石頭口門水庫上下游地下水同位素特征及年齡

郭曉東，孫岐發，田 輝，于慧明

(1.中國地質調查局沈陽地質調查中心，沈陽 110024；2.吉林大學環境與資源學院，長春 130026)

同位素技術被廣泛應用于地下水起源和地下水測年，不同來源水的同位素組成和差異及同位素含量的時空變化是應用同位素技術解決地下水補給來源的基礎[1]。地下水年齡(即地下水平均滯留時間)可以確定含水層的長期補給潛力，可為地下水開發利用提供提供參考依據，其測定可以通過同位素來確定[2]。近年來流域尺度的地下水同位素變化規律與其他水體轉化關系，受到人們的關注[3]。陳彭等在陡河流域[4]、姚俊強等在呼圖壁河流域[5]、孫芳強等在三工河流域[6]、梁麗娥在呼倫湖流域[7]等開展了地下水與地表水體的相互關系研究。

長春市是我國典型的缺水型城市，而飲馬河流域是長春東部重要的地下水源，石頭口門水庫是長春市重要的城市供水水源。開展石頭口門水庫上下游地下水同位素特征研究，分析該區地下水與地表水之間的關系，評價地下水來源以及地下水年齡，對于水源地保護與水資源合理開發利用具有重要意義。

1 研究區概況

1.1 研究區位置

研究區位于吉林省長春市東部，包括長春市九臺區龍嘉鎮、西營城鎮、波尼河鎮，二道區東湖鎮、四家鄉，雙陽區新安鎮、齊家鎮，吉林市永吉縣萬昌鎮、官廳鄉。研究區西北部松嫩平原區，西南部為伊舒槽地，中部為低山丘陵區。

1.2 水文氣象

研究區為北溫帶大陸性季風氣候，年均降水量582.4 mm，6-9月降水量約占全年的70%以上，多年平均蒸發量在1 488 mm以上，年平均氣溫4.9 ℃，極端最高氣溫36 ℃。

飲馬河全長384 km，流域面積1 827 km2，發源于磐石縣呼蘭嶺，在農安縣靠山屯匯入第二松花江，流向大致從南向北流。石頭口門水庫位于飲馬河中游，壩址以上集水面積4 944 km2，水庫年平均流量為26.2 m3/s，水庫上游通過伊舒槽地，兩側多為河流階地和波狀臺地。河流由南向北流，接受兩側地下水補給。

1.3 水文地質

研究區地下水分布于飲馬河河谷漫灘以及一、二級階地上，賦存有第四系孔隙潛水和新近系碎屑巖裂隙孔隙承壓水，波狀臺地區地下水較貧乏，基巖區主要為基巖裂隙水和花崗巖風化帶孔隙裂隙水，水量較小。第四系松散巖類孔隙潛水埋藏淺，水量豐富，單井涌水量500～3 000 m3/d。地下水化學類型為重碳酸鈣或重碳酸鈣鈉型水，礦化度0.1～0.5 g/L，屬低礦化度水。新近系碎屑巖類裂隙孔隙承壓水富水性在100～3 000 m3/d，埋藏深，水質好。水化學特征主要為重碳酸鈣型水，礦化度0.13～0.20 g/L[8]。

2 材料與方法

2.1 樣品采集與分析

2016年采集地下水、河水和雨水同位素樣共20件，樣點分布見圖1，樣品送中國地質科學院水文地質環境地質研究所實驗室測試。D和18O的測試采用波長掃描-光腔衰蕩光譜法，所用主要設備為L2130i同位素分析儀[9]。氚同位素測定經過樣品蒸餾、電解富集后，通過超低本底液體閃爍譜儀(Quantulus1220)進行測試，分析精度約±1 TU[10]。

圖1 采樣點分布圖Fig.1 Map of samples

2.2 同位素分析理論

在水循環的過程中，受混合作用、雨水凝結與蒸發等作用的影響，發生同位素的分流，水體中穩定同位素比率在不同階段和區域產生規律性的變化。主要表現為環境同位素具有高程效應、溫度效應和大陸效應等，不同環境條件具有不同同位素特征，這些特征的差異性以及同位含量的時空變化可以用來研究水循環以及地下水的起源[11]。

3 結果分析

3.1 結 果

樣品基本情況及測試結果見表1。

從表1可以看出，研究區地下水δD范圍為-77～-58，平均值為-70.59，河水為-73～-64平均值為-68.5，而雨水為-97，地下水δD值與河水相似，但是與雨水具有明顯富集。地下水中δ18O范圍為-10.4～-6.7，平均值為-9.38，而河水為-10～-8.3，平均值為-9.38。雨水為-13.6，同樣具有明顯的富集。地下水氚含量平均值為12.44，河水為16.95，雨水為32.3，地下水與雨水相比明顯貧化。

圖2 飲馬河中游不同水體δD～δ 18O關系圖Fig.2 The δD～δ 18O map of various kinds of water in Yinma River

3.2 地下水來源分析

從圖2可以看出，飲馬河中游地下水δD～δ18O關系線為δD=4.857δ18O-25.015，而東北地區雨量線δD=7.2δ18O-2.39[12]，大部分樣品點都落在東北地區雨量線附近，說明地下水主要補給來源為大氣降水。東北地區雨量稍微偏離國際雨量線，說明存在云下蒸發作用[13]。

ST15和ST18遠離東北地區雨量線，地下水δD和δ18O值偏離當地大氣降水線的程度反映了其補給及徑流過程中所經歷地球化學過程的強弱，偏離越大，地下水所經歷的地球化學過程越強烈[14]。ST15和ST18點為深層地下水，地下水受到更多水巖相互作用，在地下水的徑流過程中同位素富集。兩個河水樣品點落于東北地區雨量線附近，同時又接近地下水線，地下水與河水聯系比較緊密，共同受降水補給。

表1 飲馬河中游同位素樣品測試結果Tab.1 Result of isotopes samples in Yinma River

3.3 地下水年齡分析

由于大氣中氚含量從核試爆集中期到目前，含量逐漸衰減，并接近核試爆之前的水平[15]。而地下水中的氚含量往往受多種因素綜合影響，準確定量計算非常困難。Clark提出大陸地區適用的氚含量定性解釋方法[16]，見表2。從研究區氚同位素特征來看(見表1)，而地下水氚含量大部分在4～18.8 TU之間，參照表2可知該區地下水多為距今10 a以內的現代水，說明該地區地下水徑流條件較好，補給更新及循環速率快，地下水水質較好。而ST03和ST04點氚值<1.0 TU，很有可能是1952年之前補給的地下水，年齡較早，說明ST03和ST04點地下水補給條件較差，地下水循環較慢，可能是由于該兩點含水層為淤泥質粉質黏土，含水層滲透性較差，水質可能較差。ST14點氚值為4 TU，則可能是1952年之前補給與現代水補給的混合水。

表2 地下水氚含量及年代定性對應表Tab.2 Qualitative corresponding table between tritiumcontent and source age in groundwater

4 結 語

石頭口門水庫地區地下水淺層水主要來源于大氣降水，河流與地下水聯系緊密，深層地下水受較多地球化學作用。

石頭口門水庫地區地下水多為10 a之內的現代水，個別點為1952年之前的水與現代水的混合水。總體上地下水更新較快，補給條件好。

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