陈彭，王威，马震，施佩歆，王国明

（中国地质调查局天津地质调查中心，天津 300170）

河北省唐山市陡河流域地下水年龄评价

陈彭，王威，马震，施佩歆，王国明

（中国地质调查局天津地质调查中心，天津 300170）

利用环境同位素研究地下水年龄对区域地下水资源评价提供可靠依据。本文以陡河流域为例，通过采集大量地下水中的环境同位素样品，测试水中氚、CFCs和14C含量，分别计算地下水年龄，评价地下水的可更新能力。研究结果表明：Q4含水层受井孔利用情况平均滞留时间存在显著差异；Q3含水层地下水年龄最广，从70年以前的老水到新水不等；Q2含水层主要为生活供水和工业开采层，远离河岸带地下水年龄10～70年；远离河岸带Q1含水层地下水为冷湿气候下补给；灌区地下水浇灌过程中与大气接触发生空气-水平衡，使得CFCs不适合于灌区地下水年龄计算。

陡河流域；地下水年龄；CFCs；14C；氚

地下水的年龄受控于区域含水层的地下径流循环条件，开展地下水年龄评价是地下水资源评价中的重要基础工作，也是地下水资源管理的重要依据[1]。已有的研究结果表明，开展地下水年龄评价对深入理解区域地下水循环特征、建立区域水循环模式和开展区域水资源评价与管理工作具有重要意义[2-5]。当前的地下水年龄评价多采用3H、CFCs、14C等方法。3H是水分子的组成部分，经由大气圈而进入水循环，它在相同的条件下经历了同样的演化过程，因此理论上说3H是目前唯一可以直接测定地下水年龄的放射性同位素。利用地下水14C年龄测定结果可以很好地确定地下水流向和地下水的循环速度，并结合其他气候变化指标恢复地下水形成的古气候古环境条件，以及作为约束条件提高地下水流模型数值模拟的精度。CFCs作为经典的利用事件发生事件来指示地下水年龄的示踪剂，是根据地下水中溶解的碳氯氟化合物含量与大气输入函数对比，确定地下水在含水层中的滞留时间。这三种测年方法的综合应用成为未来地下水年龄计算和可更新能力评价的主要趋势[6-10]。

由于水资源短缺是制约华北地区社会经济可持续发展和生态环境建设的最重要因素，开展区域地下水年龄评价对区域水资源量和水质的精确评价具有重要意义[11～15]。本次选取滦河三角洲地区对唐山市供水具有重要意义的陡河流域进行研究，分别采集地表水和地下水样品，对水中氚、CFCs和14C含量分布特征进行综合分析，计算陡河流域地下水年龄，评价区域地下水的可更新能力，为唐山地区水资源评价与可持续开发利用提供科学依据。

1 研究区概况

滦河三角洲北依燕山山脉，燕山山区基岩的风化剥蚀碎屑物是其堆积物质的主要来源，滦河水系纵贯山区，是碎屑物质的主要运输者。在地质历史时期它以洪水形式携带大量泥砂冲出山口倾泻于平原之上。新生代以来其堆积厚度达千米以上，第四系厚度约500～600m。以第四纪地质时代划分为基础，研究区南部从新到老有4个含水组，即第Ⅰ、第Ⅱ、第Ⅲ和第Ⅳ含水层，其对应地质时代分别相当于Q4、Q3、Q2和Q1（表1）；研究区北部第四系仅三个含水层，从Q3到Q1。

陡河位于滦河三角洲西部，发源于北部山区马蹄泉，由北向南流向，流域面积为1340 km2,河道长度120 km，流经唐山市区、农业灌溉区，直接由丰南县涧河注入渤海。陡河上游唐山市区北部的陡河水库是区内最大的地表水体，总库容3.4亿m3，如图1所示。

表1 第四系含水组水文地质特征表Table 1 The hyd rogeo logica l characteristic in quaternary aquifer

2 样品采集与测试

2006年11月至2008年1月在研究区分3批次，共采集3H样品101件，CFCs样品41件，14C样品7件。采样点分布图见图1。

图1 研究区采样点分布图Fig.1 The dirtribution of sam p ling point in study area

放射性同位素3H样品无需经过特殊处理，直接使用螺纹盖密封，容积为50m L、500m L的线性聚乙稀（PE）瓶取样即可。

地下水中CFCs取样容器为封口瓶盖内有金属衬垫的50m L玻璃瓶，取样和封盖全过程在水下进行，以避免空气污染。

DIC中14C的取样需在取样现场对水样进行处理，首先加入NaOH至溶液中pH值接近10，将样品中各种形态的C皆转化至以CO32-形式存在，加入过量SrCl2后溶液中DIC以SrCO3沉淀保存，为了保证测试结果质量，C含量需大于1 g。

放射性同位素3H样品测试在中国科学院地质与地球物理研究所地下水年代实验室进行，采用蒸馏与电解富集（20倍）流程，之后在Quantulus1220液体闪烁计数器上测试，检测限为0.3 TU。

CFCs在中国科学院地质与地球物理研究所地下水年代实验室利用带电子捕获器（CED）的气相色谱测试仪测试，标准偏差（1σ）为0.01 pmol/kg。

14C测试在中国科学院地质与地球物理研究所新生代地质与环境重点实验室进行，将酸化处理样品得到的CO2同过一系列反应

转化为C6H6，加入闪烁体在Perkin Elmer Quantulus 1220液体闪烁计数器上测定。

3 结果与讨论

3.1 氚法年龄

山前冲洪积平原的地表水体为大气降水的直接汇入形成，在大气环境中，不发生放射性衰变，因此其3H含量可以代表当年大气降水中3H含量。地表水样3H含量在6.0～12.4范围内分布。陡河两个地表水样3H含量分别为9.8 TU和10.4 TU。陡河水库3H含量为12.4 TU。石榴河5个地表水3H分布范围为6.0 TU～7.7 TU，均低于10 TU（表2）。

取3H含量最高的水库水的12.4TU代表当年大气降水中3H含量平均值，则可推断石榴河、陡河下游地表水都受地下水影响。陡河农灌区两个地表水样的低3H含量可能是因为低3H石榴河水的汇入，也可能是灌区地表水受地下水补给。天然情况下，石榴河为季节性河流。但因为其源头李家套东北煤矿采空，现在石榴河地表水为矿坑排水。通过石榴河源头地表水3H含量可以直接读出矿区地下水在含水层中的滞留年龄。

研究区地下水中3H含量见表3，其中34个远离河岸带地区地下水3H含量分布范围为（0.3TU～14.9 TU）。58个河岸带地下水样3H含量分布范围为（2.1 TU～13.7 TU）。从3H含量分析未发现明显受核爆影响时期补给的地下水。可能原因是研究区含水层不同年龄段地下水混合作用强烈，消除了1963年3H峰

的痕迹。这一推论也在美国地质调查局（1996）的工作中得到验证。另外，强烈的混合作用削弱了3H输入函数的可靠性，使根据3H放射性衰变方程进行精确定年这一方法也不再现实。

表2 研究区地表水3H含量Table 2 The3H content in surfacewater

表3 研究区地下水3H含量Table 3 The3H content in groundwater

3.2 CFCs法年龄

利用美国地质调查局CFCs实验室分析数据的USGS-CFC2004电子表格程序对水中溶解CFCs含量结果进行分析。以北半球CFCs含量作为输入函数，并假设年均温度12.5℃作为地下水补给温度，利用亨利定律对样品中测试得出的CFCs含量进行处理，即可反推出不及时段大气中CFCs浓度。将结果与历年大气中CFCs含量图作对比，即得出该地下水的补给年龄图。

根据CFCs定年原理，假设活塞流的前提下：根据CFC-11、CFC-12、CFC-113三者得出的视年龄一致时，可以认为该视年龄即补给时间。但实际环境中诸多影响因素导致三个视年龄不一致，多年的研究表明：在氧化条件下，CFCs是极其稳定的。而在缺氧环境下，CFC-11最易分解，CFC-12最稳定，CFC-11分解率比CFC-12约高十倍。但是另一方面，也可用CFC-11的不稳定性来指示该采样点的CFCs降解和确定视年龄的上限。这里仅以CFC-12得出的视年龄作为CFCs定年结果如图2、表4所示。

按采样点所处位置的土地利用方式的差异将CFCs值分为两大类：市区和农业区。市区四个井其中Y1采自岩溶含水层，其它三个样品采自第四系含水层。农业区按照采样点所处位置与河岸带距离的远近又分为远离河岸带和河岸带。

市区除Y1岩溶水年龄为1984年外，其余各点地下水的补给皆发生在1972年前后，而地下水中3H含量分布在（6 TU，7.4 TU）范围内。两个定年手段的结果基本吻合。市区深层承压水地下水年龄约为35年，市区第二含水层年龄与其近似相等。导致这一现象的原因是市区极大的开采力度，使得第二、第三

含水层有良好沟通。岩溶水地下水年龄约25年。两者水力联系不好。值得注意的是同位素及各种示踪剂反应的是水质点的运移，地下水流场变化中水压力的变化响应速度比水质点运移速度快得多。

图2 研究区地下水中CFC-12年龄分布图Fig.2 The distributionmap ofCFC-12age in groundwater

表4 地下水3H和CFCs含量Table 4 The3H and CFCs content in groungwater

灌区采样点中远离河岸带的CFC-12视年龄较河岸带小，CFC-12数据表明补给约发生在1990前后。但沿区域地下水流向无明显规律。河岸带三个剖面上地下水年龄无一致规律。河岸剖面1的地下水年龄相对较平均，补给发生在1980至1990年间。剖面2和剖面3上地下水年龄分布范围较广，从1965年跨越到1988年。灌区3个剖面上CFC-12年龄与采样点距河岸距离无相关关系。灌区河岸带CFC-12地下水年龄偏老，可能发生了CFCs化合物的生物降解，特别是在河岸带还原环境下。

市区，地下水CFCs定年与3H定年两者结果吻合较好。灌区除河岸带含水层中可能发生CFCs的还原，使得河岸带地下水年龄与远离河岸带地下水年龄相比偏老。另外，灌区远离河岸带地下水CFCs定年结果也无规律性，造成这一现象的可能原因是灌区大面积的回灌水的存在造成CFCs定年的假设前提不成立。

3.314C法年龄

根据其放射性同位素的衰变原理，可利用地下水中14C含量确定地下水在含水层中储藏的年龄。实验室给出样品中地下水视年龄为1318～4996年间。靠近陡河水库，且位于陡河断层附近深度为368m的3H含量达13.7 TU，与采样点附近陡河水库中3H含量相近，地下水可能来源于水库顺断层的渗漏补给。其14C活度为85.3 PMC，为同批次样品中14C活度最高的点。可将该点的14C活度作为研究区现代水的14C活度背景值。计算出研究区地下水年龄在0～3700年之间，该年龄可视为混合端元中老水年龄（表5）。

老水在含水层中的滞留时间至少为200到2300年，且年龄存在随井深度增加而增大的趋势。年龄与井深的相关关系为Y=0.09X+103.4（R2=0.96，n=4）（图3）。100m处，老水的地下水年龄约200年。100m以深，含水层深度每增加100m，地下水年龄增加约1000年。

基于14C的测年误差，将地下水中14C活度为80 PMC作为界限。将地下水分为两组：14C浓度大于80 PMC的KK02、KK03、Y5和N2-5；低于这个值的KK01、Y3和N1-1。前者为现代水补给，14C衰变程度小。后者在含水层中经过时间长达1000年到3000年不等的14C衰变，却普遍存在一定量的3H检出这一年轻水标志（图4）。这个矛盾正好验证了不同年龄地下水的混合作用。以Y3为例，其地下水中3H含量为7.2 TU，14C活度为54.6PMC。如果这个结果是由现代水（3H含量为13.7 TU，14C活度为85 PMC）与古水（3H含量为＜0.3 TU，14C活度未知）混合。则通过Y3的地下水3H含量可以算出现代水对Y3所在含水层的贡献为52%。沿地下水流向，从北往南唐山市北郊水厂11号井地下水混合作用最为强烈，其次是越康新园，丰南区混合作用稍弱。但是N2-5点现代水的补给显得尤为突出。造成这一例外的原因可能是该点井深为150m，受灌区浅部地下水的快速循环影响。

表5 研究区14C和3H测年结果Table 5 The14C and3H age da ting resu lts

图3 地下水中14C年龄垂向分布Fig.3 The14C age vertica ldistribution in groundwater

图4 3H和14C含量对比图Fig.4 The com parison diagram in3H and14C content

4 结论

（1）Q4含水层受井孔利用情况、成井工艺差别，其平均滞留时间存在差异。Q3含水层受含水层沉积条件和农业用水作用方式控制，地下水滞留时间范围最广，北部地下水平均年龄小于35年，而南部受年轻水与老水的混合补给。Q2含水层主要为生活供水和工业开采层，地下水年龄10～70年不等。

（2）市区地下水CFCs定年与3H定年两者结果吻合较好。灌区地下水CFCs定年与3H存在一定差异性，一方面是因为河岸带含水层中可能发生CFCs的还原，使得河岸带地下水年龄与远离河岸带地下水年龄相比偏老，另一方面是因为灌区大面积的回灌水的存在造成CFCs定年的假设前提不成立。

（3）根据14C测年结果，混合端元中老水的年龄则与含水层深度呈正相关关系，含水层深度每增加100 m，地下水年龄增加1000年，100m深度处地下水年龄约1000年。Q1地下水年龄较老约为3300年。

致谢：本项目在研究开展过程中得到中国科学院地质与地球物理研究所庞忠和研究员和袁利娟博士的大力帮助，特此表示感谢！

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Groundwater Age Assessmentof Dou River Basin in Tangshan City,HebeiProvence

CHEN Peng,WANGWei,MA Zhen,SHIPei-xin,WANGGuo-m ing (Tianjin Center,ChinaGeologicalsurvey,Tianjin,300170,China)

Groundwater age assessmentw ith environmental isotopes could useful for localgroundwater resources evaluation andmanagement.Dou River Basin has been selected as the typical study area,amount of groundwater samples have been tested w ith3H,CFCs and14C,groundwater ages have been calculated.The results show that, groundwater ages changes obviously in Q4aquiferw ith the impact of human activities;groundwater ages varied mostw idely in Q3,and the age distributed from old water 70 year ago to new water;as themain development aquifer,Q2aquifer has the groundwater ages from 10 to 70 years;groundwater in Q1aquifer recharged with precipitation from cold and wet climate;because of the air-water equilibrium during the irrigation process,CFCs method isnotsuitable to calculate the groundwaterage in irrigation area.

Dou River Basin;groundwaterage;CFCs;14C;3H

P641.3

：A

：1672－4135（2014）04－0288-06

2014-07-24

中国地质调查局项目“滦河三角洲地下水污染调查评价”（1212010634608）

陈彭（1982-），男，硕士，工程师，主要从事水文地质与环境地质相关研究，E-mail：mr.chenpeng@163.com；通讯作者：王威（1984-），男，博士，工程师，主要从事水文地质与环境地质相关研究，E-mail：wangwei_wangwei@126.com。