李丹，張明珠,龐園,楊帆

(1.廣州市水務科學研究所，廣東廣州510220；2. 中國地質大學(北京)，北京100083)

廣州市南部(圖1)為三角洲河網區(qū)，大小水道縱橫交錯，水網密布，且位于河海交匯處，受咸潮影響明顯，尤其是濫采河砂行為致使江河下游河床坡度減小，咸潮上溯的范圍擴大、次數增多。依據前人成果[1-10]，南沙區(qū)、番禺區(qū)是主要的咸水入侵區(qū)，同時咸水入侵分界線橫跨荔灣、海珠、天河、黃埔四區(qū)。西江、北江由研究區(qū)西北部及西部流入，東江自東、北部流入，流入境內為平原河流，流向多自西北流向東南，水勢平緩。研究區(qū)主要河流有沙灣水道、三枝香水道、市橋水道、蕉門水道、上橫瀝水道、下橫瀝水道，市界河流有順德水道、陳村水道、洪奇瀝水道等。珠江三角洲水系的八大門出?？冢芯繀^(qū)占了3個，分別為虎門、蕉門和洪奇瀝三大口門。研究區(qū)水資源時空分布不均，河道年徑流量、泄洪能力和納潮量大。沙灣水道、蕉門水道、洪奇瀝水道是南沙地區(qū)主要淡水資源，其中以沙灣水道較好，咸潮影響小，已劃定為飲用水源保護區(qū)，水體受到較好保護。

圖1 研究區(qū)域

研究區(qū)除南部的黃閣-南沙街辦一帶、靈山以及北部的蓮花山周圍和大龍-市橋-沙灣一線以北地段為基巖出露區(qū)外，其余大部分為第四系松散巖類覆蓋，沉積物厚度最大為76.10 m。第四系松散沉積物沉積環(huán)境主要為三角洲相，局部地區(qū)如黃閣-南沙街辦一帶山間溪流兩側為內陸河谷相。三角洲相第四系松散層主要為桂洲組和禮樂組的沉積物，桂洲組為一套海陸交互相沉積物，禮樂組為一套晚更新世河流-海相-三角洲相風化沉積物。巖性主要為砂、砂礫夾砂質黏土、黏土質粉細砂，其厚度變化大(30～80 m)，整體上南部較北部厚。區(qū)內砂層發(fā)育但連續(xù)性差，由南至北主要形成3個含水層(組)，潛水含水層分布較少，其余2個承壓含水層分布較廣泛，水量以貧乏為主。

隨著南沙片區(qū)高水平對外開放門戶樞紐、綠色智慧宜居城市副中心、粵港澳大灣區(qū)綜合服務功能核心區(qū)和共享發(fā)展區(qū)的區(qū)域定位及發(fā)展戰(zhàn)略的實施，人們對科學評價與管理水資源、打造良好居住、營商和生態(tài)環(huán)境有著更高的需求。而能否合理利用與保護水資源、實現可持續(xù)發(fā)展，主要取決于人類對水循環(huán)的認識水平。咸水入侵區(qū)地下水循環(huán)與轉換規(guī)律復雜，本文成果對合理利用水資源、制定相關水資源方案、改善城市基礎環(huán)境具有良好的指示意義和應用前景。

同位素技術在區(qū)域水循環(huán)研究方面的應用主要為示蹤流域水循環(huán)、確定地表徑流及地下徑流的來源與組成并進行水源劃分。宋獻方[11]分析了懷沙河流域泉水、河水和井水的氫氧穩(wěn)定同位素和水化學的空間分布規(guī)律和演化趨勢，揭示了地表水和地下水之間的補給-排泄相互轉化關系；李云[12]通過對長江三角洲揚泰靖地區(qū)地下水的氘氧氚同位素以及水化學特征研究，揭示了潛水和承壓水的補給來源、各層位承壓水的水化學類型演化特點；方成[13]利用D、δ18O確定曹妃甸地區(qū)地下水補給來源及相互關系，建立典型剖面地下水循環(huán)模式；張荷惠子[14]研究黃土丘陵溝壑區(qū)不同水體間同位素特征及水體轉化關系以揭示黃土丘陵溝壑區(qū)水循環(huán)特征，結果表明研究區(qū)“降水-河水-淺層地下水”間具有良好轉化關系，生態(tài)建設措施的實施對小流域不同水體轉化產生了一定影響；楊羽帆[15]通過分析青海湖沙柳河流域淺層地下水的氫氧穩(wěn)定同位素組成、空間分布特征及地下水補給關系，揭示了流域西北和中部地區(qū)、流域北部和南部地區(qū)的補給、排泄關系；程瑤[16]分析了三峽水庫內的草堂河及其毗鄰干流中氫氧同位素特征，闡述了三峽水庫支流庫灣的水團來源及其組成，探討了三峽水庫蓄水后支流庫灣水循環(huán)的變化；朱譜成[17]采用水化學和環(huán)境同位素技術開展了東勝礦區(qū)地下水循環(huán)研究，為實現采煤條件下東勝礦區(qū)地下水資源的合理開發(fā)利用提供技術依據；孫芳強[18]分析了新疆三工河流域地表水、淺層地下水及深層地下水的δD、δ18O及氘過量參數d的分布規(guī)律，得到地表水及地下水之間的轉換關系。

1 材料與方法

1.1 降雨、地表水、地下水采樣點分布

在研究區(qū)布設了32個地下水監(jiān)測井、4個降雨采樣點、19個地表水采樣點和1條南北向的地下水典型剖面(圖2)，分別于2017年1月和5月采集大氣降水、地表水及地下水水樣，進行大氣降水、地表水及地下水的物理指標、水化學指標、同位素指標的測定。每月對32口地下水監(jiān)測井進行水位測量，分旱季、雨季對地下水典型剖面進行1次/h水溫、水位和電導率連續(xù)監(jiān)測。

圖2 采樣點分布

1.2 測試項目、方法及數量

表1 測試項目、指標及數量

2 結果和討論

2.1 降水、地表水與地下水同位素特征

δD、δ18O在水循環(huán)過程中可作為保守、穩(wěn)定的示蹤劑，有效地示蹤水循環(huán)、摸清不同水體的運移和數量。由圖3可見，旱季地下水δD、δ18O主要落在全球大氣降水線上，旱季降雨量較少，富集重同位素；雨季雨量效應明顯，同位素貧化。可見研究區(qū)降水中δD、δ18O含量主要受雨量效應控制。河水的同位素結果相對集中分布在大氣降水線上，旱季整體偏高，表明旱季大氣降水對河水的補給存在滯后作用。地下水中δD、δ18O含量無明顯季節(jié)性變化。

旱季河水氫氧穩(wěn)定同位素含量較雨季河水的氫氧穩(wěn)定同位素略顯貧化，這就一定程度上反映出了河水在不同時期受補給來源的差異性。

旱季河水中δ18O和δD同位素比降水中的同位素顯得更貧化，且δD和δ18O超出了廣州市10月至次年2月的變化范圍，除了即時的大氣降水以外，這主要受另一種同位素相對河水貧化的補給水源，可能是上游來水的補給滯后所致。雨季降水同位素則表現出比河水同位素貧化，但兩者都在廣州3—9月同位素的變化范圍以內，因此雨季河流接受的補給并不全是即時的大氣降水。

a) 旱季

b) 雨季圖3 研究區(qū)降雨、河水和地下水δD～δ18O關系

2.2 降水-地表水的轉化關系

采用IAEA/GNIP廣州站點1986—1989年的降水同位素監(jiān)測數據來探討廣州地區(qū)降水的氫氧穩(wěn)定同位素組成的年內變化特征。廣州市區(qū)域內降水、溫度、δD、δ18O以及氘盈余(d=δD-8δ18O)的年際變化關系見圖4。

圖4 廣州降水的δD、δ18O、氘盈余(d)、降水量的月平均值和月平均氣溫對比關系

廣州降水中δD為-56.3‰～3‰，δ18O為-8.16‰～0.34‰。在2月份出現了δ18O最高值，之后隨氣溫和降水的升高而大幅下降，δ18O的最低值出現在8月，而此時正值當地溫度的最高值。9月到次年2月δ18O隨氣溫和降水的下降而呈上升趨勢。可見降水同位素隨著氣溫的增加而不斷減少，溫度效應對δ18O變化有一定影響。由圖5可見，河水鹽度整體上隨著與海邊距離的增大而降低，但在內陸區(qū)域有升高趨勢。δ18O、δD整體上隨著與海邊距離的增大而升高。

a) 鹽度

b) δD

c) δ18O圖5 研究區(qū)地表水鹽度、δD、δ18O與海岸距離關系

2.3 地下咸水-海水的轉化關系

對研究區(qū)內井孔地下水的δD和δ18O與海岸距離的關系進行分析，由圖6、7可見地下水中δ18O、δD的變化趨勢相同，在一定距離范圍內(0～60 km)含量隨著與海岸距離的增加而貧化，超出一定范圍后則趨于穩(wěn)定，并且季節(jié)性變化不明顯。距離海岸較遠地區(qū)(大于60 km)，地下水δD主要集中在-40‰～-30‰，δ18O主要集中在-7.0‰ ～-4.0‰。

由圖8可以看出地下水中的Cl-與δ18O含量成正相關性，且沿著大氣降水與海水的混合線發(fā)展。低δ18O含量混合端員指示了非現代大氣降水端員，說明地下水受當地現代大氣降水的補給并不明顯。

圖6 地下水δD與海岸距離關系

圖7 地下水δ18O與海岸距離關系

圖8 地下水、河水與大氣降水中Cl-與δ18O含量關系

地下水與河水的放射性同位素14C測齡結果見圖9。研究區(qū)內地下水大致分為2個分系統(tǒng)：一個為年齡相對年輕的淡水系統(tǒng)，另一個為地下水年齡較老的系統(tǒng)。研究區(qū)以荔灣區(qū)北部—天河區(qū)—黃埔區(qū)蘿崗街道為分界線分為2個地下水局部流場，南部為水頭低值區(qū)，其沿海/河流部分受到海水入侵，北部為水頭高值區(qū)，其主要為地下水排泄區(qū)。

圖9 地下水與河水中的14C與TDS的關系

2.4 典型剖面地下水循環(huán)

沿地下水排泄方向設置縱剖面，采樣點共計7個，其中深層地下水監(jiān)測孔有4個，淺層地下水監(jiān)測井有2個，混合監(jiān)測井1個。剖面從東南向西北，剖面涉及荔灣區(qū)、番禺區(qū)和南沙區(qū)。由圖10—12可見，TDS和氯離子濃度都呈現出相同的規(guī)律，即剖面從南向北先增加，后降低，在中間區(qū)域到達最低值，然后上升再降低。全新世海侵程度由南向北逐漸減弱是從南向北逐漸減低的主要原因。

圖10 剖面TDS分布

圖11 剖面氯離子濃度分布

圖12 典型剖面降雨、河水和地下水δD～δ18O關系

深層地下水中δD為-42‰～-28‰，平均值是(-36±2)‰ ,δ18O為-6.1‰～-4.3‰，平均值是(-5.3±0.1)‰；淺層地下水中δD為-38‰～-19‰，平均值是(-29±2)‰ ,δ18O為-5.9‰～-3.1‰，平均值是(-4.5±0.1)‰；混合地下水中δD為-37‰，δ18O為-5.6‰；降雨中δD為-5.4‰～-3‰，平均值是(-4±2)‰ ,δ18O為-2.4‰～-2.1‰，平均值是(-2.2±0.1)‰。同位素都落在廣州市降雨線上，但平均組成遠比該時間段降雨同位素組成要貧化，因此可以得到剖面區(qū)域地下水均接受來自降水和河水的補給。淺層地下水同位素組成與廣州市降水同位素平均值較為接近，降水補給在對淺層地下水的補給中貢獻較大；萬頃沙鎮(zhèn)的地下水同位素遠比剖面上其他地下水的同位素組成更高，可以推斷其受到海水入侵的影響。

Stiff圖是化學分析的圖形表示，Stiff圖的模式可以用來快速比較不同來源的水。根據典型剖面從北向南7個監(jiān)測井的Stiff(圖13、14)，從旱季的陰陽離子相對含量的角度來看，從上游至下游，上游陽離子以Ca2+為主，下游陽離子以Na+、K+為主，相對含量明顯增加，陰離子都是以Cl-為主，相對含量也明顯增加。雨季的陽離子相對含量變化未呈現明顯的規(guī)律，總體呈現從上游至下游Ca2+的減少和Na+、K+的增加，陰離子以Cl-為主。水化學類型按從北到南沿水流方向都是從Cl--Ca+型向Cl--Na+型轉變。

整個剖面水頭隨著與海岸距離的增加呈逐漸減少后增加的趨勢。番禺區(qū)、南沙區(qū)處于珠江三角洲的河口區(qū)，地下咸水的鹽分主要來自于古海水及海相沉積物，將圖15與圖10、11對比發(fā)現，剖面中地下水頭越低的區(qū)域，TDS和氯離子濃度越高。

a) Q122

b) Q138

c) Q140

d) Q145

e) Q146

f) Q149

g) Q150圖13 旱季典型剖面Stiff

a) Q122

b) Q138圖14 雨季典型剖面Stiff

c) Q140

d) Q145

e) Q146

f) Q149

g) Q150續(xù)圖14 雨季典型剖面Stiff

圖15 剖面水頭示意

3 結論

a) 本文以廣州咸水入侵區(qū)為研究對象，基于水化學分析方法及同位素技術，通過資料收集、野外調研、水土樣品采集、室內分析、數理統(tǒng)計，揭示地表水與地下水的來源及轉化關系。通過分析典型剖面水循環(huán)特征，建立地下水循環(huán)模式。

b) 降水中氫氧同位素含量主要受雨量效應控制，降水對河水的補給存在滯后作用。河水在不同時期補給來源存在差異性。旱季河水接受當時當地大氣降水補給和上游來水的滯后補給。旱季河口咸淡混合區(qū)分布范圍較廣，海水上溯影響范圍較大。在咸淡水混合區(qū)內，雨季河水與海水的混合作用強于旱季。地下水鹽分與海水存在明顯聯系，地下水受當地即時大氣降水的補給并不明顯。

c) 研究區(qū)內地下水大致分為2個分系統(tǒng)：一個為年齡相對年輕的淡水系統(tǒng)，另一個為地下水年齡較老的系統(tǒng)。

d) 研究區(qū)以荔灣區(qū)北部—天河區(qū)—黃埔區(qū)蘿崗街道為分界線分為2個地下水局部流場，南部為水頭低值區(qū)，其沿海/河流部分受到海水入侵，北部為水頭高值區(qū)，其主要為地下水排泄區(qū)。