華北平原典型壓采區(qū)地下水循環(huán)的氫氧同位素示蹤

張靖坤，劉飛，鄒嘉文，呂聰瑞

(1.河北工程大學(xué)水利水電學(xué)院，河北 邯鄲 056038；2.河北工程大學(xué)河北省智慧水利重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 邯鄲 056038)

華北平原地下水超采嚴(yán)重，引發(fā)了大面積地下水位下降等一系列環(huán)境地質(zhì)問題[1-3]。2014年起，華北平原進(jìn)入地下水壓采階段，通過(guò)采取關(guān)井壓采、替代水源、節(jié)水灌溉、中水利用等措施，逐步削減地下水超采量，以實(shí)現(xiàn)采補(bǔ)平衡。華北平原地下水大規(guī)模壓采后，地下水補(bǔ)徑排條件將發(fā)生顯著變化，地下水流動(dòng)狀態(tài)的改變勢(shì)必影響地下水水質(zhì)的演化。因此，認(rèn)清壓采區(qū)現(xiàn)狀壓采條件下的地下水循環(huán)過(guò)程是地下水可持續(xù)利用的前提條件。

氫氧穩(wěn)定同位素是水循環(huán)過(guò)程的天然示蹤劑，在研究地下水補(bǔ)徑排變化等方面有其獨(dú)到之處，可以用于定量追蹤徑流途徑的來(lái)源，示蹤地下水補(bǔ)徑排條件以及不同含水層之間的水力聯(lián)系[4-9]。龐忠和等[10]利用同位素和環(huán)境示蹤劑等技術(shù)進(jìn)一步強(qiáng)化包氣帶在干旱半干旱地區(qū)地下水補(bǔ)給研究中的重要作用。宋獻(xiàn)方等[11]通過(guò)分析岔巴溝流域地表水與地下水中的氫氧同位素以及電導(dǎo)率和pH的變化確定了當(dāng)?shù)氐叵滤c地表水之間的轉(zhuǎn)化關(guān)系。陳宗宇等[9]利用氫氧同位素方法揭示了黑河流域地下水的補(bǔ)給來(lái)源。錢會(huì)等[12]分析了都思兔河流域內(nèi)氫氧同位素沿河流的變化特征，驗(yàn)證了河流上下游地區(qū)地下水與河流的補(bǔ)排關(guān)系，同時(shí)結(jié)合河流的徑流量變化，估算出河水的累計(jì)蒸發(fā)比例。

地下水超采最嚴(yán)重的黑龍港平原作為超采治理試點(diǎn)區(qū)，地下水壓采效果顯著，部分地區(qū)地下水水位止跌回升，在華北平原具有代表性。以邯鄲黑龍港平原為研究區(qū)域，從氫氧穩(wěn)定同位素示蹤的視角，分析壓采區(qū)現(xiàn)狀壓采條件下地下水、河水和渠水中δ(D)和δ(18O)的時(shí)空分布特征，估算不同水體的蒸發(fā)比例，探討地下水與河水之間的相互關(guān)系，進(jìn)而為華北平原地下水壓采區(qū)的水循環(huán)研究提供理論支持。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來(lái)源

1.1 研究區(qū)概況

邯鄲黑龍港平原，行政區(qū)隸屬于曲周、邱縣、館陶、永年、肥鄉(xiāng)、廣平、成安、臨漳、魏縣、大名共10個(gè)縣(區(qū))，其面積為2 695 km2。地勢(shì)較為平坦，自西南向東北緩慢傾斜，地面坡度為0.2‰～0.4‰[13]，平均海拔37.4 m。區(qū)域?qū)儆诖箨懶园霛駶?rùn)季風(fēng)氣候，多年平均氣溫為13.8 ℃。降水受太平洋東南季風(fēng)影響[14]，主要分布在7、8、9月，多年平均年降水量為537.8 mm。年蒸發(fā)量大，多年平均水面蒸發(fā)量為1 007.0～1 265.0 mm。老漳河和老沙河兩條河流由南向北流動(dòng)，此外還有引自黃河水的東風(fēng)渠和引自衛(wèi)河的威臨渠兩條人工渠系。本研究聚焦的第四系松散巖類孔隙水含水層可劃分為潛水和承壓水兩類。潛水含水層底板深度在100～150 m，主要接受降水入滲補(bǔ)給、側(cè)向補(bǔ)給、河渠入滲以及井灌回滲補(bǔ)給，蒸發(fā)和人工開采是主要排泄方式。承壓含水層是地下水過(guò)量開采和壓采的主要層位，底板深度在350～500 m，主要接受側(cè)向徑流和垂向越流補(bǔ)給[15]。

2014年超采區(qū)綜合治理之前，研究區(qū)地下水處于過(guò)量開采狀態(tài)，總體呈現(xiàn)出不同程度的下降趨勢(shì)，而實(shí)施壓采措施后地下水位在2015年后有所回升[16]。以2個(gè)典型監(jiān)測(cè)點(diǎn)為例，壓采前邱縣安仁鎮(zhèn)潛水水位在1998年12月至2012年12月下降3.8 m，廣平縣城關(guān)承壓水位下降9.2 m。地下水大規(guī)模減采后，部分地區(qū)的水位呈現(xiàn)明顯回升趨勢(shì)。其中，邱縣安仁鎮(zhèn)潛水水位在2015年8月至2019年1月上升幅度為8.8 m，廣平縣城關(guān)承壓水位在2015年4月至2017年1月上升幅度為4.1 m。通過(guò)對(duì)比壓采前后典型監(jiān)測(cè)井水位的變化情況，可以看出研究區(qū)壓采后水位開始呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。

1.2 樣品采集與測(cè)定

2019年6月(雨季)和12月(旱季)沿地下水流向和主要河渠開展了兩次野外采樣。共采集95組地下水水樣(潛水水樣65組，承壓水水樣30組)以及14組地表水水樣。采樣的具體位置見圖1，采樣時(shí)間及水體來(lái)源見表1。在采樣現(xiàn)場(chǎng)，用GPS記錄每個(gè)點(diǎn)的地理坐標(biāo)及高程。每個(gè)采樣點(diǎn)采集1瓶100 mL和2瓶50 mL水樣。樣品采集完成后，用密封膠帶封好瓶口，并在瓶口和瓶身做好標(biāo)記，帶回實(shí)驗(yàn)室測(cè)定相應(yīng)指標(biāo)。

圖1 研究區(qū)采樣點(diǎn)

表1 采樣點(diǎn)基本信息

本研究于中國(guó)科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所農(nóng)業(yè)資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行氫氧同位素的測(cè)定，δ(D)和δ(18O)的值采用液態(tài)水穩(wěn)定性同位素分析儀(L 2120，美國(guó))測(cè)定，其測(cè)定精度分別為±0.5‰和±0.2‰。水樣的檢測(cè)結(jié)果以相對(duì)于 VSMOW 標(biāo)準(zhǔn)平均海水的千分差[17]表示

(1)

式中：Rsample為水樣中18O與16O的比值；RVSMOW為維也納平均海水標(biāo)準(zhǔn)樣品的18O與16O的比值。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同水體的氫氧同位素關(guān)系

根據(jù)地下水和地表水的δ(18O)和δ(D)求得地下水和地表水的蒸發(fā)線方程分別為

δ(D)=6.5δ(18O)-8.0(R2=0.88)

(2)

δ(D)=3.8δ(18O)-29.2(R2=0.69)

(3)

由于本次工作未采集降水，采用石家莊的大氣降水線方程來(lái)表示本研究區(qū)的大氣降水線方程[18]

δ(D)=6.3δ(18O)-3.9(R2=0.69)

(4)

當(dāng)?shù)卮髿饨邓€(local meteoric water line,LMWL)的斜率(6.3)和截距(-3.9)均小于全球大氣降水線(global meteoric water line,GMWL)，δ(D)=8δ(18O)+10(R2=0.96)[19]，說(shuō)明大氣降水過(guò)程中受到二次蒸發(fā)作用的影響，氫氧同位素分餾作用顯著，導(dǎo)致重同位素相對(duì)富集。如圖2所示，地下水和地表水δ(18O)和δ(D)值均分布于當(dāng)?shù)卮髿饨邓€附近或下方，表明大氣降水為所有水體的主要補(bǔ)給來(lái)源。地下水的δ(18O)和δ(D)值相關(guān)性顯著(R2=0.88)，其蒸發(fā)線的斜率(6.5)接近GMWL和LMWL的斜率，且多數(shù)地下水的水位埋深為5～10 m，說(shuō)明地下水受到蒸發(fā)作用的影響較小。地表水蒸發(fā)線的斜率(3.8)和截距(-29.2)均遠(yuǎn)小于GMWL和LMWL，主要由于地表水在接受大氣降水補(bǔ)給的過(guò)程中，雨水會(huì)受到不同程度的蒸發(fā)作用；地下水水樣G65、G68沿老沙河分布(圖1)，且G68的同位素組成位于G65和老沙河水樣S09之間，屬于二者的混合水。S12和S14為老漳河水樣，S12的同位素組成位于S14和毗鄰河道的地下水水樣G71之間，表明該處地下水和地表水存在補(bǔ)排關(guān)系。

圖2 不同水體氫氧同位素關(guān)系

2.2 地表水同位素分布特征

從表2可以發(fā)現(xiàn)：雨季地表水δ(18O)和δ(D)的范圍為-6.4‰～-4.9‰和-47.5‰～-40.2‰，均值分別為-5.9‰和-44.9‰，氘盈余位于-1.0‰～4.3‰，均值為2.4‰；旱季δ(18O)和δ(D)的范圍為-9.1‰～-3.6‰和-65.3‰～-49.8‰，均值分別為-7.2‰和-58.4‰，氘盈余位于-20.7‰～7.7‰，均值為-0.6‰。地表水氫氧穩(wěn)定同位素組成在雨季富集、旱季貧化，可能是雨季氣溫較高、蒸發(fā)作用強(qiáng)烈的原因[20]。

表2 地表水氫氧穩(wěn)定同位素統(tǒng)計(jì)特征

地表水的同位素組成受蒸發(fā)作用和水源共同影響。老沙河、威臨渠、老漳河和東風(fēng)渠的同位素分別主要分布在A、B、C、D(圖2)4個(gè)區(qū)域。通過(guò)對(duì)比分析不同地表水體的氫氧同位素均值可以發(fā)現(xiàn)：老沙河δ(18O)和δ(D)的組成[δ(18O)=-5.7‰，δ(D)=-53.3‰]最為富集，可能由于東風(fēng)渠在注入老沙河之前流動(dòng)路徑長(zhǎng)而受蒸發(fā)作用影響較大，還有可能是其他同位素富集的支流匯入所導(dǎo)致的。引自衛(wèi)河的威臨渠[δ(18O)=-6.6‰，δ(D)=-55.0‰]同位素較為富集。岳城水庫(kù)[δ(18O)=-7.54‰，δ(D)=-57.60‰][21]經(jīng)民有渠匯入老漳河[δ(18O)=-7.8‰，δ(D)=-60.9‰]，使其同位素較為貧化。東風(fēng)渠的同位素組成最為貧化[δ(18O)=-8.3‰，δ(D)=-62.6‰]，可能是因?yàn)闁|風(fēng)渠引自同位素貧化的黃河水[δ(18O)=-8.9‰，δ(D)=-66.2‰][22]。

2.3 地下水同位素分布特征

2.3.1統(tǒng)計(jì)特征

表3為不同時(shí)期地下水氫氧穩(wěn)定同位素統(tǒng)計(jì)特征。從表3可以看出：雨季潛水的δ(18O)和δ(D)的范圍為-11.0‰～-8.7‰和-79.6 ‰～-63.0‰，均值分別為-9.8‰和-70.0‰，氘盈余位于6.4‰～10.3‰，均值為8.0‰；承壓水的δ(18O)和δ(D)的范圍為-11.6‰～-8.7‰和-83.5‰～-63.0‰，均值分別為-10.6‰和-75.9‰，氘盈余位于6.9‰～9.9‰，均值為8.7‰；旱季潛水的δ(18O)和δ(D)的范圍為-11.2‰～-5.5‰和-82.1‰～-58.0‰，均值分別為-9.5‰和-70.0‰，氘盈余位于-13.8‰～8.7‰，均值為5.8‰；承壓水的δ(18O)和δ(D)的范圍為-12.0‰～-8.9‰和-88.2‰～-63.8‰，均值分別為-10.7‰和-79.4‰，氘盈余位于-0.2‰～9.4‰，均值為6.4‰。對(duì)比潛水和承壓水的同位素組成發(fā)現(xiàn)，承壓水在雨季和旱季的δ(18O)和δ(D)均比潛水貧化，且氘盈余偏正，主要是隨著水位埋深的增大，蒸發(fā)對(duì)地下水的影響越來(lái)越小[23]。此外，承壓水埋藏深度較大，徑流緩慢，含水層較為封閉，與外部環(huán)境水力聯(lián)系微弱，主要接受區(qū)外深層承壓水側(cè)向補(bǔ)給和上層潛水的越流補(bǔ)給。因此，年齡較老的地下水側(cè)向補(bǔ)給可能是其同位素相對(duì)貧化的主要原因[24]。潛水和承壓水的氫氧同位素分布較為集中，并未出現(xiàn)明顯的分層，說(shuō)明潛水和承壓水的水力聯(lián)系較為密切[25]。在雨季和旱季，潛水和承壓水的同位素組成變化不大，說(shuō)明地下水受季節(jié)變化影響較小。承壓水水樣G63同位素組成最為貧化，明顯區(qū)別于其他水樣(圖2)，說(shuō)明在寒冷氣候條件下降水補(bǔ)給形成的古地下水影響著該處承壓水的同位素組成[26-27]。

表3 地下水氫氧穩(wěn)定同位素統(tǒng)計(jì)特征

由Dansgaard[28]提出的氘盈余參數(shù)可以反映水體的同位素分餾程度，水體受蒸發(fā)分餾影響越大，同位素越富集，氘盈余(d-excess)值越小。其中，G64(-13.8‰)和G69(-0.2‰)的氘盈余小于0，嚴(yán)重偏離全球大氣降水均值。結(jié)合采樣點(diǎn)位置(圖1)以及地下水水位等值線(圖3)發(fā)現(xiàn)：位于老沙河附近的采樣點(diǎn)G64水位較高(25 m左右)，埋深較淺(小于5 m)，受蒸發(fā)作用影響最為強(qiáng)烈；另一方面，G64很可能接受了同位素最為富集的老沙河的滲漏補(bǔ)給。G69為承壓水水樣，結(jié)合G69附近的同位素分布和水位等值線(圖3)發(fā)現(xiàn)，該區(qū)域上層潛水的同位素組成明顯比承壓水更加富集，且潛水水位高于承壓水位，水位差在34 m左右，故上層潛水的越流補(bǔ)給很可能是G69點(diǎn)同位素富集的原因[29]。

圖3 潛水及承壓水δ(18O)空間分布

2.3.2空間分布

圖3(a)為潛水的δ(18O)空間分布情況，從圖3(a)可以看出，潛水的δ(18O)值隨地表高程的降低呈現(xiàn)逐漸富集狀態(tài)，在曲周和邱縣的北部以及永年最為富集。根據(jù)地表高程(圖1)以及潛水的等水位線可以看出，其水位埋深均小于5 m，受蒸發(fā)作用影響較為強(qiáng)烈。圖3(b)為承壓水的δ(18O)空間分布情況，從圖3(b)可以看出，承壓水的δ(18O)在邱縣與曲周的中部交界處富集?？紤]到該區(qū)域潛水水位普遍高于承壓水，承壓水同位素富集現(xiàn)象可能與重同位素富集的老沙河滲漏補(bǔ)給周邊潛水，進(jìn)而越流補(bǔ)給承壓水有密切關(guān)系。

2.4 蒸發(fā)比例計(jì)算

蒸發(fā)是影響氫氧同位素富集的主要因素[30]，采用瑞利平衡分餾方程計(jì)算殘余水分?jǐn)?shù)和蒸發(fā)損失

δ=(δ0+1)fαV/L-1

(5)

式中：δ為剩余水體中的氫氧穩(wěn)定同位素值；δ0為初始水體中的氫氧穩(wěn)定同位素值；f為蒸發(fā)后的殘余水分?jǐn)?shù)；αL/V為分餾系數(shù)。

選用當(dāng)?shù)卮髿饨邓€與地表水蒸發(fā)線的交點(diǎn)[δ(18O)=-9.8‰，δ(D)=-66.4‰]作為地表水未受蒸發(fā)作用影響的初始?xì)溲醴€(wěn)定同位素值δ0。δ為研究區(qū)內(nèi)地表水和地下水的氫氧穩(wěn)定同位素實(shí)測(cè)值。初始水體δ(18O)和δ(D)與不受蒸發(fā)影響的地下水的δ(18O)和δ(D)值接近，故選取地下水同位素的最小值[δ(18O)=-12.0‰，δ(D)=-88.2‰]作為地下水初始水體的氫氧穩(wěn)定同位素值δ0。

根據(jù)邯鄲東部平原地區(qū)的多年平均氣象數(shù)據(jù)得知，研究區(qū)內(nèi)的多年平均氣溫為13.8 ℃。在計(jì)算蒸發(fā)量時(shí)，使用δ(18O)更為可靠，故用T=13.8 ℃計(jì)算出分餾系數(shù)αL/V=1.347 1確定研究區(qū)內(nèi)地下水與地表水的剩余水體比例。

經(jīng)計(jì)算，地下水和地表水的平均蒸發(fā)比例分別為25%和40%，其中：潛水和承壓水的平均蒸發(fā)比例分別為28%和15%；東風(fēng)渠、老漳河、威臨渠和老沙河的平均蒸發(fā)比例分別為29%、29%、47%和59%?？梢钥闯龅叵滤苷舭l(fā)作用影響較?。辉诘乇硭?，老沙河受蒸發(fā)作用影響最大，其次是威臨渠、老漳河和東風(fēng)渠，這與前文中氫氧同位素分析結(jié)果一致。

2.5 河水與地下水的水力聯(lián)系

氫氧穩(wěn)定同位素作為水循環(huán)研究中的示蹤劑，可以有效追蹤流域內(nèi)徑流來(lái)源，識(shí)別地表水和地下水之間的轉(zhuǎn)化關(guān)系[31]。運(yùn)算過(guò)程中，δ(18O)值較為穩(wěn)定，可靠性強(qiáng)。基于質(zhì)量守恒原理，運(yùn)用兩端元法計(jì)算地下水與地表水的轉(zhuǎn)換關(guān)系，計(jì)算公式為

δt=Xδu+(1-X)δv

(6)

式中：X為2種水體來(lái)源的混合比例；δt為混合后的水體的δ(18O)值；δu為水體來(lái)源1的δ(18O)值；δv為水體來(lái)源2的δ(18O)值。

在運(yùn)用端元法計(jì)算混合比例的過(guò)程中，氫氧同位素的含量δ是誤差的主要來(lái)源之一。δ(18O)的值是由液態(tài)水穩(wěn)定性同位素分析儀(L 2120，美國(guó))測(cè)定得到的，其測(cè)定精度為±0.2‰?；旌媳壤齒的計(jì)算精度將控制在0.2‰以內(nèi)。因此，用這種方法計(jì)算得到的混合比例是可靠的。

2.5.1老漳河與地下水的補(bǔ)排關(guān)系

研究區(qū)地下水以側(cè)向徑流的方式補(bǔ)給老漳河河水，根據(jù)地下水流動(dòng)方向、河流走勢(shì)，以地下水采樣點(diǎn)(G71)與老漳河河水采樣點(diǎn)(S12、S14)(圖1、2)計(jì)算地表水與地下水的混合比例。

地下水采樣點(diǎn)G71的同位素組成δv(18O)為-9.5‰，地表水采樣點(diǎn)S12的同位素組成δt(18O)為-8.5‰，S14的同位素組成δu(18O)為-6.2‰。經(jīng)計(jì)算得出混合比例X為0.30，這表明老漳河接受了附近含水層的補(bǔ)給作用且地下水補(bǔ)給比例約為30%。

2.5.2老沙河與地下水的補(bǔ)排關(guān)系

在老沙河中下游地區(qū)，地下水接受老沙河河水的滲漏補(bǔ)給，根據(jù)地下水流動(dòng)方向、河流走勢(shì)，以地下水采樣點(diǎn)(G65、G68)與老沙河河水采樣點(diǎn)(S09)(圖1、圖2)計(jì)算老沙河與地下水的混合比例。

地下水采樣點(diǎn)G65的同位素組成δv(18O)為-8.7‰，G68的同位素組成δt(18O)為-8.5‰，地表水采樣點(diǎn)(S09)的同位素組成δu(18O)為-7.7‰。經(jīng)計(jì)算得出混合比例X為0.20，這證實(shí)該地區(qū)地下水接受老沙河的滲漏補(bǔ)給這一結(jié)論，即老沙河周邊的地下水約有20%的水體來(lái)自老沙河。

3 結(jié) 論

對(duì)比各水體蒸發(fā)線與GMWL和LMWL的關(guān)系可知，地下水和地表水均主要接受大氣降水補(bǔ)給,且各水體均受蒸發(fā)作用影響，其中地表水平均蒸發(fā)比例為40%左右。地下水受蒸發(fā)影響較小，平均蒸發(fā)比例約為24%。此外，在分析地下水和地表水氫氧穩(wěn)定同位素組成的基礎(chǔ)上，發(fā)現(xiàn)地表水和地下水存在密切的水力聯(lián)系，運(yùn)用端元法計(jì)算出：老漳河接受地下水側(cè)向徑流補(bǔ)給所占比例約為30%；老沙河滲漏補(bǔ)給附近含水層的比例約為20%。

地表水的同位素組成受蒸發(fā)作用和水源補(bǔ)給差異性的共同影響，不同水源的輸入使區(qū)內(nèi)地表水同位素組成差異較大。潛水與承壓水水力聯(lián)系密切，上層同位素富集潛水的越流補(bǔ)給導(dǎo)致承壓水的同位素富集。此外，承壓水還接受區(qū)外深層承壓水側(cè)向補(bǔ)給，年齡較老的古地下水的補(bǔ)給輸入是區(qū)內(nèi)部分承壓水同位素貧化的原因。