探秘地球 | 透視地下蘊藏的水信息
——追蹤溯源華北平原地下水
◎? 陳? 江
華北平原有世界上面積最大的地下水漏斗區(qū),，其中在河北省就有127個縣（市,、區(qū)）處于地下水超采范圍內(nèi),，而在20世紀60年代,，地下水位還處于天然狀態(tài)。由于社會經(jīng)濟對地下水需求的持續(xù)增大,，到21世紀初,，華北平原地下水開采量比可開采量多出70億立方米，深層地下水位下降了約60米,。為了治理日益嚴峻的超采問題,，恢復地下水原有的資源生態(tài)環(huán)境功能,，國家通過開展“節(jié)、引,、調(diào),、補、蓄,、管”等措施,，開啟了地下水超采綜合治理行動。截至2022年底,，僅河北省已經(jīng)累計調(diào)水163億多立方米,。面對這些復雜變化的資源環(huán)境現(xiàn)狀，亟需開展地下水信息獲取,，跟蹤地下水的滲透路徑，弄清華北平原地下水是如何循環(huán)演化的,。
早在20世紀90年代,，中國地質(zhì)科學院水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)研究所張宗祜院士就指出，華北平原第四系地下水系統(tǒng)是統(tǒng)一連續(xù)的地下水流系統(tǒng),，山前平原,、中部平原和濱海平原的地下水既有各自區(qū)域特征，又有緊密的相互聯(lián)系,。在地下水循環(huán)研究中,，同位素方法可以從整體上對地下水流系統(tǒng)的年齡和水巖交互過程進行分析，可以對地下水追蹤溯源,，具有高分辨率和直觀的優(yōu)勢,。
同位素定年方法是利用放射性衰變原理來計算地表水進入封閉地下環(huán)境的時間，可以反映水在地下的補給徑流排泄規(guī)律,；穩(wěn)定同位素有同位素分餾和季節(jié)效應,，在不同體系中分布的比例存在差異，因此可以用來示蹤地下水的混合過程和水巖交互作用,。目前,，地下水循環(huán)研究中常用的同位素包括碳、氫,、氧,、硫、氮等,。隨著測試技術的發(fā)展,，非傳統(tǒng)同位素的應用也越來越多，如金屬同位素,、惰性氣體同位素等,，顯著提高了地下水定年范圍和應用領域,。在金屬穩(wěn)定同位素中，鎂是主要的造巖元素,，易在風化過程中以鎂離子的形式進入水體,，且鎂元素遷移行為簡單、參與地球化學行為廣,，有望在地下水科學研究中發(fā)揮重要作用,。
通過對不同含水層和空間位置地下水的碳14同位素、氚同位素定年和氫氧同位素組成進行綜合分析,，顯示華北平原總體上表現(xiàn)為淺層地下水接受大氣降水,、河渠回灌等垂向補給，深部地下水既接受側(cè)向徑流補給,，也存在越流補給,。從山前平原區(qū)到東部濱海區(qū)，深部地下水更新速率緩慢,，揭示了深層地下水幾乎具有不可更新的資源屬性,。
山前平原區(qū)位于沖洪積扇邊緣，地下水位埋深在40-70米,，主要可采資源為淺層地下水,。利用15米-280米開采井中地下水氮、氧同位素組成和氚含量進行污染源識別和水循環(huán)分析,，顯示地表水滲透影響深度在150米范圍內(nèi),，與污染物分布深度基本一致，污染來源主要為化肥和污水排放,。通過氚和碳同位素方法計算的區(qū)域地下水流動速率為5米/年,，地下水年更新速率最大為33%，反映了山前淺層地下水交換速率較快,，污染物的自然衰減時間也更短,，開發(fā)利用地下水的影響相對較小。
中部平原區(qū)多分布古河道,，含水層巖性為砂土,、黏土互層，顆粒組成由西向東逐漸變細,，屬于多層含水層結(jié)構,。在垂向剖面上，深部地下水年齡與埋深呈正比關系,，200至600米深開采井地下水的碳14定年顯示,，同位素年齡在0-3.5萬年之間，地下水流動速率為0.8-1.0米/年，深層地下水存在有不同的局部水流系統(tǒng),，受到了山前平原地下水的補給,。氫氧同位素空間分布特征表明，中部平原相對山前和濱海地區(qū)淺層地下水富集了更輕的同位素,。在衡水,，40米埋深以上的地下水氫氧同位素值分布與降水線平行，此深度以上的土壤水受到大氣降水的直接補給,；下部的地下水氫氧同位素值偏離大氣降水線趨勢,，補給來源與上部存在差異，水力聯(lián)系明顯減弱,，可確定該深度為淺層水循環(huán)影響的深度,。由于該區(qū)域深層地下水更新速率較慢，咸淡水界面存在下移趨勢,，開發(fā)利用地下水需要充分評估水位恢復和地質(zhì)環(huán)境效應問題,。
濱海平原地區(qū)地下水資源量相對較少，且上部多為咸水,，因此深部地下淡水是主要開采水源,。通過對滄州地區(qū)深部巖心的鎂同位素組成進行分析，發(fā)現(xiàn)鎂同位素分餾與地下水循環(huán)過程有直接關聯(lián),，地下水更新速率和水巖交互作用是鎂同位素分餾的主要影響因素,。含水率較高的粉細砂層中同位素組成相對偏輕,，而影響分餾的因素除了巖層沉積條件外,，主要受到地下水補給的影響。在500米-800米深度上,，鎂同位素組成相對于海洋水平均值更輕,，泥巖、砂巖中的鎂同位素組成在空間上差異相對較小,，而在粉細砂層中差異相對要大,，且在空間分布上與深度不存在線性關系，但與鈉離子濃度呈較為顯著的正相關關系,，鈉離子濃度的增大會伴隨著重的鎂同位素富集,。由于深部環(huán)境下原生礦物的溶解較少，黏土礦物含量是影響離子交換量的重要因素,，進而能夠影響金屬同位素分餾,。由此，鎂同位素的組成間接反映了濱海平原區(qū)深部地下水的循環(huán)過程,、巖性空間分布規(guī)律和水化學演化特征,，對開發(fā)利用深部地下水和生態(tài)環(huán)境治理具有科學價值。
為分析深部地下水的更新強度，利用激光原子阱痕量分析（ATTA）技術對深層水中氪81做了測定,，估算地下水年齡接近一百萬年,，地下水流動速率0.2米/年，相對人類利用的時間尺度,，濱海地區(qū)的深層地下水幾乎不可更新,，所以保護深層地下水資源是減少濱海地區(qū)地質(zhì)環(huán)境災害的必由之路。
同位素方法在地下水循環(huán)演化研究方面的應用雖然還存在一些問題,，如精度不夠高,、不同類型同位素定年存在差異等，但隨著測試技術和理論的發(fā)展,，同位素技術應用將在透視地下水循環(huán)領域發(fā)揮更大的作用,，為復雜環(huán)境下水資源科學管理提供有力支撐。
?。ㄗ髡邌挝唬褐袊刭|(zhì)科學院水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)研究所）
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