孙 逊

(山东泰信岩土工程有限公司，山东 淄博 256100)

虽然使用地表水作为城市地区公共供水的需求正在扩大，但地下水仍然是饮用水的重要来源[1]。特别是城市郊区和农村地区的居民可能需要使用地下水作为主要水源[2-3]。许多研究表明，地下水中砷元素是一个威胁健康的主要物质。高地下水位的砷元素通常与第四纪三角洲和冲积沉积物有关。然而，由于具有高度多样化的空间分布，其生成原因尚不完全清楚[3]。其还原条件下砷迁移的化学机制广泛归因于含水层沉积物中含砷矿物的生物或化学还原溶解[4]。另一些人认为，砷可能从土壤矿物中释放出来，随后可能从近地表通过含水层被吸入到地下水。研究表明，微生物还原铁和砷是影响地下砷释放的重要因素[5]。地下水砷浓度升高大致与地下水中代谢副产物(包括无机碳、铵和甲烷)水平升高相对应。因此，需要进一步研究池塘水或沉积物中所含有机物的迁移，因为它有可能增强含水层中土壤矿物质的砷迁移[6-7]。

地下水的补给和流动也被认为是影响地下水砷的重要因素。淄河沿岸的更新世含水层(下层含水层)和全新世含水层(浅层含水层)主要是由河流自身的水补充的[8]。然而，少数文献表明淄博的地下水部分来源于下渗过程，这表明需要对河流以外的地表水(例如，池塘、稻田)进行研究，因为这种地表水在郊区很普遍[9]。

淄博的气候特点是雨季炎热潮湿(4—10月)、旱季温和(11—次年3月)。淄河的水位变化具有很大的季节性(9m)[10]，这可能导致通过地下水反复上升和下降促进砷在地下水中的溶解。在内陆郊区的地下水中，淄河对补给的贡献可能很大，因此带来一个问题，即是否会存在这种由水位波动引起的砷污染机制。就水资源管理和城市规划而言，如果池塘的渗透对地下水补给来说是可观的，并且这种渗透不会造成砷对地下水的严重污染，那么在郊区保护池塘将有助于减轻砷对地下水的污染，因为池塘的渗透可能是一种更稳定的补给来源，其水位波动比地面或稻田更小，后者却具有季节性变化。该研究旨在通过调查水位和地下水及附近池塘稳定同位素的季节性变化，在连续监测水位和定期对水域取样的基础上，说明淄博郊区地下水的补给机制。

1 地质信息及监测方法

1.1 地质信息

淄河流域地质的典型特征是冲积砂和砾石层，覆盖着厚粘土沉积物，这些沉积物是在一系列海侵和海退过程中形成的，带来了海相沉积物。由于淄河发生了多次沉积过程，沉积物的岩性非常复杂，沉积物序列在短距离内变化很大。上层含水层是全新世层(形成于1万年前至今)，通常从地表到10～20m深。下层含水层是更新世层(形成于250万至1万年前)，位于全新世层之下。富含有机物的泥炭层在该地区很丰富，有时厚度超过10m。

1.2 水位监测和采样

水位监测涵盖了内陆站点(1、2和3号站点)和河流附近的站点(4、5和6号站点)，上层含水层、下层含水层和附近池塘的水位由水位记录器和监测井进行监测。30min间隔的压力数据采用气压计测量的大气压力进行校正。在2018年3—11月的一系列采样活动中，采集了89份地下水样本和37份池塘水样本。有些样本在同一地点采集了两次以上。此外，2017年8—11月期间，每月在17个地点(地下水9个、池塘5个、稻田和淄河2个)开展定期采样活动。在1、2站点，由土壤水分采样器从监测井获得的原状土壤中采集孔隙水样本，现场用0.45μm聚四氟乙烯膜过滤除孔隙水以外的所有水样。孔隙水通过0.2μm的膜过滤，阴离子用离子色谱法测定。在样品用硝酸(1%(v/v))酸化后，用ICP-MS测量重金属，d18O同位素比率用如下公式表示：

2 结果和讨论

2.1 池塘水和地下水季节变化

大多数池塘水显示出d18O和d2H的富集(如图1所示)，其中d2H=7.91×d18O+12.45。当地的大气降水线(LMWL)是从淄博的雨水数据中计算出来的。虚线表示蒸发线(EL)，它是淄博地区地下水同位素的拟合线，斜率为5.6。淄河的同位素组成与雨水相似，淄河的蒸发线与大气降水线接近，同位素与雨水加权平均值关系如图2所示。箭头显示d18O和d2H值的假定季节性变化，结果表明池水经历了蒸发过程。池塘数据显示了从大气降水线向d18O富集的转变，并且分布在地下水计算的蒸发线周围。

图1 按采样月份分组的地下水样品中d18O和d2H值之间的关系

此外，池塘水同位素的具有季节性趋势：旱季样本(1月、3月)接近于蒸发线，而雨季样本(5月、6月、10月)接近于大气降水线。池塘样品中的同位素比率在雨季结束时(10月)最小，在雨季即将到来时(3月)最大。图2显示出一年中池塘水中同位素比率具有明显的季节性变化。

图2 两个站点池塘水体中d18O和d2H值的季节变化

同位素比率的季节性变化反映出雨水同位素特征和池塘水蒸发过程的季节性变化。雨水同位素在2月最重、在8月最轻。雨季时池塘水样同位素含量靠近大气降水线，这可能是因为池塘水大量和频繁地被雨水补充，因此蒸发产生的同位素分馏很少；在旱季，同位素含量接近蒸发线，这是因为由于雨水减少，蒸发的影响会很大。

地下水同位素数据表明，地下水的主要来源经历了蒸发过程。因此，淄河以外的地表水(例如，池塘、稻田)对地下水的补充有着很大程度的贡献。通过比较测点位置，内陆村庄(1、2和3)的同位素比率(t检验，P<0.001)大于河流村庄(4、5和6)。因此地下水同位素比率具有一定的空间差异。

2.2 地下水的补给机制

上含水层和下含水层的地下水补给来源和机制是不同的，d18O-d2H图和孔隙水样品d18O同位素比值的深度剖面图如图3所示。孔隙水数据与EL的变化趋势相同，这与地下水样本一致。然而，孔隙水的深度剖面显示了浅层土壤和深层土壤之间同位素比率的明显差异，其中d18O在浅层土壤中更富集。d18O在25m处下降，可能是由于受到了不透水的淤泥和粘土层的影响。两个地点的上层含水层和下层含水层的地下水样本具有来自各自深度的类似的孔隙水同位素特征。此外，来自浅层土壤的地下水和孔隙水在内陆地下水中具有相似的同位素比率，而来自深层土壤的地下水的同位素比率接近于河流地下水的同位素比率。在对两个含水层的地下水进行比较的过程中，上含水层和下含水层之间同位素比率的差异并不明显。

图3 孔隙水的d18O-d2H图，以及d18O随深度的变化

鉴于站点1和2中的同位素深度剖面代表了内陆地区的同位素深度剖面，可推测出：河流附近区域地下水主要由淄河本身补给。但是对于远离河流的区域，具有蒸发过程的地表水(例如，池塘和稻田)和来自地表的雨水的直接渗透，成为远离淄河的上层含水层中地下水的主要来源。此外，需要对来自上含水层和下含水层的地下水同位素进行更详细的数据分析，以加强讨论。

2.3 同位素的季节变化

氯化物和砷的季节变化如图4—5所示。图中监测点11代表1号监测站的1号检测点，以此类推。对于氯化物和砷，池塘、稻田和淄河表现出较大的波动(50%或以上)，其浓度在旱季较高。另一方面，大多数地下水中氯化物的时间变化很小。但是，来自上层含水层的监测点23的氯化物含量波动较大，而上层含水层的监测点21没有表现出如此大的变化。来自下层含水层的监测点24(相邻)和22(下层含水层监测点)的氯化物水平没有任何变化。另一方面，砷含量的波动在监测点23比监测点24大。尽管流量有很大的季节性变化，淄河的氯化物和砷的浓度相当稳定。靠近河流的监测站4中的地下水显示出相似的氯化物和砷水平，这可能是由于河流的补给造成的。

图4 常规采样点氯浓度的季节变化

图5 常规采样点砷浓度的季节变化

监测点23中的氯化物水平有变化，但砷水平稳定，这可能意味着存在废水的零星污染，而不是补给源发生了变化。水位监测观察到的小的季节性变化表明全年地下水补给相当小。相反，尽管监测点24中的氯化物水平非常稳定，但砷的相对较大波动可能是由于日常抽取造成的下层含水层水位的频繁变化造成的，这可能通过地下水的反复上升和下降促进砷在地下水中的溶解。

与地表水类似，地下水中主要的阳离子和阴离子通常在旱季富集。另一方面，地下水砷的波动与季节无关。尽管补给可能很小，但站点1中氯化物和砷的季节性变化很大，需要通过持续监测水质和水位来进一步研究。

3 结论

本文研究了地下水中同位素的变化特征，以说明淄博郊区地下水的补给机制和季节效应。并得到如下结论。

(1)同位素变化具有季节性趋势，旱季样本接近于蒸发线，而雨季样本接近于大气降水线。

(2)池塘水中的同位素在整个旱季都有所富集，在雨季结束时(10月)最小，在雨季即将到来时(3月)最大。

(3)靠近淄河的地下水主要由淄河本身补给。在远离河流的区域，地表水和降雨成为上层含水层的主要供给源。

(4)地下水砷的波动与季节无关。但站点1中氯化物和砷的季节性变化很大，可能需要通过监测水质和水位来进一步研究。