劉向楠

（河北省秦皇島水文水資源勘測(cè)局，河北 秦皇島066000）

目前我國(guó)北方超過(guò)80%城市存在水資源缺乏問(wèn)題，雖然秦皇島為沿海城市，但該地區(qū)的地下水位面臨持續(xù)下降，而地下水是最主要的生活供水源。 “三水轉(zhuǎn)化”是指大氣降水、地表水、地下水三者之間的互相轉(zhuǎn)化過(guò)程如圖1。目前環(huán)境同位素法被廣泛應(yīng)用于自然界水資源循環(huán)規(guī)律研究中，對(duì)地區(qū)水資源合理開(kāi)發(fā)具有重要意義。

圖1 “三水轉(zhuǎn)化”簡(jiǎn)化過(guò)程

1 區(qū)域概況

秦皇島昌黎縣總面積1212km2，總?cè)丝?6.5萬(wàn)人，總體地勢(shì)由西北向東南傾斜，地貌以丘陵、平原為主。昌黎縣屬于暖溫帶、半濕潤(rùn)大陸性氣候，年平均降水638.33mm。 目前，該地區(qū)存在地下水超采嚴(yán)重、地面陷落、海水入侵、水質(zhì)污染迅速發(fā)展等問(wèn)題，且工農(nóng)業(yè)用水量還在逐步增加，因此分析“三水轉(zhuǎn)化”規(guī)律，對(duì)制定合理的水資源開(kāi)發(fā)方案有著極大的指導(dǎo)意義。

2 環(huán)境同位素技術(shù)原理

水中的同位素含量會(huì)隨著水循環(huán)而不斷變化，目前應(yīng)用最多的就是穩(wěn)定同位素氘D，18O和放射性同位素氚T。

2.1 穩(wěn)定同位素氘D和18O

不同條件下構(gòu)成水分子的穩(wěn)定同位素物理化學(xué)性質(zhì)存在差別，當(dāng)自然界中的水在蒸發(fā)、冷凝過(guò)程中，會(huì)引起同位素產(chǎn)生微小變化。 但這個(gè)變化無(wú)法準(zhǔn)確用儀器測(cè)量，因此常用δ值表示同位素含量，計(jì)算如式1。 穩(wěn)定同位素氘D，18O不與其他物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，可通過(guò)分析其比值δ變化來(lái)分析水循環(huán)［1］。

式中 R為同位素比值。

2.2 放射性同位素氚T

在環(huán)境同位素中，放射性同位素氚T應(yīng)用最早、最廣泛，其來(lái)源于大氣層，以大氣降水形式進(jìn)入地表和地下水系統(tǒng)，同時(shí)其濃度也會(huì)發(fā)生極大變化［2］。 根據(jù)其衰減周期可以推演出50年內(nèi)的水年齡及滯留時(shí)間，進(jìn)而計(jì)算出區(qū)域水資源的存儲(chǔ)量、補(bǔ)給量、流出量。 所以綜合來(lái)看，D，T18，O是研究“三水轉(zhuǎn)化”的理想示蹤劑［3］。

3 “三水轉(zhuǎn)化”規(guī)律分析

3.1 水樣選取位置

本項(xiàng)目研究區(qū)為潮白河流域，水樣選取位置從上至下依次為：徐新莊水文站、小心莊水文站、趙家港水文站。

3.2 “三水轉(zhuǎn)化”規(guī)律

3.2.1 項(xiàng)目區(qū)降水線方程確定

本項(xiàng)目在水樣采取中，遵循 “縱向以流域?yàn)橹骶€，橫向上加密點(diǎn)控制”（注意要避免樣本受過(guò)多的人為干擾，遠(yuǎn)離水渠、水庫(kù)等），共采集水樣60組，各同位素計(jì)算值結(jié)果如表1［4］。

表1 同位素測(cè)試結(jié)果

續(xù)表1

根據(jù)3個(gè)水文站測(cè)量的大氣降水中T值數(shù)據(jù)，且氣溫變化情況，推算出大氣降水同位素組成，進(jìn)而求得δD-δ18O關(guān)系降水線方程：δD=9.2×δ18O+32［5］，如圖2。 與全球雨水線相比，斜率和截距均偏大，說(shuō)明項(xiàng)目區(qū)降雨量較大，蒸發(fā)量和蒸發(fā)速度均較慢，水資源較充足。

圖2 項(xiàng)目區(qū)降水直線方程

3.2.2 項(xiàng)目區(qū)地表水同位素特征

2018年徐新莊水文站地表水同位素δD統(tǒng)計(jì)如圖3。

圖3 地表水同位素δD統(tǒng)計(jì)

（1）由徐新莊水文站測(cè)得數(shù)據(jù)顯示：地表水中δD，δ18O含量最大的前3個(gè)月份分別為7，8，6月份，含量最小為3月份。環(huán)境同位素含量與當(dāng)?shù)亟邓砍矢叨任呛蠣顟B(tài)。

（2）由徐新莊水文站測(cè)得數(shù)據(jù)顯示：雖然項(xiàng)目區(qū)9月份的降水量是5月份2.3倍，但由于其平均溫度比5月份低3 ℃，最終導(dǎo)致9月份地表水中δD，δ18O含量低于5月份。

（3）項(xiàng)目區(qū)地表水中同位素含量受降水量、溫度等因素影響，其中降水量越大、溫度越高（蒸發(fā)量越大），會(huì)使地表水中δD，δ18O含量越大。

3.2.3 項(xiàng)目區(qū)地下水同位素特征

2018年徐新莊水文站同一位置地下水同位素δD如圖4。

圖4 2018年徐新莊水文站同一位置地下水同位素δD

（1）由徐新莊水文站測(cè)得數(shù)據(jù)顯示：在同一埋深下，項(xiàng)目區(qū)地下水中同位素含量變化情況和地表水相當(dāng)，但數(shù)值要比地表水小20%，說(shuō)明大氣降水及地表水會(huì)滲透到地下，且夏季降水及地表水對(duì)地下水的補(bǔ)給程度大于其他季節(jié)。

（2）由徐新莊水文站測(cè)得數(shù)據(jù)顯示：在同一個(gè)位置點(diǎn)附近，埋深不同，地下水同位素含量差別很大，埋深與地下水同位素含量呈反比關(guān)系，且埋深對(duì)同位素含量大小有著決定性影響。

（3）由于地下水埋深越小，其相對(duì)來(lái)說(shuō)越容易蒸發(fā)，此時(shí)同位素會(huì)發(fā)生分餾作用，使δD，δ18O產(chǎn)生富集，進(jìn)而使含量增大［6］。

3.3 “三水轉(zhuǎn)化”規(guī)律及轉(zhuǎn)化比例分析

3.3.1 項(xiàng)目區(qū)地下水中同位素氚T的含量變化規(guī)律

氚原子T在大氣中通過(guò)與氧原子結(jié)合成為水分子，之后以降水形式進(jìn)入項(xiàng)目區(qū)地表，滲入地下后成為地下水，其濃度會(huì)按照其半衰期（12.5年）進(jìn)行衰減，通過(guò)分析地下水中氚原子T濃度便可推測(cè)地下水年齡。

3.3.1.1 項(xiàng)目區(qū)大氣降水和地表水中氚原子T值

經(jīng)過(guò)測(cè)定，項(xiàng)目區(qū)2016～2018年間大氣降水中氚原子T值為40～45TU，且沒(méi)有太大波動(dòng)，把該值作為基本參照。 本項(xiàng)目測(cè)定的地表水主要來(lái)自河水和水庫(kù)水，水中氚原子T值也為40～45TU，由于項(xiàng)目區(qū)地表水沒(méi)有冰川融雪補(bǔ)給，幾乎全部來(lái)自大氣降水補(bǔ)給，屬正常數(shù)值。

3.3.1.2 項(xiàng)目區(qū)地下水中氚原子T值

項(xiàng)目區(qū)地下水中氚原子T值因埋深不同而有著較大差別，其中埋深在20m以上的地下水中氚原子T值范圍在20～40TU之間，說(shuō)明這部分地下水是在2006年及以后入滲的，屬于“新水”，也說(shuō)明了昌黎地區(qū)主要是對(duì)20m地下水進(jìn)行開(kāi)采，且開(kāi)采量較大；埋深在20～30m之間的地下水中氚原子T值為10～13TU，說(shuō)明這部分水大概是20世紀(jì)90年代入滲的； 埋深超過(guò)30m，該地下水中氚原子T值為5TU以下，說(shuō)明該深度地下水是20世紀(jì)60年代入滲的。

3.3.2 項(xiàng)目區(qū)地下水補(bǔ)給高程及更新能力確定

地下水是最為重要的水資源，供應(yīng)穩(wěn)定、水質(zhì)純凈，是理想的供水源，昌黎地區(qū)居民生活及工業(yè)生產(chǎn)用水超過(guò)60%來(lái)自于地下水，因此必須做好該地區(qū)地下水補(bǔ)給高程及更新能力的相關(guān)研究。

3.3.2.1 地下水補(bǔ)給高程計(jì)算

根據(jù)項(xiàng)目區(qū)地下水同位素埋深規(guī)律可確定地下水補(bǔ)給高程范圍，理論計(jì)算如式（3）。 結(jié)合之前的相關(guān)資料，計(jì)算結(jié)果如表2。

式中 H為同位素入滲深度（m）；h為取樣點(diǎn)地下水埋深（m）；δS為取樣點(diǎn)地下水同位素組成；δP為取樣點(diǎn)附近大氣降水同位素組成；k為同位素高度梯度（%m）。

3.3.2.2 地下水更新能力計(jì)算

地下水更新能力是“三水轉(zhuǎn)化”過(guò)程的核心，本項(xiàng)目通過(guò)測(cè)定地下水含水層中氚原子T值推算地下水年齡，計(jì)算結(jié)果如表2。 由此可知，昌黎縣地區(qū)對(duì)地下水開(kāi)采集中在埋深20m左右，地下水均為“新水”，預(yù)計(jì)若不采取人為措施，會(huì)以1.5m/a速度向下開(kāi)采地下水。

表2 地下水補(bǔ)給速度

4 結(jié)語(yǔ)

（1）根據(jù)對(duì)昌黎3個(gè)水文站水樣中同位素含量分析，可知地表水中δD，δ18O含量與降水量、溫度有較大關(guān)系，據(jù)此可測(cè)定項(xiàng)目區(qū)降水量變化趨勢(shì)；地下水中δD，δ18O含量除了與地表水存在吻合外，主要取決于地下水埋深。

（2）通過(guò)測(cè)定氚T含量，可知項(xiàng)目區(qū)地表水補(bǔ)給形式為大氣降水；由氚原子T值推算了不同埋深地下水的年齡及更新速度。

（3）若不采取限制措施，昌黎地區(qū)地下水開(kāi)采會(huì)出現(xiàn)越采越深的惡性循環(huán)，應(yīng)引起注意。