云應盆地北部淺層地下水氫氧同位素特征分析

胡美艷,王 清，陳植華,胡 成

(1.中國地質大學(武漢)環境學院，湖北 武漢 430074；2.中國地質調查局武漢地質調查中心，湖北 武漢 430205)

水資源短缺是當前面臨的嚴峻問題，而水循環則是合理利用水資源的基礎，故解決水資源的關鍵在于深入了解水循環機理。在研究地下水循環的過程中，地下水水化學特征的分析[1-3]、數值模擬[4]、環境同位素特征分析[5-10]都是重要的手段，尤其是環境同位素特征分析方法常被廣泛運用于地下水與地表水轉化關系的研究中[11-19]。在國外，Aravena等[20]分析了智利北部Loa和Tarapaca河水的同位素特征，揭示了河水與地下水的補給關系；Weyhenmeyer等[21]分析了不同高程下降水的同位素組成，得出了高程效應對地下水補給比例的影響；Barnes等[22]和Lindstr?m等[23]分別用δ18O和δD分析模擬了土壤水的滯留時間。在我國，環境同位素特征分析方法也得到了廣泛應用，如田立德等[24]分析了青藏高原河水中δ18O的變化特征；張應華等[25]發現地下水與地表水中同位素δ18O值明顯不同，地下水與地表水的轉換關系表現為地下水補給地表水;鄭揚帆[26]通過分析不同水體中δD-δ18O的組成關系及其同位素特征，確定了地下水的主要補給來源。

鑒于對平原流域地下水轉換關系及其水循環方面的同位素特征研究相對較少，本文以云應盆地北部的澴河河谷階地為研究對象，通過分析流域內不同含水層地下水中氫氧同位素的組成及其空間分布特征，以研究流域內淺層地下水之間的轉換關系，為正確評價與合理利用地下水資源提供科學依據。

1 研究區概況

研究區位于云應盆地北部，是山區與平原的地形的轉折帶，包括云夢縣的曾店鎮和吳鋪鎮，孝昌縣的白沙鎮和陡山鄉，孝南區的陡崗鎮、肖港鎮、朋興鄉和西河鎮，其中隸屬于湖北省孝感市孝南區的肖港鎮位于研究區的中心，見圖1。

圖1 研究區地理位置圖Fig.1 Geographical location map of the research area

研究區橫跨3個小型集水流域，其中澴河流域地表面積占優。區內水系發育、分散，堰塘、水庫眾多，水體分布面積約26.7 km2，占總面積的6%。澴河主干由北至南從研究區中部蜿蜒穿過，在區外匯入府河，是研究區內主要地表水系，其多年年均徑流量為1 989億m3，多年月平均水位高程(黃海高程系)為21.7 m，為本區地下水侵蝕基準面。

研究區為亞熱帶大陸性季風氣候，雨量富足，陽光充足，濕度適中。根據多年統計，研究區6、7月份的降雨量最大，可達150～200 mm，年均降雨量為1 200 mm，蒸發量略大于降雨量，為1 435 mm，潮濕系數為0.93。

2 采樣與分析方法

2. 1 采樣方法

2016年9月1日至30日對研究區雨水、澴河地表水和各含水巖層地下水進行了現場采樣，共采集了50個同位素水樣樣品，具體取樣點分布見圖2。由于2016年雨水較少，于2017年3月至4月采集了10個雨水樣，取樣點位于研究區的中心位置即肖港鎮小桃園酒店樓頂。現場采用GPS測定取樣點的經緯度和井的地面標高。水樣用100 mL塑料瓶采集，密封并置于低溫處保存。

2. 2 分析方法

采用離軸整腔輸出光譜技術(OA2ICOS)的液態水穩定同位素分析儀(LWIA-24d，LOS Gatos，USA)測定水樣中的δD、δ18O，由武漢地質調查中心重點實驗室完成測定。水樣中同位素δD、δ18O的測定結果均用相對于平均海水VSMOW(維也納標準平均海洋水)來表示，其計算公式如下：

(1)

(2)

式中： (ξD/ξH)sample、(ξD/ξH)standard分別為D/H的測定值與維也納標準平均海洋水標準值；(ξ18O/ξ16O)sample、(ξ18O/ξ16O)standard分別為18O/16O的測定值與維也納標準平均海洋水標準值。其中，δD和δ18O是D和18O的計算值，精度分別為±0.6‰和±0.2‰，檢查樣為50%。

3 研究區氫氧同位素特征分析

3.1 研究區大氣降水中D和18O特征

大氣降水中δD和δ18O之間存在線性關系，即稱為大氣降水線。Craig[27]最早提出了全球大氣降水線公式，即δD=8δ18O+10;鄭淑蕙等[28]根據107個大氣降雨的穩定同位素值，得出我國大氣降水線方程為：δD=7.9δ18O+8.2。由于研究區2016年9～12月份雨水太少，課題組于2017年3～4月份采集了雨水樣,雨水樣中δD和δ18O的測試計算結果見表1。

由表1可知：研究區雨水中δD值的變化范圍為-57.25‰～0.62‰，平均值為-22.02‰；雨水中δ18O值的變化范圍為-8.98‰～-1.84‰，平均值為-4.58‰。

表1 研究區雨水樣中δD和δ18O的測試計算結果

根據所取的10個雨水樣的δD和δ18O值(表1)，得到研究區大氣降水線方程為：δD=7.76δ18O+12.85，并用Grapher軟件繪制出研究區雨水δD-δ18O關系圖，見圖3。

圖3 研究區大氣降水δD-δ18O關系圖Fig.3 Diagram of δD-δ18O relation of atmospheric precipitation samples in the research area

由圖3可見，與全球大氣降水線和我國大氣降水線相比，研究區大氣降水線的斜率與我國大氣降水線斜率相近，但各雨水樣點基本都在我國降水線上方，說明研究區更加富集18O，也說明研究區的蒸發強度較我國平均蒸發強度大。

3.2 研究區地表水和地下水中D和18O特征

研究區地表水和地下水中δD、δ18O的測試計算結果見表2。

表2 研究區地表水和地下水中δD和δ18O的測試計算結果

由表2可知，在整個研究區內，地表水和地下水δD值的變化范圍為-56.45‰～-33.14‰，δ18O值的變化范圍為-8.24‰～-4.35‰。

采用Grapher軟件繪制出研究區地表水和地下水δD-δ18O的關系圖，見圖4。

圖4 研究區地表水和地下水δD-δ18O關系圖Fig.4 Diagram of δD-δ18O relation of surface water and groundwater in the study area

由圖4可見，研究區地表水和地下水水樣點主要分布在當地大氣降水線的下方，構成了斜率明顯小于研究區大氣降水線的蒸發線，集中反映了蒸發作用對研究區內各類水體的影響，而且研究區各含水層的蒸發強度都較大，澴河地表水的蒸發線斜率最大，3個地下含水層的蒸發線斜率相近，但δD和δ18O分布特征卻有所不同。其中，澴河地表水的δD、δ18O值明顯高于3個地下含水層水體中的δD、δ18O值；Ey碎屑巖類裂隙水中的δD、δ18O值較高于第四系松散巖類孔隙水和Qbw2變質巖類風化裂隙水中的δD、δ18O值。研究區內地表水和地下水中D、18O的富集程度大致表現為：Qbw2變質巖類風化裂隙水<第四系松散巖類孔隙水

采用Grapher軟件對研究區地表水與地下水的δD-δ18O進行擬合，得到研究區地表水與地下水δD-δ18O擬合蒸發線的各種參數和擬合度，其擬合結果見表3。

表3 研究區地表水與地下水δD-δ18O的擬合結果

綜上分析，可以得到如下結論：

(1) 研究區內澴河地表水樣點主要分布在當地大氣降水線的右側，擬合的蒸發線方程為：δD=6.96δ18O-1.96(R2=0.998)，其δD和δ18O值的變幅不大，表明其補給來源單一，主要接受大氣降雨的補給以及上游河流的補給；但并未表現出沿河流富集的特點，這是因為研究區河流的流程較短的原因。

(2) 研究區內第四系松散巖類孔隙水樣點主要分布在當地大氣降水線的右側，擬合的蒸發線方程為：δD=6.82δ18O+0.12(R2=0.942)，其δD和δ18O值的變幅最大，蒸發明顯，表現出該含水層補給來源多元化的特征，其不僅接受大氣降水補給，同時也接受較深層Ey碎屑巖類含水層的補給。

(3) Ey碎屑巖類裂隙水樣點集中分布在當地大氣降水線右側，擬合的蒸發線方程為：δD=6.01δ18O-5.06(R2=0.906)，但是其δD、δ18O值的變幅較大，表現出該含水層補給來源多元化的特征，其不僅接受大氣降水補給，同時接受山前變質巖含水層的側向補給。

(4) Qbw2變質巖類風化裂隙水樣點主要分布在當地大氣雨水線的右側，擬合的蒸發線方程為：δD=6.10δ18O-5.29(R2=0.980)，其δD、δ18O值較低，說明該含水層循環條件相對較好，地下水更新速度較快，也說明了其主要接受山前側向補給。

(5) 研究區內澴河地表水和各含水層地下水蒸發線的斜率不同，說明區內各水體的蒸發強度不同，其蒸發強度表現為：澴河地表水>第四系松散巖類孔隙水>Qbw2變質巖類風化裂隙水>Ey碎屑巖類裂隙水，而區內各水體的埋藏深度也表現為：澴河地表水>第四系松散巖類孔隙水>Qbw2變質巖類風化裂隙水>Ey碎屑巖類裂隙水，說明水體的蒸發強度與其埋藏深度存在著相關性。

3. 3 研究區地表水和地下水中氘過量參數特征

氘過量參數(d)主要用來量化及比較氣、液相同位素分餾不平衡程度的差異[29]，其定義為：d=δD-8δ18O，即d值的大小相當于當地大氣降水線的斜率(ΔδD/Δδ18O)為8時的截距值。d值實際上是對大氣降水過程中綜合環境的反映[30-31]。研究區地表水和各含水層地下水中氘過量參數見表4。

表4 研究區地表水和各地下水中氘過量參數

由表4可見，研究區內所有水樣d值的變化范圍為1.66‰～11.11‰，76%的水樣d值集中在4‰～9‰范圍內，其中第四系松散巖類孔隙水中d值均值較大，其最大值為11.11‰，明顯高于區內其他水體，并與當地大氣降水線有較大的偏離，說明該地下水與其他水體轉換頻繁；澴河地表水中d值較區內地下水偏小，主要是由于該地表水夏季蒸發量較大，破壞了同位素之間的平衡關系，從而使δD和δ18O值降低；Ey碎屑巖類裂隙水、Qbw2變質巖類風化裂隙水和第四系松散巖類孔隙水中的d值較為接近，說明這三個含水層的水力聯系較密切。

根據研究區不同類水的d值繪制出相應的箱型圖(箱形圖的兩條端線代表最大值和最小值，箱體的大小代表所包含個體取值的離散程度)見圖5。由圖5也可以看出研究區第四系松散巖類孔隙水中d值比其他類水相對較高。

圖5 研究區地表水和各地下水中氘過量參數值箱型圖Fig.5 Box diagram of deuterium excess parameters of surface water and groundwater in the study area

4 結 論

(1) 研究區δD和δ18O富集程度的不同體現了區內不同水體水循環條件的差異性。Qbw2變質巖類風化裂隙水的δD、δ18O值較低，說明該含水層循環條件相對較好，地下水更新速度較快；第四系松散巖類孔隙水與Ey碎屑巖類裂隙水δD、δ18O值的變幅最大，蒸發明顯，表現出該含水層補給來源多元化的特征，同時也說明其與第四系含水層之間的水力聯系較為密切。

(2) 研究區不同水體蒸發線的斜率不同，說明各水體蒸發強度不同，其蒸發強度表現為：澴河地表水>第四系松散巖類孔隙水>Qbw2變質巖類風化裂隙水>Ey碎屑巖類裂隙水；而研究區內各水體的埋藏深度也表現為：澴河地表水>第四系松散巖類孔隙水>Qbw2變質巖類風化裂隙水>Ey碎屑巖類裂隙水，說明水體的蒸發強度與埋藏深度存在著相關性。

(3) 研究區內澴河地表水的d值較各地下水偏小，主要是由于該地表水夏季蒸發量較大，破壞了同位素之間的平衡關系；Ey碎屑巖類裂隙水與Qbw2變質巖類風化裂隙水和第四系松散巖類孔隙水中的d值較為接近，說明這三個含水層的水力聯系較為密切。