周文生，劉海燕，芮 婷

(1.寧夏回族自治區(qū)核地質(zhì)調(diào)查院，寧夏 銀川 750021；2.寧夏回族自治區(qū)基礎(chǔ)地質(zhì)調(diào)查院，寧夏 銀川 750021)

0 引言

水化學(xué)和環(huán)境同位素特征研究是定量計(jì)算與評(píng)價(jià)地下水年齡、分析地下水補(bǔ)給和更新能力的基礎(chǔ)[1-2]。多年來(lái)，國(guó)內(nèi)各研究機(jī)構(gòu)在寧夏銀川平原黃河以西實(shí)施完成了大量的水文地質(zhì)勘查工作，系統(tǒng)深入地研究了地下水水化學(xué)同位素特征[3-8]。而在黃河以東地區(qū)，由于長(zhǎng)期對(duì)其具有供水意義含水層認(rèn)識(shí)不足，投入的勘查工作相對(duì)較少，對(duì)該地區(qū)地下水同位素的研究也較為缺乏。筆者系統(tǒng)整理分析了近年來(lái)黃河以東水文地質(zhì)勘察取得的各類測(cè)試數(shù)據(jù)，研究了該地區(qū)地下水不同含水層同位素特征，并結(jié)合傳統(tǒng)的水文地質(zhì)學(xué)方法確定地下水來(lái)源及組成、地下水和黃河水之間的水力聯(lián)系、地下水在空間尺度上的循環(huán)模式，探明人類生產(chǎn)生活對(duì)地下水循環(huán)的影響，探討了地下水更新強(qiáng)度及年齡。

1 水文地質(zhì)條件

研究區(qū)位于銀川平原北部，包括黃河以東的沖積平原和鄂爾多斯高原西緣。含水層主要由第四系沖積砂層和新近系砂巖層構(gòu)成，多層結(jié)構(gòu)。按含水層時(shí)代和介質(zhì)類型可分為第四系松散巖類孔隙含水巖組和新近系碎屑巖類裂隙孔隙含水巖組。第四系松散巖類孔隙水含水層分布于黃河以東至鄂爾多斯臺(tái)地以西，巖性為淺黃、桔黃色細(xì)砂及粉細(xì)砂，蘊(yùn)藏著豐富的地下水資源。根據(jù)勘探資料，將地表以下217 m深度內(nèi)劃分為三個(gè)含水巖組：① 埋深16.7～60.5 m以上的微承壓水含水層劃分為第一含水巖組；② 20.75～89.6 m以下、97.65～139.75 m以上的承壓含水層，劃分為第二含水巖組；③ 105.85～157.9 m以下、134.1～214.65 m以上的承壓含水層，劃分為第三含水巖組。其中第二、第三含水層為本次研究目的層。

第二含水巖組壓力水頭埋深0.62～3.84m，富水性較強(qiáng)。管徑273 mm，降深12.06～34.97 m，單井涌水量為985.22～1358 m3/d；管徑159 mm，降深12.48～43 m，單井涌水量為668.22～1358.04 m3/d。

第三含水巖組埋深105.85～157.9 m以下、134.1～214.65 m以上，含水層厚度為17.7～51.35 m，水位埋深0.53～4.1 m，由2～3層灰黃色、土黃色細(xì)粉砂、粉砂組成，以石英、長(zhǎng)石為主要成分，結(jié)構(gòu)松散、顆粒均勻，中間夾2～3層灰黃色—土黃色黏砂土、砂黏土薄層或透鏡體，單層厚度為3.05～29.85 m。含水巖組富水性受厚度控制，隨含水巖組厚度的增加而增大。管徑273 mm，降深14.0～36.11 m，單井涌水量為723～919.13 m3/d，水量變化較大。滲透系數(shù)變化亦較大，在1.0739～2.6969 m/d之間[9-10]。

研究區(qū)水文地質(zhì)條件見(jiàn)圖1。新近系碎屑巖類孔隙裂隙水主要分布于鄂爾多斯臺(tái)地邊界以東，含水層巖性為棕紅色、棕黃色泥巖、泥質(zhì)砂巖、細(xì)砂巖，地下水埋藏較深，賦存條件較差，地下水水量較小。

圖1 研究區(qū)水文地質(zhì)圖

2 環(huán)境同位素特征分析

本次研究于2010年8月至2010年12月進(jìn)行了同位素采樣工作，共采集各類同位素樣品14組，其中地表水樣3組，地下水樣11組。地表水分別取自黃河、排水溝、湖泊，地下水均取自施工的水文地質(zhì)探采結(jié)合孔分層抽水試驗(yàn)?zāi)┢?。同位素測(cè)試結(jié)果均為單個(gè)水樣測(cè)試結(jié)果，樣品數(shù)量及取樣空間位點(diǎn)具有足夠代表性。

2.1 大氣降水同位素與水化學(xué)特征

大氣降水是研究區(qū)地表水和地下水重要的補(bǔ)給來(lái)源之一，是水循環(huán)重要環(huán)節(jié)之一[7]，分析其特征有助于查明地表水和地下水的成因。

根據(jù)國(guó)際原子能機(jī)構(gòu)(IAEA)全球大氣降水監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)資料統(tǒng)計(jì)(1988、1989、1992)，銀川地區(qū)大氣降水同位素δD、δ18O的年加權(quán)平均值為-6.6‰和-44‰，據(jù)1992年大氣降水水化學(xué)分析資料，銀川地區(qū)大氣降水總?cè)芙夤腆w(TDS)含量為83 mg/L，Cl-含量為2.7 mg/L。

根據(jù)1988—1992年、2000年在銀川地區(qū)的大氣降雨監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，以及銀川平原蘇峪口、陶樂(lè)、銀川氣象站的1992年和2003年的大氣降雨同位素?cái)?shù)據(jù)[11]，求得銀川地區(qū)大氣降雨水線方程為

δD=7.28δ18O+4.66，r=0.96

理論研究表明，在空氣濕度為85%的狀況下，按同位素分流機(jī)制，雨水δD - δ18O關(guān)系曲線斜率與全球雨水線相同[12]。分析銀川地區(qū)大氣降水的δD - δ18O關(guān)系(圖2)，銀川地區(qū)大氣降雨線的斜率與截距均小于全球雨水線(GWML)，其原因與研究區(qū)處于干旱、半干旱氣候條件、空氣濕度低、降雨量小、蒸發(fā)量大有關(guān)。另外，由于該區(qū)域降雨的水汽來(lái)源地具有不同的穩(wěn)定同位素比值，也是形成雨水線斜率小的因素。

圖2 銀川地區(qū)大氣降水δDSMOW - δ18OSMOW 關(guān)系圖

2.2 地表水同位素特征

黃河、人工灌排體系的引水渠及排水溝和小面積湖泊構(gòu)成了區(qū)內(nèi)地表水體。研究區(qū)內(nèi)黃河水取樣點(diǎn)處的δD、δ18O值分別為：-69‰，-9.9‰，其中δD介于大氣降水(-44‰)和地下水(-75.9‰)之間。說(shuō)明黃河水在接受大氣降雨補(bǔ)給的同時(shí)，還接受來(lái)自于鄂爾多斯臺(tái)地地下水的側(cè)向徑流補(bǔ)給。3H含量界于30.8～34 TU之間，補(bǔ)給來(lái)源為20世紀(jì)60年代或70年代的水(表1)。

表1 研究區(qū)地表水δD、δ18O、3H測(cè)試結(jié)果

排水溝主要排泄的是灌溉回滲水，研究區(qū)內(nèi)大面積進(jìn)行引黃灌溉，粗放式的灌溉方式使一部分黃河水回滲進(jìn)入地下，排水溝內(nèi)δD、δ18O值分別為：-47‰、-3.9‰，3H含量界于31.7～35.1 TU之間，由此可以看出灌溉水滲入地下之后在淺部經(jīng)歷短暫的地下水徑流之后快速排入排水溝。即排水溝中水來(lái)自于淺循環(huán)的地下水，同時(shí)排水溝中水δD值比黃河水δD值偏高，表明排水溝內(nèi)的水受到蒸發(fā)濃縮作用影響。

2.3 地下水氫氧穩(wěn)定同位素特征

地下水中的 δD、δ18O 值可反映其補(bǔ)給來(lái)源[13]，研究區(qū)承壓含水層的氫氧穩(wěn)定同位素(δD、δ18O、3H)的測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2，分布特征見(jiàn)圖3。由圖3可見(jiàn)，δD、δ18O大體上具有相同的分布特征，且第一承壓水的氫氧穩(wěn)定同位素(δD、δ18O)變化范圍大于第二承壓含水層，其中第一承壓含水層δD為-82‰～-72‰，δ18O為-9.3‰～-8.3‰；第二承壓含水層δD為-80‰～-76‰，δ18O為-9.3‰～-8.7‰。

表2 研究區(qū)地下水δD、δ18O、3H測(cè)試結(jié)果

從第一承壓水的δD、δ18O分布圖(圖3)可以看出，平原區(qū)局部地區(qū)地下水的δD、δ18O值比東部臺(tái)地δD、δ18O值大，比大氣降水及黃河水的δD、δ18O值小。反映出承壓水不僅接受臺(tái)地地下水側(cè)向徑流補(bǔ)給，還接受上部潛水含水層的越流補(bǔ)給。對(duì)于不同水體的混合，可以利用水體的同位素δ18O和δD來(lái)識(shí)別并估算混合比例。如果存在兩種端元混合，以δM代表混合水同位素含量，δA、δB分別代表A、B兩個(gè)端元水的同位素含量，以λA、λB代表混合水中兩端元所占比例，根據(jù)δ18O質(zhì)量平衡原理，則有

λA=(δM-δB)/(δA-δB)，

λB=1-λA[14]。

由此得出研究區(qū)承壓含水層中臺(tái)地地下水側(cè)向徑流補(bǔ)給約占總補(bǔ)給量的72%，越流補(bǔ)給量約占28%。

從垂向上看，第一層承壓水δD的平均值為-76.33‰，δ18O的平均值為-8.83‰；第二層承壓水δD平均值為-77.75‰，δ18O的平均值為-9‰。與第一層承壓水相比，第二層承壓水的δD和δ18O平均值分別貧1.42‰和0.17‰。潛水只有一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)位于臺(tái)地上，δD、δ18O值分別為-66‰、-7.8‰，與承壓水相比，相對(duì)富D和18O；與大氣降水相比，相對(duì)貧D和18O，由此可見(jiàn)，臺(tái)地地下水來(lái)自于大氣降水和鄂爾多斯臺(tái)地內(nèi)部地下水徑流的混合補(bǔ)給。

研究區(qū)地下水δD -δ18O關(guān)系曲線及當(dāng)?shù)卮髿饨邓€見(jiàn)圖4。從所采集的數(shù)據(jù)可以看出，地下水樣品均分布在當(dāng)?shù)亟邓€下部，并未落在當(dāng)?shù)亟邓€附近，并且研究區(qū)內(nèi)降雨稀少，進(jìn)一步說(shuō)明地下水的補(bǔ)給來(lái)源并不主要是大氣降水。承壓水的補(bǔ)給來(lái)自于鄂爾多斯臺(tái)地地下水的補(bǔ)給或黃河水的補(bǔ)給。

圖4 研究區(qū)地下水δD - δ18O關(guān)系圖

2.4 地下水氚同位素特征

在地下水同位素研究中，可以用氚(3H)含量非常好的區(qū)分1952年前后補(bǔ)給的地下水。理論上可以用氚測(cè)定地下水年齡，但在實(shí)際研究過(guò)程中，在不同水動(dòng)力作用下，補(bǔ)給來(lái)源不同的地下水流相互混合聚集，從而造成不同時(shí)期地下水組成的混合體。因此，用氚估算地下水的平均滯留時(shí)間更合適。

研究區(qū)第一層承壓水和第二層承壓水氚含量分布見(jiàn)圖5。調(diào)查數(shù)據(jù)顯示氚含量范圍為1.5～20 TU，其中只有第一承壓水北部靠近黃河部位氚含量小于5 TU，其他部位氚含量均大于5 TU，表明區(qū)內(nèi)地下水是鄂爾多斯臺(tái)地內(nèi)年齡較老的水、引黃(河)灌溉回滲水和大氣降水混合補(bǔ)給的結(jié)果。

圖5 第一承壓水(a)與第二承壓水(b)氚含量分布圖

2.5 地下水14C同位素特征

從此次承壓含水層14C校正年齡數(shù)據(jù)及分布來(lái)看(表3、圖6)，臺(tái)地第一承壓水年齡較大，為1.52萬(wàn)年～2.0萬(wàn)年，其原因可能在于接受了年齡較大的深層地下水的補(bǔ)給。第二承壓水中部靠近黃河部位年齡較小，為0.493萬(wàn)年，可能是由于受到人工開采的影響，補(bǔ)給源中添加了黃河灌溉水的垂向滲漏補(bǔ)給以及黃河水的側(cè)向徑流補(bǔ)給所致。從第二承壓水3H含量分布圖(圖4)也可以看出，北部靠近黃河部位第二承壓水更新速率較快，更新能力強(qiáng)。

表3 研究區(qū)地下水14C測(cè)試結(jié)果

圖6 承壓含水層14C校正年齡

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)各種水體同位素特征分析表明，研究區(qū)地下水承壓水的補(bǔ)給來(lái)自于鄂爾多斯臺(tái)地地下水和西南部黃河水的補(bǔ)給。臺(tái)地第一承壓水年齡較大，其原因可能在于接受了年齡較大的深層地下水的補(bǔ)給。第二承壓水中部靠近黃河部位年齡較小，分析可能是由于受到人工開采的影響，補(bǔ)給源中添加了黃河灌溉水的垂向滲漏補(bǔ)給以及黃河水的側(cè)向徑流補(bǔ)給所致。研究區(qū)北部靠近黃河部位第二承壓水更新速率較快，更新能力強(qiáng)。