同位素技術在河南省豫北平原地下水源地規劃中的應用

苗晉祥

(河南省地質調查院，河南 鄭州 450001)

半個世紀以來，豫北平原(即華北平原河南部分)隨著工農業和城市建設的不斷發展，地下水開采量與日俱增，加上自然因素的影響，地下水環境發生了較大的變化。多數地區地下水入不敷出，已形成了濮清南和溫孟武陟區域地下水位降落漏斗，以及安陽、濮陽、新鄉城市地下水降落漏斗，沿黃濕地銳減;巖溶水水位持續下降，河南輝縣百泉泉水斷流。由于地下水位下降產生的環境地質問題還有濮陽地面沉降。

以犧牲環境為代價的人類工程經濟活動的不斷加劇，城鄉垃圾的亂堆亂放，工業廢水及城市生活污水的隨意排放，農業農藥化肥的施用，這些因素對人們賴以生存的環境產生了嚴重的影響。豫北平原沿河道、城市周圍及部分農田區淺層地下水也因此遭受不同程度的污染。

為查明豫北平原地下水形成與演化規律、循環演化模式，中國地質調查局在工作區安排了國土資源大調查項目“華北平原地下水資源可持續利用調查評價(河南)”(200310400004)的地下水同位素研究。

同位素技術對于地下水的深入研究和定量化、微觀化至關重要，它可以提供地下水系統的詳細信息，不同成因的地下水具有不同的同位素特征，穩定同位素的分餾原理和放射性同位素的衰變原理，為地下水的補給來源、運移速度、滯留時間、排泄過程及轉化和地下水質和量的深入研究，提供了重要手段［2］。

1 研究區概況

研究區地處華北平原的河南省北部，簡稱豫北平原，西北以太行山為界，南部以黃河為界，北部、東部與河北省和山東省為臨，工作區地處黃河沖積平原的上游，西北部為山前傾斜平原(見圖1)。

豫北平原分屬黃河與海河水系，以黃河為其南界。重要的河流有黃河和衛河，據黃河花園口水文站1949～1994年資料，黃河多年平均流量為1 387 m3/s，最大流量22 300 m3/s(1958年7月17日)，最小流量斷流，濮陽南黃河段最長斷流時間為226天(1997年)。區內引黃渠系成網，水利條件優越。區內重要的引黃渠道有:焦作市、新鄉市的武嘉灌渠、人民勝利渠，新鄉市的韓董莊、祥符朱、大功、石頭莊灌渠，濮陽市的濮清南、彭樓、邢廟、王集等灌渠。

黃河沖積平原是由多期沖積扇疊置而成，工作區地下水主要賦存于其中的各種砂及粉土的孔隙中，是一個形狀復雜的含水地質體。在垂向上可分為淺層含水巖組和深層含水巖組。

圖1 工作區地貌圖

淺層含水層包括全新統、上更新統、中更新統含水砂層，含水層底板埋深一般為60～120 m，平均厚度40～50 m，自頂部向東北顆粒變細，厚度變大，由上游到下游含水層顆粒由粗砂變為細砂。淺層地下水補給項有大氣降水入滲、黃河側滲、引黃灌溉入滲與引黃渠道滲漏、河道滲漏、地表坑塘及引黃蓄水池、側向逕流補給，其中引黃灌溉和引黃渠道滲漏已成為淺層地下水的重要補給項。淺層地下水的排泄方式主要為開采和蒸發，側向逕流排泄已變為次要項。淺層地下水總逕流方向由西南流向東北，由于受人工開采和引黃灌溉的影響，局部流場發生變化;在地下水開采漏斗區，地下水由漏斗周邊向中心流動;在沿黃渠道與引黃蓄水池一帶，地下水以渠道或蓄水池為中心向兩側及下游流動。

深層含水層組包括中更新統下段和下更新統的砂、砂礫石組成，底板埋深200～340 m，平均厚度40～80 m，含水層巖性由盆地邊緣至中部的砂礫石、粗砂變為細砂、細粉砂。深層水主要接受西南方向的側向逕流補給;在省界以側向逕流方式排泄入外省，在濮陽油田一帶由于開采已形成局部地下水漏斗，逕流方向為西南流向東北。

2 樣品布置與測試

樣品布置:同位素樣品按不同水文地質單元、不同層位、地表水分別布置了樣品，基本控制了全區，同位素分析樣175件(見圖2)，收集了50組同位素樣品數據，同時還引用了吉林大學、北京師范大學、中國地質科學院水文地質環境地質研究所的同位素方面資料和論文。布置水化學樣290件，收集了2001～2005年的水化學資料;布置地下水位統調5次，地下水位長觀40井等工作。

圖2 同位素采樣與剖面布置圖

樣品測試:所有采集的水樣在中國地質科學院地下水科學與工程重點開放實驗室進行了穩定同位素的分析處理。18O采用水平衡法，D(2H，氘)采用Zn法，13C采用磷酸法，14C采用Quantulus－1220(LKB)低本底液閃儀，T(3H，氚)采用Quantulus－1220(LKB)低本底液閃儀測定。質譜儀型號為MAT－251。計量單位采用的國際標準為:D、18O均為SMOW‰，13C為PDB‰，14C為pmc，T為 TU。分析精度 D為2‰ ，18O、13C 為 0.2‰，T為 1TU，14C 為 1%(pmc)。

在物理課堂教學中，要做好與力學相關的演示實驗，首要工作是根據物理課堂教學內容和教學目的進行力學課堂演示實驗設計。力學演示實驗的設計要盡可能采用簡單常見的儀器，儀器個數盡量少，設計的選題要盡可能與日常生活實際相聯系，實驗的原理要在學生理解范圍之內。力學演示實驗的設計應是建立、鞏固物理概念或引入課題的定性演示，沒有必要過分將操作過程和操作方法復雜化。而且，演示實驗設計特別強調直觀性，它包含實驗過程、實驗器材、實驗現象的直觀性。

樣品采集嚴格按規程進行，對不符合要求的樣品進行了補充采樣。為了保證質量，按樣品數量的5%取了對比樣，經對比，18O、13C、14C數據誤差較小，可直接選用;而D(2H)、T(3H)誤差較大，在與18O、13C、14C數據的對比修正下，可以利用。

3 同位素T(3H)估算的淺層地下水更新速率研究［1，4～8］

地下水更新速率(Renewal rate)定義為地下水系統中補給水體積與含水層總水體積的比。地下水中的放射性核素氚通常作為降水補給和水在含水層中運移的標記，最近，Le Gal La Salle［7］等提出了利用氚來計算地下水的平均更新速率，其原理簡要介紹如下:假設含水層是穩定狀態，即水的輸入等于輸出，地下水連續補給且完全混合。則地下水中的氚含量通過放射性衰變和年輸入變化來計算:

式中:Rr為多年平均更新速率(%/a);Ag為地下水的T(3H)含量(TU);A0為輸入水的 T(3H)含量(TU);Λ為放射性常數(T(3H)=0.05626/a);i為時間(年)，0計算年(初始年定為大氣核爆前，定為公元1952)，如以公元1997年為計算年，則i從0到45年(對應于1997～1952年)。

方程(1)考慮了自1952年以來氚的年輸入變化，1952年以前，假設系統是穩定狀態，地下水的含量以常量A0輸入(氚為10TU)計算:

考慮到隨年降水變化，年補給發生變化。假設年補給與年降水成比例關系，那么，年更新速率Rri可以從年降水加權平均更新速率Rr得到:

如果補給與年降水量成線性關系，那么，某年的更新速率Rri等于平均更新速率R乘以當年降水量(Pi)占多年平均降水量(Pm)的百分比。但是，在干旱、半干旱區，這種關系通常不完全適用，因此，在考慮發生補給的極限降水量值(Pt)的情況下，年更新速率表示為:

對于各區如果有Pt值則直接應用，如果沒有則可以利用當地氣象站最小年降水量近似代替。更新速率計算通常采用降到地面的降水氚含量年加權平均濃度作為地下水系統的輸入函數，我國大陸廣大地區缺少1952年以來的系統觀測資料，因此，本次工作是在重建的石家莊地區大氣降水氚濃度時間序列的基礎上進行的。

計算過程首先恢復輸入函數，然后給定一系列更新速率(如0% ～100%/a)，計算輸出濃度，作出Rr—輸出濃度模擬曲線圖，通過圖解確定每個樣品實測數據代表的更新速率(圖 3)。

地下水的更新速率隨著水位埋深增加而減小，在沖積扇頂部，地下水系統平均更新速率很高，在焦作至輝縣山前與黃河補給影響地帶、引黃灌渠與河流兩側淺層地下水的更新率較大，一般4～10%/a，沖洪積扇頂部與近黃河地帶大于10%/a;向下游水位埋深10～20 m，地下水系統平均更新速率減小，工作區西部至地下水位降落漏斗的西邊緣2%/a至4%/a;一般地下水位降落漏斗區1～2%/a，漏斗中心區小于1%/a。

表1 城市應急地下水水源地供水地質條件概況表

地下水的更新速率與包氣帶巖性有關，在沖積扇上部，包氣帶巖性以砂礫石夾少量粘土為主，而在沖積扇邊緣，包氣帶巖性以粉質亞粘土和亞砂土為主。在水位埋深小于30 m的情況下，前者平均更新速率可達5% ～33%/a以上，而后者為僅1.5% ～2.5%/a，說明地下水的補給具有空間不均勻性。

假設整個研究區地下水更新速率的統計中值(2.8%/a)代表該區的總體更新速率，以含水層平均厚度40 m、平均有效空隙度為0.2來計算，地下水的補給強度是224 mm/a，與利用降水入滲系數為0.2～0.3得出的降水補給量相當。

中國地質大學的天然環境氯離子質量平衡法試驗成果的更新速率:山前沖洪積扇區(埋深10～15 m，粉土)為0.082，平原區(埋深 30～35 m，粘性土與粉土互層)為0.055，與本次估算的淺層地下水更新速率基本一致。

圖3 淺層地下水平均平均更新速率等值線與應急地下水水源地分布圖

4 同位素技術在地下水水源地規劃中的應用［1，9 ～11］

應急地下水水源地按淺層地下水更新速率和地下水年齡特征分為四個類型(見表1，圖3)，沿黃強補給型;引黃灌溉補給型;山前側向強逕流與河流補給型;巖溶水補給型應急地下水水源地，它們的同位素特征為:

(1)沿黃強補給型:地下水更新速率大于4%/a;地下水年齡小于10年;地下水樣同位素特征與黃河水樣相似，受黃河上游補給區緯度與高程效應的影響，18O、D、13C值低，T、14C值高。

(2)引黃灌溉補給型:地下水更新速率1～4%/a;地下水年齡5～10年;地下水樣同位素特征與黃河水樣接近，受當地降水的影響，18O、D值較沿黃強補給型略有升高，18O值較低并構成封閉區、D值特征不明顯;13C值較低，但比黃河側滲補給源高;T、14C值較高，但比沿黃強補給型低。

(3)山前側向強逕流與河流補給型:地下水更新速率一般大于2%/a，個別可大于1%/a;地下水年齡小于15年;焦作至輝縣地下水補給距離長，18O、D值低、而衛輝至安陽補給地下水距離短，18O、D值較高;受上游碳酸鹽巖的影響，13C值較沿黃強補給型略有升高，屬中等值;T、14C值較高。

(4)巖溶水補給型:地下水更新速率大于1%/a;地下水年齡5～20年;18O、D值中等與淺層地下水相似;受上游碳酸鹽巖的影響，13C值較高與淺層地下水有較大差別;巖溶水都含有T，14C值一般較低。

在同位素T(3H)估算了淺層地下水更新速率和地下水年齡的基礎上，充分考慮了地下水的可恢復性和地下水資源可持續利用，制訂應急地下水水源地的規劃的原則為:

(1)選擇淺層地下水更新速率較大的，一般大于1.0%/a，地下水年齡小于15 a，補給條件較好，具有較強的恢復更新能力、有利于改善環境的區域;

(2)具有地下水水源地的特征(儲量、供水能力):有良好的含水層空間。一般選擇在古河道帶，砂層厚度大的地方，有良好的水質;

(3)具有較大的地下水調節能力:地下水應急供水水源在一定時期內，允許按一定的地質環境約束下動用地下水儲存量;

(4)具有經濟可行性:以淺為主，減少投資成本。

根據上述這幾項原則對工作區20個市縣規劃了20處地下水應急供水水源地，供水開采量共34×104m3/d。

5 綜合分析討論

將同位素技術用于地下水更新恢復能力研究，對于地下水可持續利用意義重大，應注重以下兩方面的研究:

(1)用同位素T(3H)估算的淺層地下水更新速率。過去，在淺層地下水資源評價中，由于對地下水更新能力的認識不夠，對地下水的可開采資源量估計的過高，因而許多地區的開采強度大大超過地下水的天然更新速率，產生了一系列與地下水開發利用有關的環境問題，同位素T(3H)估算的淺層地下水更新速率充分考慮了地下水的可恢復性，這在制訂地下水資源可持續利用規劃中是至關重要的，是傳統的地下水資源量不可替代的參數，利用同位素技術估算地下水的更新速率是今后的很重要的研究方向。

(2)用地下水同位素更新速率評價地下水資源量方法研究:需進行新的地下水同位素元素研究、淺層地下水的更新深度的研究，建立區域同位素系列(大氣降水、地表水、地下水)長期觀測資料，為計算地下水補給強度提供依據。

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