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(jì)60年代，地下水位還處于天然狀態(tài),。由于社會經(jīng)濟(jì)對地下水需求的持續(xù)增大,，到21世紀(jì)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(yán)峻的超采問題，恢復(fù)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(bǔ)、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(fù)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(jì)90年代，中國地質(zhì)科學(xué)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(jìn)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(jìn)入封閉地下環(huán)境的時間,，可以反映水在地下的補(bǔ)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(yīng)，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(shù)的發(fā)展，非傳統(tǒng)同位素的應(yīng)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(yīng)用領(lǐng)域,。在金屬穩(wěn)定同位素中,，鎂是主要的造巖元素，易在風(fēng)化過程中以鎂離子的形式進(jìn)入水體,，且鎂元素遷移行為簡單,、參與地球化學(xué)行為廣，有望在地下水科學(xué)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(jìn)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(bǔ)給,，深部地下水既接受側(cè)向徑流補(bǔ)給,，也存在越流補(bǔ)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(jìn)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(xì),，屬于多層含水層結(jié)構(gòu)。在垂向剖面上,，深部地下水年齡與埋深呈正比關(guān)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(bǔ)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(bǔ)給；下部的地下水氫氧同位素值偏離大氣降水線趨勢,，補(bǔ)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(fù)和地質(zhì)環(huán)境效應(yīng)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(jìn)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(guān)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(xì)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(bǔ)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(xì)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(guān)系,，但與鈉離子濃度呈較為顯著的正相關(guān)關(guān)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(jìn)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(xué)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(xué)價值,。
為分析深部地下水的更新強(qiáng)度,，利用激光原子阱痕量分析（ATTA）技術(shù)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(hù)深層地下水資源是減少濱海地區(qū)地質(zhì)環(huán)境災(zāi)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(yīng)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(shù)和理論的發(fā)展，同位素技術(shù)應(yīng)用將在透視地下水循環(huán)領(lǐng)域發(fā)揮更大的作用，為復(fù)雜環(huán)境下水資源科學(xué)管理提供有力支撐,。
?。ㄗ髡邌挝唬褐袊刭|(zhì)科學(xué)院水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)研究所）
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