氫氧同位素在曹妃甸地區(qū)水循環(huán)研究中的應(yīng)用

方成，柳富田，孟利山，劉宏偉，秦雅飛，鄭錦娜

（中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局天津地質(zhì)調(diào)查中心，天津 300170）

氫氧同位素在曹妃甸地區(qū)水循環(huán)研究中的應(yīng)用

方成，柳富田，孟利山，劉宏偉，秦雅飛，鄭錦娜

（中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局天津地質(zhì)調(diào)查中心，天津 300170）

本文中筆者利用雙龍河剖面采集的D、18O同位素分析曹妃甸地區(qū)不同水體間的相互關(guān)系，識(shí)別區(qū)域水循環(huán)特征。研究發(fā)現(xiàn)區(qū)內(nèi)河水、潛水和承壓水均起源于大氣降水，三者之間存在密切的水力聯(lián)系；在三個(gè)區(qū)段上地下水具有不同的補(bǔ)徑排條件；區(qū)內(nèi)地下水循環(huán)系統(tǒng)可以劃分為淺、中、深三級(jí)循環(huán)系統(tǒng)。

氫氧同位素；水循環(huán)；曹妃甸

氫氧是水分子組成部分，化學(xué)性質(zhì)比較穩(wěn)定，其中的D和δ18O是研究水循環(huán)的理想示蹤劑。國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者通過分析不同水體中兩者的關(guān)系,并與全球大氣降水線進(jìn)行比較,來研究地下水起源[1,2]、大氣降水－地表水－地下水間相互關(guān)系[3,4]、地下水水循環(huán)深度[5]等,揭示地下水的形成和運(yùn)移過程[6-8]。

曹妃甸區(qū)將規(guī)劃建設(shè)為人口密集的國(guó)際生態(tài)城和工業(yè)化基地區(qū)。水資源是影響曹妃甸新區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的關(guān)鍵因素，自上世紀(jì)80年代以來，沿海地區(qū)由于人工開采深層地下水，形成了地下水漏斗，引發(fā)了地面沉降、淡水咸化等環(huán)境地質(zhì)問題。區(qū)內(nèi)用水量已經(jīng)接近可開采的下限，至2020年將面臨水資源短缺的問題[9]。

本文針對(duì)區(qū)域地下水開采受人類活動(dòng)影響比較劇烈這一特點(diǎn)，利用D、18O同位素特征分析典型剖面地下水補(bǔ)給來源及不同水體間的相互關(guān)系，研究曹妃甸地區(qū)水循環(huán)特征,研究成果可為深入研究和防治地面沉降、海（咸）水入侵等環(huán)境地質(zhì)問題提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，對(duì)指導(dǎo)地下水資源合理開發(fā)和保護(hù)保障曹妃甸地區(qū)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

1 研究區(qū)概況

曹妃甸地區(qū)位于河北省唐山市的南部，黃驊臺(tái)陷的東北端，發(fā)育巨厚的新生界。新生代沉積物厚度隨著基底的起伏而變化，底界埋藏深度一般在350～500 m，自下而上為下更新統(tǒng)、中更新統(tǒng)、上更新統(tǒng)和全新統(tǒng)。

區(qū)內(nèi)分布有灤河、大清河、陡河、新陡河、沙河、雙龍河、青龍河、溯河、清河等水系。研究區(qū)屬灤河地下水系統(tǒng)，北部為灤河沖洪積扇孔隙淡水系統(tǒng)子區(qū)，南部為灤河沖積海積孔隙咸水系統(tǒng)子區(qū)[10]。第四系含水層組可劃分為四個(gè)含水層組。Ⅰ含水層組底界面埋深10～20 m；Ⅱ含水層組底界面埋深120～170 m；Ⅲ含水層組底界面埋深250～350 m；Ⅳ含水層組底界面埋深350～550 m。淺層地下水系統(tǒng)與Ⅰ和Ⅱ含水巖組相對(duì)應(yīng)[11]，深層地下水系統(tǒng)與Ⅲ和Ⅳ含水巖組相對(duì)應(yīng)。在淡水區(qū)主要開采第Ⅰ、Ⅱ含水層組；在咸水區(qū)主要開采第三含水層組，個(gè)別廠礦企業(yè)用水開采第四含水層組。區(qū)內(nèi)新生界沉積巖相復(fù)雜，很難見到非常穩(wěn)定的隔水層，由于地下水開采活動(dòng)人為溝通了不同含水層，各含水巖組間存在一定的水力聯(lián)系[12]。

雙龍河剖面位于研究區(qū)的中部，北起山前雷莊鎮(zhèn)，南至渤海，長(zhǎng)度約78.6 km，北高南低，地形坡度約為0.55‰。剖面走向大致與雙龍河平行，同地下水流向大致相同。第四系厚度變化較大，介于90～610 m之間，自北向南厚度不斷增加（圖1）。

2 樣品采集與測(cè)試

同位素采集工作分別在2009年7－11月和2010年7月進(jìn)行，分別采集了大氣降水、地表水和地下水（圖2）。地下水均采自飲用水井和農(nóng)灌用井，在樣品

采集前,預(yù)先抽水5～10分鐘，排除井管中積水，再裝入聚氯乙烯采樣瓶中。樣品送至中科院地質(zhì)與地球物理研究所穩(wěn)定同位素分析實(shí)驗(yàn)室測(cè)試，氧同位素采用二氧化碳－水平衡法及毫克級(jí)微量水平衡法完成，通過測(cè)定與水相平衡的二氧化碳中的18O/16O值來確定水中的氧同位素組成；氫同位素采用鉻法提純技術(shù)，進(jìn)行IRMS測(cè)定其δD。δD、δ18O分析誤差均在1‰以內(nèi)。

文中2009年部分分析數(shù)據(jù)是采用中科院地質(zhì)與地球物理研究所采集的同位素測(cè)試結(jié)果（表1）。

圖1 曹妃甸地區(qū)雙龍河水文地質(zhì)剖面Fig.1 Hyd rogeo logic p ro file o f the Shuang long river in Cao feidian area

圖2 取樣點(diǎn)位置分布圖Fig.2 Sam p ling location in the Shuang long river

潛水

表1 雙龍河剖面同位素測(cè)試結(jié)果Table1 Test resu lts o fδ18O andδD in the Shuang long river p ro file

3 不同水體同位素特征分析

3.1 大氣降水

天津位于唐山西南108 km，兩個(gè)地區(qū)同屬大陸氣候特征，溫度、降雨、蒸發(fā)等特征相近。因此，研究選用國(guó)際原子能機(jī)構(gòu)在天津地區(qū)的雨水同位素?cái)?shù)據(jù)代表曹妃甸區(qū)域大氣降水同位素特征。利用64組長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，得到該區(qū)的雨水線方程（圖3）：

δD=6.61δ18O+0.69（n=64，R2=0.87）

天津當(dāng)?shù)赜晁?8O平均值為-7.18‰，δD平均值為-46.86‰，與全球雨水線方程δD=8δ18O+10相比，天津雨水線斜率明顯偏小，反映出沿海地區(qū)雖然降水比較豐沛，但受到較強(qiáng)烈的蒸發(fā)作用影響，偏離全球雨水線。

3.2 地表水

3.2.1 海水

2009－2010年兩批樣品測(cè)試結(jié)果顯示δ18O平均值為-0.97‰，δD平均值為-8.1‰，富集重同位

素。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，2010年海水明顯貧重同位素，可能是由于采樣點(diǎn)位置差異導(dǎo)致（圖4）。

3.2.2 河水

2009年、2010年分別采集雙龍河水樣品3組和4組。測(cè)試結(jié)果顯示，δ18O平均值為-26.67‰，δD平均值為-27.67‰，均分布于雨水線的右上方（圖4、圖5），富集重同位素，反映其為大氣降水來源，但由于受蒸發(fā)濃縮作用影響強(qiáng)烈，偏離當(dāng)?shù)赜晁€。

河水形成的蒸發(fā)線為：

δD=4.07δ18O-15.51（n=7，R2=0.85）

河水蒸發(fā)線斜率低于當(dāng)?shù)赜晁€，反映蒸發(fā)濃縮作用對(duì)河水有較大影響。2010年河水比2009年更加富集重同位素，可能是受到2010年雙龍河河道修建橡膠壩、碎石壩的影響，阻礙了水體流動(dòng)，河水在河道中滯留時(shí)間過長(zhǎng)引起。

3.3 地下水

3.3.1 剖面地下水

2009-2010年雙龍河剖面地下水的δ18O-δD

關(guān)系（圖4）顯示，潛水和承壓水均位于雨水線的左下方，總體沿雨水線分布，且斜率與全球雨水線基本相同，反映其主要為大氣降水起源。潛水明顯比承壓水富集重同位素，反映了蒸發(fā)作用對(duì)潛水的影響。

圖3 天津地區(qū)大氣降水δ18O-δD分布圖Fig.3 Re lationship betweenδ18O andδD o f p recip ita tion in Tian jin

圖4 雙龍河剖面地表水和地下水δ18O-δD分布圖（上2009，下2010）Fig.4 Re la tionship be tw eenδ18O andδD o f su rface w ater and ground water in the Shuang long river（top：2009,bottom:2010）

3.3.2 區(qū)域地下水

利用2009-2010年區(qū)域上采集的地下水同位素資料分析，δ18O表現(xiàn)出了分層性差異（圖5）?？傮w上δ18O隨深度增加而偏負(fù)，顯示出潛水和承壓水的循環(huán)條件具有差異性，且受到的影響因素不同。

大致以100 m深度為界，在0～100 m深度范圍內(nèi)，δ18O普遍高于-8.5‰，較富集重同位素，反映潛水受到較強(qiáng)烈的蒸發(fā)作用影響；在100 m深度以下，δ18O普遍低于-8.5‰，多表現(xiàn)貧重同位素，反映承壓水受到大氣降水直接補(bǔ)給或有其他貧同位素的補(bǔ)給來源，部分樣品出現(xiàn)重同位素富集，可能是接受淺部含水層中越流補(bǔ)給導(dǎo)致。

3.4 徑流方向變化特征分析

3.4.1 2009年

從不同水體的δ18O和δD變化曲線（圖6）可以看出，河水與地下水顯現(xiàn)出較為一致的變化趨勢(shì)。

河水與潛水的變化趨勢(shì)近于同步，在實(shí)際調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，四場(chǎng)一隊(duì)以北地區(qū)，潛水水位埋深較大，局部地區(qū)甚至達(dá)到了幾十米，普遍低于河水位，排除了該區(qū)段潛水補(bǔ)給河水的可能，該區(qū)段河水補(bǔ)給潛水。

潛水與承壓水的變化趨勢(shì)也表現(xiàn)出相似的峰谷變化，且承壓水的總體變化滯后于潛水，反映兩者具有較為密切的水力聯(lián)系，承壓水可能受到潛水補(bǔ)給的影響。

3.4.2 2010年與2009年變化對(duì)比分析

2009年和2010年不同水體的δ18O和δD變化特征存在一定的異同（圖7）。

河水變化趨勢(shì)基本一致，僅重同位素的富集程度略顯差異。潛水的δ18O和δD變化較小，僅入海

口處潛水樣品出現(xiàn)極富集重同位素的特征,主要是受取樣深度和徑流條件變化影響導(dǎo)致。承壓水的δ18O和δD總體上顯現(xiàn)出下降的趨勢(shì)，古冶區(qū)王輦莊鄉(xiāng)后水峪村至曾家灣一帶，承壓水表現(xiàn)出重同位素偏負(fù)的特征，表明該區(qū)段的承壓水接受了貧重同位素的水體補(bǔ)給；自曾家灣至入?？谝粠?，承壓水δ18O和δD含量總體與2009年相比趨于穩(wěn)定。

圖6 2009年雙龍河剖面地表水與地下水δ18O（左）和δD（右）變化曲線Fig.6 Change curve o fδ18O（le ft）andδD（right）in surface water and groundwater o f shuang long river p ro file at2009

圖7 2010年雙龍河流程地表水與地下水δ18O和（左）δD（右）變化曲線Fig.7 Change curve o fδ18O（le ft）andδD（right）in surface water and g roundw a te r o f Shuang long rive r p ro file a t 2010

4 討論

從徑流方向上分析，自山前至渤?？梢苑譃槿齻€(gè)區(qū)段：1）山前至曾家灣以北區(qū)段，為地下水補(bǔ)給區(qū)，地下水接受大氣降水和地表水的混合補(bǔ)給，潛水受地下水蒸發(fā)作用影響較小。2）曾家灣以南至四場(chǎng)一隊(duì)區(qū)段，為地下水補(bǔ)給和徑流區(qū)，潛水接受河水補(bǔ)給，承壓水接受潛水補(bǔ)給。3）四場(chǎng)一隊(duì)以南至海邊區(qū)段為地下水徑流和排泄區(qū)，潛水受到較強(qiáng)蒸發(fā)作用影響，承壓水接受潛水補(bǔ)給。

垂向上分析，在深度上可以將地下水劃分為淺、中、深部三級(jí)循環(huán)系統(tǒng)。

根據(jù)δ18O垂向上表現(xiàn)出的重同位素富集差異，將100 m以上劃分為區(qū)域淺部循環(huán)系統(tǒng)，大氣降水是主要的補(bǔ)給來源，在北部淡水區(qū)，人工開采是最大的排泄方式，在南部的有咸水區(qū)，以蒸發(fā)和向下越流為主要排泄途徑。區(qū)內(nèi)承壓水開采深度主要在400 m以內(nèi)，前人研究成果發(fā)現(xiàn)區(qū)內(nèi)第四含水層組幾乎沒有現(xiàn)代水的補(bǔ)給，具古封存水的特征[13]，據(jù)此將中部循環(huán)系統(tǒng)的循環(huán)深度定為100～400 m。中部循環(huán)系統(tǒng)以大氣降水為重要補(bǔ)給來源，接受上部循環(huán)系統(tǒng)入滲與底部含水層向上越流的補(bǔ)給，以人工開采作為主要排泄途徑。400 m深度以下為深部循環(huán)系統(tǒng)，地下水的徑流交替較為緩慢[13，14]，主要依靠大尺度區(qū)域上地下水側(cè)向滲流補(bǔ)給[15]，排泄于人工開采、上部循環(huán)系統(tǒng)及渤海地區(qū)。

研究發(fā)現(xiàn)，曾家灣至入?？诘貐^(qū)間，承壓水δ18O、δD數(shù)據(jù)在2009年與2010年相對(duì)穩(wěn)定，推斷這一區(qū)間的承壓水在一年的周期中補(bǔ)徑排條件處于較

為穩(wěn)定的狀態(tài)。在維持現(xiàn)狀的開采條件下，這一區(qū)段的補(bǔ)徑排條件是否能夠長(zhǎng)期處于相對(duì)平衡的狀態(tài)還需要詳細(xì)地分析和長(zhǎng)期的監(jiān)測(cè)研究。

5 結(jié)論

利用δ18O和δD同位素比值對(duì)曹妃甸區(qū)域水循環(huán)特征的研究得到以下認(rèn)識(shí)：

（1）區(qū)內(nèi)河水、潛水和承壓水水均起源于大氣降水。

（2）曾家灣以北地區(qū)，地下水接受大氣降水和地表水的混合補(bǔ)給。曾家灣以南至四場(chǎng)一隊(duì)地區(qū)，潛水接受河水補(bǔ)給，承壓水接受潛水的補(bǔ)給。四場(chǎng)一隊(duì)以南至渤海地區(qū)，潛水受到較強(qiáng)蒸發(fā)作用影響，承壓水接受潛水補(bǔ)給。

（3）區(qū)內(nèi)地下水循環(huán)系統(tǒng)可以劃分為淺部（循環(huán)深度0～100 m）、中部（循環(huán)深度100～400 m）和深部（循環(huán)深度400 m以下）三級(jí)循環(huán)系統(tǒng)。

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Application of Hydrogen and Oxygen Isotopes to Study Hydrologic Cycle in the Caofeidian A rea

FANGCheng,LIU Fu-tian,MENG Li-shan,LIU Hong-wei,QINYa-fei,ZHENG Jin-na

（Tianjin Centre,ChinaGeological Survey,Tianjin,300170,China）

In order to study the hydrologic cycle character in the Caofeidan area,D and18O isotopewere collected along Shuanglong river profile to analysis the relationships of differentwater.Research found the river water, phreatic water and confined water are originated from atmospheric precipitation,and there is a close hydraulic connection among the three kinds ofwater.Recharge,runoff and discharge conditions are differentat three sections.Groundwater circulation system can be divided into shallow cycle system,m iddle cycle system and deep cycle system.

hydrogen isotope;oxygen isotope;hydrologic cycle;Caofeidian area

P641.3

A

1672－4135（2014）02－0102-06

2014-03-05

中國(guó)地質(zhì)調(diào)查項(xiàng)目：河北曹妃甸濱海地區(qū)海岸帶環(huán)境地質(zhì)調(diào)查評(píng)價(jià)（1212011120086）

方成（1982－），男，碩士，工程師，現(xiàn)主要從事海岸帶水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)研究工作，Email：tjfangcheng@126.com。