鄧啟軍，李方紅，李 偉，劉 昭，劉 蘊(yùn)

(1.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查中心, 河北 保定 071051；2.河北地質(zhì)大學(xué) 水資源與環(huán)境學(xué)院,河北 石家莊 050031；3. 河北省水資源可持續(xù)利用與開發(fā)實(shí)驗(yàn)室, 河北 石家莊 050031)

蒲陽河流域地下水水化學(xué)及同位素特征

鄧啟軍1，李方紅2,3，李 偉1，劉 昭2,3，劉 蘊(yùn)1

(1.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查中心, 河北 保定 071051；2.河北地質(zhì)大學(xué) 水資源與環(huán)境學(xué)院,河北 石家莊 050031；3. 河北省水資源可持續(xù)利用與開發(fā)實(shí)驗(yàn)室, 河北 石家莊 050031)

蒲陽河流域；地下水；水化學(xué)特征；氫氧同位素

華北地區(qū)干旱災(zāi)害十分嚴(yán)重，尤其太行山中北段的保定西部山區(qū)最易受干旱災(zāi)害的沖擊，山前流域的地下水資源為緩解該區(qū)干旱災(zāi)害起到了十分重要的作用。國(guó)內(nèi)外學(xué)者在研究巖溶水、干旱區(qū)地下水的形成及地下水與地表水的補(bǔ)排關(guān)系等過程中廣泛使用水化學(xué)及同位素技術(shù)[1～4]。近些年國(guó)內(nèi)學(xué)者在黑河流域、塔里木盆地、北京平原區(qū)及貴州巖溶山區(qū)等區(qū)域利用水化學(xué)及同位素開展了較細(xì)致地工作，對(duì)區(qū)域地下水水化學(xué)及同位素特征、地表水與地下水關(guān)系、地下水補(bǔ)給與更新等方面進(jìn)行了研究，取得了一系列成果[5～10]。在研究區(qū)及其鄰區(qū)多集中于水源地的氫氧同位素特征研究、以及在平原區(qū)進(jìn)行潛水水化學(xué)特征的研究，研究成果較好地識(shí)別了淺層和深層地下水的特征，同時(shí)人類的開采活動(dòng)影響著潛水的水質(zhì)[11]。

因此對(duì)研究區(qū)山前流域的地下水水化學(xué)及同位素的研究，不僅可以揭示流域內(nèi)地下水化學(xué)組分及同位素組分的基本特征及分布規(guī)律，也可查明地表水和地下水的補(bǔ)給關(guān)系，定性地估算地下水的滯留時(shí)間，為進(jìn)一步流域內(nèi)水資源的合理開發(fā)和利用提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

1.1 自然地理概況

研究區(qū)順平縣地處太行山東麓，保定市西北部37 km處，總面積708 km2。順平縣西、北部為太行山區(qū)、半山區(qū)，地形陡峭，海拔100～524 m，東南部為山前沖洪積平原區(qū)，地勢(shì)平坦，平均海拔50 m左右。

研究流域?yàn)榇笄搴铀登逅恿饔虻闹Я髌殃柡?，古名蒲水，發(fā)源于縣境內(nèi)北部山區(qū)，上游有四條支流，匯合后經(jīng)李思莊折向東流，經(jīng)淋澗、小魏家莊，至西韓童村南匯入界河。干流長(zhǎng)19 km，總流域面積162 km2，其中山區(qū)流域面積128 km2。

研究區(qū)屬暖溫帶大陸性半干旱季風(fēng)氣候，區(qū)域內(nèi)夏季炎熱多雨，冬季寒冷少雪，干濕季節(jié)差異很大，最低氣溫-20.6 ℃，最高氣溫41.4 ℃，年平均氣溫12.5 ℃；多年平均蒸發(fā)量1 731.5 mm，據(jù)順平縣城氣象站1979—2008年降水量觀測(cè)資料，多年平均降水量537.5 mm。降水特征為年內(nèi)降水分布不均，多集中在6—8月，占全區(qū)降水量73%。

1.2 地層巖性及地質(zhì)構(gòu)造

研究區(qū)屬于中朝準(zhǔn)地臺(tái)-山西斷隆與燕山臺(tái)褶帶接觸部位，區(qū)內(nèi)的主要構(gòu)造為蒲陽河上游的安陽復(fù)向斜。出露的地層主要有：元古界薊縣系—長(zhǎng)城系(Jxw-Chg)，巖性主要為灰白-深灰色厚層中細(xì)晶含燧石白云巖，出露于向斜兩翼；古生界寒武—奧陶系(∈-O)，寒武系下統(tǒng)以紫紅色頁巖和泥巖為主,中統(tǒng)上部鮞狀灰?guī)r，上統(tǒng)竹葉狀灰?guī)r及白云巖，奧陶系僅出露中統(tǒng)，分為三組八段，每組由下而上主要巖性為泥晶白云巖夾石膏—灰?guī)r—灰?guī)r夾泥質(zhì)白云巖。

第四系(Q)主要有上更新統(tǒng)及全更新統(tǒng)，廣泛分布于山前及沖洪積平原交界處，多為沖積、沖洪積形成的碎屑堆積，巖性為粉土、粉質(zhì)黏土，沿蒲陽河河道分布著稍厚全新統(tǒng)的砂礫石、粉土，厚度為10～40 m。

安陽復(fù)向斜總體呈NEE向，東側(cè)揚(yáng)起，并向NE方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)。其核部由寒武-奧陶系組成，由于沿軸向發(fā)育三條疊瓦狀逆斷層，形成一系列相間分布的背斜、向斜構(gòu)造形態(tài)。向斜內(nèi)斷裂方向亦為NEE向，受斷層影響，寒武、奧陶系地層在安陽向斜內(nèi)反復(fù)出現(xiàn)，因其形成時(shí)代較晚，斷裂破碎帶及斷裂影響帶，膠結(jié)程度較差，透水性強(qiáng)，常具充水和導(dǎo)水性能。

1.3 水文地質(zhì)條件

區(qū)內(nèi)地下水類型為碳酸鹽巖裂隙巖溶水和松散巖類孔隙水。裂隙巖溶水主要分布于安陽向斜及山前與沖洪積平原的交界地帶，受地層巖性及構(gòu)造影響，機(jī)井具體分布于斷裂帶的附近或是直接位于碳酸鹽巖與碎屑巖交界處，NE方向分布，整體與斷層方向一致。單井涌水量一般20～50 m3/h，局部可達(dá)60～80 m3/h，地下水埋深一般小于30 m。

松散巖類孔隙水則主要分布于蒲陽河的河谷地帶以及下游沖洪積平原地帶，含水層主要為中粗砂及砂礫石，單井涌水量50～80 m3/h，地下水埋深一般小于10 m。

由安陽向斜內(nèi)大氣降水入滲形成地下徑流后，除了當(dāng)?shù)貪M足開采后，隨地勢(shì)由北向南匯流，經(jīng)由李思莊出山口流出，分成兩股，一股經(jīng)淋澗沿蒲陽河道向下匯流，而另外一股則沿著下邑?cái)鄬酉蛭髂蠀R流，調(diào)查顯示，沿?cái)鄬?，地下水較為豐富。

研究區(qū)水文地質(zhì)圖及采樣點(diǎn)位置圖見圖1。

圖1 研究區(qū)水文地質(zhì)圖及采樣點(diǎn)圖Fig.1 Hydrogeological map of the study area and location of the sampling points

2 研究方法

氫氧穩(wěn)定同位素送中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院巖溶地質(zhì)研究所實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行測(cè)試。氫同位素測(cè)定采用鋅反應(yīng)法，氧同位素測(cè)定采用CO2-H2O平衡法，測(cè)定儀器為MAT253同位素質(zhì)譜儀，測(cè)定結(jié)果以相對(duì)于VSMOW標(biāo)準(zhǔn)的千分差表示，測(cè)定精度分別為±2.0‰和±0.2‰。3H用QUNTULUS 1220液閃儀進(jìn)行測(cè)試。數(shù)據(jù)處理及分析使用Aquachem、SPSS等軟件。

3 研究區(qū)地下水水化學(xué)特征

3.1 水化學(xué)類型

3.2 地下水中離子相關(guān)性及來源分析

表2中顯示研究區(qū)絕大多數(shù)天然水樣品中文石、方解石和白云石等礦物處于飽和狀態(tài)，其他礦物如石膏、硬石膏及螢石等處于不飽和狀態(tài)；并且研究區(qū)水樣多數(shù)落在方解石和白云石同時(shí)飽和或過飽和區(qū)域，可見地下水循環(huán)過程中流經(jīng)碳酸鹽地層發(fā)生了較為充分的水巖反應(yīng)，地下水在循環(huán)過程中歷經(jīng)了石膏礦物溶解過程，但并未達(dá)到反應(yīng)平衡。

圖2 研究區(qū)地下水水化學(xué)Piper圖Fig.2 The Piper diagram of groundwater in the study area

圖3 研究區(qū)地下水與TDS和與關(guān)系圖Fig.of groundwater in study area

編號(hào)類型硬石膏文石方解石白云石螢石石膏SY01巖溶水-2.290.320.460.93-2.43-2.07SY02巖溶水0.470.621.35-2.69SY03巖溶水-1.950.460.61.15-2.33-1.73SY04巖溶水-1.860.790.941.59-2.48-1.64SY06巖溶水-2.17-0.86-0.72-1.58-2.99-1.95SY07巖溶水-1.670.580.721.01-2.12-1.45SY10巖溶水-1.160.380.530.91-1.9-0.94SY11巖溶水-2.680.470.621.23-2.42-2.46SY13巖溶水-2.490.370.511-2.19-2.27SY15巖溶水-2.510.550.691.44-2.32-2.29SY16巖溶水-2.690.360.51.05-2.77-2.47SY17巖溶水-2.620.40.551.11-2.41-2.4SY19巖溶水-2.260.540.691.33-2.58-2.04SY21巖溶水-2.850.310.450.86-2.55-2.63SY22巖溶水-2.680.370.520.92-2.53-2.46SY23巖溶水0.290.440.73-2SY24巖溶水-2.570.580.721.26-2.22-2.35SY25巖溶水-2.70.460.61.11-2.38-2.48SY27孔隙水0.540.681.22-2.15SY28地表水-2.120.540.691.36-2.36-1.9

4 研究區(qū)地下水同位素特征

本次研究選取典型的地下水點(diǎn)，取樣17件巖溶水樣品做氫氧穩(wěn)定同位素和氚同位素分析。

4.1 氫氧穩(wěn)定同位素分析

研究區(qū)巖溶水δD、δ18O值范圍分別為-68.2‰～-57.1‰和-8.73‰～-7.78‰，平均值分別為-63.3‰和-8.48‰，δD、δ18O值變化范圍較大，顯示有不同水源的補(bǔ)給。從δD和δ18O關(guān)系圖中(圖4)，對(duì)比全球大氣降水線及石家莊地區(qū)大氣降水線[12]，研究區(qū)地下水氫氧穩(wěn)定同位素?cái)?shù)據(jù)落在降水線附近右下方，主要接受大氣降水的補(bǔ)給。與全球及石家莊地區(qū)大氣降水線對(duì)比有一定偏移，表現(xiàn)出大氣降水入滲地下過程中受到蒸發(fā)作用的影響。從氘過量參數(shù)d(d=δD-8δ18O)看出研究區(qū)地下水樣品主要分布在0～10‰，部分d值接近于0，顯示出地下水循環(huán)過程中歷經(jīng)了顯著地水巖作用，一定程度上顯示了地下水循環(huán)過程中與碳酸鹽進(jìn)行充分的水巖作用，由于未采集碳和硫同位素?cái)?shù)據(jù)，利用氫氧穩(wěn)定同位素?cái)?shù)據(jù)不能精細(xì)刻畫其水文地球化學(xué)過程。

圖4 研究區(qū)地下水δD和δ18O關(guān)系圖Fig.4 Relations of δD value versus δ18O value of groundwater in study area

從δD、δ18O隨TDS圖中(圖5)可以看出，其值變化范圍較大，可能與不同高程的水源補(bǔ)給地下水有關(guān)，從δD、δ18O與井深的關(guān)系不難看出，δD隨井深的增大有逐漸增大的趨勢(shì)，δ18O隨井深增大變化趨勢(shì)不明顯，顯示出隨著地下水循環(huán)深度的增加，水巖作用明顯增強(qiáng)，作用過程中表現(xiàn)出地下水δD富集，由于地下水溫度較低，δ18O未出現(xiàn)顯著地交換作用。

圖5 研究區(qū)地下水δD、δ18O與TDS、井深含量關(guān)系圖Fig.5 Relations of δD, δ18O versus TDS, depth of groundwater in study area

4.2 地下水年齡分析

3H是測(cè)定年輕地下水年齡的常用方法，適用于1952年以來補(bǔ)給的地下水。實(shí)際應(yīng)用中，由于水動(dòng)力混合和不同補(bǔ)給來源的地下水流的匯聚，導(dǎo)致不同年齡水組成混合體。同時(shí)，由于大氣核試驗(yàn)停止和核爆氚的衰變，用氚估算地下水的平均滯留時(shí)間已經(jīng)快失效，因此，氚常用來定性地估算地下水年齡的范圍[12]。根據(jù)中國(guó)現(xiàn)有雨水氚分布情況(氚分析精度約為±1TU)，對(duì)當(dāng)前(2010年前后)實(shí)測(cè)地下水氚數(shù)據(jù)可以做出定性年齡判斷[13]。氚濃度在實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)精度以下，即3H<2TU，可認(rèn)定該水樣年齡較老，為1953年前補(bǔ)給；3H 2～4TU，該水樣為老水有新水混入；3H 5～15TU，該水樣為現(xiàn)代水(小于5～10年)；3H 15～30TU，該水樣中存在一些核爆3H。

通過定性分析，研究區(qū)部分地下水為1953年前補(bǔ)給，即推測(cè)地下水年齡大于60年，主要有樣點(diǎn)SY01、SY05、SY07、SY10、SY13及SY20，在流域上游及平原區(qū)均有分布，主要受到安陽向斜的控制；多數(shù)巖溶水的地下水年齡較復(fù)雜，從現(xiàn)代水到大于60年的水均有分布，顯示出該類型地下水為不同高程、不同年代水的多種來源。

5 結(jié)論

(2)研究區(qū)地下水氫氧穩(wěn)定同位素?cái)?shù)據(jù)落在降水線附近右下方，主要接受大氣降水的補(bǔ)給，與全球及石家莊地區(qū)大氣降水線有一定偏移，表現(xiàn)出大氣降水入滲地下過程中受到蒸發(fā)作用的影響；氘過量參數(shù)d主要分布在0～10‰，部分d值接近于0，顯示出地下水循環(huán)過程中歷經(jīng)了顯著地水巖作用；δ18O隨井深增大變化趨勢(shì)不明顯，顯示出隨著地下水循環(huán)深度的增加，水巖作用明顯增強(qiáng)，作用過程中表現(xiàn)出地下水δD富集，而δ18O未出現(xiàn)顯著地交換作用。

(3)研究區(qū)部分地下水受到區(qū)內(nèi)安陽向斜的控制，推測(cè)年齡大于60年，在流域上游及平原區(qū)均有分布；多數(shù)巖溶水的地下水年齡較復(fù)雜，從現(xiàn)代水到大于60年的水均有分布，顯示出該類型地下水為不同高程、不同年代水的多種來源。

[1] Leaney F W, Hercaeg A L. Regional recharge to a karst aquifer estimated from chemical and isotopic composition of diffuse and localized recharge, South Australia[J]. Journal of Hydrology, 1995,164:363-387.

[2] Ma R, Wang Y, Sun Z,etal. Geochemical evolution of groundwater in carbonate aquifers in Taiyuan, northern China[J]. Applied Geochemistry, 2011, 26(5): 884-897.

[3] Oyarzun R, Jofre E, Morales P,etal. A hydrogeochemistry and isotopic approach for the assessment of surface water-groundwater dynamics in an arid basin: the Limarí watershed, North-Central Chile[J]. Environmental Earth Sciences, 2014, 73(1): 39-55.

[4] 陳宗宇, 萬力, 聶振龍, 等. 利用穩(wěn)定同位素識(shí)別黑河流域地下水的補(bǔ)給來源[J]. 水文地質(zhì)工程地質(zhì), 2006, 33(6): 9-14. [CHEN Z Y, WAN L, NIE Z L,etal. Identification of groundwater recharge in the Heihe Basin using environmental isotopes[J]. Hydrogeology & Engineering Geology, 2006, 33(6): 9-14. (in Chinese)]

[5] 宋獻(xiàn)方, 劉相超, 夏軍, 等. 基于環(huán)境同位素技術(shù)的懷沙河流域地表水和地下水轉(zhuǎn)化關(guān)系研究[J]. 中國(guó)科學(xué)(D輯:地球科學(xué)),2007,37(1)：102-110. [SONG X F, LIU X C, XIA J,etal. A study of interaction between surface water and groundwater using environmental isotopes in Huaisha River basin[J]. Science in China (Series D), 2007, 37(1): 102-110. (in Chinese)]

[6] 鄭躍軍, 萬利勤, 李文鵬, 等. 北京平原周邊基巖水和地表水的水化學(xué)及同位素分析[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì), 2009, 36(1): 48-50. [ZHENG Y J, WAN L Q, LI W P,etal. A study of hydrochemistry and stable isotopic in bedrock-well water and surface water near Beijing Plain[J]. Hydrogeology & Engineering Geology, 2009, 36(1): 48-50. (in Chinese)]

[7] 聶振龍, 陳宗宇, 張光輝, 等. 黑河流域民樂山前隱伏構(gòu)造帶地下水補(bǔ)給與更新[J]. 水文地質(zhì)工程地質(zhì), 2010, 37(2): 6-9.[NIE Z L, CHEN Z Y, ZHANG G H,etal. Groundwater recharge and renewal in the Minle Piedmont Plain of the Heihe River Basin[J]. Hydrogeology & Engineering Geology, 2010, 37(2): 6-9. (in Chinese)]

[8] 王文祥, 王瑞久, 李文鵬, 等. 塔里木盆地河水氫氧同位素與水化學(xué)特征分析[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì), 2013, 40(4): 29-35.[WANG W X, WANG R J, LI W P,etal. Analysis of stable isotopes and hydrochemistry of rivers in Tarim Basin[J]. Hydrogeology & Engineering Geology, 2013, 40(4): 29-35. (in Chinese)]

[9] 郭華明, 倪萍, 賈永鋒, 等. 內(nèi)蒙古河套盆地地表水-淺層地下水化學(xué)特征及成因[J].現(xiàn)代地質(zhì), 2015, 29(2): 229-237. [GUO H M, NI P, JIA Y F,etal. Characteristics and Their Causes of Surface Water-Groundwater Geochemistry in the Hetao Basin，Inner Mongolia[J]. Geoscience, 2015, 29(2): 229-237. (in Chinese)]

[10] 袁建飛, 鄧國(guó)仕, 徐芬, 等. 畢節(jié)市北部巖溶地下水水文地球化學(xué)特征[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì), 2016, 43(1): 12-21. [YUAN J F, DENG G S, XU F,etal. Hydrogeochemical characteristics of karst groundwater in the northern part of the city of Bijie[J]. Hydrogeology & Engineering Geology, 2016, 43(1): 12-21. (in Chinese)]

[11] 許益青, 李瑞敏, 劉永生, 等. 保定平原區(qū)潛水水化學(xué)演化特征及成因初探[J]. 地質(zhì)通報(bào), 2010, 29(8): 1228-1238.[XU Y Q, LI R M, LIU Y S,etal. Discussion an the evolution characteristics of phreatic water hydrochemistry of Baoding plain, Hebei, China[J]. Geological Bulletin of China, 2010, 29(8): 1228-1238. (in Chinese)]

[12] 陳宗宇, 齊繼祥, 張兆吉，等. 北方典型盆地同位素水文地質(zhì)學(xué)方法應(yīng)用[M]. 北京: 科學(xué)出版社, 2010.[CHEN Z Y, QI J X, ZHANG Z J,etal. Hydrogeological methods of isotope in typical Northern basin [M].Beijing: Science Press,2010.(in Chinese)]

[13] Clark I D, Fritz P. Environmental isotopes in hydrogeology[M]. Boca Raton: CRC press, 1997.

The chemical and isotopes characteristic of groundwater in Puyang river basin

DENG Qijun1， LI Fanghong2,3， LI Wei1， LIU Zhao2,3， LIU Yun1

(1.CenterforHydrogeologyandEnvironmentalGeologySurvey,CGS,Baoding,Hebei071051,China;2.SchoolofWaterResources&Environment,HebeiGEOUniversity,Shijiazhuang,Hebei050031,China;3.HebeiProvinceKeyLaboratoryofSustainedUtilization&DevelopmentofWaterResources,Shijiazhuang,Hebei050031,China)

Puyang river basin; groundwater; hydrochemical characteristics; hydrogen and oxygen isotopes

10.16030/j.cnki.issn.1000-3665.2017.02.02

2016-10-08;

2017-01-04

中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局地質(zhì)大調(diào)查項(xiàng)目(“沂蒙山革命老區(qū)1∶5萬水文地質(zhì)調(diào)查”(121201012000150003))；河北省水利科研項(xiàng)目(河北唐河流域河流水質(zhì)演化及物源特征研究，石津灌區(qū)水資源優(yōu)化配置)

鄧啟軍(1985-)，男，工程師，主要從事地下水勘查、評(píng)價(jià)研究。 E-mail：dqjaaa@126.com

李偉(1970-)，男，教授級(jí)高級(jí)工程師，主要從事地下水勘查、評(píng)價(jià)研究。E-mail：ffsmuzili@sina.com

P641.3

A

1000-3665(2017)02-0008-07