淮河流域典型區地下水同位素特征分析

楊 運萬燕軍 孫曉敏

（1.水利部淮河水利委員會 蚌埠 233001 2.南京水利科學研究院 南京 210029）

地下水是淮河流域特別是淮河以北地區生活、農田灌溉、工業生產、生態環境等用水的重要供水水源。20世紀70年代以來，隨著社會經濟的快速發展，水資源需求量不斷增大，流域內地下水受到大規模開采。不合理的地下水開采使得流域地下水系統的補徑排條件發生變化，也帶來地面沉降、地面塌陷、海水入侵等一系列環境地質問題。目前，同位素方法在研究地下水循環過程、識別污染物來源、判斷地下水補給來源、確定不同含水層之間水力聯系等方面發揮越來越重要的作用，成為研究地下水補給來源與揭示地下水演化規律的有效方法，已在黑河流域、塔里木盆地、內蒙古佘太盆地、北京平原區、蒲陽河流域等區域得到研究應用，取得一系列成果。本文在淮河流域選擇“一橫三縱”四個剖面采集地下水樣，開展同位素特征分析，初步識別了研究區不同地下水系統的分異性及其補給情況，為更為合理地開發利用流域地下水資源提供了基礎支撐。

1 流域地下水概況

淮河流域總的地形為由西北向東南傾斜，山區占流域總面積的1/3，其余為平原、湖泊和洼地。淮河流域地下水可分為平原區土壤孔隙水、山丘區基巖斷裂構造裂隙水和灰巖裂隙溶洞水三種類型。平原區土壤孔隙水是淮河流域地下水資源的主體。流域西部為古淮水系堆積區，厚度在10～60m，地下水埋深一般在2～6m；東部為黃河沖積平原的一部分，砂層厚度一般為10～35m，自西向東漸減，地下水埋深1～5m。蘇北淮安、興化一帶沖積湖積平原區，大部分為淤泥質、砂質黏土，間有沙土地層，地下水埋深一般為1～2m。蘇魯濱海平原地區在沿海5～22km范圍內屬海相沉積區，巖性為亞沙土，地下水埋深1～2m。平原區大部分屬礦化度小于2g/L的HCO3-Ca·Na·Mg型淡水，小部分區域為HCO3·Cl-Ca·Na·Mg型淡水。淮河流域多年平均淺層地下水資源量338億m3，多年平均地下水資源可開采量為190.4億m3，2015年淮河流域地下水資源量335億m3，其中開發利用量132.2億m3，占2015年流域總供水量的24.5%。

2 樣品采集與測試

本次研究在淮北平原區選擇“一橫三縱”四個剖面，通過水文監測井、地質勘探井、供水井等水井進行地下水采樣，共采集地下水樣388個。其中，“一橫”路線為阜陽太和邊界至利辛、蒙城、宿州、靈璧、宿遷市泗洪縣范圍，總長度約270km；“三縱“路線為：沙潁河剖面，由許昌起經臨潁縣、漯河市、駐馬店市至阜陽太和邊界，總長度約370km；渦河剖面，由開封起經柘城縣、渦陽縣、蒙城至蚌埠市懷遠縣，總長度約320km；古黃河剖面，由菏澤起，經曹縣、單縣、豐縣、徐州、睢寧、泗洪至淮安、鹽城射陽縣剖面，總長度約520km。鑒于淮河流域平原區在地表以下30～55m之間，區域上廣泛分布有一層14～20m厚的粘性土層，同時為研究需要，本文以地表以下50m為界，將含水巖組劃分為淺層含水巖組和深層含水巖組，對應的水井區分為淺層井和深層井，在取樣時基本上確保一個淺層水樣點對應一個深層水樣點。

地下水樣的氫氧穩定同位素指標均采用美國LGR產品液態水同位素激光質譜進行測定，其標樣均來源于該公司，對每個水樣自動測6次后取其中部4次平均值。

3 同位素分析方法簡介

同位素指原子核中質子數相同但中子數不同的同一類原子，由于同一元素不同的同位素質量不同，從而可以根據同位素信息開展相關研究。水中常用的穩定同位素是2H、18O，由于同位素的相對豐度很高而難以直接測定，因此使用樣品豐度比相對于標準物質豐度比之間的偏差δ來表示。不同元素的同位素采用不同的標準，氫、氧穩定同位素的標準物質是標準平均海水或維也納標準平均海水。例如δ18O被定義為：

氫氧同位素的δ值為正值表示樣品含有比標準多的重同位素，負值則表示樣品含有比標準少的重同位素，在氫氧穩定同位素中，作為參考標準的海水在自然界一般可認為具有最富的重同位素，因此自然水樣測得的氫氧同位素δ值通常為負數。

4 結果討論

4.1 研究區氫氧穩定同位素降水線

顧慰祖等曾于2003～2004年在皖北、豫東平原8個水文站按IAEA降水同位素測站的要求采集了降水18O和2H資料，大部分為5月到12月的數據，包含了18O和2H變化最劇烈的季節，代表了足夠大的18O和2H變幅。本次研究新收集10個水文站降水同位素資料，對比發現本次研究數據正落在2003～2004年數據線上，因此將兩次調查數據結合，近似得到淮北平原區降水線（LMWL），與全球降水線（GMWL）比較如下：

淮北平原區降水線：

全球降水線：

結合公式（2）、（3）及圖1，可以看出淮北平原區降水線與全球降水線很接近，由于一般地區性的LMWL應該有較長時間采樣才能認定，因此在兩者很接近的情況下，可以使用GMWL來代替地區降水線。

4.2 研究區地下水同位素特征分析

根據調查路線，將地下水采樣點歸為以下6組：（1）沙潁河水系深層地下水組：包括許昌市、上蔡縣、平輿縣、臨泉縣所有井深大于50m的深層地下水；（2）沙潁河水系淺層地下水組：包括許昌市、上蔡縣、平輿縣、臨泉縣所有井深小于50m的淺層地下水；（3）渦河水系深層地下水組：包括開封市、通許縣、睢陽縣、睢縣、柘城縣、渦陽縣、蒙城縣、懷遠縣所有井深大于50m的深層地下水；（4）渦河水系淺層地下水組：包括開封市、通許縣、睢陽縣、睢縣、柘城縣、渦陽縣、蒙城縣、懷遠縣所有井深小于50m的淺層地下水；（5）古黃河水系深層地下水組：包括菏澤、徐州、宿遷、淮安、鹽城所有井深大于50m的深層地下水；（6）古黃河水系淺層地下水組：包括菏澤、徐州、宿遷、淮安、鹽城至鹽城射陽縣所有井深小于50m的淺層地下水。6組地下水的同位素分布如圖2、圖3、圖4所示，可以看出：

圖1 降水氫氧穩定同位素關系圖

圖2 地下水氫氧同位素關系圖

圖3 深層地下水氫氧同位素關系圖

圖4 沙潁河與渦河水系地下水氫氧同位素關系圖

（1）各系統地下水氫氧同位素趨勢線的延長線與降水線具有交點，說明各系統淺層地下水、深層地下水都源于降水補給。相比而言，淺層地下水點與降水線更為接近，延長線交點更靠上，部分淺層地下水點甚至位于降水線之上；而深層地下水的延長線則與降水線相交于遠端，意味著淺層地下水、深層地下水降水同位素可能組成的年齡及其補給時期應是：淺層地下水＜深層地下水，深層地下水可能包括歷史時期和地質時期的降水。

（2）各系統淺層地下水穩定同位素分布范圍較寬，且明顯富于深層地下水，原因主要包括兩方面：一是因為現代的蒸發分餾，使得含有重同位素的水分子更易留于淺層含水層中，而不同地區的降水和蒸發均有所差異，使得各地區淺層地下水的穩定氫氧同位素具有較好分異性；而深層地下水則幾乎不受蒸發分餾的影響，同位素分布范圍較窄。二是因為深層地下水中存在著一定比重的歷史時期降水，而歷史時期降水的氫氧穩定同位素相對更貧。同時，這也暗示著深層地下水主要受側向補給的影響，而具有區域差異的降水和淺層水對深層地下水的垂向補給則必然較弱。

（3）結合圖3進一步分析深層地下水系統的分異性，可以看出，沙潁河與渦河水系深層地下水氫氧同位素具有較好的分異性，而古黃河水系深層地下水則明顯分屬兩個不同的地下水系統。對比沙潁河和渦河兩個水系中地下水的趨勢線與降水線的位置關系，沙潁河顯然與降水的關系更為密切，加之兩水系地下水的平均取樣深度相差不大，可以推斷渦河水系的上覆弱透水層更厚或連續性更好。同時，渦河水系深層地下水同位素分布范圍相對較寬，但多數局限于左下部，說明渦河水系深層地下水在部分地區能夠接受淺層地下水的補給，但絕大部分地區不能獲得淺層地下水的有效補給，主要接受側向補給。

5 結論

本文在淮河流域平原區開展了地下水同位素分析，通過大量實測的地下水同位素數據，初步探明淮北平原渦河、沙潁河、古黃河水系地下水系統特征，分析了降水、淺層地下水、深層地下水間的關系。研究表明地下水都源于降水補給；而淺層地下水受到蒸發分餾的影響，深層地下水主要受側向補給的影響，可能包括歷史時期和地質時期的降水；具有區域差異的降水和淺層水對深層地下水的垂向補給較弱。該研究為今后淮河流域地下水系統可更新能力的量化表示提供了基礎■