基于同位素技術的冬奧會崇禮賽區地表水-地下水轉化關系研究

師明川，付世騫，杜尚海

(1.河北水文工程地質勘查院，石家莊 050020；2.吉林大學建設工程學院，長春 130021)

地表水-地下水轉化是區域水資源評價與管理過程中最為重要的水循環過程，深入理解地表水-地下水轉化關系對建立區域水循環模式、開展區域水資源評價與管理工作具有重要意義[1-4]。水資源短缺是制約華北地區社會經濟可持續發展和生態環境建設的最重要因素，開展區域地表水-地下水轉化關系研究對區域水資源量和水質的精確評價具有重要意義[5,6]。

環境同位素技術逐漸發展成為水資源研究的重要手段，特別是作為水組成成分的氫氧同位素，在地表水-地下水轉化、地下水的補給來源、水體的蒸發與混合等方面開展了大量研究，取得豐富的研究成果，使得氫氧同位素技術成為地表水-地下水轉化關系研究過程中重要且成熟的手段[7-10]。

本次選取2022年冬奧會供水具有重要意義的崇禮區清水河流域進行研究，分別采集地表水和地下水樣品，對水中氘氧同位素和222Rn分布特征進行綜合分析，深入理解清水河流域地表水-地下水轉化關系，為崇禮地區水資源評價與可持續開發利用提供科學依據。

1 研究區概況

崇禮區位于河北省西北部，隸屬張家口市。正東、東北與赤城縣、沽源縣交界，西南與張家口市區、萬全區毗鄰，西北、正北和張北縣接壤，南隔古長城與宣化區相望。崇禮區交通位置圖見圖1。崇禮區人民政府位于西灣子鎮，全區轄2個鎮、8個鄉。總人口12.6 萬人。

崇禮區屬中山～高中山地貌，地形總體趨勢東北高、西南低，自然傾斜，海拔高度820～2 129 m。區界四周群山環繞，山巒起伏連綿，東溝、正溝、西溝三條大溝呈北東南西向縱貫全區。

崇禮區屬中溫帶亞干旱大陸性季風型山區氣候，常年干旱少雨。年平均氣溫3.2～3.7 ℃，受山區地形的影響，崇禮區年內降水量多集中在6-9月份，時有冰雹、暴雨災害。根據崇禮區1971-2017年的降水量和蒸發量資料，多年平均降水量為472.83 mm，多年平均蒸發量為1 416.45 mm。

崇禮區河流屬兩個水系。崇禮區清三營鄉東部部分流域屬潮白河水系，其流域面積占全區總面積的4.3%。其余皆屬永定河水系，包括清水河和小清水河(盤常河)兩個分支，其流域面積占全區總面積的95.7%。

崇禮區位于洋河盆地東北盆緣山地水文地質區，大部分屬清水河流域水文地質單元，僅清三營鄉東北部小部分屬潮白河流域水文地質單元。區內地下水賦存于松散巖類孔隙、基巖裂隙和碎屑巖類孔隙裂隙中，主要接受大氣降水垂直補給和少量農灌入滲補給，總體由北向南運移，地形坡度較大，地下分水嶺與地表分水嶺一致，邊界條件清楚；在天然狀態下，地下水排泄方式以泉及潛流為主，清水河為其天然排泄通道，區內地表水-地下水之間轉化頻繁且復雜。

2 采樣測試與計算方法

2.1 水樣采集

根據崇禮區的水文地質條件和前期野外調查成果，本次研究分別在東溝、正溝和西溝三條主要溝谷中選擇典型地表水和地下水監測點進行同位素采樣，全區共采集水樣40個，其中地表水水樣18個，地下水水樣19個，大氣降水水樣3個。采樣時間為2018年6月6日至6月9日，采樣過程中分別記錄采樣點的井深、經度、緯度和周邊環境等信息，采樣點空間分布如圖2所示。

圖2 同位素取樣點分布圖Fig.2 Samping points distribution

從采樣點分布圖中可以看出：①東溝共采集水樣12個，地表水水樣6個，地下水水樣6個；②正溝共采集水樣8個，其中地表水水樣4個，地下水水樣4個；③西溝共采集水樣8個，其中地表水水樣5個，地下水水樣3個；④其他監測點9個；⑤大氣降水水樣3個。

2.2 測試指標

同位素樣品的采樣方法參照我國水利部標準中同位素水文技術應用指南：抽取至少三倍于井孔中穩定水的體積且隨時跟蹤測量野外數據，如溫度，pH和電導率。當這些數據穩定后，通過無污染的儀器并遵循相關采樣要求來采集水樣。為了更好地保證試驗分析結果的可靠性，必須保證以下操作的進行：對采樣所用儀器的清潔，和采樣相同的過程采取空白樣，采集平行樣來確定由采樣或者實驗分析帶來的誤差。穩定同位素2H、18O樣品無需經過特殊處理，直接使用螺紋蓋密封，容積為50 mL的線性聚乙稀(PE)瓶取樣即可；放射性同位素222Rn 樣品無需經過特殊處理，直接使用螺紋蓋密封，容積為500 mL的玻璃瓶取樣即可，取樣時間記錄精確到分鐘。

本次野外調查的水化學常規組分測試常規現場測定指標主要為pH和DO，其中pH使用型號為PHS-3E的pH計和玻璃電極法測定，DO使用型號為JPB-607A溶解氧測定儀和電化學探頭法測定；本次研究中氘氧同位素委托北京原生態測試有限公司測試，測定儀器為美國Picarro公司生產的L2130-l，使用方法為WS-CRDS技術(波長掃描光腔衰蕩光譜技術)，本次研究中水體中222Rn同位素含量的測定采用美國Durridge公司RAD7型α能譜氡氣檢測儀。

2.3 基于D和18O的轉化關系計算

根據崇禮區的水文地質條件，可知區內地下水的主要補給來源分別為大氣降水入滲、河水入滲和潛水側向流入等，根據D和18O同位素的質量守恒定律，可以建立穩定同位素的三單元混合模型，計算公式如下：

δDM=f1δD1+f2δD2+f3δD3

(1)

δ18Dm=f1δ18O1+f2δ18O2+f3δ18O3

(2)

f1+f2+f3=1

(3)

式中：δDM代表不同端元水體混合后的氘同位素值；δD1、δD2和δD3分別表示不同混合端元的氘同位素值；δ18OM代表不同端元水體混合后的氧同位素值；δ18O1、δ18O2和δ18O3分別表示不同混合端元的氧同位素值；f1，f2和f3分別表示不同混合端元的混合比例。

2.4 基于222Rn的轉化關系計算

在地下水研究中，222Rn 作為環境示蹤劑可以確定較短時間尺度內地下水的年齡，估算地表水入滲率，推斷裂隙巖含水層水流速率以及地表水與地下水的轉換關系等，其中利用222Rn 作為環境示蹤劑研究地下水對河流的補給非常有效，具有其他環境示蹤劑不可比擬的優勢。這是由于地下水中222Rn 的濃度遠大于地表水222Rn 的濃度，含有高濃度222Rn 的地下水進入地表水將使排泄處地表水的222Rn 濃度增加，同時其具有非常短的半衰期。也就是說，地下水離開含水層，222Rn 將服從放射性衰變規律迅速衰減而具有弱繼承性，因此通過分析沿河地表水222Rn 濃度的變化，可確定地下水排泄的位置和補給率。

根據研究區水文地質條件和地表水測流成果，可以確定研究內地表水-地下水轉化的典型區段，應用222Rn的示蹤原理對地表水-地下水的轉化關系進行定量計算。根據質量守恒定律，上游地表水體某斷面處原有的222Rn總量與下游某斷面處原有222Rn總量之間的差異來自于地下水體對地表水的補給、地表水體中222Rn的衰變以及地表水體中222Rn向空氣中的擴散損失。根據這一原理，在地下水與地表水不同補給關系的區段可構造不同的質量守恒方程，來計算地表水和地下水的轉換量。

對于地下水補給地表水的區段：

(4)

(5)

對于地表水補給地下水的區段：

(6)

(7)

對于地下水補給地表水和地表水補給地下水同時發生的區段：

(8)

(10)

地表水中沿河流222Rn的衰變可用下式表示：

Cu=Cdexp(αL)

(11)

(12)

3 結果與討論

3.1 同位素測試結果分析

本次研究對崇禮區采集的水樣進行了水化學和同位素的測試，測試結果見表1所示。從表中可以看出，崇禮區水體中氘氧同位素的總體分布范圍相對較廣，δD值在-89.16‰～-62.93‰的范圍內變化，平均值為-76.11‰；δ18O值在-12.27‰～-8.10‰的范圍內變化，平均值為-10.39‰。

表1 氘氧同位素測試結果Tab.1 Testing results of D and 18O

本次研究對崇禮區采集的水樣進行了222Rn同位素的測試，測試結果見表2所示。從表2中可以看出，崇禮區水體中222Rn同位素的總體分布范圍相對較廣，活度值在3.45～44.17 Bq/L的范圍內變化，平均值為16.46 Bq/L。其中地下水中222Rn同位素活度值在10.76～44.17 Bq/L的范圍內變化，平均值為25.60 Bq/L；地表水中222Rn同位素活度值在3.45～13.82 Bq/L的范圍內變化，平均值為7.81 Bq/L。由此可見，崇禮區地表水中222Rn同位素活度顯著高于區內地下水中222Rn同位素活度。

表2 水中222Rn測試結果Tab.2 Testing results of 222Rn

3.2 基于D和18O的轉化關系探討

3.2.1 大氣降水中D和18O同位素分布特征

受水汽源區、地理要素和氣象因素等影響，大氣降水的同位素組成變化很大，同一地區不同時間的降水，同位素組成也可能具有較大差異，但由于降水過程中氫氧穩定同位素的平行分餾作用，降水中的δ18O和δD值之間往往具有線性變化規律。Craig(1961)在研究北美大氣降水時發現大氣降水的氫氧同位素組成呈線性變化，降水中的δ18O和δD值都落在一條直線上，并根據這些數據擬合出的大氣降水線方程，即為Craig全球降水線(GMWL)：

δD= 8δ18O+ 10

(13)

降水δ18O和δD之間的這種線性關系為對比地下水和地表水的同位素成分、推斷地下水補給條件、揭示各種水體的蒸發損失和彼此間混合作用提供了理論依據，而且降水δ18O和δD之間的這種線性關系對于研究水循環過程中穩定同位素的變異規律也具有重要意義。受局部地區氣候、水汽來源等因素影響，各個地區的雨水線方程并不相同，主要反映在雨水線的斜率和截距的差異上。為獲取崇禮區大氣降水的D和18O同位素含量特征，本次研究采集區內大氣降水水樣3個，測試結果表明，大氣降水中δD的變化范圍介于-75.16‰ ～ -46.05‰，均值為-58.99‰，δ18O的變化范圍介于-9.86‰ ～ -4.56‰，均值為-7.28‰。

根據崇禮區大氣降水的D和18O同位素含量特征，可以繪制大氣降水中D和18含量的相關關系圖如圖3所示，并采用最小二乘法得到崇禮區的大氣降水線為：

Y=5.4422X-19.37

(14)

從崇禮區大氣降水線可以看出，斜率與截距均明顯小于全球降水線(Y=8X+10)、中國大氣降水線(Y=7.9X+8.2)和北京地區的大氣降水線(Y=6.467X-7.553)，由此說明崇禮區大氣降水主要來源海洋季風帶來的水汽，但海洋水汽在向崇禮區運移的過程中發生了顯著的分餾過程；氘盈余d為-9.52‰～3.70‰，平均值為-0.75‰，該數據表明崇禮區處于半干旱與半濕潤區過渡區。

圖3 地表水-地下水中D和18O相關關系Fig.3 The correlation of D and 18O between surface water and groundwater

3.2.2 地表水中D和18O同位素分布特征

本次研究分別在東溝、正溝和西溝中上游、中游和下游分別采集了地表水同位素樣品，測試結果表明，地表水中δ18O的變化范圍介于-11.92‰～-8.12‰，均值為-10.21‰，δD的變化范圍介于-85.84‰～-64.04‰，均值為-75.38‰。根據地表水中D和18O測試結果，繪制二者之間的相關關系圖，根據最小二乘法同樣可以得到線性回歸方程：

Y=5.7844X-16.204

(15)

從地表水中D和18O的回歸公式可知，崇禮區地表水線的斜率和截距均大于崇禮區的大氣降水線的斜率和截距，表明崇禮區的地表水受到了顯著的蒸發作用影響。

3.2.3 地下水中D和18O同位素分布特征

為了對比分析地表水-地下水之間的轉化關系，本次研究中與地表水同位素取樣對應，分別在東溝、正溝和西溝取地下水同位素樣品，測試結果表明，地下水中δ18O值范圍為-12.27‰～-8.09‰，平均值-10.56‰；δD值范圍為-89.16‰～-62.93‰，平均值為-76.84‰。根據地下水中D和18O測試結果，繪制二者之間的相關關系圖，根據最小二乘法同樣可以得到線性回歸方程：

Y=6.3329X-9.9384

(16)

從地下水中D和18O的回歸公式可知，地下水線的斜率和截距明顯大于地表水線的斜率和截距，表明當地地下水在接受地表水入滲補給的同時，受到顯著的蒸發作用影響。

3.2.4 基于D和18O的地表水-地下水轉化定量分析

根據崇禮區大氣降水、地表水和地下水中D和18O測試結果，可以得到各典型水體的同位素含量特征，由此可以根據同位素守恒，計算出各典型斷面地表水-地下水轉化關系和混合比例。

根據崇禮區的水文地質條件和同位素分布特征可知，區內地下水主要受到大氣降水入滲補給、地表水的入滲補給和地下水的側向流入補給，地表水主要接受上游河水補給和地下水泄流補給。考慮到大氣降水中的同位素含量受到顯著的高程效應影響，因此選擇典型控制點時需要與此次研究中采樣高程接近；由于河水入滲補給地下水后受到蒸發作用影響，因此需要選擇距離較近的地表水和地下水監測點，最大限度地降低蒸發作用的影響。基于上述原則，結合本次野外工作采樣點分布，選定東溝作為此次研究的重點區域。

根據崇禮區東溝的測流結果可知，在東溝的上游地區，主要表現為地下水溢出補給地表水，地下水中D和18O同位素特征以J05點為代表，地表水中D和18O同位素特征以H02為代表、大氣降水中D和18O測試以P1為代表，地下水的側向補給源中D和18O測試以J01和J03的平均值為代表，由此可以計算出，東溝上游地區地下水接受大氣降水的貢獻比例為26%，接受上游地下水的側向流入補給的貢獻比例為70%，接受地表水入滲補給的貢獻比例僅為4%。由此可見，崇禮區東溝上游地區地下水主要接受側向流入補給和當地大氣降水入滲補給，地表水的入滲補給幾乎沒有。

東溝中游地區典型斷面表現為地下水溢出補給地表水，因此選擇中游地下水中D和18O含量以J07為代表，當地地表水中D和18O含量以H04為代表，上游地表水中D和18O含量以H04為代表。計算結果表明，地表水H04接受地下水泄流補給的貢獻里為56%，接受上游河水補給為44%。

3.3 基于222Rn的轉化關系探討

根據崇禮區地表水和地下水中222Rn同位素的測試結果可知，地下水中222Rn同位素活度平均值為25.60 Bq/L，地表水中222Rn同位素活度平均值為7.81 Bq/L，對比分析地表水和地下水監測點處同位素變化趨勢，即可分析出監測段的地表水-地下水轉化關系。

3.3.1 東溝地表水中222Rn沿程分布特征

根據東溝地表水中222Rn同位素活度監測結果繪制沿程變化規律如圖4所示，從圖中可以看出，東溝地表水中222Rn同位素活度在上兩間房村(H25)的4.81 Bq/L到清三營村的(H01)的12.61 Bq/L之間變化，平均值為7.20 Bq/L。從清三營村(H01)開始，地表水中222Rn 同位素活度由于衰變作用表現出逐漸降低的趨勢，在西土城村(H02)地表水中222Rn 同位素活度降低至5.29 Bq/L，遠低于東土城村(J05)地下水中地表水中222Rn 同位素活度(30.97 Bq/L)，說明該段地表水補給地下水，地表水中222Rn 同位素發生自然衰減作用；但在西土城村(H02)至頭道營村(H24)河段，222Rn 同位素活度值略有增大，表明地表水進入西土城村之后開始接受地下水的泄流補給；頭道營村之后的清水河接受東部太子城河的匯入影響和222Rn同位素自然衰減作用影響，地表水中的222Rn 同位素活度再次降低。

圖4 東溝地表水中222Rn 活度變化規律Fig.4 The distribution of 222Rn activities of surface water in Donggou River

3.3.2 正溝地表水中222Rn沿程分布特征

根據正溝地表水中222Rn同位素活度監測結果繪制沿程變化規律如圖5所示，從圖中可以看出，正溝地表水中222Rn同位素活度值在后中山村(H10)的7.06 Bq/L到海流圖村(H06)的15.55 Bq/L之間變化，平均值為12.23 Bq/L。從板申圖村(H05)到海流圖村(H06)地表水中222Rn同位素活度值從13.82 Bq/L增加到15.55 Bq/L，說該段河水接受了地下水的泄流補給，海流圖村(H06)之后的補給強度逐漸降低，地下水中補給至地表水中222Rn同位素活度增加值小于地表水中222Rn同位素活度自身衰變速度。

圖5 正溝地表水中222Rn 活度變化規律Fig.5 The distribution of 222Rn activities of surface water in Zhenggou River

3.3.3 西溝地表水中222Rn沿程分布特征

根據西溝地表水中222Rn同位素活度監測結果繪制沿程變化規律如圖6所示，從圖中可以看出，西溝222Rn同位素活度值在石嘴子村(H15)的3.60 Bq/L和寒清壩村(H14)的12.94 Bq/L之間變化，平均值為6.29 Bq/L。地表水中222Rn同位素活度值從兩間房村(H12)和三岔口村(H13)到寒清壩村(H14)顯著增大，從兩間房村的6.53 Bq/L和三岔口村的4.57 Bq/L增大到寒清壩村的12.94 Bq/L，說明該段地表水接受顯著的地下水泄流補給，寒清壩村(H14)之后到石嘴子村(H15)和啕來廟(H17)222Rn同位素活度值顯著下降，說明該段地表水接受地下水補給的強度逐漸下降，222Rn同位素的自然衰減成為主要控制作用。

圖6 西溝地表水中222Rn 活度變化規律Fig.6 The distribution of 222Rn activities of surface water in Xigou River

3.3.4 基于222Rn的地表水-地下水轉化定量分析

根據以上分析確定的地下水與地表水相互轉化的區段，選擇有河水流量監測數據的幾個區段，應用222Rn的示蹤原理對地下水與地表水的轉化關系進行定量計算。根據質量守恒定律，上游地表水體某斷面處原有的222Rn總量與下游某斷面處原有222Rn總量之間的差異來自于地下水體對地表水的補給、地表水體中222Rn的衰變以及地表水體中222Rn向空氣中的擴散損失。根據這一原理，在地下水與地表水不同補給關系的區段可構造不同的質量守恒方程計算地表水和地下水的轉換量。

根據前文所述河流沿程222Rn同位素特征結合各采樣點河流流量關系驗證得到各個計算區段上地下水與地表水間的轉化關系：H01～H02段地表水向地下水轉化，在H02～H04段地下水向地表水轉化。將各點相關參數(表3)代入到對應公式中計算并得到結果(表4)。在H01～H02段上，地表水向地下排泄27.8 m3/(d·m)；在H02～H04段上，地下水向地表水補給平均速率為17.6 m3/(d·m)，這與前文所初步判斷的地表水-地下水補排關系保持一致。

表3 各取樣點計算參數Tab.3 Calculation parameters in sampling points

4 結 論

通過對崇禮區清水河流域地表水和地下水中環境同位素的研究，得到以下結論：

(1) 東溝中游地區典型斷面表現為地下水溢出補給地表水，因此選擇中游地下水中D和18O含量以J07為代表，當地地表水中D和18O含量以H04為代表，上游地表水中D和18O含量以H04為代表。計算結果表明，地表水H04接受地下水泄流補給貢獻為56%，接受上游河水補給為44%；

表4 各區段地下水與地表水轉化量計算結果Tab.4 Calculation results in different sections between surface water and groundwater

(2) 根據前文所述河流沿程222Rn同位素特征結合各采樣點河流流量關系驗證得到各個計算區段上地下水與地表水間的轉化關系：H01～H02段地表水向地下水轉化，地表水向地下排泄27.8 m3/(d·m)；在H02～H04段地下水向地表水轉化，地下水向地表水補給平均速率為17.6 m3/(d·m)。

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