地下水研究中地下水年齡的應用分析

李忠媛

(北票市水資源辦公室，遼寧 北票 122100)

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地下水研究中地下水年齡的應用分析

李忠媛

(北票市水資源辦公室，遼寧 北票 122100)

地下水年齡主要是指水在含水層中停留的時間，即大氣降水或地表水從進入地下徑流時起，一直持續(xù)到其在采樣點出現(xiàn)時止，在這一全過程中，水在透水巖石的孔隙和裂隙中停留的有效時間。由于地下水年齡實際測定方法和手段不同。因此，其又分為相對年齡與絕對年齡兩種。地下水年齡可準確反映地下水實際運動和溶質遷移規(guī)律，在近年來的地下水研究過程中，諸多學者都通過地下水年齡這一指標，對地下水運動形式和遷移規(guī)律進行研究。結果表明，地下水絕對年齡不僅會受地下水混合作用影響，還會受氣-水-巖等相關自然因素影響。與此同時，其也會受人類社會實踐活動等因素影響。文章通過對地下水研究中的地下水年齡應用情況進行論述，以此找到地下水水質運移規(guī)律，從而為我國地下水科學與工程學研究奠定基礎。

地下水；年齡；應用；絕對年齡；相對年齡

地下水年齡又稱“groundwater age”，它是研究地下水科學與工程學的重要基礎。隨著人類對水資源環(huán)境的依賴加強，社會經濟發(fā)展對水資源的實際需求也不斷增多[1]。但在此發(fā)展過程中，由于人類不合理的開采、開發(fā)活動，導致地下水環(huán)境遭受嚴重污染，同時引發(fā)了一系列的地質環(huán)境問題。為了解決上述問題，中國地質學家及自然科學家付出了諸多努力，采用同位素技術作為地下水科學與工程學科研究的主要動力和手段，其在地下水定年計算方面優(yōu)勢巨大。在這一背景下，文章將重點通過對地下水研究中的地下水年齡應用情況進行分析，以此為解決經濟社會發(fā)展對生態(tài)地質環(huán)境造成的影響問題奠定基礎。

1 地下水更新研究中地下水年齡的應用

在對地下水環(huán)境變化過程進行分析時，首先需結合地下水年齡，對地下水實際更新能力進行科學評價。由于各地區(qū)氣候及地質條件不同。因此，地下潛水層中的水資源被來水替換及代替，使不同地質條件下的水資源更新能力存在很大差異。從這一過程可以看出，對地下水實際更新能力進行科學評估，能夠在一定程度上為地下水資源的可持續(xù)利用和合理保護奠定重要基礎。在以往的研究過程中，大部分學者都采用地下水更新周期和地下水更新速率及補給速率、周轉時間、滯留時間等，對地下水實際更新能力進行分析評估。但這些指標具有單一性，無法準確、全面對地下水研究過程中的地質環(huán)境及地下水、地上水等循環(huán)交替過程進行描述[1]。基于此，文章在上述基礎上，通過對相關指標進行完善，對地下水補給源及地下水補給源具體比例和地下水補給量、地下水更新速率及周轉時間和滯留時間等不同指標進行研究，以此借助地下水年齡這一重要指標，對地下水補給過程及水循環(huán)交替過程等進行研究分析。

1)通過對地下水補給源進行識別，能夠科學揭示地下水參與水循環(huán)的過程。比如，通過對混合后的地下水年齡進行科學計算，能夠對地下水來源及不同來源所占具體比例進行科學識別。就以本研究區(qū)為例，雨水作為主要的地下水補給水源，能夠通過地下水中的3H和14C這兩大年齡體現(xiàn)出來；通過對該研究區(qū)地下水中的3H和14C這兩大年齡及CFCs進行定年計算，可準確得到該研究區(qū)地下水系統(tǒng)中，不同補給水源在總徑流中所占比重。但對于其他研究區(qū)而言，由于地下水補給水源形式多樣。因此，通過對地下水水齡進行科學計算，可為地下水開采、判斷與識別提供重要條件。

2)可通過對地下水水齡進行計算，以此合理評估地下水實際補給量。通常情況下，地下水年齡沿徑流路徑不斷增大。因此，文章通過對研究區(qū)地下年齡的實際分布特征進行研究，以此結合徑流演變路徑，對該地區(qū)河道地下水實際補給量進行預估。由于文章所研究的含水層地質層為以垂向徑流為主的多孔介質含水層。因此，通過對地下水徑流路徑進行研究，發(fā)現(xiàn)該研究區(qū)地下水實際年齡隨水深深度不斷增大而增大。當?shù)叵滤a給量及孔隙度和水層結構逐漸增大時，地下水年齡也會隨之而增大。因此，在地質剖面中，地下水年齡的實際變化過程具有垂向分布特征，結合這一重要變化規(guī)律，可對地下水含水層中的水源補給量進行計算，具體計算公式如下：

R=vu=(△Z/△t)u

(1)

式中：R為地下水補給量；V為地下水實際流速；μ為地下水孔隙度；△Z為含水層補給量估算中，兩采樣點間的垂向距離；△t為地下水兩個不同采樣點水樣品的年齡差。

在上述基礎上，可對地下水更新周期及速率等進行計算，具體計算公式如下：

T=V/R

(2)

文章在研究過程中，假設該研究區(qū)地下水系統(tǒng)的可持續(xù)開采量為10億m3；該研究區(qū)地下水補給量R=1億m3/a，則由上述地下水更新周期計算公式進行計算可得到該研究區(qū)地下水更新周期T=10a,但在實際計算分析過程中，由于地下水系統(tǒng)會受自身結構及含水層埋藏條件等影響。因此，在同一系統(tǒng)中，由于地下水潛藏位置不同，導致地下水更新周期存在很大差異[2]。文章經過計算得到的地下水更新周期只能在一定程度上反映本研究區(qū)地下水接受水源補給及全球系統(tǒng)總體水循環(huán)過程，尤其是在人類社會實踐活動中，通過對已開采的地下水進行定年分析，在一定程度上可系統(tǒng)了解地下水實際更新情況，以此科學指導人們對地下水綜合開采方案進行合理優(yōu)化和調整。

2 地下水運動研究中地下水年齡的應用

全面、深入掌握和了解地下水運動過程及實際規(guī)律，能夠為該研究區(qū)開展相關地下水實踐活動奠定基礎。因此，認識地下水運動過程至關重要。文章通過分析研究區(qū)概況，認為該研究區(qū)地下水實際運動過程主要包括水流流速及水流路徑和水流流量以及地下水流場、地下水水力梯度等幾大主要要素。因此，通過地下水年齡，可在一定程度上對該研究區(qū)地下水運動要素的實際演變機理和交互作用過程進行分析。通常而言，地下水補給區(qū)到排泄區(qū)，地下水實際年齡在不斷增大。因此，要想準確確定地該研究區(qū)地下水徑流實際演變運移路徑，需對研究區(qū)地下水年齡的分布情況進行了解。在此基礎上，也可對研究區(qū)地下水流場進行科學確定；與此同時，還可利用地下水年齡這一重要指標，對研究區(qū)承壓水系統(tǒng)的實際補給速率進行計算分析[3]。

具體到該研究區(qū)的實際工作中，借助地下水年齡這一參數(shù)指標對研究區(qū)地下水徑流進行分析具有重要作用。比如，在該研究區(qū)建設大壩等水利工程基礎設施時，能夠為技術人員制定科學的大壩防滲措施提供參考依據(jù)，而對該研究區(qū)地下溶質的實際運移過程進行研究分析，能夠在一定程度上全面了解區(qū)域地下水系統(tǒng)中污染源的實際運移擴散過程及不同水生態(tài)系統(tǒng)中，不同水質的地下水混合規(guī)律，從而幫助人們正確認識研究區(qū)地下水與地表水相互作用的機理。

3 地下水溶質遷移中地下水年齡的應用

近年來，地下水環(huán)境污染問題已引發(fā)全民關注，因此通過構建地下水年齡與地下污染物濃度之間的相關關系模型，能在一定層面上科學揭示研究區(qū)地下水污染物的實際遷移規(guī)律[4]。在實際分析計算過程中，結合CFC、3H和SF6對地下水進行定年分析，可全面揭示研究區(qū)地下水中的實際氮含量。一般而言，地下水年齡與地下水中農藥及氮的濃度呈反比。地下水水齡越大，水體中所含農藥及氮含量越低；反之，地下水年齡越小，地下水體中農藥殘留及氮含量就越高。

與此同時，可利用地下水年齡這一指標，對地下水污染情況進行衡量及對地下水的補給水源進行分析判斷。比如，在實際分析研究時，通過對地下水進行定年，則可得知地下水中的實際污染程度。一般而言，如果經分析發(fā)現(xiàn)地下水年齡較小，則可初步判斷開采的地下水主要補給水源是地表水及當?shù)卮髿饨邓Ｓ捎谶@些外來補給水源沒有經過全面自我凈化及處理。因此，污染物在水體中較為活躍，地下水水質較差。

在此基礎上，通過對地下水年齡進行計算分析，還可進一步了解地下水在穿越不同地下通道時，徑流的實際滯留時間[5]。對這一過程進行全面了解，能在一定程度上準確掌握地下水系統(tǒng)中污染物的遷移規(guī)律。尤其是在地下水污染源識別過程中，通過對地下水年齡這一指標進行分析計算，能夠科學識別透水層在阻止污染物污染地下水過程中所發(fā)揮的關鍵作用。對于地下水環(huán)境中的弱水層而言，其能夠保護地下水體不受外來污染源污染。

4 地下水模型構建中對相關參數(shù)的約束

在對區(qū)域地下水環(huán)境進行分析過程中，通常需構建相關的評價模型。而模型中的相關參數(shù)指標都會受特定技術條件及模型結構的約束。因此，指標選取及模型參數(shù)值分析科學與否，在一定程度上而言，能夠決定模型分析結果準確與否。但是，基于地下水年齡分析結果，可在水文模型構建及地下水污染源識別中，為地下水運動和溶質遷移提供相關約束性參數(shù)值，以此對模型參數(shù)模擬驗證及率定過程提供線性約束條件，從而有助于提升模型分析模擬的規(guī)范性與科學性[6]。

從上述分析中可知，在對區(qū)域地下水進行研究過程中，地下水年齡始終起著非常重要的作用。但是，在實際分析模擬過程中，由于地下水環(huán)境是一個復雜的系統(tǒng)，因此難免會受區(qū)域水文地質條件及區(qū)域地質特征和地球化學系統(tǒng)等相關因素影響。在此過程中，地下水生態(tài)系統(tǒng)平衡同樣也會受人類外來影響因素影響。而對地下水年齡進行定年計算的主要依據(jù)，是地下水演變過程中的水文地質及水文地球化學信息等，這些復雜因素會對地下水年齡的定年結果可靠性與準確性造成一定的干擾[7]。就本研究區(qū)而言，假設該地區(qū)地下水體是由比例為9:1的兩種不同水源混合而成，而這兩種地下水體的實際年齡分別為10a和1000a，而經過混合之后的研究區(qū)地下水實際年齡則變?yōu)?0×90%+1000×10%=109a。因此，從這一結果可以看出，通過計算得出的水齡結果與實際地下水年齡存在一定的差異。由于未經混合后的地下水水質年齡分別為10a和1000a。因此，地下水運移過程活躍，使得地下水年齡定年結果計算成為地下水環(huán)境分析的重要環(huán)節(jié)[8]。

5 結 語

綜上所述，地下水年齡有助于了解地下水系統(tǒng)的實際更新能力，也可掌握地下水污染物的實際遷移規(guī)率，為對下水環(huán)境分析模型提供約束性條件。盡管地下水年齡在地下水環(huán)境分析及污染源識別和地下水生態(tài)系統(tǒng)研究中起著至關重要的作用。但不可否認，由于地下水環(huán)境生態(tài)系統(tǒng)異常復雜。因此，必然存在地下水混流問題，再加上實際計算過程中，地下水定年較為困難，故無論采用何種方式測得的地下水年齡，都不具有實際代表指征意義，其只能在一定程度上為地下水分析研究提供參考。故文章通過對下水年齡實際應用情況進行分析，以期為我國地下水研究工作順利推進提供借鑒思路。

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Application and Analysis of Groundwater Age in Groundwater Study

LI Zhong-yuan

(Beipiao Urban Water Resources Office, Beipiao 122100, China)

The age of groundwater may reflect correctly the actual movement and solute transport law about groundwater, in recent years, most scholars researched the type and migration of groundwater movement through the index of groundwater age during the period of groundwater study. The results show that the absolute age of groundwater not only will be impacted by the mixed groundwater but also impacted by relevant natural factors of atmosphere-water-rock, meanwhile, be impacted by the factors of social practice of human beings. Therefore, the paper found the mitigation of groundwater quality by discussing the application of groundwater age in the groundwater research to lay the foundation of Chinese groundwater science and engineering science.

groundwater; age; application absolute age; relative age

1007-7596(2017)01-0111-04

推廣應用

2016-12-18

李忠媛(1982-)，女，遼寧北票人，工程師，從事水資源論證及調查評價、地下水監(jiān)測、水文預報、水文水資源管理等工作。

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