云應(yīng)盆地北部淺層地下水氫氧同位素特征分析

胡美艷,王 清，陳植華,胡 成

(1.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)環(huán)境學(xué)院，湖北 武漢 430074；2.中國地質(zhì)調(diào)查局武漢地質(zhì)調(diào)查中心，湖北 武漢 430205)

水資源短缺是當(dāng)前面臨的嚴(yán)峻問題，而水循環(huán)則是合理利用水資源的基礎(chǔ)，故解決水資源的關(guān)鍵在于深入了解水循環(huán)機(jī)理。在研究地下水循環(huán)的過程中，地下水水化學(xué)特征的分析[1-3]、數(shù)值模擬[4]、環(huán)境同位素特征分析[5-10]都是重要的手段，尤其是環(huán)境同位素特征分析方法常被廣泛運用于地下水與地表水轉(zhuǎn)化關(guān)系的研究中[11-19]。在國外，Aravena等[20]分析了智利北部Loa和Tarapaca河水的同位素特征，揭示了河水與地下水的補(bǔ)給關(guān)系；Weyhenmeyer等[21]分析了不同高程下降水的同位素組成，得出了高程效應(yīng)對地下水補(bǔ)給比例的影響；Barnes等[22]和Lindstr?m等[23]分別用δ18O和δD分析模擬了土壤水的滯留時間。在我國，環(huán)境同位素特征分析方法也得到了廣泛應(yīng)用，如田立德等[24]分析了青藏高原河水中δ18O的變化特征；張應(yīng)華等[25]發(fā)現(xiàn)地下水與地表水中同位素δ18O值明顯不同，地下水與地表水的轉(zhuǎn)換關(guān)系表現(xiàn)為地下水補(bǔ)給地表水;鄭揚(yáng)帆[26]通過分析不同水體中δD-δ18O的組成關(guān)系及其同位素特征，確定了地下水的主要補(bǔ)給來源。

鑒于對平原流域地下水轉(zhuǎn)換關(guān)系及其水循環(huán)方面的同位素特征研究相對較少，本文以云應(yīng)盆地北部的澴河河谷階地為研究對象，通過分析流域內(nèi)不同含水層地下水中氫氧同位素的組成及其空間分布特征，以研究流域內(nèi)淺層地下水之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，為正確評價與合理利用地下水資源提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于云應(yīng)盆地北部，是山區(qū)與平原的地形的轉(zhuǎn)折帶，包括云夢縣的曾店鎮(zhèn)和吳鋪鎮(zhèn)，孝昌縣的白沙鎮(zhèn)和陡山鄉(xiāng)，孝南區(qū)的陡崗鎮(zhèn)、肖港鎮(zhèn)、朋興鄉(xiāng)和西河鎮(zhèn)，其中隸屬于湖北省孝感市孝南區(qū)的肖港鎮(zhèn)位于研究區(qū)的中心，見圖1。

圖1 研究區(qū)地理位置圖Fig.1 Geographical location map of the research area

研究區(qū)橫跨3個小型集水流域，其中澴河流域地表面積占優(yōu)。區(qū)內(nèi)水系發(fā)育、分散，堰塘、水庫眾多，水體分布面積約26.7 km2，占總面積的6%。澴河主干由北至南從研究區(qū)中部蜿蜒穿過，在區(qū)外匯入府河，是研究區(qū)內(nèi)主要地表水系，其多年年均徑流量為1 989億m3，多年月平均水位高程(黃海高程系)為21.7 m，為本區(qū)地下水侵蝕基準(zhǔn)面。

研究區(qū)為亞熱帶大陸性季風(fēng)氣候，雨量富足，陽光充足，濕度適中。根據(jù)多年統(tǒng)計，研究區(qū)6、7月份的降雨量最大，可達(dá)150～200 mm，年均降雨量為1 200 mm，蒸發(fā)量略大于降雨量，為1 435 mm，潮濕系數(shù)為0.93。

2 采樣與分析方法

2. 1 采樣方法

2016年9月1日至30日對研究區(qū)雨水、澴河地表水和各含水巖層地下水進(jìn)行了現(xiàn)場采樣，共采集了50個同位素水樣樣品，具體取樣點分布見圖2。由于2016年雨水較少，于2017年3月至4月采集了10個雨水樣，取樣點位于研究區(qū)的中心位置即肖港鎮(zhèn)小桃園酒店樓頂。現(xiàn)場采用GPS測定取樣點的經(jīng)緯度和井的地面標(biāo)高。水樣用100 mL塑料瓶采集，密封并置于低溫處保存。

2. 2 分析方法

采用離軸整腔輸出光譜技術(shù)(OA2ICOS)的液態(tài)水穩(wěn)定同位素分析儀(LWIA-24d，LOS Gatos，USA)測定水樣中的δD、δ18O，由武漢地質(zhì)調(diào)查中心重點實驗室完成測定。水樣中同位素δD、δ18O的測定結(jié)果均用相對于平均海水VSMOW(維也納標(biāo)準(zhǔn)平均海洋水)來表示，其計算公式如下：

(1)

(2)

式中： (ξD/ξH)sample、(ξD/ξH)standard分別為D/H的測定值與維也納標(biāo)準(zhǔn)平均海洋水標(biāo)準(zhǔn)值；(ξ18O/ξ16O)sample、(ξ18O/ξ16O)standard分別為18O/16O的測定值與維也納標(biāo)準(zhǔn)平均海洋水標(biāo)準(zhǔn)值。其中，δD和δ18O是D和18O的計算值，精度分別為±0.6‰和±0.2‰，檢查樣為50%。

3 研究區(qū)氫氧同位素特征分析

3.1 研究區(qū)大氣降水中D和18O特征

大氣降水中δD和δ18O之間存在線性關(guān)系，即稱為大氣降水線。Craig[27]最早提出了全球大氣降水線公式，即δD=8δ18O+10;鄭淑蕙等[28]根據(jù)107個大氣降雨的穩(wěn)定同位素值，得出我國大氣降水線方程為：δD=7.9δ18O+8.2。由于研究區(qū)2016年9～12月份雨水太少，課題組于2017年3～4月份采集了雨水樣,雨水樣中δD和δ18O的測試計算結(jié)果見表1。

由表1可知：研究區(qū)雨水中δD值的變化范圍為-57.25‰～0.62‰，平均值為-22.02‰；雨水中δ18O值的變化范圍為-8.98‰～-1.84‰，平均值為-4.58‰。

表1 研究區(qū)雨水樣中δD和δ18O的測試計算結(jié)果

根據(jù)所取的10個雨水樣的δD和δ18O值(表1)，得到研究區(qū)大氣降水線方程為：δD=7.76δ18O+12.85，并用Grapher軟件繪制出研究區(qū)雨水δD-δ18O關(guān)系圖，見圖3。

圖3 研究區(qū)大氣降水δD-δ18O關(guān)系圖Fig.3 Diagram of δD-δ18O relation of atmospheric precipitation samples in the research area

由圖3可見，與全球大氣降水線和我國大氣降水線相比，研究區(qū)大氣降水線的斜率與我國大氣降水線斜率相近，但各雨水樣點基本都在我國降水線上方，說明研究區(qū)更加富集18O，也說明研究區(qū)的蒸發(fā)強(qiáng)度較我國平均蒸發(fā)強(qiáng)度大。

3.2 研究區(qū)地表水和地下水中D和18O特征

研究區(qū)地表水和地下水中δD、δ18O的測試計算結(jié)果見表2。

表2 研究區(qū)地表水和地下水中δD和δ18O的測試計算結(jié)果

由表2可知，在整個研究區(qū)內(nèi)，地表水和地下水δD值的變化范圍為-56.45‰～-33.14‰，δ18O值的變化范圍為-8.24‰～-4.35‰。

采用Grapher軟件繪制出研究區(qū)地表水和地下水δD-δ18O的關(guān)系圖，見圖4。

圖4 研究區(qū)地表水和地下水δD-δ18O關(guān)系圖Fig.4 Diagram of δD-δ18O relation of surface water and groundwater in the study area

由圖4可見，研究區(qū)地表水和地下水水樣點主要分布在當(dāng)?shù)卮髿饨邓€的下方，構(gòu)成了斜率明顯小于研究區(qū)大氣降水線的蒸發(fā)線，集中反映了蒸發(fā)作用對研究區(qū)內(nèi)各類水體的影響，而且研究區(qū)各含水層的蒸發(fā)強(qiáng)度都較大，澴河地表水的蒸發(fā)線斜率最大，3個地下含水層的蒸發(fā)線斜率相近，但δD和δ18O分布特征卻有所不同。其中，澴河地表水的δD、δ18O值明顯高于3個地下含水層水體中的δD、δ18O值；Ey碎屑巖類裂隙水中的δD、δ18O值較高于第四系松散巖類孔隙水和Qbw2變質(zhì)巖類風(fēng)化裂隙水中的δD、δ18O值。研究區(qū)內(nèi)地表水和地下水中D、18O的富集程度大致表現(xiàn)為：Qbw2變質(zhì)巖類風(fēng)化裂隙水<第四系松散巖類孔隙水

采用Grapher軟件對研究區(qū)地表水與地下水的δD-δ18O進(jìn)行擬合，得到研究區(qū)地表水與地下水δD-δ18O擬合蒸發(fā)線的各種參數(shù)和擬合度，其擬合結(jié)果見表3。

表3 研究區(qū)地表水與地下水δD-δ18O的擬合結(jié)果

綜上分析，可以得到如下結(jié)論：

(1) 研究區(qū)內(nèi)澴河地表水樣點主要分布在當(dāng)?shù)卮髿饨邓€的右側(cè)，擬合的蒸發(fā)線方程為：δD=6.96δ18O-1.96(R2=0.998)，其δD和δ18O值的變幅不大，表明其補(bǔ)給來源單一，主要接受大氣降雨的補(bǔ)給以及上游河流的補(bǔ)給；但并未表現(xiàn)出沿河流富集的特點，這是因為研究區(qū)河流的流程較短的原因。

(2) 研究區(qū)內(nèi)第四系松散巖類孔隙水樣點主要分布在當(dāng)?shù)卮髿饨邓€的右側(cè)，擬合的蒸發(fā)線方程為：δD=6.82δ18O+0.12(R2=0.942)，其δD和δ18O值的變幅最大，蒸發(fā)明顯，表現(xiàn)出該含水層補(bǔ)給來源多元化的特征，其不僅接受大氣降水補(bǔ)給，同時也接受較深層Ey碎屑巖類含水層的補(bǔ)給。

(3) Ey碎屑巖類裂隙水樣點集中分布在當(dāng)?shù)卮髿饨邓€右側(cè)，擬合的蒸發(fā)線方程為：δD=6.01δ18O-5.06(R2=0.906)，但是其δD、δ18O值的變幅較大，表現(xiàn)出該含水層補(bǔ)給來源多元化的特征，其不僅接受大氣降水補(bǔ)給，同時接受山前變質(zhì)巖含水層的側(cè)向補(bǔ)給。

(4) Qbw2變質(zhì)巖類風(fēng)化裂隙水樣點主要分布在當(dāng)?shù)卮髿庥晁€的右側(cè)，擬合的蒸發(fā)線方程為：δD=6.10δ18O-5.29(R2=0.980)，其δD、δ18O值較低，說明該含水層循環(huán)條件相對較好，地下水更新速度較快，也說明了其主要接受山前側(cè)向補(bǔ)給。

(5) 研究區(qū)內(nèi)澴河地表水和各含水層地下水蒸發(fā)線的斜率不同，說明區(qū)內(nèi)各水體的蒸發(fā)強(qiáng)度不同，其蒸發(fā)強(qiáng)度表現(xiàn)為：澴河地表水>第四系松散巖類孔隙水>Qbw2變質(zhì)巖類風(fēng)化裂隙水>Ey碎屑巖類裂隙水，而區(qū)內(nèi)各水體的埋藏深度也表現(xiàn)為：澴河地表水>第四系松散巖類孔隙水>Qbw2變質(zhì)巖類風(fēng)化裂隙水>Ey碎屑巖類裂隙水，說明水體的蒸發(fā)強(qiáng)度與其埋藏深度存在著相關(guān)性。

3. 3 研究區(qū)地表水和地下水中氘過量參數(shù)特征

氘過量參數(shù)(d)主要用來量化及比較氣、液相同位素分餾不平衡程度的差異[29]，其定義為：d=δD-8δ18O，即d值的大小相當(dāng)于當(dāng)?shù)卮髿饨邓€的斜率(ΔδD/Δδ18O)為8時的截距值。d值實際上是對大氣降水過程中綜合環(huán)境的反映[30-31]。研究區(qū)地表水和各含水層地下水中氘過量參數(shù)見表4。

表4 研究區(qū)地表水和各地下水中氘過量參數(shù)

由表4可見，研究區(qū)內(nèi)所有水樣d值的變化范圍為1.66‰～11.11‰，76%的水樣d值集中在4‰～9‰范圍內(nèi)，其中第四系松散巖類孔隙水中d值均值較大，其最大值為11.11‰，明顯高于區(qū)內(nèi)其他水體，并與當(dāng)?shù)卮髿饨邓€有較大的偏離，說明該地下水與其他水體轉(zhuǎn)換頻繁；澴河地表水中d值較區(qū)內(nèi)地下水偏小，主要是由于該地表水夏季蒸發(fā)量較大，破壞了同位素之間的平衡關(guān)系，從而使δD和δ18O值降低；Ey碎屑巖類裂隙水、Qbw2變質(zhì)巖類風(fēng)化裂隙水和第四系松散巖類孔隙水中的d值較為接近，說明這三個含水層的水力聯(lián)系較密切。

根據(jù)研究區(qū)不同類水的d值繪制出相應(yīng)的箱型圖(箱形圖的兩條端線代表最大值和最小值，箱體的大小代表所包含個體取值的離散程度)見圖5。由圖5也可以看出研究區(qū)第四系松散巖類孔隙水中d值比其他類水相對較高。

圖5 研究區(qū)地表水和各地下水中氘過量參數(shù)值箱型圖Fig.5 Box diagram of deuterium excess parameters of surface water and groundwater in the study area

4 結(jié) 論

(1) 研究區(qū)δD和δ18O富集程度的不同體現(xiàn)了區(qū)內(nèi)不同水體水循環(huán)條件的差異性。Qbw2變質(zhì)巖類風(fēng)化裂隙水的δD、δ18O值較低，說明該含水層循環(huán)條件相對較好，地下水更新速度較快；第四系松散巖類孔隙水與Ey碎屑巖類裂隙水δD、δ18O值的變幅最大，蒸發(fā)明顯，表現(xiàn)出該含水層補(bǔ)給來源多元化的特征，同時也說明其與第四系含水層之間的水力聯(lián)系較為密切。

(2) 研究區(qū)不同水體蒸發(fā)線的斜率不同，說明各水體蒸發(fā)強(qiáng)度不同，其蒸發(fā)強(qiáng)度表現(xiàn)為：澴河地表水>第四系松散巖類孔隙水>Qbw2變質(zhì)巖類風(fēng)化裂隙水>Ey碎屑巖類裂隙水；而研究區(qū)內(nèi)各水體的埋藏深度也表現(xiàn)為：澴河地表水>第四系松散巖類孔隙水>Qbw2變質(zhì)巖類風(fēng)化裂隙水>Ey碎屑巖類裂隙水，說明水體的蒸發(fā)強(qiáng)度與埋藏深度存在著相關(guān)性。

(3) 研究區(qū)內(nèi)澴河地表水的d值較各地下水偏小，主要是由于該地表水夏季蒸發(fā)量較大，破壞了同位素之間的平衡關(guān)系；Ey碎屑巖類裂隙水與Qbw2變質(zhì)巖類風(fēng)化裂隙水和第四系松散巖類孔隙水中的d值較為接近，說明這三個含水層的水力聯(lián)系較為密切。