林 深

(安徽省地勘局第一水文工程地質(zhì)勘查院,安徽 蚌埠 233000)

0 引言

環(huán)境同位素是地下水流動(dòng)系統(tǒng)中查找水資源循環(huán)的重要方法,在天然地表及地下水體的離子之間作用中,其物質(zhì)組成和成分是記錄水體的轉(zhuǎn)換、循環(huán)、流動(dòng)、富集的重要標(biāo)志。特別是天然水體中的氫氧穩(wěn)定同位素完整的體現(xiàn)在水循環(huán)演化過程中,是展現(xiàn)地表水和地下水及地下水各含水系統(tǒng)中水巖相互作用及循環(huán)的有效標(biāo)志和示蹤劑,國內(nèi)各流域范圍內(nèi)各水體之間的補(bǔ)給、排泄關(guān)系是目前重要環(huán)境科學(xué)研究?jī)?nèi)容之一,受到各方廣泛重視。我國地下水污染形勢(shì)嚴(yán)峻,防治基礎(chǔ)薄弱,部分地區(qū)地下水污染來源和污染途徑不清,難以有效實(shí)施相應(yīng)的污染阻控和修復(fù)措施[1]。隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展,市場(chǎng)需求不斷增加,同位素技術(shù)將在各領(lǐng)域不斷推進(jìn),國外現(xiàn)行技術(shù)法規(guī)對(duì)我國地下水污染同位素源解析技術(shù)具有較好指導(dǎo)和借鑒意義。

1 同位素研究現(xiàn)狀

自然界各水體中均存在氫氧穩(wěn)定同位素,在各流域和各含水系統(tǒng)中不同水體在相互補(bǔ)給和排泄中存在平衡分餾和動(dòng)力分餾作用,分餾作用將造成不同流域含水系統(tǒng)中氫氧穩(wěn)定同位素的成分差異[2],根據(jù)差異變化特征和規(guī)律,識(shí)別流域中各含水巖組的補(bǔ)給來源,分析地下水受環(huán)境變化特征和地下水的成因及演變,在一定程度上初步分析地下水的年齡、交替規(guī)律、補(bǔ)給來源、補(bǔ)給方向及參與水循環(huán)的過程和含水通道等,為研究流域水體直徑補(bǔ)給關(guān)系和水體演化形成過程提供重要的科學(xué)價(jià)值。本文主要研究?jī)?nèi)容是分析研究區(qū)內(nèi)各地表水體和淺層地下水中氫氧穩(wěn)定同位素組分的空間變化特征,分析區(qū)域內(nèi)地表水和地下水補(bǔ)給來源,根據(jù)歷史資料收集、區(qū)域水文地質(zhì)調(diào)查、地表水及地下水樣品采集,從而分析區(qū)域地下水形成規(guī)律和補(bǔ)給條件,分析各水體間在豐水期和枯水期的轉(zhuǎn)化關(guān)系,為研究區(qū)內(nèi)丘陵平原區(qū)地下水資源量估算和水資源、水生態(tài)保護(hù)提供基礎(chǔ)資料。

2 研究區(qū)概況

研究區(qū)地處于銅陵市-安慶市長(zhǎng)江北岸地區(qū),屬于北亞熱帶向中亞熱帶過渡的濕潤季風(fēng)氣候區(qū)。橫跨的安慶市和銅陵市及下轄縣(市、區(qū))地理位置相對(duì)接近,總體氣象特征相對(duì)統(tǒng)一:氣候溫和,日照充足,雨量充沛,四季分明、無霜期較長(zhǎng)。一年中各季節(jié)具有不同的氣候特點(diǎn),表現(xiàn)為春季冷暖變化大,光照不足;夏季氣溫高,濕度大,降雨集中,易形成洪災(zāi);秋季白天氣溫較高,但早晚涼爽,夏秋兩季易受臺(tái)風(fēng)影響;冬季寒冷干燥。

研究區(qū)位于長(zhǎng)江北岸的沿江丘陵平原區(qū),總體地勢(shì)以船稍石—龍王尖—黃公山一線為界,西北部地勢(shì)總體由四周向菜子湖傾斜,東南部地勢(shì)總體向長(zhǎng)江傾斜。區(qū)內(nèi)西部地形起伏,柏年河與長(zhǎng)河形成寬廣的河谷,河谷平坦,兩側(cè)主要為河流階地,呈北北西向展布,少量地勢(shì)較高地段為低丘,地面標(biāo)高相對(duì)高差一般10～20 m;高河及其支流形成較為寬廣的河谷,河間為低丘或崗地,低丘呈北西向展布,相對(duì)地形高差為20～30 m。區(qū)內(nèi)東部低山丘陵與平原相間展布,低山丘陵山勢(shì)呈北東向,地形起伏較大;山間相對(duì)平緩。區(qū)內(nèi)東南部為平坦舒緩的長(zhǎng)江干流沖積平原區(qū),地形平坦開闊,溝渠縱橫。區(qū)內(nèi)最高峰船稍石海拔515.0 m,最低處為夾江一帶海拔9.0 m。

3 研究區(qū)水文地質(zhì)條件

3.1 地下水類型

3.1.1 松散巖類孔隙水

廣泛分布于樅陽縣東南部的沿江平原區(qū)、白蕩湖周邊及樅陽縣西北部麒麟鄉(xiāng)、錢橋鄉(xiāng)、義津鎮(zhèn)一帶的平原區(qū)及部分丘陵地帶,主要賦存于新生界第四系松散巖層中。沿江平原區(qū)一帶松散巖類孔隙水含水層主要為粉砂層及砂礫石層,含水層厚度8.0～63.0 m,區(qū)內(nèi)土質(zhì)松散,孔隙性好,賦存豐富的孔隙潛水,單井涌水量1 000～3 000 m3/d,水化學(xué)類型為HCO3-Ca·Mg型,礦化度0.71～0.94 g/L,pH值7.5～7.7;西北部波狀平原區(qū)松散巖類孔隙水含水層主要為粉質(zhì)粘土層、砂層及砂礫層,含水層厚度7.0～15.0 m,由于補(bǔ)給條件較差,地表徑流不暢,分布面積小,故該區(qū)含水層富水性貧乏,單井涌水量小于100 m3/d,水化學(xué)類型為HCO3-Ca·Na型,礦化度小于0.5 g/L。

3.1.2 碳酸鹽巖類裂隙溶洞水

主要分布于藕山鎮(zhèn),陳瑤湖鎮(zhèn)北部亦有零星分布。藕山鎮(zhèn)東部裂隙溶洞水主要賦存于三疊系下統(tǒng)裂隙溶洞中,巖性主要為灰?guī)r,巖溶發(fā)育,周邊多為長(zhǎng)江河漫灘的堆積物覆蓋,泉流量1～10 L/S,單井涌水量最大可達(dá)3 236.0 m3/d,水化學(xué)類型為HCO3-Ca型。陳瑤湖鎮(zhèn)北部裂隙溶洞水主要賦存于上古生界石炭系和中生界三疊系地層碳酸鹽巖裂隙溶洞中,巖性主要為灰?guī)r,出露面積小,接受降水入滲補(bǔ)給條件較差,泉流量小于0.1 L/S,水化學(xué)類型為HCO3-Ca·Na或Ca。

3.1.3 基巖裂隙水

1)火山巖系孔洞裂隙水

廣泛分布于白梅鄉(xiāng)、錢鋪鄉(xiāng)、金社鄉(xiāng)北部、雨壇鄉(xiāng)東部及會(huì)宮鄉(xiāng)的部分地區(qū),主要賦存于中生界侏羅系火山巖孔洞裂隙中,巖性主要為粗安山巖、粗安質(zhì)角礫巖、熔結(jié)凝灰?guī)r、凝灰質(zhì)粉砂巖等,該區(qū)地貌上表現(xiàn)為高丘或低山地形,地表徑流發(fā)育,排泄條件良好,受多種方向的構(gòu)造作用及風(fēng)化作用影響,裂隙發(fā)育,裂隙水賦存條件良好,常以泉的形式排泄于河流之中;該區(qū)泉流量小于1.0 L/S,單井涌水量小于100 m3/d,地下水徑流模數(shù)3～4 L/S·km2,水化學(xué)類型為HCO3-Ca型。

2)一般構(gòu)造裂隙水

廣泛分布于周潭鎮(zhèn)北部、樅陽鎮(zhèn)一帶,主要賦存于燕山期侵入巖巖體及中生界侏羅系地層中,巖性主要為石英正長(zhǎng)巖、閃長(zhǎng)巖、石英砂巖、粉砂巖等,水量貧乏,泉流量小于1.0 L/S,鉆孔涌水量10～100 m3/d,地下水徑流模數(shù)0.3～1 L/S·km2,水化學(xué)類型為HCO3-Ca·Na、HCO3-Ca型,礦化度0.11 g/L。

3)風(fēng)化帶網(wǎng)狀裂隙水

零星分布于樅陽縣西北部麒麟鎮(zhèn)、錢橋鎮(zhèn)一帶,主要賦存于新生界古近系及中生界白堊系地層中,巖性主要為砂巖、粉砂巖,該區(qū)以剝蝕堆積作用為主,上部常覆蓋以粉質(zhì)粘土為主的殘坡積物,由于構(gòu)造作用相對(duì)減弱,巖層裂隙不發(fā)育,加之膠結(jié)緊密,不利于地下水的賦存;該區(qū)風(fēng)化程度有限,且多被泥質(zhì)填充,故含水層富水性貧乏,單井涌水量0.26～50 m3/d,地下水徑流模數(shù)0.1～2.5 L/S·km2。

3.2 地下水補(bǔ)徑排條件

3.2.1 碳酸鹽巖裂隙巖溶水

地下水主要包括碳酸鹽巖巖溶含水巖組和碳酸鹽巖夾碎屑巖裂隙巖溶含水巖組,由于受到較強(qiáng)的構(gòu)造和風(fēng)化作用,不同方向的斷裂、溶洞互相交錯(cuò),大氣降水沿淺部的溶蝕裂隙下滲補(bǔ)給地下水,一般情況下,在山頂和山坡形成補(bǔ)給區(qū)。地下水流向除受構(gòu)造線方向控制外,一般與地形相一致,沿坡面方向從高處向低處徑流,而坡麓則形成排泄區(qū),排泄方式除少部分為人工開采和植物蒸騰及地面蒸發(fā)外,主要是以側(cè)向徑流的形式排出地表并流入河谷。

3.2.2 碎屑巖類孔隙裂隙水

地下水主要包括碎屑巖類孔隙裂隙含水巖組和紅層孔隙裂隙含水巖組,主要接受大氣降水的垂向補(bǔ)給及上覆松散層的入滲補(bǔ)給,大氣降水多沿基巖表面的裂隙下滲。其徑流方向,一般與地形相一致,由丘陵山頂向低處溝谷徑流,最終沿河谷匯入長(zhǎng)江支流水系。排泄以側(cè)向徑流排泄為主,其次是零星的人工開采和蒸發(fā)。

3.2.3 巖漿巖類裂隙水

地下水主要包括火山巖裂隙含水巖組和侵入巖裂隙含水巖組,主要接受大氣降雨補(bǔ)給,在山區(qū)地段,由于河谷深切,山坡陡峭,大氣降水多形成地表徑流,只有部分能補(bǔ)給地下水,并有具有徑流快的特點(diǎn),向就近的溝谷排泄,而在丘陵區(qū)雖然溝谷平緩,但其植被卻比山區(qū)稀疏,含水巖層蓄水性能差,蒸發(fā)量卻較大,因此,其獲得的降水補(bǔ)給量要比山區(qū)少,地下水徑流沿地形向溝谷地段排泄,在局部地段以泉的形式排泄出地表。

4 地下水位動(dòng)態(tài)變化特征

工作區(qū)丘陵山地區(qū)地下水水位隨大氣降雨變化明顯,雨季水位上升,旱季水位下降,統(tǒng)計(jì)期間,水位變幅0.85～0.98 m。動(dòng)態(tài)曲線反映,降雨量于2017年12月5日最低,其中ZY2035J號(hào)井地下水水位于2017年12月25日達(dá)到最低,ZYSW05號(hào)孔地下水水位于2017年12月30日達(dá)到最低;隨后,大氣降雨量不斷增強(qiáng),于2018年6月5日達(dá)到峰值,其中ZY2035J號(hào)井地下水水位于2018年7月10日達(dá)到最大,ZYSW05號(hào)孔地下水水位于2018年6月10日達(dá)到最大,兩個(gè)孔的地下水水位變化相較于降雨量均有不同程度的延遲現(xiàn)象,并且地勢(shì)越高,地下水位對(duì)降雨反應(yīng)越敏感。因此,在監(jiān)測(cè)期內(nèi),低山丘陵區(qū)地下水水位相對(duì)于降雨變化明顯(如圖1所示)。

圖1 低山丘陵區(qū)地下水水位動(dòng)態(tài)變化曲線

5 地下水氫氧同位素與大氣降雨關(guān)系

大氣降水在流域水循環(huán)系統(tǒng)重扮演重要角色,主要體現(xiàn)在輸入環(huán)節(jié),分餾作用基本參與在水汽形成、降落、蒸發(fā)和凝結(jié)過程中。因此,通過分析大氣降雨中氫氧同位素組成,對(duì)研究區(qū)域水循環(huán)系統(tǒng)中大氣降雨、地表水、地下賀歲之間的水文過程和變化特征具有重要意義。不同時(shí)間、不同地區(qū)的大氣降雨在降雨蒸發(fā)、凝結(jié)和降落過程完全不同,那么通過降雨、地表水、地下水采樣分析研究,分析不同水體的δD和δ18O,通過繪制地下水δD-δ18O與大氣降水線關(guān)系圖,判斷各水體的相互補(bǔ)給關(guān)系和路徑。

根據(jù)2017年9月在長(zhǎng)為了解地下水的補(bǔ)徑排條件、形成演化規(guī)律和地下水年齡狀況,在地下水流線方向上分別采集地表水、孔隙潛水、孔隙承壓水分別采集氫氧穩(wěn)定同位素樣品。

開展氫氧同位素采樣研究,氫氧穩(wěn)定同位素δD、δ18O樣15組(詳見表1),同位素技術(shù)在水文地質(zhì)調(diào)查中主要用于研究地下水的形成機(jī)制、地下水循環(huán)、更新途徑及地下水的年齡等。

表1 同位素測(cè)試結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

根據(jù)本次所取地表水、地下水的氫氧同位素組成實(shí)測(cè)值,與中國大氣降水線的同位素組成分析進(jìn)行對(duì)比(如圖2所示),調(diào)查區(qū)的地表水(D=6.6618O-4.0)與全國大氣降雨線(D=7.918O+8.2)有所差別,地表水的同位素組成直線斜率要略小,說明地表水主要接受大氣降雨補(bǔ)給,但雨水在補(bǔ)給地表水過程中發(fā)生了二次蒸發(fā)使得直線斜率略有變化,而本次采樣的G08的取樣點(diǎn)落在了全國降雨線上,該取樣點(diǎn)位于山谷中的水塘,地表水相對(duì)封閉,與大氣降水聯(lián)系更為密切。

本次所取的地下水大部分落在了本次地表水同位素組成直線上,由此可以判斷,研究區(qū)補(bǔ)給關(guān)系為大氣降雨補(bǔ)給地表水體,地表水體補(bǔ)給淺層地下水,而G06和G09號(hào)點(diǎn)落在了全國大氣降雨線上,兩個(gè)采樣點(diǎn)均為民井,且民井井深較淺,屬于地下水淺循環(huán),因此,其補(bǔ)給源與大氣降雨更為接近。

圖2 地下水δD—δ18O與大氣降水線(MWL)關(guān)系圖

綜上所述,根據(jù)研究區(qū)的地下水同位素化學(xué)特征可知,區(qū)內(nèi)的地下水歷史上來源于大氣降水,與地表水聯(lián)系密切,區(qū)內(nèi)的大氣降雨線公式為D=6.6618O-4.0,與全國大氣降水線接近。區(qū)內(nèi)研究時(shí)間段內(nèi)地下水和地表水主要補(bǔ)給來源為大氣降雨。

6 結(jié)語

(1)研究區(qū)地下水主要受大氣降水補(bǔ)給,徑流方向一般與地形相一致,主要排泄方式為蒸發(fā)和向河流排泄,其次為側(cè)向徑流;在長(zhǎng)江干流及其主要支流兩側(cè),地下水與地表河流水力聯(lián)系密切,在豐水期,由河流補(bǔ)給地下水,在枯水期,由地下水補(bǔ)給河流。

(2)目前流域各水體水循環(huán)過程受人為環(huán)境干擾較為嚴(yán)重,天然水體在自然界中逐漸被影響,以氫氧穩(wěn)定同位素作為重要科學(xué)手段,研究不同地區(qū)、不同環(huán)境的降雨、地表水和地下水的相互關(guān)系,促進(jìn)水資源系統(tǒng)的轉(zhuǎn)化,對(duì)提升經(jīng)濟(jì)發(fā)展和解決日益嚴(yán)重的水污染問題具有重要作用,但目前國內(nèi)技術(shù)和設(shè)備等仍存在較大提升空間,精準(zhǔn)化定量分析還不夠,進(jìn)一步加強(qiáng)研究氫氧同位素技術(shù)是十分重要的。