银北平原黄河以东地下水同位素特征

周文生，刘海燕，芮 婷

(1.宁夏回族自治区核地质调查院，宁夏 银川 750021；2.宁夏回族自治区基础地质调查院，宁夏 银川 750021)

0 引言

水化学和环境同位素特征研究是定量计算与评价地下水年龄、分析地下水补给和更新能力的基础[1-2]。多年来，国内各研究机构在宁夏银川平原黄河以西实施完成了大量的水文地质勘查工作，系统深入地研究了地下水水化学同位素特征[3-8]。而在黄河以东地区，由于长期对其具有供水意义含水层认识不足，投入的勘查工作相对较少，对该地区地下水同位素的研究也较为缺乏。笔者系统整理分析了近年来黄河以东水文地质勘察取得的各类测试数据，研究了该地区地下水不同含水层同位素特征，并结合传统的水文地质学方法确定地下水来源及组成、地下水和黄河水之间的水力联系、地下水在空间尺度上的循环模式，探明人类生产生活对地下水循环的影响，探讨了地下水更新强度及年龄。

1 水文地质条件

研究区位于银川平原北部，包括黄河以东的冲积平原和鄂尔多斯高原西缘。含水层主要由第四系冲积砂层和新近系砂岩层构成，多层结构。按含水层时代和介质类型可分为第四系松散岩类孔隙含水岩组和新近系碎屑岩类裂隙孔隙含水岩组。第四系松散岩类孔隙水含水层分布于黄河以东至鄂尔多斯台地以西，岩性为浅黄、桔黄色细砂及粉细砂，蕴藏着丰富的地下水资源。根据勘探资料，将地表以下217 m深度内划分为三个含水岩组：① 埋深16.7～60.5 m以上的微承压水含水层划分为第一含水岩组；② 20.75～89.6 m以下、97.65～139.75 m以上的承压含水层，划分为第二含水岩组；③ 105.85～157.9 m以下、134.1～214.65 m以上的承压含水层，划分为第三含水岩组。其中第二、第三含水层为本次研究目的层。

第二含水岩组压力水头埋深0.62～3.84m，富水性较强。管径273 mm，降深12.06～34.97 m，单井涌水量为985.22～1358 m3/d；管径159 mm，降深12.48～43 m，单井涌水量为668.22～1358.04 m3/d。

第三含水岩组埋深105.85～157.9 m以下、134.1～214.65 m以上，含水层厚度为17.7～51.35 m，水位埋深0.53～4.1 m，由2～3层灰黄色、土黄色细粉砂、粉砂组成，以石英、长石为主要成分，结构松散、颗粒均匀，中间夹2～3层灰黄色—土黄色黏砂土、砂黏土薄层或透镜体，单层厚度为3.05～29.85 m。含水岩组富水性受厚度控制，随含水岩组厚度的增加而增大。管径273 mm，降深14.0～36.11 m，单井涌水量为723～919.13 m3/d，水量变化较大。渗透系数变化亦较大，在1.0739～2.6969 m/d之间[9-10]。

研究区水文地质条件见图1。新近系碎屑岩类孔隙裂隙水主要分布于鄂尔多斯台地边界以东，含水层岩性为棕红色、棕黄色泥岩、泥质砂岩、细砂岩，地下水埋藏较深，赋存条件较差，地下水水量较小。

图1 研究区水文地质图

2 环境同位素特征分析

本次研究于2010年8月至2010年12月进行了同位素采样工作，共采集各类同位素样品14组，其中地表水样3组，地下水样11组。地表水分别取自黄河、排水沟、湖泊，地下水均取自施工的水文地质探采结合孔分层抽水试验末期。同位素测试结果均为单个水样测试结果，样品数量及取样空间位点具有足够代表性。

2.1 大气降水同位素与水化学特征

大气降水是研究区地表水和地下水重要的补给来源之一，是水循环重要环节之一[7]，分析其特征有助于查明地表水和地下水的成因。

根据国际原子能机构(IAEA)全球大气降水监测数据资料统计(1988、1989、1992)，银川地区大气降水同位素δD、δ18O的年加权平均值为-6.6‰和-44‰，据1992年大气降水水化学分析资料，银川地区大气降水总溶解固体(TDS)含量为83 mg/L，Cl-含量为2.7 mg/L。

根据1988—1992年、2000年在银川地区的大气降雨监测数据，以及银川平原苏峪口、陶乐、银川气象站的1992年和2003年的大气降雨同位素数据[11]，求得银川地区大气降雨水线方程为

δD=7.28δ18O+4.66，r=0.96

理论研究表明，在空气湿度为85%的状况下，按同位素分流机制，雨水δD - δ18O关系曲线斜率与全球雨水线相同[12]。分析银川地区大气降水的δD - δ18O关系(图2)，银川地区大气降雨线的斜率与截距均小于全球雨水线(GWML)，其原因与研究区处于干旱、半干旱气候条件、空气湿度低、降雨量小、蒸发量大有关。另外，由于该区域降雨的水汽来源地具有不同的稳定同位素比值，也是形成雨水线斜率小的因素。

图2 银川地区大气降水δDSMOW - δ18OSMOW 关系图

2.2 地表水同位素特征

黄河、人工灌排体系的引水渠及排水沟和小面积湖泊构成了区内地表水体。研究区内黄河水取样点处的δD、δ18O值分别为：-69‰，-9.9‰，其中δD介于大气降水(-44‰)和地下水(-75.9‰)之间。说明黄河水在接受大气降雨补给的同时，还接受来自于鄂尔多斯台地地下水的侧向径流补给。3H含量界于30.8～34 TU之间，补给来源为20世纪60年代或70年代的水(表1)。

表1 研究区地表水δD、δ18O、3H测试结果

排水沟主要排泄的是灌溉回渗水，研究区内大面积进行引黄灌溉，粗放式的灌溉方式使一部分黄河水回渗进入地下，排水沟内δD、δ18O值分别为：-47‰、-3.9‰，3H含量界于31.7～35.1 TU之间，由此可以看出灌溉水渗入地下之后在浅部经历短暂的地下水径流之后快速排入排水沟。即排水沟中水来自于浅循环的地下水，同时排水沟中水δD值比黄河水δD值偏高，表明排水沟内的水受到蒸发浓缩作用影响。

2.3 地下水氢氧稳定同位素特征

地下水中的 δD、δ18O 值可反映其补给来源[13]，研究区承压含水层的氢氧稳定同位素(δD、δ18O、3H)的测试结果见表2，分布特征见图3。由图3可见，δD、δ18O大体上具有相同的分布特征，且第一承压水的氢氧稳定同位素(δD、δ18O)变化范围大于第二承压含水层，其中第一承压含水层δD为-82‰～-72‰，δ18O为-9.3‰～-8.3‰；第二承压含水层δD为-80‰～-76‰，δ18O为-9.3‰～-8.7‰。

表2 研究区地下水δD、δ18O、3H测试结果

从第一承压水的δD、δ18O分布图(图3)可以看出，平原区局部地区地下水的δD、δ18O值比东部台地δD、δ18O值大，比大气降水及黄河水的δD、δ18O值小。反映出承压水不仅接受台地地下水侧向径流补给，还接受上部潜水含水层的越流补给。对于不同水体的混合，可以利用水体的同位素δ18O和δD来识别并估算混合比例。如果存在两种端元混合，以δM代表混合水同位素含量，δA、δB分别代表A、B两个端元水的同位素含量，以λA、λB代表混合水中两端元所占比例，根据δ18O质量平衡原理，则有

λA=(δM-δB)/(δA-δB)，

λB=1-λA[14]。

由此得出研究区承压含水层中台地地下水侧向径流补给约占总补给量的72%，越流补给量约占28%。

从垂向上看，第一层承压水δD的平均值为-76.33‰，δ18O的平均值为-8.83‰；第二层承压水δD平均值为-77.75‰，δ18O的平均值为-9‰。与第一层承压水相比，第二层承压水的δD和δ18O平均值分别贫1.42‰和0.17‰。潜水只有一个数据点位于台地上，δD、δ18O值分别为-66‰、-7.8‰，与承压水相比，相对富D和18O；与大气降水相比，相对贫D和18O，由此可见，台地地下水来自于大气降水和鄂尔多斯台地内部地下水径流的混合补给。

研究区地下水δD -δ18O关系曲线及当地大气降水线见图4。从所采集的数据可以看出，地下水样品均分布在当地降水线下部，并未落在当地降水线附近，并且研究区内降雨稀少，进一步说明地下水的补给来源并不主要是大气降水。承压水的补给来自于鄂尔多斯台地地下水的补给或黄河水的补给。

图4 研究区地下水δD - δ18O关系图

2.4 地下水氚同位素特征

在地下水同位素研究中，可以用氚(3H)含量非常好的区分1952年前后补给的地下水。理论上可以用氚测定地下水年龄，但在实际研究过程中，在不同水动力作用下，补给来源不同的地下水流相互混合聚集，从而造成不同时期地下水组成的混合体。因此，用氚估算地下水的平均滞留时间更合适。

研究区第一层承压水和第二层承压水氚含量分布见图5。调查数据显示氚含量范围为1.5～20 TU，其中只有第一承压水北部靠近黄河部位氚含量小于5 TU，其他部位氚含量均大于5 TU，表明区内地下水是鄂尔多斯台地内年龄较老的水、引黄(河)灌溉回渗水和大气降水混合补给的结果。

图5 第一承压水(a)与第二承压水(b)氚含量分布图

2.5 地下水14C同位素特征

从此次承压含水层14C校正年龄数据及分布来看(表3、图6)，台地第一承压水年龄较大，为1.52万年～2.0万年，其原因可能在于接受了年龄较大的深层地下水的补给。第二承压水中部靠近黄河部位年龄较小，为0.493万年，可能是由于受到人工开采的影响，补给源中添加了黄河灌溉水的垂向渗漏补给以及黄河水的侧向径流补给所致。从第二承压水3H含量分布图(图4)也可以看出，北部靠近黄河部位第二承压水更新速率较快，更新能力强。

表3 研究区地下水14C测试结果

图6 承压含水层14C校正年龄

3 结语

通过各种水体同位素特征分析表明，研究区地下水承压水的补给来自于鄂尔多斯台地地下水和西南部黄河水的补给。台地第一承压水年龄较大，其原因可能在于接受了年龄较大的深层地下水的补给。第二承压水中部靠近黄河部位年龄较小，分析可能是由于受到人工开采的影响，补给源中添加了黄河灌溉水的垂向渗漏补给以及黄河水的侧向径流补给所致。研究区北部靠近黄河部位第二承压水更新速率较快，更新能力强。