嫩江流域河間地塊地下水和地表水補給關系研究

摘要：地下水和地表水的補給關系研究，是水資源管理、保護以及合理利用的基礎。通過野外測繪、取樣、室內試驗測試以及數值模擬方法，分析了嫩江流域典型河間地塊地下水和地表水的氫氧同位素、水化學特征以及地表水和地下水的補給關系。結果表明：地下水與地表水同位素均因蒸發分餾影響導致同位素富集，淺層地下水富集程度大于深層地下水，地下水富集程度大于地表水；水體中陰離子以HCO-3為主，陽離子以Ca2+、K+和Na+為主，水化學類型主要以Na·Ca-HCO3型或Ca·Na-HCO3型為主；水體中Ca2+與HCO-3主要來源于研究區氣液變質成因的碳酸鹽化巖類的風化/溶解，K+、Na+主要來源于長石類礦物的風化/溶解；地下水與地表水存在相互補給關系，地表水主要通過斷裂通道向地下水進行補給，地下水通過徑流補給至周邊地表河流。研究結果可為嫩江流域的生態建設和水資源管理提供科學依據和數據支撐。

關 鍵 詞：地下水； 地表水； 補給關系； 氫氧同位素； 水化學特征； 嫩江

中圖法分類號： X523

文獻標志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.09.013

0 引 言

嫩江流域位于東北松嫩平原的農牧交錯帶，是中國重要的農牧業、工業及能源生產基地。開展當地水資源補給關系研究對水資源合理開發利用、保障城市供水具有重要的現實意義。

同位素和水化學作為地下水和地表水重要組成部分，是良好的環境示蹤劑，可較為準確地指示地下水和地表水補給關系。水體中的主要離子以及氫氧穩定同位素具有相對穩定的化學性質，可以反映水體在水循環過程中與周圍環境的相互作用，對地表水的水循環過程具有指示作用［1-4］。水體在循環過程中存在同位素分餾現象，使得不同水體間或者受不同因素影響的水體間，同位素含量存在顯著差別，可通過同位素含量分布，分析出不同類型水之間的水力聯系［5-6］。同時，地下水的水化學特征是地質作用、水動力條件和人類活動等長期綜合作用的產物，有助于反演區域水文地質歷史［7-9］。常通過Piper三線圖、Gibbs圖、離子比例關系圖、成分散點圖和水文地球化學模擬等分析方法獲取各離子含量、分析水化學組分的主控因素及水化學類型，進而明確離子來源與水文地質特征［10-16］。考慮到水體中的水化學組分往往受到水文地球化學、水-巖相互作用等因素影響，存在很大不確定性，故采用同位素和水化學相結合的方法，互為印證，可提高水循環關系研究結果的準確性和可靠性。基于此，部分學者已成功采用同位素和水化學相結合的方法探究了地表水與地下水的相互作用關系［17-19］。

本文通過野外考察和室內試驗測試，分析了嫩江流域典型河間地塊地表水和地下水的氫氧同位素以及水化學特征。同時，結合水文地質調查成果和區域地質資料，采用數值模擬方法，進一步研究了地表水和地下水的相互補給關系，以期為流域的生態建設及流域生態水文過程作用機制的深入研究提供科學依據和數據支撐。

1 研究區概況

研究區地處大興安嶺山脈北部東坡，屬嫩江一級支流G河流域，其西側為G河主河，東側為G河一級支流E河，南側為G河與E河交匯地帶。冬季嚴寒而漫長，夏季短暫而炎熱，年平均氣溫-1.2 ℃，凍結期及冰雪覆蓋期6～7個月，年降水主要集中在6～9月份，年蒸發量大于年降水量，屬寒溫帶嚴寒大陸性氣候區的濕度不足帶。

研究區植被發育，山體近南北走向，區內最高點位于中部丘頂，高程為557.2 m，坡頂及坡面基本上為殘坡積物覆蓋，在河流漫灘分布沖洪積物。基巖為二疊紀侵入的二長花崗巖，穿插有閃長玢巖和花崗斑巖巖脈，地下水主要為松散巖類孔隙潛水及基巖裂隙水。

2 樣本采集與分析方法

2.1 樣本采集

2021年9月，采集研究區地表河流G河水樣3個（編號G3、G2、G1）、E河水樣2個（編號E1、E2）以及地下水水樣7個（編號D1～D7），其中D1取樣深度11.0 m、D2取樣深度9.0 m、D3取樣深度1.3 m、D4取樣深度18.0 m、D5取樣深度33.0 m、D6取樣深度5.5 m、D7取樣深度32.0 m，采樣分布點如圖1所示。水樣采集與保存/運輸參照SL187-1996《水質采樣技術規程》、HJ493-2009《水質采樣樣品的保存和管理技術規定》等規程、規范要求。

2.2 測試方法

水樣中的氫氧同位素測試采用穩定同位素比質譜聯用儀Flash HT-IRMS進行測試，測得的氫氧穩定同位素含量為維也納標準平均大洋水（VSMOW）的千分偏差，計算公式為

δ=Rsample-RstandardRstandard×1000‰

（1）

式中：Rsample和Rstandard分別為采集水樣和標準樣品的D或18O的同位素比率（D/1H或18O/16O），其中δD和δ18O的測定精度分別為2‰和0.2‰。

水化學中溶解性總固體（TDS）采用重量法（105 ℃烘干）測定，試驗儀器及型號為ALC210.4，檢出限為0.01 mg/L；CO32-、HCO-3、Cl-、Mg2+、Ca2+采用滴定法測定，其中CO32-、HCO-3檢出限為0.1 mg/L，Cl-、Mg2+、Ca2+檢出限為0.01 mg/L；K+、Na+采用火焰原子吸收分光光度法測定，試驗儀器及型號為原子吸收分光光度計AA-S2 System，檢出限分別為0.05 mg/L和0.01 mg/L；SO42-采用鉻酸鋇分光光度法測定，試驗儀器及型號為可見分光光度計755B，檢出限為0.01 mg/L。

2.3 模擬方法

本模擬根據區域水文地質條件，東西側邊界分別至E河與G河，設定為河流邊界；南部和北部無特殊地貌，設定為諾依曼邊界；最終劃定的模型范圍約為6 km×8 km，并建立如圖2所示的地質三維數值模型。水文地質參數依據注水試驗、抽水試驗、壓水試驗成果，具體取值如表1所列。

為分析地下水和地表水的補給關系，基于地理信息系統，利用MODFLOW、RIVER、MT3DMS程序包來研究補給情況。該耦合模型根據式（2）描述了非穩定流條件下各向異性恒定密度多孔介質中的地下水流動，如下所示：

SsHt=xKxHx+yKyHy+zKzHz-W

x，y，z∈Ω，t≥0

Qriv=Criv（Hriv-hi，j，k） hi，j，k＞Rbot

Qriv=Criv（Hriv-Rbot） hi，j，k≤Rbot

Criv=KLWM

θCkt=xiθDijCkxj-xiθviCk+qsCks+Rn

（2）

式中：Kx，Ky和Kz分別是滲透系數沿x、y 和z方向的分量；H為地下水水位；W為單位含水層的源匯項；SS 為多孔介質的儲水系數；Qriv為河流與含水層之間的流量交換；Criv為河床的滲透系數；hi，j，k為對應節點單元下含水層的水頭；Hriv是河流的水位；Rbot是河床底部的標高；Ck 是k組分的溶解相濃度；θ為地層介質的孔隙度；t為時間；x i是沿直角坐標系軸向的距離；D ij 是水動力彌散系數張量；vi是孔隙水平均實際流速；qs是單位體積含水層流量，它代表源和匯；Cks為源或匯水流中k組分的濃度；Rn為化學反應項。

3 氫氧同位素與水化學特征

3.1 氫氧同位素特征

距研究區最近的GNIP降水穩定同位素監測站點為齊齊哈爾站點（47.38°N，123.92°E，147 m），二者之間無高大山脈阻擋，且降水主要來源相近［20］，因此可用齊齊哈爾站點的大氣降水線方程來表征研究區［21］。研究區不同水體氫氧穩定同位素測試成果繪制δD～δ18O關系圖如圖3所示。根據測試結果可知，研究區地下水δD變化范圍為-96.479‰～-89.190‰，δ18O變化范圍為-14.393‰～-12.935‰；地表水δD變化范圍為-102.086‰～-91.333‰，δ18O變化范圍為-14.339‰～-12.739‰。整體看來，地下水與地表水同位素變化范圍基本一致，地下水與地表水水力聯系強。同時研究區不同水體δD-δ18O關系均偏離大氣降水線（LMWL），說明無論是地下水還是地表水均在一定程度上受到蒸發分餾的影響［22］，且淺層地下水氫氧同位素富集程度大于深層地下水，地下水氫氧同位素富集程度大于地表水。進一步對比發現，E河與淺層地下水水力聯系密切，G河與深層地下水水力聯系密切。

3.2 水化學特征

研究區不同水體水化學Piper三線圖如圖4所示。由圖4可知：從離子含量來看，優勢陰離子為HCO-3，其次為Cl-，SO42-最為貧乏；優勢陽離子為Ca2+、K+和Na+離子，Mg2+相對貧乏。地下水水化學類型主要為Na·Ca-HCO3，地表水水化學類型主要為Ca·Na-HCO3。河流水體離子的來源主要包括巖石和礦物的風化、大氣的干濕沉降以及人類活動等［23］。

研究區水體優勢離子Ca2+與HCO-3濃度存在較好的相關性，如圖5所示，這表明研究區水化學成分受碳酸鹽礦物風化/溶解影響較大。同時經野外地質測繪及薄片鑒定，研究區節理裂隙等導水構造中多夾氣液變質成因的脈狀碳酸鹽化巖類，如圖6所示，這進一步驗證了Ca2+與HCO-3高相關性的結論。而K+、Na+的成因，應與研究區基巖二長花崗巖中長石類礦物的風化/溶解相關，二長花崗巖的主要組成礦物為斜長石（30%～50%）、鉀長石（30%～40%）、石英（25%～28%左右）及少量黑云母（＜5%）。

此外，從化學性質相對保守的Cl-來看［24］，各類水體中的Cl-濃度變化不大，且在地下水及地表水中均表現出了與TDS一致的變化規律，進一步證明地下水與地表水體水力聯系密切。

經氫氧同位素及水化學特征分析，研究區地表水與地下水之間水力聯系密切。從研究區井、泉以及地表水高程等水文地質調查成果分析，地下水流場如圖7所示，此結果表現出地下水補給地表水。

若按照上述補給關系，下游側地表水應為上游地表水和地下水的混合補給。依據同位素質量守恒原理，下游地表水同位素含量應介于上游和地下水之間，但實際同位素測試成果并不支持這一結論。再者，從Cl-以及同位素含量分析，Cl-毫克當量百分數多在10%～30%水平，地下水δ18O平均值為-13.77‰，地表水δ18O平均值為-13.79‰，二者基本相當，推測存在相互補給的關系，只是后期因蒸發分餾及水巖作用影響，出現微弱差異，即地下水在補給地表水的同時，也存在地表水通過其他通道補給地下水的情況。通過查閱區域地質資料及現場地質測繪，G河與E河兩岸均分布斷層三角面地貌，說明兩河流處均分布有斷層，且區域內NE向及NW向斷層多為張性，是導水構造。因此，推測G河與E河也通過兩處地下斷裂通道向地下水進行補給。

4 數值模擬結果與分析

基于構建的地質三維數值模型，開展地下水流模擬，從而分析地下水與地表水的補給關系。采用參數自動校準與手動試錯法相結合驗證模型的一致性，根據研究區連續24個月（2020年10月至2022年10月）的監測數據來評估模型的精度。圖8（a）為穩態校準的結果，圖8（b）為非穩態的校準結果，結果表明模型水位的計算值和測量值較為吻合。因此，該模型具有較好的精確度。

基于校準后的模型開展數值模擬，其結果如圖9、10所示。如圖9所示，模擬結果顯示研究區南側表現為地下水補給地表水，北側則表現出G河和E河補給地下水趨勢；近岸點以及斷層處與地下水的水力聯系較強，而遠岸點與地下水的水力聯系較弱，無明顯交換。此外，E河附近水力梯度雖相對較高，但斷層規模小，地下水交換多發生在淺層；G河附近水力梯度雖相對較小，但斷層規模大，交換多發生在深層。這一結果與3.1中氫氧同位素分析結果一致，即E河與淺層地下水水力聯系密切，G河與深層地下水水力聯系密切。

如圖10所示，溶質運移結果顯示研究區南北兩側均表現出距河流近處濃度變化大，距河流遠處濃度變化幅度相對較小的趨勢。研究區南側，距河流近處濃度表現出快速上升的趨勢，而遠離河流濃度則表現出不斷下降的趨勢，表明南側河流接受地下水的不斷補給，導致溶質差異化上升；研究區北側，盡管遠離河流和靠近河流濃度都呈現下降的趨勢，但靠近河流處的濃度下降速度更快，斜率更大，表明靠近河流位置除自身稀釋外，還在水動力的作用下向地下水進行了補給（這與同位素和水化學分析推斷一致），導致河流附近濃度快速下降，進一步揭示了研究區地下水和地表水存在相互補給關系。圖10顯示出研究區內TDS濃度在東側E河變化比G河濃度變化大，其原因為：東側地勢變化較大，壓力梯度較大，從而導致濃度變化相對較大；從具體環境來看，E河側存在大量種植土地，人類活動較為頻繁，從而導致濃度變化較大；而G河為水源保護河，受人類活動影響較小。

5 結 論

本文通過野外測繪、室內試驗測試以及數值模擬等方法，研究了嫩江流域某河間地塊地下水和地表水的氫氧同位素、水化學特征及其補給關系，得出以下結論：

（1）地下水與地表水同位素變化范圍基本一致，且均在一定程度上受到蒸發分餾的影響，導致同位素富集，淺層地下水富集程度大于深層地下水，地下水富集程度大于地表水。

（2）地下水及地表水中陰離子以HCO-3為主，陽離子以Ca2+、K+和Na+為主，水化學類型主要以Na·Ca-HCO3型或Ca·Na-HCO3型為主。其中，Ca2+與HCO-3主要來源于氣液變質成因的碳酸鹽化巖類的風化/溶解，K+、Na+主要來源于長石類礦物的風化/溶解。

（3）研究區地下水在補給地表水的同時，也存在地表水通過地下斷裂通道補給地下水的情況，且近岸點以及斷層處地表水與地下水的水力聯系較強，遠岸點與地下水的水力聯系較弱。

參考文獻：

［1］ 張兵，宋獻方，張應華，等.三江平原地表水與地下水氫氧同位素和水化學特征［J］.水文，2014，34（2）：38-43.

［2］ 汪敬忠，吳敬祿，曾海鰲，等.內蒙古河套平原水體同位素及水化學特征［J］.地球科學與環境學報，2013，35（4）：104-112.

［3］ 陶蕓，陳鎖忠，都娥娥.基于同位素與水化學分析法的地下水補徑排研究：以蘇錫常地區淺層地下水為例［J］.水文，2011，31（3）：76-81.

［4］ 宋獻方，李發東，于靜潔，等.基于氫氧同位素與水化學的潮白河流域地下水水循環特征［J］.地理研究，2007，26（1）：11-21.

［5］ 王新娟，許苗娟，韓旭，等.基于同位素和水化學的北京平谷盆地地下水循環研究［J］.西北地質，2023，56（5）：127-139.

［6］ 李瀛，楊余輝.伊犁喀什河流域豐水期氫氧穩定同位素及水化學特征［J］.山地學報，2023，41（6）：811-823.

［7］ 劉靖宇，王浪，卜麗娟，等.荒漠綠洲過渡帶地下水氫氧穩定同位素、水化學特征及演化機理研究［J］.干旱區資源與環境，2023，37（12）：92-102.

［8］ QU S，DUAN L M，SHI Z M，et al.Hydrochemical assessments and driving forces of groundwater quality and potential health risks of sulfate in a coalfield，northern Ordos Basin，China［J］.Science of the Total Environment，2022，835：155519.

［9］ EWUSI A，SUNKARI E D，SEIDU J，et al.Hydrogeochemical characteristics，sources and human health risk assessment of heavy metal dispersion in the mine pit water-surface water-groundwater system in the largest manganese mine in Ghana［J］.Environmental Technology & Innovation，2022，26：102312.

［10］SARKER M M R，VAN CAMP M，HOSSAIN D，et al.Hydrochemical characterization and groundwater potential of the deep aquifer system in southwest coastal region of Bangladesh［J］.Journal of Asian Earth Sciences，2022，234：105271.

［11］MANDAL U，DHAR A，PANDA S N，et al.Spatiotemporal evaluation and assessment of shallow groundwater quality for irrigation of a tropical coastal groundwater basin［J］.Environmental Science and Pollution Research，2023，30（55）：116715-116740.

［12］鄭慧銘，張豐，史啟朋，等.煤炭資源型城市淺層地下水水化學特征及成因分析［J］.人民長江，2024，55（2）：51-56.

［13］江宇威，李巧，陶洪飛，等.奎屯河流域2017-2023年地下水水化學特征及成因分析［J］.人民長江，2024，55（5）：66-74.

［14］胡健，范超，盧志剛.贛江中游淺層地下水水化學特征演化及成因分析［J］.人民長江，2024，55（6）：37-44.

［15］李曉波，李靜.大汶河流域中下游淺層地下水水化學特征及其影響因素［J］.環境科學研究，2024，37（5）：1015-1026.

［16］邵杰，滕超，陳喜慶，等.拉月曲流域地表水水化學特征及其影響因素［J］.環境科學與技術，2024，46（12）：1-10，28.

［17］王廣昊，張瑩，徐亮亮，等.衢江流域地表水與地下水的轉化關系［J］.科學技術與工程，2021，21（15）：6165-6174.

［18］蘇小四，萬玉玉，董維紅，等.馬蓮河河水與地下水的相互關系：水化學和同位素證據［J］.吉林大學學報（地球科學版），2009，39（6）：1087-1094.

［19］鄭童心，漆繼紅，許模，等.龍門山沖斷帶盆山體系地下水循環特征分析：以石亭江流域綿竹段為例［J］.人民長江，2024，55（5）：128-135.

［20］柳鑒容，宋獻方，袁國富，等.中國東部季風區大氣降水δ18O的特征及水汽來源［J］.科學通報，2009，54（22）：3521-3531.

［21］溫艷茹，王建力.黑龍江地區不同降水類型中δ18O變化特征及與水汽輸送的關系［J］.西南大學學報（自然科學版），2017，39（12）：119-126.

［22］張艷青，張志才，陳喜，等.西南喀斯特流域巖溶水氫氧同位素時空分布特征及水文意義：以后寨河流域為例［J］.地球與環境，2022，50（1）：25-33.

［23］武小波，李全蓮，賀建橋，等.黑河上游夏半年河水化學組成及年內過程［J］.中國沙漠，2008，28（6）：1190-1196.

［24］袁瑞強，龍西亭，王鵬，等.氯離子質量平衡法應用問題芻議［J］.水文，2015，35（4）：7-13，26.

（編輯：劉 媛）

Study on relationship between groundwater and surface water recharge in inter river block of Nenjiang River Basin

LI Yepeng1，CAI Wujun1，WANG Yonghui2，LU Le1，LI Kenan2，LI Kanglin3

（1.PowerChina Zhongnan Engineering Corporation Limited，Changsha 410014，China； 2.Daxing′anling Branch，China National Petroleum Corporation Daqing Oilfield Co.，Ltd.，Daxing′anling 165000，China； 3.School of Resources and Civil Engineering，Northeastern University，Shenyang 110819，China）

Abstract：

A study on the recharge relationship between groundwater and surface water is a foundation of water resource management，protection，and rational utilization.Through field surveying，sampling，laboratory tests，and numerical simulations，the hydrogen and oxygen isotopes，hydrochemical characteristics，and recharge relationship between surface water and groundwater in typical inter-river plots in the Nenjiang River Basin were analyzed.The results revealed that both groundwater and surface water exhibited isotopic enrichment due to evaporative fractionation，with shallow groundwater displaying a higher degree of enrichment than deep groundwater，and groundwater showing a higher degree of enrichment than surface water.In the water bodies，anions were dominated by HCO3-，while cations were mainly Ca2+，K+，and Na+.The main hydrochemical types were Na·Ca-HCO3 or Ca·Na-HCO3.The Ca2+ and HCO3- in the water mainly originated from weathering and dissolution of carbonate rocks of gas-liquid metamorphism origin in the study area；while K+ and Na+ mainly came from weathering and dissolution of feldspathic minerals.An interdependent recharge relationship exists between groundwater and surface water，surface water primarily recharges groundwater through fault channels，while groundwater recharges surrounding surface rivers through runoff.These findings can provide scientific evidence and data support for ecological construction and water resource management in the Nenjiang River Basin.

Key words：

groundwater； surface water； recharge relationship； hydrogen and oxygen isotopes； hydrochemical characteristics； Nenjiang River