水氢氧稳定同位素值(表1)，建立当地大气降水δD—δ18O关系线(LMWL)(图3)：

表1 安阳市大气降水同位素

图3 安阳市大气降水δD-δ18O线

δD=8.39δ18O+11.35

当地降水线与全球大气降水线(δD=8δ18O+10)接近平行，表明该线能代表本地区大气降水氢氧同位素特征，为研究地表水与地下水相互作用提供可靠依据。

3.1.2地表水氢氧同位素特征

安阳河中下游水体的δD-δ18O关系(图4)表明，地表水同位素值偏离当地大气降水线，位于当地大气降水线下方，并与其呈斜交，地表水的δD-δ18O关系线斜率明显小于当地大气降水线斜率，表明地表水δ18O同位素值呈现不同程度富集，存在蒸发现象。2016年8月(夏季，图4a)和2017年1月(冬季，图4b)安阳河河水的δD、δ18O值，由上游向下游均存在季节性变化。2016年8月δ18O平均值为-8.8‰，δD平均值为-64‰，2017年1月δ18O平均值为-8.4‰，δD平均值为-62‰。由此可知，夏季氢氧稳定同位素值比冬季值总体偏低。同一季节的氢氧同位素由上游向下游变化幅度不大，夏季δ18O值变化范围为-9‰～-8.7‰，δD值变化范围为-65‰～-63‰，冬季δ18O值变化范围为-8.5‰～-8.2‰，δD值变化范围为-63‰～-61‰，安阳河流域面积较小，大部分流域为平原区，地形平坦，同位素值变化较小。地表水δD和δ18O值与当地大气降水数据平均值(δD为-44.31‰，δ18O为-6.60‰)接近，表明安阳河流域地表水来源于当地大气降水。

图4 安阳河中下游水体δD-δ18O关系

3.1.3地下水氢氧同位素特征

夏季深层承压水的δD-δ18O拟合线斜率更接近当地大气降水线斜率，冬季深层承压水的δD-δ18O拟合线斜率明显比当地大气降水线斜率小。深层承压水同位素值变化较大，从接近降水值的点(14、26和37)到受“蒸发”或外来水影响最大的点(15、17与31点)，夏季δD值相差-29‰，δ18O值相差-4.9‰；冬季δD值相差-30‰，δ18O值相差-4.8‰。表明在安阳河冲洪积扇顶至扇前缘存在不同来源的水入渗补给。经安阳河水文站监测数据计算，河水补给地下水约25%～27%。

安阳河中下游(冲洪积扇地带)地下水δ18O与δD值等值线(图5)，表明夏季和冬季安阳河中下游同位素值由西北向东南降低。泉水样δ18O和δD值较贫化，可能由于补给源的水体中同位素贫化。

夏季与冬季δ18O值变化范围分别为-10‰～-9‰，δD值变化范围-70‰～-65‰，位于河谷中部同位素值相对增高，δ18O值变化范围为-7‰～-6‰，δD值变化范围为-55‰～-50‰，并由安阳河出山口向东南同位素值呈圈闭趋势，其分布特征与古河道的位置相吻合，表明同位素特征较好地反映了水文地质条件[9]。

图5 安阳市区地下水δ18O值和δD值等值线

3.1.4地下水补给区的确定

冲洪积扇内地下水样点除个别点外，均紧密分布于区域大气降水线两侧，表明地下水与地表水和大气降水联系紧密，局部受人类活动影响明显。同时，δD、δ18O同位素影响只在冲洪积扇后缘出山口一带[6]。大气降水氢氧稳定同位素δD和δ18O随着高程的增加而减小，具有高程效应，且高程与δD和δ18O之间存在线性关系[7-11]，为确定地下水补给区及补给高程提供依据，地下水补给高程计算公式：

H=δG|δA+h

式中：H——地下水补给高程/m；

h——取样点高程/m；

δG——地下水的δ18O或δD值；

δA——取样点附近大气降水δ18O或δD值；

K——大气降水δ18O或δD的高程梯度值。受气候影响，不同地区的高程梯度值各异。

地下水与围岩中的氧同位素交换可使地下水中的δ18O明显增高，导致根据δ18O计算的补给高程偏高[12-14]。δD则不同，通常含水介质中含氢矿物较少，对水中δD值影响较小[15-17]。因此，本文计算过程中选用δD值，本区深层承压水2017年1月δD值在-75‰～-46‰之间。当地大气降水δD的高程梯度值，取全国大气降水δD高程梯度平均值，根据同位素高程效应计算补给区高程为185～1301 m。计算结果结合自然地理及地下水流场条件分析，认为西部低山丘陵区和中山区是该区地下水的补给区。在安阳河流域内西部山区降水除蒸发外，大部分汇入安阳河谷，少部分渗入地表风化层补给地下水，并在其附近排泄补给河水。河水从出山口流出进入冲洪积扇后开始补给地下水，其位置在安阳县西部由南至北麻鞋店村—南流寺村—柴库—杜小屯村一带。

3.2 水化学特征

水体电导率(EC)取决于离子的性质和浓度、溶液的温度和黏度等。在一定程度上，反映了水径流路径和滞留时间[10]。根据不同水体的电导率、温度、水化学组分及其浓度在空间上的分布规律(表2)，推测水的运移路径，为进一步分析区域内地表水和地下水补给排泄关系提供依据[11]。

3.2.1地表水水化学特征

安阳河地表水电导率变化特征表明，2016年8月(夏季)安阳河上游的地表水中杂质较少，水质较好，电导率较低，即南水北调水渠和安阳河交汇处电导率最小，仅为819.6 μS/cm。安阳河下游与卫河交汇口处为入河排污口，水中有机物和杂质较多，溶液浓度高，为971.1 μS/cm。2017年1月(冬季)安阳河上游电导率依然最低，仅为519.2 μS/cm，安阳河与卫河交汇口电导率最高，为535.9 μS/cm。受季节影响，夏季地表水温度高，安阳河地表水电导率夏季明显高于冬季，2016年7月19日安阳市经历特大暴雨，地表水中溶质浓度大为增加，导致电导率增加(表2)。

表2 研究区取样点水化学数据

图6 水化学Piper图

3.2.2地下水水化学特征

安阳河中下游地下水样点分布在Piper图中菱形区的Ca+Mg亚区内，并由Cl+SO4区含量较低的下部向含量较高的上部呈线性排列，其水化学类型由下部的HCO3—Ca·Mg·(Na)型向上部“演化”为HCO3·Cl·(SO4)—Ca·(Mg)型。地表水样点位于其中部，水化学组分较稳定，位于冲洪积扇前缘的37号点，地下水质为HCO3—Ca·Mg·Na型(图7)。

地下水化学组分的季节性变化表明，位于安阳河中游出山口冲洪积扇后缘一带地下水有较明显变化。其中，Cl-含量较高的水点(15、17、31)冬季含量比夏季高18%～146%，水化学类型为HCO3·Cl·(SO4)—Ca·(Mg)型[18]，此点是Piper图上在Cl+SO4区“演化”的最高点。

图7 安阳河中下游地下水Cl-和等值线

4 结论

(1)安阳河流域约25%降水转化为河水，10%降水补给地下水，进入中游出山口地带(冲洪积扇后缘)25%～27%河流量补给地下水，表明地表水和地下水水力联系密切。

(2)当地大气降水线与全球大气降水线接近平行，表明该线能代表本地区大气降水氢氧同位素特征。地表水同位素值较集中，表明流域内同位素受距离影响较小。地下水稳定同位素值变化较大，即从接近降水值到最大值形成一条“蒸发”线。