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淮河流域典型區(qū)地下水同位素特征分析

2018-05-18 05:43運(yùn)萬(wàn)燕軍孫曉敏
治淮 2018年4期
關(guān)鍵詞:平原區(qū)氫氧淮河流域

楊 運(yùn)萬(wàn)燕軍 孫曉敏

(1.水利部淮河水利委員會(huì) 蚌埠 233001 2.南京水利科學(xué)研究院 南京 210029)

地下水是淮河流域特別是淮河以北地區(qū)生活、農(nóng)田灌溉、工業(yè)生產(chǎn)、生態(tài)環(huán)境等用水的重要供水水源。20世紀(jì)70年代以來(lái),隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,水資源需求量不斷增大,流域內(nèi)地下水受到大規(guī)模開(kāi)采。不合理的地下水開(kāi)采使得流域地下水系統(tǒng)的補(bǔ)徑排條件發(fā)生變化,也帶來(lái)地面沉降、地面塌陷、海水入侵等一系列環(huán)境地質(zhì)問(wèn)題。目前,同位素方法在研究地下水循環(huán)過(guò)程、識(shí)別污染物來(lái)源、判斷地下水補(bǔ)給來(lái)源、確定不同含水層之間水力聯(lián)系等方面發(fā)揮越來(lái)越重要的作用,成為研究地下水補(bǔ)給來(lái)源與揭示地下水演化規(guī)律的有效方法,已在黑河流域、塔里木盆地、內(nèi)蒙古佘太盆地、北京平原區(qū)、蒲陽(yáng)河流域等區(qū)域得到研究應(yīng)用,取得一系列成果。本文在淮河流域選擇“一橫三縱”四個(gè)剖面采集地下水樣,開(kāi)展同位素特征分析,初步識(shí)別了研究區(qū)不同地下水系統(tǒng)的分異性及其補(bǔ)給情況,為更為合理地開(kāi)發(fā)利用流域地下水資源提供了基礎(chǔ)支撐。

1 流域地下水概況

淮河流域總的地形為由西北向東南傾斜,山區(qū)占流域總面積的1/3,其余為平原、湖泊和洼地?;春恿饔虻叵滤煞譃槠皆瓍^(qū)土壤孔隙水、山丘區(qū)基巖斷裂構(gòu)造裂隙水和灰?guī)r裂隙溶洞水三種類(lèi)型。平原區(qū)土壤孔隙水是淮河流域地下水資源的主體。流域西部為古淮水系堆積區(qū),厚度在10~60m,地下水埋深一般在2~6m;東部為黃河沖積平原的一部分,砂層厚度一般為10~35m,自西向東漸減,地下水埋深1~5m。蘇北淮安、興化一帶沖積湖積平原區(qū),大部分為淤泥質(zhì)、砂質(zhì)黏土,間有沙土地層,地下水埋深一般為1~2m。蘇魯濱海平原地區(qū)在沿海5~22km范圍內(nèi)屬海相沉積區(qū),巖性為亞沙土,地下水埋深1~2m。平原區(qū)大部分屬礦化度小于2g/L的HCO3-Ca·Na·Mg型淡水,小部分區(qū)域?yàn)镠CO3·Cl-Ca·Na·Mg型淡水?;春恿饔蚨嗄昶骄鶞\層地下水資源量338億m3,多年平均地下水資源可開(kāi)采量為190.4億m3,2015年淮河流域地下水資源量335億m3,其中開(kāi)發(fā)利用量132.2億m3,占2015年流域總供水量的24.5%。

2 樣品采集與測(cè)試

本次研究在淮北平原區(qū)選擇“一橫三縱”四個(gè)剖面,通過(guò)水文監(jiān)測(cè)井、地質(zhì)勘探井、供水井等水井進(jìn)行地下水采樣,共采集地下水樣388個(gè)。其中,“一橫”路線為阜陽(yáng)太和邊界至利辛、蒙城、宿州、靈璧、宿遷市泗洪縣范圍,總長(zhǎng)度約270km;“三縱“路線為:沙潁河剖面,由許昌起經(jīng)臨潁縣、漯河市、駐馬店市至阜陽(yáng)太和邊界,總長(zhǎng)度約370km;渦河剖面,由開(kāi)封起經(jīng)柘城縣、渦陽(yáng)縣、蒙城至蚌埠市懷遠(yuǎn)縣,總長(zhǎng)度約320km;古黃河剖面,由菏澤起,經(jīng)曹縣、單縣、豐縣、徐州、睢寧、泗洪至淮安、鹽城射陽(yáng)縣剖面,總長(zhǎng)度約520km。鑒于淮河流域平原區(qū)在地表以下30~55m之間,區(qū)域上廣泛分布有一層14~20m厚的粘性土層,同時(shí)為研究需要,本文以地表以下50m為界,將含水巖組劃分為淺層含水巖組和深層含水巖組,對(duì)應(yīng)的水井區(qū)分為淺層井和深層井,在取樣時(shí)基本上確保一個(gè)淺層水樣點(diǎn)對(duì)應(yīng)一個(gè)深層水樣點(diǎn)。

地下水樣的氫氧穩(wěn)定同位素指標(biāo)均采用美國(guó)LGR產(chǎn)品液態(tài)水同位素激光質(zhì)譜進(jìn)行測(cè)定,其標(biāo)樣均來(lái)源于該公司,對(duì)每個(gè)水樣自動(dòng)測(cè)6次后取其中部4次平均值。

3 同位素分析方法簡(jiǎn)介

同位素指原子核中質(zhì)子數(shù)相同但中子數(shù)不同的同一類(lèi)原子,由于同一元素不同的同位素質(zhì)量不同,從而可以根據(jù)同位素信息開(kāi)展相關(guān)研究。水中常用的穩(wěn)定同位素是2H、18O,由于同位素的相對(duì)豐度很高而難以直接測(cè)定,因此使用樣品豐度比相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)豐度比之間的偏差δ來(lái)表示。不同元素的同位素采用不同的標(biāo)準(zhǔn),氫、氧穩(wěn)定同位素的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)是標(biāo)準(zhǔn)平均海水或維也納標(biāo)準(zhǔn)平均海水。例如δ18O被定義為:

氫氧同位素的δ值為正值表示樣品含有比標(biāo)準(zhǔn)多的重同位素,負(fù)值則表示樣品含有比標(biāo)準(zhǔn)少的重同位素,在氫氧穩(wěn)定同位素中,作為參考標(biāo)準(zhǔn)的海水在自然界一般可認(rèn)為具有最富的重同位素,因此自然水樣測(cè)得的氫氧同位素δ值通常為負(fù)數(shù)。

4 結(jié)果討論

4.1 研究區(qū)氫氧穩(wěn)定同位素降水線

顧慰祖等曾于2003~2004年在皖北、豫東平原8個(gè)水文站按IAEA降水同位素測(cè)站的要求采集了降水18O和2H資料,大部分為5月到12月的數(shù)據(jù),包含了18O和2H變化最劇烈的季節(jié),代表了足夠大的18O和2H變幅。本次研究新收集10個(gè)水文站降水同位素資料,對(duì)比發(fā)現(xiàn)本次研究數(shù)據(jù)正落在2003~2004年數(shù)據(jù)線上,因此將兩次調(diào)查數(shù)據(jù)結(jié)合,近似得到淮北平原區(qū)降水線(LMWL),與全球降水線(GMWL)比較如下:

淮北平原區(qū)降水線:

全球降水線:

結(jié)合公式(2)、(3)及圖1,可以看出淮北平原區(qū)降水線與全球降水線很接近,由于一般地區(qū)性的LMWL應(yīng)該有較長(zhǎng)時(shí)間采樣才能認(rèn)定,因此在兩者很接近的情況下,可以使用GMWL來(lái)代替地區(qū)降水線。

4.2 研究區(qū)地下水同位素特征分析

根據(jù)調(diào)查路線,將地下水采樣點(diǎn)歸為以下6組:(1)沙潁河水系深層地下水組:包括許昌市、上蔡縣、平輿縣、臨泉縣所有井深大于50m的深層地下水;(2)沙潁河水系淺層地下水組:包括許昌市、上蔡縣、平輿縣、臨泉縣所有井深小于50m的淺層地下水;(3)渦河水系深層地下水組:包括開(kāi)封市、通許縣、睢陽(yáng)縣、睢縣、柘城縣、渦陽(yáng)縣、蒙城縣、懷遠(yuǎn)縣所有井深大于50m的深層地下水;(4)渦河水系淺層地下水組:包括開(kāi)封市、通許縣、睢陽(yáng)縣、睢縣、柘城縣、渦陽(yáng)縣、蒙城縣、懷遠(yuǎn)縣所有井深小于50m的淺層地下水;(5)古黃河水系深層地下水組:包括菏澤、徐州、宿遷、淮安、鹽城所有井深大于50m的深層地下水;(6)古黃河水系淺層地下水組:包括菏澤、徐州、宿遷、淮安、鹽城至鹽城射陽(yáng)縣所有井深小于50m的淺層地下水。6組地下水的同位素分布如圖2、圖3、圖4所示,可以看出:

圖1 降水氫氧穩(wěn)定同位素關(guān)系圖

圖2 地下水氫氧同位素關(guān)系圖

圖3 深層地下水氫氧同位素關(guān)系圖

圖4 沙潁河與渦河水系地下水氫氧同位素關(guān)系圖

(1)各系統(tǒng)地下水氫氧同位素趨勢(shì)線的延長(zhǎng)線與降水線具有交點(diǎn),說(shuō)明各系統(tǒng)淺層地下水、深層地下水都源于降水補(bǔ)給。相比而言,淺層地下水點(diǎn)與降水線更為接近,延長(zhǎng)線交點(diǎn)更靠上,部分淺層地下水點(diǎn)甚至位于降水線之上;而深層地下水的延長(zhǎng)線則與降水線相交于遠(yuǎn)端,意味著淺層地下水、深層地下水降水同位素可能組成的年齡及其補(bǔ)給時(shí)期應(yīng)是:淺層地下水<深層地下水,深層地下水可能包括歷史時(shí)期和地質(zhì)時(shí)期的降水。

(2)各系統(tǒng)淺層地下水穩(wěn)定同位素分布范圍較寬,且明顯富于深層地下水,原因主要包括兩方面:一是因?yàn)楝F(xiàn)代的蒸發(fā)分餾,使得含有重同位素的水分子更易留于淺層含水層中,而不同地區(qū)的降水和蒸發(fā)均有所差異,使得各地區(qū)淺層地下水的穩(wěn)定氫氧同位素具有較好分異性;而深層地下水則幾乎不受蒸發(fā)分餾的影響,同位素分布范圍較窄。二是因?yàn)樯顚拥叵滤写嬖谥欢ū戎氐臍v史時(shí)期降水,而歷史時(shí)期降水的氫氧穩(wěn)定同位素相對(duì)更貧。同時(shí),這也暗示著深層地下水主要受側(cè)向補(bǔ)給的影響,而具有區(qū)域差異的降水和淺層水對(duì)深層地下水的垂向補(bǔ)給則必然較弱。

(3)結(jié)合圖3進(jìn)一步分析深層地下水系統(tǒng)的分異性,可以看出,沙潁河與渦河水系深層地下水氫氧同位素具有較好的分異性,而古黃河水系深層地下水則明顯分屬兩個(gè)不同的地下水系統(tǒng)。對(duì)比沙潁河和渦河兩個(gè)水系中地下水的趨勢(shì)線與降水線的位置關(guān)系,沙潁河顯然與降水的關(guān)系更為密切,加之兩水系地下水的平均取樣深度相差不大,可以推斷渦河水系的上覆弱透水層更厚或連續(xù)性更好。同時(shí),渦河水系深層地下水同位素分布范圍相對(duì)較寬,但多數(shù)局限于左下部,說(shuō)明渦河水系深層地下水在部分地區(qū)能夠接受淺層地下水的補(bǔ)給,但絕大部分地區(qū)不能獲得淺層地下水的有效補(bǔ)給,主要接受側(cè)向補(bǔ)給。

5 結(jié)論

本文在淮河流域平原區(qū)開(kāi)展了地下水同位素分析,通過(guò)大量實(shí)測(cè)的地下水同位素?cái)?shù)據(jù),初步探明淮北平原渦河、沙潁河、古黃河水系地下水系統(tǒng)特征,分析了降水、淺層地下水、深層地下水間的關(guān)系。研究表明地下水都源于降水補(bǔ)給;而淺層地下水受到蒸發(fā)分餾的影響,深層地下水主要受側(cè)向補(bǔ)給的影響,可能包括歷史時(shí)期和地質(zhì)時(shí)期的降水;具有區(qū)域差異的降水和淺層水對(duì)深層地下水的垂向補(bǔ)給較弱。該研究為今后淮河流域地下水系統(tǒng)可更新能力的量化表示提供了基礎(chǔ)■

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