胡偉偉,李 婷,馬致遠 ,豆惠萍

(長安大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,陜西 西安 710054)

0 前言

地下水可更新性的確定對于當(dāng)?shù)氐叵滤Y源可持續(xù)開發(fā)利用具有非常重要的意義。地下水資源可更新性是人類利用地下水對于時間尺度的一個相對概念,它體現(xiàn)了地下水資源可持續(xù)供給的能力。地下水不同的交替時間反應(yīng)了更新能力的強弱。在幾十年內(nèi)更新的地下水,與地表水或現(xiàn)代大氣降水聯(lián)系密切,可更新性強;上百年更新的地下水,與地表水或現(xiàn)代大氣降水有一定聯(lián)系,可恢復(fù)性不強;上千年更新的地下水,幾乎與地表水或現(xiàn)代大氣降水沒有聯(lián)系,相對于人類利用的時間尺度是不可更新的[1]。地下水資源可更新性是體現(xiàn)地下水補給、徑流、排泄條件的一個綜合指標,可通過分析地下水在含水層中的滯留時間以及地下水的年齡來反映地下水的可更新性。相對其他傳統(tǒng)方法而言,利用環(huán)境同位素技術(shù)來研究地下水的起源、補給等條件,進而分析含水層系統(tǒng)中地下水的運移時間和水資源的可更新性更具有時效性和客觀性,是目前國內(nèi)外非常新穎的方法[2-4]。本文以鄂爾多斯盆地白堊系地下水為例,利用環(huán)境同位素研究當(dāng)?shù)氐叵滤Y源的可更新性。

1 研究區(qū)概況

鄂爾多斯盆地地處我國干旱—半干旱缺水地區(qū),水資源短缺已經(jīng)成為制約區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展的主要因素。在鄂爾多斯盆地中西部地區(qū)分布有面積為 13.21萬 km2的白堊紀地層,是由白堊系下統(tǒng)保安群陸相碎屑巖構(gòu)成大型沉積盆地,其中未完全膠結(jié)的砂巖和礫巖是盆地內(nèi)主要的含水層,位于鄂爾多斯盆地中西部,白堊系地下水是鄂爾多斯盆地地下水研究的主體。平面形狀似矩形,南北延伸 640 km,東西寬 200～265 km,面積為 13.21萬 km2。區(qū)內(nèi)多年平均降水量為 150～550mm,降水量從東南向西北遞減。本區(qū)河流均屬黃河水系,黃河呈“幾”字形從盆地的西、北、東三面環(huán)繞流過。黃河及其支流總體上是鄂爾多斯盆地地下水的最終排泄渠道。由于不同時期地質(zhì)構(gòu)造作用和沉積特征的差異,使盆地南北兩側(cè)的水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)和地下水的形成條件存在著明顯差異[5]。大致以白于山北麓鄂托克前旗靖邊縣城北一線為界,白堊系地下水盆地可劃分為盆地北部沙漠高原單一結(jié)構(gòu)地下水系統(tǒng)和盆地南部黃土高原多層結(jié)構(gòu)地下水系統(tǒng)。

圖1 研究區(qū)地貌及白堊系三維圖

2 盆地不同地區(qū)白堊系地下水 H、O同位素特征及其指示意義

2.1 研究區(qū)南、北部 H、O同位素特征及其指示意義

鄂爾多斯盆地白堊紀地下水南、北部H、O穩(wěn)定同位素分布特征及其關(guān)系如圖 2所示,可以看出南區(qū)與北區(qū) δD、δ18O值均落在大氣降水線附近,指示南北區(qū)地下水皆起源于大氣降水。北區(qū)水樣大多落到大氣降水線上,指示盆地北區(qū)白堊系地下水為現(xiàn)代大氣降水補給,且地下水滯留之間短,水交替積極,水循環(huán)條件好。南區(qū)大多數(shù)水樣則相對偏離大氣降水線,指示其地下水滯留時間相對較長,水交替較慢,水循環(huán)條件較北區(qū)差。同時,南區(qū)與北區(qū) δD、δ18O值存在較大差異,南區(qū) δD值遠低于現(xiàn)代大氣降水。δD值主要受補給時的高程和溫度兩個因素的制約,其實質(zhì)為溫度效應(yīng)。說明南部白堊系地下水接受補給時候的溫度較低,應(yīng)屬于年代久且遠寒冷氣候下的降水補給。因此研究區(qū)白堊系北部的地下水較南部交替積極,水循環(huán)條件好,地下水滯留時間短,可更新性好。

圖2 鄂爾多斯盆地白堊系地下水南北區(qū)δD～δ18O關(guān)系

2.2 研究區(qū)東、西部 H、O同位素特征及其指示意義

圖 3顯示了研究區(qū)白堊系地下水東西部 δD與 δ18O值分布特征,首先所有水樣點皆落在大氣降水線附近,說明其來源為大氣降水。同時除地表水外所有水樣δD與 δ18O值都不同程度的偏離了大氣降水線,位于大氣降水線右下方,發(fā)生了程度不等的 D漂移。西部白堊系地下水 δD與 δ18O值偏離當(dāng)?shù)卮髿饨邓?δ值較小,表示西部白堊系地下水與大氣降水水交替積極,地下水滯留時間相對較短,水循環(huán)條件好。東部水樣點則相對較大程度的偏移了當(dāng)?shù)卮髿饨邓?δ值,δD與 δ18O值都小于大氣降水,指示其接受補給補給年代久遠,補給時的溫度較低,水循環(huán)條件差,地下水可更新性差。因此研究區(qū)白堊系西部較東部的水循環(huán)條件好,水交替積極,地下水滯留時間短,地下水資源可更新性好。

圖3 鄂爾多斯盆地白堊系地下水東西區(qū)δD～δ18O關(guān)系

2.3 研究區(qū)淺部和深部 H、O同位素特征及其指示意義

其中各水點均落在當(dāng)?shù)卮髿饨邓€附近(圖 4),指示南區(qū)水樣皆來源于現(xiàn)代大氣降水補給。值得注意的是南區(qū)淺層(小于 100 m)與深層地下水具有較明顯的差異,淺層地下水的 δD與 δ18O值較高,接近現(xiàn)代大氣降水 δD、δ18O值,說明淺層水與大氣降水有更好的水力聯(lián)系,補給和徑流條件好,地下水滯留時間短,可更新性好。深層水(大于 300m)的 δD與 δ18O值相對較小,指示其補給徑流條件較差,地下水滯留時間相對較長,可更新性差。

圖4 鄂爾多斯盆地南區(qū) δD～δ18 O關(guān)系

3 盆地不同地區(qū)白堊系地下水 TU值及值及14 C、CFCS特征及其指示意義

3.1 TU值特征及其指示意義

氚是現(xiàn)代水的標志,其大小用單位體積水中氚的濃度表示,即 TU值[6-7]。根據(jù)采樣氚濃度和取樣深度,得到盆地南北兩區(qū)濃度與深度之間的關(guān)系(圖 5、圖 6)?？梢钥闯?地下水 TU值以 200 m的深度為界,上下差異很大。采樣點多數(shù)分布于深度小于 210m的含水層中,表明其為現(xiàn)代水積極循環(huán)帶。當(dāng)深度大于 210m時,地下水氚濃度多數(shù)小于 1.2,水循環(huán)速度變慢。部分采樣深度小于 210m的采樣點的氚濃度低于測試精度,主要原因是其位于中深層水的排泄區(qū),所采集樣品現(xiàn)代水所占比例較小而造成的。

圖 5 盆地北區(qū)地下水深度與 TU值關(guān)系

圖 6顯示了南區(qū) TU值與深度的關(guān)系,發(fā)現(xiàn)南區(qū)現(xiàn)代水的循環(huán)深度要比北區(qū)淺一些,僅達到 160m。從圖 5、圖 6中均可以發(fā)現(xiàn)在深度大于現(xiàn)代水循環(huán)深度以下的含水層中,也有部分樣品的濃度較大。這可能是采樣或測試時出現(xiàn)的錯誤或誤差所引起的。

以上方法由TU值所確定的現(xiàn)代地下水循環(huán)深度北區(qū)為210m左右、南區(qū)為 160m左右,將盆地內(nèi)地下水分為淺層地下水和中深層地下水。北區(qū)現(xiàn)代大氣降水循環(huán)深度較深,指示北區(qū)地下水與大氣降水交替積極,水循環(huán)迅速,滯留時間短,可更新性好。而南區(qū)循環(huán)深度不及北區(qū),指示南區(qū)水交替條件不及北區(qū),地下水滯留時間較長,可更新性差。這與H、O穩(wěn)定同位素所反映的南北區(qū)地下水循環(huán)特征一致。

圖 6 盆地南區(qū)地下水深度與 TU值關(guān)系

3.2 14 C值特征及其指示意義

從研究區(qū)地下水 δ18O與地下水 C14年齡的相關(guān)曲線圖(圖 5)可以看出,3萬年以來區(qū)內(nèi)地下水氫氧穩(wěn)定同位素明顯偏重,這與區(qū)域近代氣候演變有著密切的關(guān)系[8]。同時北區(qū)地下水年齡遠低于南區(qū),指示北區(qū)地下水多為近現(xiàn)代大氣降水補給,水循環(huán)交替積極,地下水可更新性好,南區(qū)則相反。這與H、O穩(wěn)定同位素及 TU值所反映的地下水可更新性相吻合。

圖 7 盆地白堊系地下水 δ18 O與14 C年齡相關(guān)圖

3.3 CFCS值特征及其指示意義

近年來利用人工釋放所產(chǎn)生的 CFCS作為示蹤劑測定地下水年齡的方法受到廣泛關(guān)注,CFCS法被認為是確定 50年以來補給形成的年輕地下水年齡的有效工具[9-10].由 CFCS確定的不同區(qū)域不同深度地下水年齡如表 1所示?？梢钥闯鲭S著深度的增加,地下水年齡呈遞增趨勢,指示地下水循環(huán)條件變差,可更新性降低。新地層中地下水的年齡小于老地層中地下水年齡,主要是由于大氣降水循環(huán)深度有限造成的,新地層中幾乎都是現(xiàn)代循環(huán)水,可更新性好。

表1 CFCS確定不同含水層和深度地下水年齡

4 地下水開采對于可更新性的影響

自然條件下盆地中的補給、徑流、排泄條件各異,從而構(gòu)成了不同的地下水系統(tǒng),進而決定了不同地下水系統(tǒng)的循環(huán)條件和可更新性。但是當(dāng)?shù)叵滤淮笠?guī)模開采之后原有的補給、徑流和排泄條件被改變,地下水位變動,地下水化學(xué)性質(zhì)改變,同位素特征也發(fā)現(xiàn)相應(yīng)的變化,原有的地下水系統(tǒng)平衡被打破。如圖 8、9為盆地中

圖 8 吳坡抽水前后同位素變化

圖 9 賢溝抽水前后同位素變化

吳坡、賢溝兩地抽水前后地下水中 δD、δ18O、氚(TU值)的變化。顯然隨著地下水的開采,吳坡、賢溝兩地地下水中δD、δ18O、氚值都呈現(xiàn)降低的趨勢,主要是由于 δD、δ18O、氚值相對較小且年代久遠的深層水混入。對于深層水而言,徑流加速,大氣降水與淺層水參與到深層水的循環(huán)中來,淺層水與深層水之間的水力聯(lián)系加強。

5 結(jié)論

(1)鄂爾多斯盆地白堊系地下水 δD、δ18O、14C呈現(xiàn)區(qū)域性特征,氚值(TU)CFCS呈現(xiàn)深層–淺層變化的特點。δD、δ18O、14C、氚值北部大于南部,西部大于東部;淺層地下水δD、δ18O、氚值、CFCS大于埋深較大的地下水;

(2)盆地北部較南部、西部較東部水循環(huán)條件好,地下水與大氣降水交替積極,滯留時間短,地下水年齡較輕,可更新性好。

(3)盆地淺層較深層水循環(huán)條件好,表層和淺層水交替積極,地下水滯留時間短,可更新性好。由氚值確定的北部現(xiàn)代水的循環(huán)深度約為 200m作用,南部現(xiàn)代水的循環(huán)深度約為 160m左右。

(4)人類對于地下水的開采活動改變了原有地下水系統(tǒng)的平衡,從而改變了地下水的屬性。一定要根據(jù)盆地不同區(qū)域和深度的可更新性適度開發(fā),否則會引起地面沉降及一系列生態(tài)環(huán)境問題。

[1]Ian D.Clark,Peter Fritz.Environmen tal Isotopes in Hydrogeololgy[M].New York：Lewis Publishers.1997：208-225.

[2]Carrillo-Rivera,J.J.,Clark,I.D.and Fritz,P.,1992.Investigation recharge of shallow and paleo-groundwaters in the Villa de Reyesbasin[J],SLP,Mexico with environmental isotopes.Applied Hydrogeology,4：35～ 48.

[3]馬致遠,錢會.環(huán)境同位素地下水文學(xué)[M].陜西科學(xué)技術(shù)出版社,2003.8.

[4]萬軍偉,劉存富,晁念英,王佩儀.《同位素水文學(xué)理論與實踐》[M].中國地質(zhì)大學(xué)出版社,2003.10.

[5]張茂省等.鄂爾多斯盆地地下水資源可持續(xù)性利用研究：陜西渭北東部巖溶水環(huán)境同位素[C].陜西科技出版社,2004.

[6]馬致遠.環(huán)境氚技術(shù)在我國北方隱伏巖溶地下水資源評價中的應(yīng)用前景[J].地下水,1998,(3).

[7]馬致遠.用天然氚確定隱伏巖溶水滯留時間及含水層參數(shù)[J].煤田地質(zhì)與勘探,1998,(3).

[8]侯光才,張茂省.鄂爾多斯盆地地下水資源與可持續(xù)利用[M].陜西科學(xué)技術(shù)出版社,2004：40-45.

[9]李晨,秦大軍.關(guān)中盆地淺層地下水 CFC年齡的計算[J].工程勘察,2009,(9).

[10]錢云平,林學(xué)鈺等.應(yīng)用同位素研究黑河下游額濟納盆地地下水[J].干旱區(qū)地理,2005,28(05).