師明川,付世騫,杜尚海
(1.河北水文工程地質(zhì)勘查院,石家莊 050020;2.吉林大學(xué)建設(shè)工程學(xué)院,長春 130021)
地表水-地下水轉(zhuǎn)化是區(qū)域水資源評價與管理過程中最為重要的水循環(huán)過程,深入理解地表水-地下水轉(zhuǎn)化關(guān)系對建立區(qū)域水循環(huán)模式、開展區(qū)域水資源評價與管理工作具有重要意義[1-4]。水資源短缺是制約華北地區(qū)社會經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境建設(shè)的最重要因素,開展區(qū)域地表水-地下水轉(zhuǎn)化關(guān)系研究對區(qū)域水資源量和水質(zhì)的精確評價具有重要意義[5,6]。
環(huán)境同位素技術(shù)逐漸發(fā)展成為水資源研究的重要手段,特別是作為水組成成分的氫氧同位素,在地表水-地下水轉(zhuǎn)化、地下水的補給來源、水體的蒸發(fā)與混合等方面開展了大量研究,取得豐富的研究成果,使得氫氧同位素技術(shù)成為地表水-地下水轉(zhuǎn)化關(guān)系研究過程中重要且成熟的手段[7-10]。
本次選取2022年冬奧會供水具有重要意義的崇禮區(qū)清水河流域進(jìn)行研究,分別采集地表水和地下水樣品,對水中氘氧同位素和222Rn分布特征進(jìn)行綜合分析,深入理解清水河流域地表水-地下水轉(zhuǎn)化關(guān)系,為崇禮地區(qū)水資源評價與可持續(xù)開發(fā)利用提供科學(xué)依據(jù)。
崇禮區(qū)位于河北省西北部,隸屬張家口市。正東、東北與赤城縣、沽源縣交界,西南與張家口市區(qū)、萬全區(qū)毗鄰,西北、正北和張北縣接壤,南隔古長城與宣化區(qū)相望。崇禮區(qū)交通位置圖見圖1。崇禮區(qū)人民政府位于西灣子鎮(zhèn),全區(qū)轄2個鎮(zhèn)、8個鄉(xiāng)。總?cè)丝?2.6 萬人。
崇禮區(qū)屬中山~高中山地貌,地形總體趨勢東北高、西南低,自然傾斜,海拔高度820~2 129 m。區(qū)界四周群山環(huán)繞,山巒起伏連綿,東溝、正溝、西溝三條大溝呈北東南西向縱貫全區(qū)。
崇禮區(qū)屬中溫帶亞干旱大陸性季風(fēng)型山區(qū)氣候,常年干旱少雨。年平均氣溫3.2~3.7 ℃,受山區(qū)地形的影響,崇禮區(qū)年內(nèi)降水量多集中在6-9月份,時有冰雹、暴雨災(zāi)害。根據(jù)崇禮區(qū)1971-2017年的降水量和蒸發(fā)量資料,多年平均降水量為472.83 mm,多年平均蒸發(fā)量為1 416.45 mm。
崇禮區(qū)河流屬兩個水系。崇禮區(qū)清三營鄉(xiāng)東部部分流域?qū)俪卑缀铀?,其流域面積占全區(qū)總面積的4.3%。其余皆屬永定河水系,包括清水河和小清水河(盤常河)兩個分支,其流域面積占全區(qū)總面積的95.7%。
崇禮區(qū)位于洋河盆地東北盆緣山地水文地質(zhì)區(qū),大部分屬清水河流域水文地質(zhì)單元,僅清三營鄉(xiāng)東北部小部分屬潮白河流域水文地質(zhì)單元。區(qū)內(nèi)地下水賦存于松散巖類孔隙、基巖裂隙和碎屑巖類孔隙裂隙中,主要接受大氣降水垂直補給和少量農(nóng)灌入滲補給,總體由北向南運移,地形坡度較大,地下分水嶺與地表分水嶺一致,邊界條件清楚;在天然狀態(tài)下,地下水排泄方式以泉及潛流為主,清水河為其天然排泄通道,區(qū)內(nèi)地表水-地下水之間轉(zhuǎn)化頻繁且復(fù)雜。
根據(jù)崇禮區(qū)的水文地質(zhì)條件和前期野外調(diào)查成果,本次研究分別在東溝、正溝和西溝三條主要溝谷中選擇典型地表水和地下水監(jiān)測點進(jìn)行同位素采樣,全區(qū)共采集水樣40個,其中地表水水樣18個,地下水水樣19個,大氣降水水樣3個。采樣時間為2018年6月6日至6月9日,采樣過程中分別記錄采樣點的井深、經(jīng)度、緯度和周邊環(huán)境等信息,采樣點空間分布如圖2所示。
圖2 同位素取樣點分布圖Fig.2 Samping points distribution
從采樣點分布圖中可以看出:①東溝共采集水樣12個,地表水水樣6個,地下水水樣6個;②正溝共采集水樣8個,其中地表水水樣4個,地下水水樣4個;③西溝共采集水樣8個,其中地表水水樣5個,地下水水樣3個;④其他監(jiān)測點9個;⑤大氣降水水樣3個。
同位素樣品的采樣方法參照我國水利部標(biāo)準(zhǔn)中同位素水文技術(shù)應(yīng)用指南:抽取至少三倍于井孔中穩(wěn)定水的體積且隨時跟蹤測量野外數(shù)據(jù),如溫度,pH和電導(dǎo)率。當(dāng)這些數(shù)據(jù)穩(wěn)定后,通過無污染的儀器并遵循相關(guān)采樣要求來采集水樣。為了更好地保證試驗分析結(jié)果的可靠性,必須保證以下操作的進(jìn)行:對采樣所用儀器的清潔,和采樣相同的過程采取空白樣,采集平行樣來確定由采樣或者實驗分析帶來的誤差。穩(wěn)定同位素2H、18O樣品無需經(jīng)過特殊處理,直接使用螺紋蓋密封,容積為50 mL的線性聚乙稀(PE)瓶取樣即可;放射性同位素222Rn 樣品無需經(jīng)過特殊處理,直接使用螺紋蓋密封,容積為500 mL的玻璃瓶取樣即可,取樣時間記錄精確到分鐘。
本次野外調(diào)查的水化學(xué)常規(guī)組分測試常規(guī)現(xiàn)場測定指標(biāo)主要為pH和DO,其中pH使用型號為PHS-3E的pH計和玻璃電極法測定,DO使用型號為JPB-607A溶解氧測定儀和電化學(xué)探頭法測定;本次研究中氘氧同位素委托北京原生態(tài)測試有限公司測試,測定儀器為美國Picarro公司生產(chǎn)的L2130-l,使用方法為WS-CRDS技術(shù)(波長掃描光腔衰蕩光譜技術(shù)),本次研究中水體中222Rn同位素含量的測定采用美國Durridge公司RAD7型α能譜氡氣檢測儀。
根據(jù)崇禮區(qū)的水文地質(zhì)條件,可知區(qū)內(nèi)地下水的主要補給來源分別為大氣降水入滲、河水入滲和潛水側(cè)向流入等,根據(jù)D和18O同位素的質(zhì)量守恒定律,可以建立穩(wěn)定同位素的三單元混合模型,計算公式如下:
δDM=f1δD1+f2δD2+f3δD3
(1)
δ18Dm=f1δ18O1+f2δ18O2+f3δ18O3
(2)
f1+f2+f3=1
(3)
式中:δDM代表不同端元水體混合后的氘同位素值;δD1、δD2和δD3分別表示不同混合端元的氘同位素值;δ18OM代表不同端元水體混合后的氧同位素值;δ18O1、δ18O2和δ18O3分別表示不同混合端元的氧同位素值;f1,f2和f3分別表示不同混合端元的混合比例。
在地下水研究中,222Rn 作為環(huán)境示蹤劑可以確定較短時間尺度內(nèi)地下水的年齡,估算地表水入滲率,推斷裂隙巖含水層水流速率以及地表水與地下水的轉(zhuǎn)換關(guān)系等,其中利用222Rn 作為環(huán)境示蹤劑研究地下水對河流的補給非常有效,具有其他環(huán)境示蹤劑不可比擬的優(yōu)勢。這是由于地下水中222Rn 的濃度遠(yuǎn)大于地表水222Rn 的濃度,含有高濃度222Rn 的地下水進(jìn)入地表水將使排泄處地表水的222Rn 濃度增加,同時其具有非常短的半衰期。也就是說,地下水離開含水層,222Rn 將服從放射性衰變規(guī)律迅速衰減而具有弱繼承性,因此通過分析沿河地表水222Rn 濃度的變化,可確定地下水排泄的位置和補給率。
根據(jù)研究區(qū)水文地質(zhì)條件和地表水測流成果,可以確定研究內(nèi)地表水-地下水轉(zhuǎn)化的典型區(qū)段,應(yīng)用222Rn的示蹤原理對地表水-地下水的轉(zhuǎn)化關(guān)系進(jìn)行定量計算。根據(jù)質(zhì)量守恒定律,上游地表水體某斷面處原有的222Rn總量與下游某斷面處原有222Rn總量之間的差異來自于地下水體對地表水的補給、地表水體中222Rn的衰變以及地表水體中222Rn向空氣中的擴散損失。根據(jù)這一原理,在地下水與地表水不同補給關(guān)系的區(qū)段可構(gòu)造不同的質(zhì)量守恒方程,來計算地表水和地下水的轉(zhuǎn)換量。
對于地下水補給地表水的區(qū)段:
(4)
(5)
對于地表水補給地下水的區(qū)段:
(6)
(7)
對于地下水補給地表水和地表水補給地下水同時發(fā)生的區(qū)段:
(8)
(10)
地表水中沿河流222Rn的衰變可用下式表示:
Cu=Cdexp(αL)
(11)
(12)
本次研究對崇禮區(qū)采集的水樣進(jìn)行了水化學(xué)和同位素的測試,測試結(jié)果見表1所示。從表中可以看出,崇禮區(qū)水體中氘氧同位素的總體分布范圍相對較廣,δD值在-89.16‰~-62.93‰的范圍內(nèi)變化,平均值為-76.11‰;δ18O值在-12.27‰~-8.10‰的范圍內(nèi)變化,平均值為-10.39‰。
表1 氘氧同位素測試結(jié)果Tab.1 Testing results of D and 18O
本次研究對崇禮區(qū)采集的水樣進(jìn)行了222Rn同位素的測試,測試結(jié)果見表2所示。從表2中可以看出,崇禮區(qū)水體中222Rn同位素的總體分布范圍相對較廣,活度值在3.45~44.17 Bq/L的范圍內(nèi)變化,平均值為16.46 Bq/L。其中地下水中222Rn同位素活度值在10.76~44.17 Bq/L的范圍內(nèi)變化,平均值為25.60 Bq/L;地表水中222Rn同位素活度值在3.45~13.82 Bq/L的范圍內(nèi)變化,平均值為7.81 Bq/L。由此可見,崇禮區(qū)地表水中222Rn同位素活度顯著高于區(qū)內(nèi)地下水中222Rn同位素活度。
表2 水中222Rn測試結(jié)果Tab.2 Testing results of 222Rn
3.2.1 大氣降水中D和18O同位素分布特征
受水汽源區(qū)、地理要素和氣象因素等影響,大氣降水的同位素組成變化很大,同一地區(qū)不同時間的降水,同位素組成也可能具有較大差異,但由于降水過程中氫氧穩(wěn)定同位素的平行分餾作用,降水中的δ18O和δD值之間往往具有線性變化規(guī)律。Craig(1961)在研究北美大氣降水時發(fā)現(xiàn)大氣降水的氫氧同位素組成呈線性變化,降水中的δ18O和δD值都落在一條直線上,并根據(jù)這些數(shù)據(jù)擬合出的大氣降水線方程,即為Craig全球降水線(GMWL):
δD= 8δ18O+ 10
(13)
降水δ18O和δD之間的這種線性關(guān)系為對比地下水和地表水的同位素成分、推斷地下水補給條件、揭示各種水體的蒸發(fā)損失和彼此間混合作用提供了理論依據(jù),而且降水δ18O和δD之間的這種線性關(guān)系對于研究水循環(huán)過程中穩(wěn)定同位素的變異規(guī)律也具有重要意義。受局部地區(qū)氣候、水汽來源等因素影響,各個地區(qū)的雨水線方程并不相同,主要反映在雨水線的斜率和截距的差異上。為獲取崇禮區(qū)大氣降水的D和18O同位素含量特征,本次研究采集區(qū)內(nèi)大氣降水水樣3個,測試結(jié)果表明,大氣降水中δD的變化范圍介于-75.16‰ ~ -46.05‰,均值為-58.99‰,δ18O的變化范圍介于-9.86‰ ~ -4.56‰,均值為-7.28‰。
根據(jù)崇禮區(qū)大氣降水的D和18O同位素含量特征,可以繪制大氣降水中D和18含量的相關(guān)關(guān)系圖如圖3所示,并采用最小二乘法得到崇禮區(qū)的大氣降水線為:
Y=5.4422X-19.37
(14)
從崇禮區(qū)大氣降水線可以看出,斜率與截距均明顯小于全球降水線(Y=8X+10)、中國大氣降水線(Y=7.9X+8.2)和北京地區(qū)的大氣降水線(Y=6.467X-7.553),由此說明崇禮區(qū)大氣降水主要來源海洋季風(fēng)帶來的水汽,但海洋水汽在向崇禮區(qū)運移的過程中發(fā)生了顯著的分餾過程;氘盈余d為-9.52‰~3.70‰,平均值為-0.75‰,該數(shù)據(jù)表明崇禮區(qū)處于半干旱與半濕潤區(qū)過渡區(qū)。
圖3 地表水-地下水中D和18O相關(guān)關(guān)系Fig.3 The correlation of D and 18O between surface water and groundwater
3.2.2 地表水中D和18O同位素分布特征
本次研究分別在東溝、正溝和西溝中上游、中游和下游分別采集了地表水同位素樣品,測試結(jié)果表明,地表水中δ18O的變化范圍介于-11.92‰~-8.12‰,均值為-10.21‰,δD的變化范圍介于-85.84‰~-64.04‰,均值為-75.38‰。根據(jù)地表水中D和18O測試結(jié)果,繪制二者之間的相關(guān)關(guān)系圖,根據(jù)最小二乘法同樣可以得到線性回歸方程:
Y=5.7844X-16.204
(15)
從地表水中D和18O的回歸公式可知,崇禮區(qū)地表水線的斜率和截距均大于崇禮區(qū)的大氣降水線的斜率和截距,表明崇禮區(qū)的地表水受到了顯著的蒸發(fā)作用影響。
3.2.3 地下水中D和18O同位素分布特征
為了對比分析地表水-地下水之間的轉(zhuǎn)化關(guān)系,本次研究中與地表水同位素取樣對應(yīng),分別在東溝、正溝和西溝取地下水同位素樣品,測試結(jié)果表明,地下水中δ18O值范圍為-12.27‰~-8.09‰,平均值-10.56‰;δD值范圍為-89.16‰~-62.93‰,平均值為-76.84‰。根據(jù)地下水中D和18O測試結(jié)果,繪制二者之間的相關(guān)關(guān)系圖,根據(jù)最小二乘法同樣可以得到線性回歸方程:
Y=6.3329X-9.9384
(16)
從地下水中D和18O的回歸公式可知,地下水線的斜率和截距明顯大于地表水線的斜率和截距,表明當(dāng)?shù)氐叵滤诮邮艿乇硭霛B補給的同時,受到顯著的蒸發(fā)作用影響。
3.2.4 基于D和18O的地表水-地下水轉(zhuǎn)化定量分析
根據(jù)崇禮區(qū)大氣降水、地表水和地下水中D和18O測試結(jié)果,可以得到各典型水體的同位素含量特征,由此可以根據(jù)同位素守恒,計算出各典型斷面地表水-地下水轉(zhuǎn)化關(guān)系和混合比例。
根據(jù)崇禮區(qū)的水文地質(zhì)條件和同位素分布特征可知,區(qū)內(nèi)地下水主要受到大氣降水入滲補給、地表水的入滲補給和地下水的側(cè)向流入補給,地表水主要接受上游河水補給和地下水泄流補給??紤]到大氣降水中的同位素含量受到顯著的高程效應(yīng)影響,因此選擇典型控制點時需要與此次研究中采樣高程接近;由于河水入滲補給地下水后受到蒸發(fā)作用影響,因此需要選擇距離較近的地表水和地下水監(jiān)測點,最大限度地降低蒸發(fā)作用的影響?;谏鲜鲈瓌t,結(jié)合本次野外工作采樣點分布,選定東溝作為此次研究的重點區(qū)域。
根據(jù)崇禮區(qū)東溝的測流結(jié)果可知,在東溝的上游地區(qū),主要表現(xiàn)為地下水溢出補給地表水,地下水中D和18O同位素特征以J05點為代表,地表水中D和18O同位素特征以H02為代表、大氣降水中D和18O測試以P1為代表,地下水的側(cè)向補給源中D和18O測試以J01和J03的平均值為代表,由此可以計算出,東溝上游地區(qū)地下水接受大氣降水的貢獻(xiàn)比例為26%,接受上游地下水的側(cè)向流入補給的貢獻(xiàn)比例為70%,接受地表水入滲補給的貢獻(xiàn)比例僅為4%。由此可見,崇禮區(qū)東溝上游地區(qū)地下水主要接受側(cè)向流入補給和當(dāng)?shù)卮髿饨邓霛B補給,地表水的入滲補給幾乎沒有。
東溝中游地區(qū)典型斷面表現(xiàn)為地下水溢出補給地表水,因此選擇中游地下水中D和18O含量以J07為代表,當(dāng)?shù)氐乇硭蠨和18O含量以H04為代表,上游地表水中D和18O含量以H04為代表。計算結(jié)果表明,地表水H04接受地下水泄流補給的貢獻(xiàn)里為56%,接受上游河水補給為44%。
根據(jù)崇禮區(qū)地表水和地下水中222Rn同位素的測試結(jié)果可知,地下水中222Rn同位素活度平均值為25.60 Bq/L,地表水中222Rn同位素活度平均值為7.81 Bq/L,對比分析地表水和地下水監(jiān)測點處同位素變化趨勢,即可分析出監(jiān)測段的地表水-地下水轉(zhuǎn)化關(guān)系。
3.3.1 東溝地表水中222Rn沿程分布特征
根據(jù)東溝地表水中222Rn同位素活度監(jiān)測結(jié)果繪制沿程變化規(guī)律如圖4所示,從圖中可以看出,東溝地表水中222Rn同位素活度在上兩間房村(H25)的4.81 Bq/L到清三營村的(H01)的12.61 Bq/L之間變化,平均值為7.20 Bq/L。從清三營村(H01)開始,地表水中222Rn 同位素活度由于衰變作用表現(xiàn)出逐漸降低的趨勢,在西土城村(H02)地表水中222Rn 同位素活度降低至5.29 Bq/L,遠(yuǎn)低于東土城村(J05)地下水中地表水中222Rn 同位素活度(30.97 Bq/L),說明該段地表水補給地下水,地表水中222Rn 同位素發(fā)生自然衰減作用;但在西土城村(H02)至頭道營村(H24)河段,222Rn 同位素活度值略有增大,表明地表水進(jìn)入西土城村之后開始接受地下水的泄流補給;頭道營村之后的清水河接受東部太子城河的匯入影響和222Rn同位素自然衰減作用影響,地表水中的222Rn 同位素活度再次降低。
圖4 東溝地表水中222Rn 活度變化規(guī)律Fig.4 The distribution of 222Rn activities of surface water in Donggou River
3.3.2 正溝地表水中222Rn沿程分布特征
根據(jù)正溝地表水中222Rn同位素活度監(jiān)測結(jié)果繪制沿程變化規(guī)律如圖5所示,從圖中可以看出,正溝地表水中222Rn同位素活度值在后中山村(H10)的7.06 Bq/L到海流圖村(H06)的15.55 Bq/L之間變化,平均值為12.23 Bq/L。從板申圖村(H05)到海流圖村(H06)地表水中222Rn同位素活度值從13.82 Bq/L增加到15.55 Bq/L,說該段河水接受了地下水的泄流補給,海流圖村(H06)之后的補給強度逐漸降低,地下水中補給至地表水中222Rn同位素活度增加值小于地表水中222Rn同位素活度自身衰變速度。
圖5 正溝地表水中222Rn 活度變化規(guī)律Fig.5 The distribution of 222Rn activities of surface water in Zhenggou River
3.3.3 西溝地表水中222Rn沿程分布特征
根據(jù)西溝地表水中222Rn同位素活度監(jiān)測結(jié)果繪制沿程變化規(guī)律如圖6所示,從圖中可以看出,西溝222Rn同位素活度值在石嘴子村(H15)的3.60 Bq/L和寒清壩村(H14)的12.94 Bq/L之間變化,平均值為6.29 Bq/L。地表水中222Rn同位素活度值從兩間房村(H12)和三岔口村(H13)到寒清壩村(H14)顯著增大,從兩間房村的6.53 Bq/L和三岔口村的4.57 Bq/L增大到寒清壩村的12.94 Bq/L,說明該段地表水接受顯著的地下水泄流補給,寒清壩村(H14)之后到石嘴子村(H15)和啕來廟(H17)222Rn同位素活度值顯著下降,說明該段地表水接受地下水補給的強度逐漸下降,222Rn同位素的自然衰減成為主要控制作用。
圖6 西溝地表水中222Rn 活度變化規(guī)律Fig.6 The distribution of 222Rn activities of surface water in Xigou River
3.3.4 基于222Rn的地表水-地下水轉(zhuǎn)化定量分析
根據(jù)以上分析確定的地下水與地表水相互轉(zhuǎn)化的區(qū)段,選擇有河水流量監(jiān)測數(shù)據(jù)的幾個區(qū)段,應(yīng)用222Rn的示蹤原理對地下水與地表水的轉(zhuǎn)化關(guān)系進(jìn)行定量計算。根據(jù)質(zhì)量守恒定律,上游地表水體某斷面處原有的222Rn總量與下游某斷面處原有222Rn總量之間的差異來自于地下水體對地表水的補給、地表水體中222Rn的衰變以及地表水體中222Rn向空氣中的擴散損失。根據(jù)這一原理,在地下水與地表水不同補給關(guān)系的區(qū)段可構(gòu)造不同的質(zhì)量守恒方程計算地表水和地下水的轉(zhuǎn)換量。
根據(jù)前文所述河流沿程222Rn同位素特征結(jié)合各采樣點河流流量關(guān)系驗證得到各個計算區(qū)段上地下水與地表水間的轉(zhuǎn)化關(guān)系:H01~H02段地表水向地下水轉(zhuǎn)化,在H02~H04段地下水向地表水轉(zhuǎn)化。將各點相關(guān)參數(shù)(表3)代入到對應(yīng)公式中計算并得到結(jié)果(表4)。在H01~H02段上,地表水向地下排泄27.8 m3/(d·m);在H02~H04段上,地下水向地表水補給平均速率為17.6 m3/(d·m),這與前文所初步判斷的地表水-地下水補排關(guān)系保持一致。
表3 各取樣點計算參數(shù)Tab.3 Calculation parameters in sampling points
通過對崇禮區(qū)清水河流域地表水和地下水中環(huán)境同位素的研究,得到以下結(jié)論:
(1) 東溝中游地區(qū)典型斷面表現(xiàn)為地下水溢出補給地表水,因此選擇中游地下水中D和18O含量以J07為代表,當(dāng)?shù)氐乇硭蠨和18O含量以H04為代表,上游地表水中D和18O含量以H04為代表。計算結(jié)果表明,地表水H04接受地下水泄流補給貢獻(xiàn)為56%,接受上游河水補給為44%;
表4 各區(qū)段地下水與地表水轉(zhuǎn)化量計算結(jié)果Tab.4 Calculation results in different sections between surface water and groundwater
(2) 根據(jù)前文所述河流沿程222Rn同位素特征結(jié)合各采樣點河流流量關(guān)系驗證得到各個計算區(qū)段上地下水與地表水間的轉(zhuǎn)化關(guān)系:H01~H02段地表水向地下水轉(zhuǎn)化,地表水向地下排泄27.8 m3/(d·m);在H02~H04段地下水向地表水轉(zhuǎn)化,地下水向地表水補給平均速率為17.6 m3/(d·m)。
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