王凤元，徐素娟，谭 俊，马利涛

基于环境同位素法对衡水湖区域地下水循环演化特征研究

王凤元1，徐素娟1，谭 俊2，马利涛1

(1.河北省地矿局第十一地质大队，河北 邢台 054000；2.河北省地质矿产开发局勘查技术信息中心，河北 石家庄 050000)

衡水湖位于河北省冀枣衡漏斗区西部。为客观认识该地区地下水的循环模式及人类开发利用对地下水循环的影响，根据环境同位素标记性和计时性特点对其进行分析研究， 利用D、18O、T环境同位素方法对冀州市衡水湖一带第四系地下水的循环模式进行研究，初步判定该区域地下水补给运移及地下水的循环演化特征。研究结果表明：该区域地下水划分为两种地下水类型，第Ⅰ含水组为 “新水”，主要接受降水和地表水的补给；第Ⅱ、Ⅲ含水组为“老水”，除接受侧向补给外，还接受上层浅水的越流补给；人工超采地下水改变了地下水循环演化特征以及地下水中D、18O、T的同位素组成，增大了地下水遭受污染的风险。

地下水；环境同位素；循环演化；开发利用

衡水市人均水资源占有量为全国人均水平的6.7%和世界人均水平的2.0%，水资源短缺严重，供水水源以地下水为主。自上世纪70年代以来，随着社会经济的快速发展，持续大量的超采地下水，致使水位逐年下降，并形成了冀枣衡深层地下水漏斗，漏斗中心水位40 a平均降速2.37 m/a[1]。本次工作区在冀州市衡水湖一带，位于冀枣衡漏斗西部。人类活动对地下水的开采及地下水位下降改变了地下水的循环演化特征。为客观认识该地区地下水的循环模式及人类开发利用对地下水循环的影响，根据环境同位素标记性和计时性特点对其进行了分析研究，总结出工作区地下水的循环演化特征。

1 研究区地质及水文地质概况

工作区位于河北省衡水地区西南部，为滹沱河冲洪积平原区与漳卫河古河道洪泛平原区的交接地带，区内地貌类型大部分为漳卫河冲积平原河道带亚相和河间带亚相，在工作区西北角为滹沱河冲洪积扇前缘，在衡水湖一带为冲湖积相。表层为全新世冲积层，主要有亚粘土和亚砂土组成；区内地形总体自西北向南和东方向缓慢倾斜，地面标高一般为19～28 m，地面坡降0.2‰，地势平坦；第四系沉积厚度340～370 m，地层自下至上分别为早、中、晚更新统和全新统。

第四系地下水依据地质分层和开采情况分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ3个含水组，对应底界埋深分别为40～60 m、150～180 m、340～370 m。第Ⅰ含水组含水层岩性以粉砂、粉细砂为主，富水性较差、水质较差，为本区的非主要开采层；第Ⅱ含水组含水层岩性以细砂、细中砂为主，水量中等，是本区农田灌溉的主要开采层之一；第Ⅲ含水组含水层岩性以中粗砂和中细砂为主，富水性较好，是本区城镇供水和农田灌溉的主要开采层。

2 样品的采集与测试

依托中国地质调查局《冀中南城市群水文地质调查》项目， 2013-2014年，在河北冀州市一带采集大气降水、地表水和地下水的环境同位素(D、18O、T)样品共17组，其中，大气降水1组，地表水1组，地下水15组，地下水的采集沿着深层地下水流向所布置的剖面进行，共设5个取样点，每个取样点采集第Ⅰ含水组潜水、第Ⅱ含水组承压水和第Ⅲ含水组深层承压水3个层位的地下水各1组。采集样品均送至国土资源部地下水矿泉水及环境监测中心进行测试，测试标准为DZ/T0064-93，测试结果见表1。

表1 环境同位素样品测试结果及统计一览表

3 δD、δ18O组成特征及其指示意义

大气降水成因的地下水同位素和大气降水同位素存在着某种关系，并可以借此来确定地下水的补给源[2，3]。根据表1的测试数据作δD—δ18O关系图(见图1)，由于本次工作在冀州市漳下村采集的大气降水样品点恰好落衡水大气降水线(王仕琴，2009)[4]上，而距全球大气降水线和中国大气降水线[5]距离稍远。

图1 工作区不同层位水体δD—δ18O关系图

从各样品在δD—δ18O关系图中的富集形式和分布特征来看，各层地下水全部来源于大气降水。所有样品点均落在大气降水线的右下方，且形成方程为δD=6.1951δ18O-13.323的蒸发线。这主要是由于蒸发作用所致，表明地下水在形成之前经历了不同程度的蒸发作用[6，7]。第I含水组位于蒸发线的远端，且偏离降水线最大，蒸发作用最为强烈，形成时气候可能较炎热[8，9]；第II含水组水点主要集中分布于蒸发线与降水线的交点附近，可以反映出蒸气源水的原始平均同位素组成较低，同时也可以反映出在地下水形成时，蒸发作用最弱形成时气候可能较寒冷[8，9]；第III含水组在分布范围上较为分散，但大部分亦落在蒸发线与降水线的交点附近，蒸发作用与第II含水组相似，局部水点靠近第I、II含水组水点，说明III含水组地下水局部可能受到上部含水层组的越流影响；

另外，本次采集的有些样品，其D、18O、T同位素组成相对于其所在的层位存在不同程度的偏高。有第Ⅰ含水组的冀州王家口采样点和第Ⅲ含水组的冀州臧冢采样点。冀州王家口第Ⅰ含水组采样点同位素组成偏高是由于其位于衡水湖附近，开发利用程度小、地下水位埋深较浅、包气带厚度较小，仅3 m左右，且包气带岩性为粉质粘土和粉土互层，渗透性较好，与地表水和大气降水水力交替速度较快所致，水力交替速度增大也提高了浅层地下水遭受污染的风险；冀州臧冢第Ⅲ含水组采样点D、18O同位素组成异常偏高，且T值含量也偏大，由T值计算其年龄约为20年的“现代水”，因此推测该点应该是地表水或浅层水和深层水的混合水，属人为的“补给”深层水，这可能是由于该井的成井工艺问题，虽然该井的成井段为254～350 m，止水段为220～240 m，但可能该井的止水工艺出现问题，没有将上层水彻底隔开，在开采下层水的时候由于水头差的存在使上下层水在井内贯通，导致上下层水混合，从而使同位素组成偏高幅度较大。这表明深层地下水亦存在着潜在的污染风险。

4 氚含量特征及意义

4.1 地下水氚含量水平方向变化特征及意义

依据地下水氚含量沿深层承压水(第Ⅲ含水组)径流方向上的变化曲线(图2)，可以得出：沿剖面方向，氚浓度的变化没有规律可循，这可能是由于第Ⅰ含水组砂层多为间断的透镜体，不能形成连续的侧向补给，因此，对于第Ⅰ含水组来说，下游的水可能并不是来自上游。由此推断，第Ⅰ含水组地下水很可能是由同期的大气降水补给的，而且是由地表雨水垂直入渗的方式进行补给。这个推测也可以解释第Ⅰ含水组氚含量无规律变化的特征:由于包气带岩性的差异或人类活动的影响，导致地表水与地下水间循环交替强弱不一，各地第Ⅰ含水组地下水中所补给的近些年的地表雨水的数量亦各不相同所致。

图2 地下水氚含量沿水平径流方向变化曲线

从第Ⅱ含水组氚浓度变化来看，沿径流方向，氚浓度变化曲线基本水平，仅在码头李的北褚宜村采样点氚含量略微增大，这可能是由于北褚宜村采样点为村吃水井，常年间歇性开采，而剖面两端的王口和马南田、屈纸房均为农田灌溉井，仅在灌溉季节开采，因此北褚宜这眼常年开采井势必会与第Ⅰ含水组形成较大的水头差，使第Ⅰ含水组水越流补给较多，从而导致该点的氚含量较高。由此还说明了第Ⅱ含水组地下水不仅来源于侧向补给，还接受第Ⅰ含水组的垂向越流补给。

从第Ⅲ含水组氚浓度变化来看，沿径流方向，氚含量逐渐减小，这是因为在地下水补给区，由于距补给时间较短，年龄较小，反应在氚含量上就是浓度较大；随着地下水的径流的距离和时间的延长，其年龄越来越老，反应在氚含量上就是随着氚的不断衰减浓度逐渐减小。

4.2 地下水氚含量垂向变化特征及意义

将环境同位素采样点的氚含量作出垂向变化曲线(见图3)。由该图可知，地下水氚含量垂向变化特征较为显著，随着采样深度的增大而减小，并且，从第Ⅰ含水组到第Ⅱ含水组氚含量降低迅速，而从第Ⅱ含水组到第Ⅲ含水组氚含量基本未变化。这说明第Ⅰ含水组与第Ⅱ含水组间的垂向水力联系不够密切，而第Ⅱ含水组与第Ⅲ含水组间的垂向联系较为密切；另外还说明第Ⅰ含水组的水较为年轻，为1952年以后形成的“新水”且接受现代雨水的补给，或是1952年以前形成的“老水”与现代雨水补给的混合水[6，9]，而第Ⅱ、Ⅲ含水组地下水的年龄均较老，属于1952年以前形成的“老水”。在本次所取样品中，辛集王口一带第Ⅰ含水组浅层水氚含量仅1.5 TU，其余4个采样点均大于5 TU，根据定性区分地下水补给时间的标准[6，9]，辛集王口一带第Ⅰ含水组的浅层水是由1952年以前的水和现代雨水补给的混合水。其余4处采样点均为以现代雨水补给为主。这可能是由于在辛集王口一带位于滹沱河冲洪积扇前缘，沉积砂层较为连续，侧向补给量较大，再加上该地段地下水开发利用程度低，与地表水的垂向水力联系相对较小所致。

图3 地下水氚含量垂向变化曲线

5 结语

(1)工作区地下水均来源于大气降水，但经历过不同程度的蒸发。第I含水组蒸发作用最为强烈，形成时气候可能较炎热；第II、III含水组蒸发作用相似，均较弱，形成时气候可能较寒冷。

(2)第Ⅰ含水组浅层水氚浓度在水平方向上无变化规律，说明其受外界补给影响较大，主要接受降水和地表水的补给，由于地层的渗透条件和含水层的开采条件不同而致； 第Ⅱ、Ⅲ含水组深层水沿径流方向变化趋势为氚含量逐渐减小，说明其补给项包括侧向径流，且距离其主要补给区越远，其年龄越老，另外，还接受上部含水层组的越流补给。

(3)地下水氚含量垂向变化特征显著，由浅至深逐渐减小。由数据分析，第Ⅰ含水组为1952年以后形成的“新水”且接受现代雨水的补给，或是1952年以前形成的“老水”与现代雨水补给的混合水。第Ⅱ、Ⅲ含水组地下水属于1952年以前形成的“老水”。

(4)地下水D、18O、T同位素的组成既受大气降水、周围地表水体、地层岩性组合等天然条件的影响，还受地下水开发利用程度、开采方式以及成井工艺等人为因素的影响。人为影响因素对同位素组成的影响是由于改变了地下水与地表水或上层水的水力联系，进而改变了地下水的循环演化特征所致，使地下水遭受污染的风险增大。

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Study on the Characteristics of Groundwater Cycle Evolution in Hengshui Lake Area Based on Environmental Isotope Method

WANG Feng-yuan1，XU Su-juan1，TAN Jun2，MA Li-tao1

(1.The 10th Geological Team of The Hebei Provincial Mining Bureau,Hebei,Xingtai,054000；2.Exploration Technology Information Center of Hebei geology and Mineral Resources Development Bureau,Hebei,Shijiazhuang,050000)

Hengshui Lake is located in the western part of Hebei Province. In order to get the groundwater cycle and the influence of human development and utilization on the groundwater cycle, the study is carried out based on the analysis of environmental isotope labeling and chronological characteristics. The circulation model of Quaternary groundwater in Hengshui Lake area of Jizhou City is studied by D、18O、T environmental isotope method, and the characteristics of groundwater recharge and groundwater circulation are preliminarily determined. The results show that the groundwater is divided into two kinds of types, the first water group is “new water”, which mainly receives the precipitation and surface water supply; the second and third water group is “old water”, except for lateral supply, but also accepts the superfluous supply of superficial shallow water. Artificial overdraft groundwater changes the characteristics of groundwater evolution and cycle and the isotopic composition of D,18O, and T in groundwater, which increases the risk of groundwater contamination.

groundwater; environmental isotope; evolution and cycle; development and utilization

2017-04-28

王凤元(1964-)，男，河北高邑人，高级工程师，主要从事水文地质、工程地质和环境地质方面工作。

P641.2

A

1004-1184(2017)04-0023-03