氢氧同位素在亳州东南部地区水循环研究中的应用

2021-10-07郑涛侯香梦管后春杨潘马涛

安徽地质 2021年3期

郑涛，侯香梦，管后春，杨潘，马涛

（安徽省地质调查院(安徽省地质科学研究所)，安徽合肥230001）

0 引言

在自然界中，氢氧稳定同位素具有化学性质较为稳定的特性，不参与地下水水-岩相互作用，是研究水循环的理想示踪剂。国内外学者通过分析大气降水、地表水、地下水中氢氧稳定同位素的关系，来研究地下水的起源[1～2]、大气降水-地表水-地下水三者之间的相互关系[3-4]、地下水循环深度[5]等，揭示地下水的形成与演化过程[6-8]。

地下水是涡河流域重要的工农业生产和城乡饮用水源，开发利用程度高[9]。涡河流域浅部地下水主要用于农田灌溉及农村非饮用生活用水，极少未覆盖自来水的地区仍使用浅部地下水作为饮用水；中深部地下水主要用于集中供水水源及工业生产。由于人口稠密，人类活动频繁，地下水已明显受到人类活动的影响[10]，普遍面临着污染及水质异常等问题[11]。

亳州地区是涡河流域的中下游地区。本研究利用D和18O同位素特征分析亳州东南部地区地下水补给来源及不同水体之间的关系，结合地下水动态特征，研究浅部地下水循环深度及不同含水层之间的水力联系，为地下水资源合理开发及地下水污染防治提供理论支撑。

1 研究区概况

研究区位于安徽省亳州市东南部（图1），属涡河流域中下游地区。地势总体较为平坦，地面标高21.8～88.0m，西北高、东南低，坡降约1／7500。除零星的剥蚀低丘以外，总体为典型的黄淮堆积型地貌。研究区属于暖温带半湿润季风气候区，年平均气温14.7℃，多年平均降雨量808.6mm，多年平均蒸发量1668.8mm。涡河自西北向东南穿过研究区东北部，地表水多属于涡河水系。地层区划属于华北东部地层大区淮河地层分区的宿县-阜阳地层小区，区内除东北部有残丘出露基岩外，地表一般被较厚的晚新生代松散层覆盖（图2），区内第四纪地层总体自北东向南西逐渐增厚，最厚处达162.75m。

图1 研究区采样点位置图Figure 1.Location map of sampling points in the study area

2 研究区水文地质条件

研究区地下水主要为松散岩类孔隙水，自浅至深可分为浅部孔隙水含水岩组、中部孔隙水含水岩组及深部孔隙水含水岩组三个含水岩组（图2），分别对应浅部孔隙水、中部孔隙水和深部孔隙水。浅部孔隙水含水岩组所赋含水层岩性为全新世蚌埠组（Qhb）和晚更新世茆塘组（Qp3m）粉砂、细砂组成，地下水一般为潜水和微承压水。单井涌水量以大于500m3/d为主，水化学类型主要为HCO3-Na型，水位埋深2～4m。地下水来源主要是接受大气降水入渗补给及地表水体的渗漏补给；地下水总体上自西北向东南方向径流，水力坡度1/10000左右；排泄方式主要为泄入地表水体和消耗于蒸发、植物蒸腾，其次是补给中层地下水和民井开采。

图2 A-A’水文地质剖面Figure 2.Hydrogeological profile A-A’

中部孔隙水含水岩组所赋含水层岩性为中更新世潘集组（Qp2p）、早更新世桃园组（Qp1t）粉土、粉砂、粉细砂，具多层结构，地下水为承压水。单井涌水量以200～500m3/d为主，水化学类型主要为HCO3-Na型，水位埋深一般2～30m，涡阳县城及南部、利辛县城北部可达40m，形成局部性降落漏斗。主要接受上游侧向径流补给及浅部孔隙水的越流补给；在开采条件下地下水主要向降落漏斗中心径流；排泄方式主要为人工开采。

深部孔隙水含水岩组所赋含水层岩性为新近纪上新世固镇组（N2g）和中新世下草湾组（N1x）粉砂、细砂、中细砂组成，具多层结构，地下水为承压水。单井涌水量一般大于500m3/d，水化学类型为HCO3-Na为主，水位埋深一般大于30m，在涡阳县蒙关镇一带形成局部性降落漏斗。主要接受上游侧向径流补给；在开采条件下地下水主要向降落漏斗中心径流；排泄方式主要为人工开采。

3 研究方法

2018年采集了地下水样品50组和地表水样品4组（图1），包括浅部孔隙水样品25组，中部孔隙水样品24组，深部孔隙水样品1组。其中1月—12月，在钻孔进行抽水试验时采集了32组地下水同位素样品。12月13日—16日，在涡河两岸的民井中采集了18组地下水同位素样品，在涡河的上中下游以及一个矿坑采取了4组地表水同位素样品。采样容器均为1L的聚氯乙烯塑料瓶。在对民井进行同位素样品采集前，预先抽水5～10分钟。样品测试由国土资源部岩溶地质资源环境监督检测中心完成，18O采用（CO2-H2O）水平衡法进行分析，D采用高温裂解法进行分析，测试设备为MAT253型稳定同位素质谱仪和Quantulus1220型超低本底液体闪烁能谱仪，测试结果以相对于ⅤSNOW标准的千分差表示（表1、表2），测试精度分别为±0.1‰和±1‰。由于深部孔隙水样品数量较少，且本研究主要针对浅部和中部孔隙水，后文将对中部和深部孔隙水统一叙述，统称为中深部孔隙水。

表1 氢氧稳定同位素测试结果Table 1.Test resultsοf δ18O and δD

表2 氢氧稳定同位素结果统计Table 2.Statisticsοf δ18O and δD

4 同位素特征分析

4.1 大气降水

亳州在地理位置上位于郑州和南京之间，三地均属于大陆季风气候。亳州的年平均降水量和年平均蒸发量也均位于郑州和南京之间，因此选用国际原子能机构在郑州和南京两个观测站1985年至1992年间的逐月雨水同位素数据代表亳州地区的雨水同位素特征。利用115组长期监测数据，得到亳州地区的雨水线（LMWL）方程（图3）：δD=7.22δ18O+4.35（n=115，R2=0.88）。亳州地区雨水δD的平均值为-45.38‰，δ18O的平均值为-6.89‰，与全球雨水线（GMWL）相比，亳州地区的降水线斜率明显偏小，这是由亳州地区的气候条件和地理位置所决定，反映出亳州地区降雨量小、蒸发量大、蒸发速度快的气候特点，且蒸发程度要高于全球平均值。

图3 亳州地区大气降水同位素δD-δ18O关系图Figure 3.Relationship between δD and δ18O of precipitation in the Bozhou area

4.2 地表水

测试结果显示，地表水δD的平均值为-48.9‰，δ18O的平均值为-6.4‰，均分布于当地雨水线的右下方（图4），较富集重同位素，且与当地大气降水线相距较近，反应其为大气降水来源，并在补给地表水之前经历了一定程度的蒸发分馏效应引起了同位素的变化[12]，从而使部分地表水点偏离当地雨水线。地表水形成的蒸发线为：δD=5.82，δ18O-11.60（n=4，R2=0.99）。地表水蒸发线斜率明显低于当地降水线，反应蒸发浓缩作用对地表水有较大的影响。其中矿坑水（R6）比涡河水更富集重同位素。该矿坑位于小涧镇西北侧孤丘顶部，为开挖石材所留矿坑，矿坑水除主要接受大气降水外，还接受部分大气降水入渗到基岩形成的基岩裂隙水的侧向径流补给。这表明在蒸发浓缩作用对涡河水和矿坑水作用相同的情况下，涡河水除接受大气降水外，还接受来自贫于大气降水同位素的浅部孔隙水的侧向径流补给。

图4 研究区地表水和地下水同位素δD-δ18O关系图Figure 4.Relationship between δD and δ18O of surface water and groundwater in the study area

4.3 地下水

4.3.1 总体特征

测试结果显示，地下水δD的平均值为-59.86‰，δ18O的平均值为-8.25‰，均分布于当地降水线的正下方和左下方（图4），与当地大气降水线相距较近，反应其为大气降水来源，且在接受大气降水补给后，经过较长时间的径流或转化，水中同位素发生分馏而导致了地下水偏离雨水线。

4.3.2 垂向分布特征

地下水中δD和δ18O均表现出了分层性差异（图4）。总体上δD和δ18O均表现出随深度增加而偏负的特征，显示出不同深度地下水循环条件的差异性，且受到的影响因素不同。浅部孔隙水中δD含量介于-58.0‰～-42.0‰，平均含量-52.1‰，δ18O介于-8.3‰～-5.2‰，平均值-7.3‰；中深部孔隙水中δD含量介于-74.3‰～-54.1‰，平均含量-67.6‰，δ18O介于-10.01‰～-7.65‰，平均值-9.2‰。

中深部孔隙水与浅部孔隙水相比，δD和δ18O含量更贫化，且平均含量相差较大。浅部孔隙水中δD与δ18O的线性关系为：δD=4.70δ18O-17.95（n=25，R2=0.92），直线斜率要明显大于当地大气降水线，表明浅部地下水存在强烈的蒸发作用，但偏离程度强弱不一，表现出不同的蒸发特征，这是地下水的不同赋存特征所决定的。一方面，在大气降水入渗到地下水的过程中，蒸发作用进一步进行，使得浅部孔隙水中的氢氧同位素组成更加偏离当地大气降水线；另一方面，不同埋深的浅部孔隙水发生蒸发作用的程度不同，浅埋深地下水蒸发较强烈而更为富集重同位素，表现为部分地下水点更偏离大气降水线。中深部孔隙水中δD与δ18O的线性关系为：δD=8.01δ18O+6.44（n=25，R2=0.99），中深部孔隙水由于大部分点位埋深较大，天然状态下几乎不发生蒸发，因而表现为δD与δ18O的线性关系直线斜率与大气降水线的斜率相差不大。

4.3.3 水平分布特征

在浅部孔隙水径流方向上（图5）及垂直于涡河方向上（图6），δD与δ18O的含量并未出现明显的单向变大或变小的特征规律，这与该地区地下水化学特征无明显的水平分带规律相似。原因是研究区位于平原区，地形平坦，水动力作用较弱，水文地质条件较为复杂，因而不能像在其他地表水流域[13～15]，通过δD与δ18O的含量的水平分布规律刻画出典型的流域范围内的补给区、径流区和排泄区。

图5 研究区浅部孔隙水中δD和δ18O含量沿地下水径流方向上的变化图（G1为起点）Figure 5.Variation of δD and δ18O in shallow pore water in the direction of groundwater runoff(G1 as the starting point)

图6 研究区浅部孔隙水中δD和δ18O含量在垂直河流方向上的变化图（涡河为零点）Figure 6.Variation of δD and δ18O in shallow pore water in the direction vertical to the river stream(Guohe River as the zero point)

5 讨论

5.1 浅部循环系统和中间过渡系统边界的确定

彭玉怀等[16]基于晚新生代地层及其沉积结构、地下水动态、环境同位素等特征，将淮北平原孔隙水由浅入深划分了浅部循环、中间过渡和深部滞流三大地下水流动系统，其中浅部循环系统含水层底板埋深小于50m，中间过渡系统含水层底板埋深50～150m，深部滞留系统含水层底板埋深150～480m。

由于研究区内钻孔成井时，在目标含水层底板以下的黏性土层中设置了5m的沉淀管，因而在考虑目标含水层底板深度时需用成井深度减去沉淀管长度。研究区内大致以34m深度为界（图7），含水层底板埋深在0～34m深度范围内，地下水中的δD和δ18O含量平均值分别为-52.1‰和-7.3‰，δD普遍高于-58‰，δ18O普遍高于-8.3‰，较富集重同位素，δD的变幅为16‰，δ18O的变幅为3.1‰，显示其分布具有一定的差异性。该深度范围内的钻孔地下水水位相差不大，且受大气降水影响波动明显（图8，ZK03和SK08），水位年变幅1.0～3.0m，显示出该深度范围是受现代降水影响较为强烈的积极循环带[5]。根据钻孔揭露的含水层信息，该深度范围含水层较连续，地下水主要赋存于第四纪晚更新世含水层中。

图7 研究区地下水中δD和δ18O的垂向分布特征Figure 7.Vertical distribution of δD and δ18O in groundwater

含水层底板埋深在34～70m深度范围内，地下水中的δD和δ18O含量平均值分别为-59.1‰和-8.19‰，除点ZK01、SK11和SK23外，δD普遍低于-58‰，δ18O普遍低于-8.3‰，与上层含水层相比，该深度范围内的地下水更贫化重同位素。地下水受大气降水影响波动较明显（图8，SK11和SK15），地下水位略低于0～34m深度范围内的含水层地下水位，水位年变幅1.1～2.2m，水位整体呈小幅下降趋势。根据钻孔揭露的含水层信息，该深度范围含水层多以不连续的透镜体形式存在，地下水主要赋存于第四纪中更新世含水层中。

含水层底板埋深在70～177.5m深度范围内，地下水中的δD和δ18O含量平均值分别为-70.9‰和-9.7‰，δD普遍低于-65‰，δ18O普遍低于-8.9‰，δD和δ18O值随深度逐渐偏负，δD的变幅为8.8‰，δ18O的变幅为0.99‰，同位素含量变幅明显小于0～70m深度范围的同位素含量变幅，随着深度的变化，同位素含量变幅逐渐变小，与上部孔隙水之间的联系变弱。同时该深度范围内的钻孔地下水水位相差较大，且与大气降水无明显波动关系（图8，SK17和SK28），地下水位明显低于上部含水层水位。受深部地下水过量开采影响，该深度范围内的地下水水位整体呈下降趋势，降幅1～3m/a。根据钻孔揭露的含水层信息，在70～177.5m深度范围内含水层不发育，在不同深度分布有规模不一的含水层透镜体，地下水主要赋存于第四纪早更新世含水层及新近纪中新世含水层中。

图8 地下水和涡河水水位动态历时曲线Figure 8.Dynamic change of the groundwater and the Guohe River water levels over time

综上，可将34m以上划分为浅部循环系统，70m为中间过渡系统上部和下部的分界线。本研究划分的浅部循环系统含水层底板埋深要小于彭玉怀等[16]划分的浅部循环系统含水层底板埋深，可能原因是研究区内的晚更新世地层底板埋深小于淮北平原区域上的晚更新世地层底板埋深。

5.2 不同水体及含水层之间的水力联系

通过对涡河沿岸民井采样点位进行的四次水位统测发现，涡河水位和近岸浅层地下水水位的变化趋势近于同步，无论在枯水期还是丰水期，涡河近岸的地下水位均高于涡河水位，地层结构显示涡河切割浅部循环系统主要连续含水层，由此表明涡河水还接受沿岸浅部孔隙水的侧向径流补给。

中间过渡系统上部孔隙水点SK11、ZK01和SK23的同位素含量与部分浅部孔隙水中的同位素含量相差不大，甚至更富集重同位素（图7），表明区内部分区域浅部孔隙水越流补给中部孔隙水。

在中间过渡系统下部，同位素含量已无明显的分层性，即同位素含量相对趋于稳定，表现出均一性的特点，表明在该深度范围内，地下水环境逐渐趋于封闭状态。结合地下水动态数据，中间过渡系统下部地下水水位明显低于其上部地下水水位，且变化趋势明显不同。这表明中间过渡系统下部孔隙水与上部孔隙水的水力联系几乎可以忽略。中间过渡系统下部孔隙水不能直接接受大气降水的补给，可能主要接受远距离贫化地下水的侧向径流补给[17]，且径流缓慢。地下水同位素含量随着深度的增加而越来越偏负也可反映出贫化同位素的中部孔隙水的补给高程较高，且形成时气候较冷[15]。