柳江盆地地表水与地下水转化关系的氢氧稳定同位素和水化学证据

引用本文

谷洪彪, 迟宝明, 王贺, 张耀文, 王明远. 柳江盆地地表水与地下水转化关系的氢氧稳定同位素和水化学证据. 地球科学进展, 2017, 32(8): 789-799
Gu Hongbiao, Chi Baoming, Wang He, Zhang Yaowen, Wang Mingyuan. Relationship Between Surface Water and Groundwater in the Liujiang Basin—Hydrochemical Constrains. Advances in Earth Science, 2017, 32(8): 789-799 复制到剪切板

Doi:10.11867/j.issn.1001-8166.2017.08.0789
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柳江盆地地表水与地下水转化关系的氢氧稳定同位素和水化学证据

谷洪彪, 迟宝明^*, 王贺, 张耀文, 王明远

防灾科技学院, 河北三河 065201

*通信作者:迟宝明(1957-),男,辽宁瓦房人,教授,主要从事地下水科学与工程研究.E-mail:chibaoming@126.com

作者简介:谷洪彪(1984-),男,山东菏泽人,副教授,主要从事地下水工程与地震地下流体研究.E-mail:hongbiaosw@126.com

基金:2014年度河北省普通高等学校青年拔尖人才计划项目“柳江盆地浅层地下水补给及硝酸盐运移规律”(编号:BJ201403)资助

摘要

地表水与地下水相互作用是水循环研究的重要组成部分,是研究区域水资源量的基础。通过实地水文地质调查和采样,在对水体氢氧稳定同位素和水化学组成测定的基础上,分析了盆地内枯水期河水和地下水的水化学和氢氧同位素组成特征及空间变化规律,旨在揭示河水与地下水的相互转化关系。研究表明:盆地内地下水主要为HCO₃-Ca和HCO₃-Ca·Mg类型低矿化度水,各区域地下水具有统一联系性,经历了相同或相似的水化学形成作用;河水水化学类型与地下水相同,且水化学成分来源一致。地下水和河水氢氧同位素组成相接近,最终来源主要为大气降水补给。其中河水在径流过程中受蒸发浓缩作用影响,重同位素略富集。受地形地貌、地质及水文地质条件影响,盆地内地下水与河水之间的补给—排泄相互作用关系具有明显的分段性,相互转化频繁。大石河上游区域和东宫河流域总体上表现为河水受两侧地下水补给;大石河下游区域,表现为河水补给两侧地下水。

关键词: 氢氧同位素; 水化学; 地表水与地下水相互转化; 柳江盆地

中图分类号:P592 文献标志码:A 文章编号:1001-8166(2017)08-0789-11

Relationship Between Surface Water and Groundwater in the Liujiang Basin—Hydrochemical Constrains

Gu Hongbiao, Chi Baoming^*, Wang He, Zhang Yaowen, Wang Mingyuan

Institute of Disaster Prevention, Sanhe Hebei 065201, China

*Corresponding author:Chi Baoming(1957-),male,Wafangdian City,Liaoning Province, Professor. Research areas include groundwater science and engineering.E-mail:chibaoming@126.com

First author:Gu Hongbiao(1984-),male,Heze City,Shandong Province,Associate professor. Research areas include groundwater engineering and earthquake underground fluid.E-mail:hongbiaosw@126.com

Fund:Project supported by the Young Talent Project for General Institute of Higher Education in Hebei Province “Characteristic of shallow groundwater recharge and nitrate-transport in Liujiang Basin”(No.BJ201403)

Abstract

The interaction between surface water and groundwater is not only an important part of the water cycle, but also the foundation of the study on regional water resources quantity. The field hydrogeological investigation and sampling in the Liujiang basin were conducted in the dry season, in April, 2015. The isotopic ratios of hydrogen and oxygen and ion compositions as well as the hydrogeochemical characteristics indicated that the groundwater in the basin was mainly HCO₃-Ca and HCO₃-Ca·Mg type low salinity water. The groundwater of each region had a unified connection, experiencing the same or similar hydrochemical formation, and the surface water had the same hydrochemical type and source of hydrochemical composition as groundwater. The hydrogen and oxygen isotopic compositions of surface water and groundwater were close to each other, which were mainly from the atmospheric precipitation. In the runoff process, the river water was affected by the evaporation concentration so that the heavy isotopes were slightly enriched. Under the influence of topographical, geological and hydrogeological conditions, the interaction between groundwater and surface water in the basin had obvious segmentation and mutual transformation. The river was recharged by both sides of groundwater in upstream region of Dashi River and Donggong River basin while river water supplied groundwater on both sides of it in downstream region of Dashi River.

Keyword: Deuterium and Oxygen-18; Hydrochemistry; Interaction of groundwater and surface water; The Liujiang Basin.

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20世纪80年代以来, 华北地区气候持续偏旱, 水资源短缺日趋严重, 华北面临着严重的水资源危机^[1]。秦皇岛位于华北平原北端, 水资源主要靠境内自然降水, 人均水资源拥有量仅为全国平均水平的1/4, 1987年投产运行的柳江水源地, 为缓解区域水资源的供需矛盾提供了有力保障^[2]。然而, 近30年在人为干预下, 地下水过量开采使得柳江盆地地下水位普遍下降, 出现农用井干涸、地面塌陷、地裂缝等现象^[3]。自然变化和人类活动引起的水文循环过程和水资源量的变化, 对农业生产和生活造成了严重的影响。

环境同位素和水化学方法是描述流域水循环的有效手段^[4]。在地表水与地下水相互作用过程中, 天然水化学组成在一定程度上记录着水体的形成过程和运移途径^[5]。水体中氢氧稳定同位素组成直接参与了水循环过程, 是解释地表水与地下水相互作用关系的有效示踪剂^[6]。流域地表水、地下水相互作用关系问题引起了人们的广泛重视。氢氧同位素和水化学技术已被广泛应用于地表水与地下水相互作用关系及其转化机制方面的研究。例如, 宋献方等^[7]运用地下水和地表水之间在同位素和水化学组成上的差异, 阐明了怀沙河流域地表水和地下水转化关系; 焦艳军等^[8]运用氢氧同位素和水化学成分示踪剂, 研究了济源盆地地表水和地下水之间的转化关系; 张兵等^[9]应用同位素和水化学方法分析了三江平原地表水与地下水的相互作用关系; 胡玥等^[10]应用环境同位素对黑河流域水循环进行了研究。

本文研究的主要目的是分析河水和地下水中水化学和氢氧同位素组分的空间变化特征, 确定区域内地表水和地下水来源以及水流路径, 结合实地水文地质调查和区域状况, 进而研究地表水与地下水的相互转化关系, 以期为盆地水资源评价、开发和利用提供参考依据。

1 研究区概况

柳江盆地位于秦皇岛市抚宁县境内, 地处燕山沉降带东段, 山海关地台隆起的西缘, 南临华北平原和渤海湾, 北至义院口长城脚下, 是一个西翼陡、东翼缓的向斜构造。研究区地处中纬度地带, 属于暖温带半湿润大陆性季风气候。历年平均气温为15 ℃, 夏季平均气温为25.7 ℃; 年平均降雨量为695.5 mm, 主要集中于7~8月, 占全年降雨量的70%~75%; 平均蒸发量为1 646.8 mm。盆地南北长约20 km, 东西宽约12 km, 总面积约400 km², 北、东、西三面为陡峻的高山, 仅南面向渤海开口, 总体地貌特征表现为西北高东南低:北部和西部为低山区, 平均海拔200~300 m; 东部为丘陵区, 海拔为160~300 m; 盆地中部以低缓丘陵为主, 在低山和丘陵之间, 多发育小盆地和河流。柳江盆地自形成一个补给、径流、排泄过程完整以及具有丰富含水介质的地下水系统, 该区出露地层为典型的华北地台型(图1)。区内东、西、南三面均有大面积中元古界花岗岩侵入体分布, 裂隙发育程度较低, 为天然隔水边界; 东宫河西部分布较连续的闪长玢岩、正长斑岩浅层侵入体, 构成隔水边界, 使东宫河小流域成为相对独立的水文地质单元; 向斜轴部出露的石炭、二叠系地层为区内重要的含煤、黏土矿层位, 透水性差, 构成相对隔水边界, 使向斜两翼形成2个相对独立的地下水系统; 北部出露寒武— 奥陶系碳酸盐岩含水层, 且地势较高, 接受大量降水补给, 构成全区补给边界; 盆地中部第四系松散孔隙堆积物厚度相对增大, 小于50 m。地下水整体流向为自西北向东南。区内发育的地表水体主要有大石河、东宫河, 其中大石河是纵贯盆地的主要水系, 向东南方向流入渤海。

有学者曾对柳江盆地开展了地下水赋存特征^[11]、地质构造^[12]、地下水化学特征及污染来源^[13]等方面的研究。近年来, 由于气候干旱, 降水量减少, 灌溉面积增加以及人为浪费严重, 地下水开采量迅速增大, 产生一系列水生态环境问题。认识该区地下水和地表水相互作用关系, 明晰水化学和稳定同位素的变化特征对于评估水资源以及科学规划、利用水资源具有重要意义。

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	图1 研究区地质简图Fig.1 Geological map of the study area

2 样品采集和分析

在水文地质调查的基础上, 以揭示研究区地表水与地下水相互转化关系为研究目的, 于2015年4月(枯水期)共采集水样83组(图2), 包括地下水样60组, 地表水样23组(大石河水样16组, 东宫河水样7组)。其中地下水取样深度均在40 m以内, 目标含水层为浅层地下水。采样前抽取地下水1~3分钟, 氢氧稳定同位素样品选用100 mL聚乙烯采样瓶, 重碳酸根和常规水化学测试样品分别选用500 mL聚乙烯采样瓶, 水样进行现场密封。现场采用多参数水质仪测试温度、pH、氧还原电位(Eh)、溶解氧(Dissolved Oxygen, DO)、矿化度(Total Dissolved Soild, TDS)以及电导率(Electrical Conductivity, EC)等指标。水样送达防灾科技学院水环境化学分析实验室后, 4 ℃冷藏保存至测试分析。采用离子色谱仪(ICS-2100, Thermo)测定Cl^-和S $\begin{matrix} O_{4}^{2 -} \end{matrix}$ ; 电感耦合等离子体发射光谱仪(ICP-OES)测定K⁺, Na⁺, Ca²⁺和Mg²⁺; 用盐酸标准溶液滴定法测定HC $\begin{matrix} O_{3}^{-} \end{matrix}$ 。δ ¹⁸O和δ D利用液态水同位素分析仪(DLT-100)测定, 测试精度分别为± 0.1‰ 和± 1‰ 。氢氧稳定同位素比率以相对于“ 维也纳标准平均海洋水(VSMOW)” 的千分偏差来表示:δ =(R_样品-R_标准)/R_标准× 1000。式中:R_样品为河水样品中¹⁸O/¹⁶O(D/H)的比值; R_标准为VSMOW中¹⁸O/¹⁶O(D/H)的比值。

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	图2 研究区地理位置及采样点分布示意Fig.2 Position of the study area and the map of sampling points

3 水化学和氢氧同位素特征

3.1 水化学组成特征

柳江盆地河水和地下水水化学统计特征见表1。河水pH为8.3~9.9, 为碱性水; DO变化范围为7.1~20.4 mg/L, 大部分水样点为9.0~15.0 mg/L, Eh变化范围为36.1~176.0 mV, 河水处于弱氧化环境, 具有一定自净能力; TDS和EC变化范围分别为54.8~194.4 mg/L和91.3~319.0 μ s/cm, 为低矿化度水。地下水pH变化范围为6.6~8.3, 平均值为7.8, 低于河水pH, 呈中性弱碱性水; DO为2.9~14.3 mg/L, 含量较低, 这主要是由于在各种氧化过程中, 溶解氧被消耗而减少; 地下水Eh为34.1~248.5 mV, 大部分水样点Eh< 200.0 mV, 溶解氧含量在一定程度上决定了地下水氧化还原电位较低。TDS和EC变化范围分别为81.1~479.0 mg/L和115.1~745.0 μ s/cm。水样为淡水, 低矿化度、低电导率说明研究区地下水径流条件较好, 有利于溶滤作用进行, 导致易溶盐含量较低。

河水中常量组分以HC $\begin{matrix} O_{3}^{-} \end{matrix}$ , Cl^-和Ca²⁺为主, 平均含量分别为268.0, 41.7和40.5 mg/L, 其次为Na⁺, Mg²⁺, S $\begin{matrix} O_{4}^{2 -} \end{matrix}$ 和K⁺, 表现出河水易受外部环境影响的特征。地下水中常量组分以HC $\begin{matrix} O_{3}^{-} \end{matrix}$ , Ca²⁺和S $\begin{matrix} O_{4}^{2 -} \end{matrix}$ 为主, 平均含量分别为376.4, 76.3和61.8 mg/L, 其次为Na⁺, Mg²⁺, Cl^-和K⁺, 表现出弱矿化水特征。由水化学Piper图可以看出(图3), 河水和地下水水化学性质均以碱土金属为主, 碳酸盐硬度大于50%。结合采样点分布图, 大石河水化学类型以HCO₃-Ca型和HCO₃· Cl-Ca· Na型为主, 个别为HCO₃-Ca· Mg型水。东宫河水化学类型均以HCO₃-Ca· Mg型为主, 水化学类型单一。地下水水化学类型以HCO₃-Ca· Mg和HCO₃-Ca为主, 个别为HCO₃-Ca· Na和HCO₃· SO₄-Ca· Mg型水。盆地受地形地貌、地质及水文地质条件控制, 分为多个相对独立的地下水含水系统, 而各系统浅层地下水水化学类型表现出统一的联系性。表明各区域地下水来源相同, 由于地下水径流途径较短, 经历了相同或相似的水化学形成作用。其中HCO₃-Ca· Mg型地下水主要分布于东宫河流域, 与东宫河水化学类型一致; HCO₃-Ca型水主要分布于研究区西部和中部, 与大石河水化学类型一致。

柳江盆地地下水和河水均以HC $\begin{matrix} O_{3}^{-} \end{matrix}$ 和Ca²⁺为优势阴、阳离子, 说明河水和地下水来源相同, 且地下水水化学类型空间分布情况与河水较一致, 表明地下水与河水存在一定程度的水力联系。

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	图3 研究区河水和地下水水化学Piper图Fig.3 The Piper diagram of river water and groundwater in the study area

表1 研究区地表水和地下水水化学组分描述性统计分析 Table 1 Descriptive statistical analysis of chemical components of surface water and groundwater in the study area

项目		T	pH	DO	Eh	TDS	EC	K⁺	Na⁺	Ca²⁺	Mg²⁺	HC $\begin{matrix} O_{3}^{-} \end{matrix}$	S $\begin{matrix} O_{4}^{2 -} \end{matrix}$	Cl^-	δ ¹⁸O	δ D
地表水	最小值	12.1	8.3	7.1	36.1	54.8	91.3	0.1	2.7	18.0	2.3	82.4	1.3	19.1	-8.9	-59
	最大值	18.6	9.9	20.4	176.8	194.4	319.0	4.5	200.9	107.4	71.8	488.0	15.6	87.8	-6.2	-51
	平均值	15.0	8.9	11.6	93.8	114.9	192.3	0.8	15.4	40.5	11.2	268.0	6.6	41.7	-7.3	-52
	标准差	1.4	0.7	2.7	32.3	39.2	63.0	0.8	14.5	13.2	6.8	116.6	3.7	18.8	0.7	3.1
	变异系数	9.3	8.1	23.7	34.5	34.1	32.7	102.5	94.0	32.5	60.6	43.5	56.3	45.2	9.2	5.9
地下水	最小值	6.5	6.6	2.9	34.1	81.1	115.1	0.1	3.7	23.6	4.1	44.8	15.5	2.3	-8.8	-61
	最大值	17.0	8.3	14.3	248.5	497.0	745.0	26.7	85.9	171.2	57.9	876.9	213.4	91.4	-7.0	-51
	平均值	12.0	7.8	8.5	123.3	201.5	314.6	3.5	23.4	76.3	20.6	376.4	61.8	17.8	-8.1	-57
	标准差	2.2	0.3	1.8	42.0	84.7	134.2	5.3	18.9	33.7	11.5	194.8	39.5	15.9	16.2	2.2
	变异系数	18.5	4.4	21.7	34.1	42.0	42.7	151.2	80.8	44.2	55.8	51.8	64.0	89.0	4.6	3.9

表1 研究区地表水和地下水水化学组分描述性统计分析 Table 1 Descriptive statistical analysis of chemical components of surface water and groundwater in the study area

3.2 水化学来源分析

天然水体中的可溶性离子主要来源于岩石和土壤的风化溶解以及部分大气输入或沉降。将研究区地下水和河水测试所得数据绘于Gibbs图(图4)中。地下水样和河水样的Na⁺/(Na⁺+Ca²⁺)的值分别为0.04~0.48和0.01~0.39, Cl^-/(Cl^-+HC $\begin{matrix} O_{3}^{-} \end{matrix}$ )的值分别为0.08~0.49和0.12~0.30。各水样点分布较集中, 落于岩石因素控制带附近, 并稍向降水因素控制带偏移, 说明各水体中离子主要来源于岩石的风化作用, 同时受降水因素影响。地下水和河水的离子来源一致, 进一步表明河水与地下水存在一定程度的水力联系。

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	图4 Gibbs图解法比较柳江盆地各水体水化学特征Fig.4 Comparison of water chemistry characteristics of Liujiang Basin using Gibbs graphical method

3.3 电导率变化特征

电导率(EC)是水体中总溶解离子含量的总体反映, 在一定程度上反映了水流在区域水循环过程中径流途径和滞留时间的长短。根据不同水体中电导率的空间分布特征, 可以大致推断水的运移路径, 从而进一步揭示地表水与地下水的相互作用关系^{[5, 14]}。

由图5可知, 研究区水体的电导率较低, 其中大石河流域河水电导率变化范围为183.0~319.0 mV。沿大石河上游(r01~r07)顺河流而下, 地形起伏较大, 河道坡度陡峭, 河水电导率沿程呈增加趋势(图5a)。图5b展示了该区地下水电导率为133.9~534.0 mV, 与河水电导率对比变化关系不确定, 表明地下水和河水的相互转化较频繁; 西部支流河水(r08~r10), 由于运移路径较短, 电导率为流域最低值。大石河下游受西部支流汇入影响, 河水电导率较上游呈显著下降趋势, 但随运移路径的延长, 河水电导率显著增大。大石河下游区域, 地下水电导率为297.7~527.0 mV, 总体上大于上游区域地下水的电导率, 表明地下水在较长的径流途径过程中溶解了更多的矿物质。该区地下水电导率远大于河水电导率, 差异显著, 表明地表水和地下水系统相对独立, 地下水接受地表水补给量相当少或不接受地表水补给。东宫河流域河水电导率变化范围为174.2~287.0 mV, 沿流向总体呈下降趋势, 变化幅度较小。该流域地下水电导率为118.1~359.0 mV, 与河水电导率相接近, 且对比变化关系不确定, 表明地下水与河水的相互转化较频繁。

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	图5 研究区河水和地下水电导率空间分布特征Fig.5 Spatial distribution of EC of river water and groundwater in the study area

3.4 氢氧稳定同位素组成特征

3.4.1 河水氢氧同位素组成分析

柳江盆地河水δ D和δ ¹⁸O的变化范围分别为-59‰ ~-51‰ 和-8.9‰ ~-6.2‰ , 平均值分别为-52‰ 和-7.3‰ (表1), 沿流向变化特征见图6。如图6所示, δ D和δ ¹⁸O沿流向变化趋势显著, 主要分为3个部分。其中大石河上游河水δ D和δ ¹⁸O较富集, 沿流向总体呈上升趋势; 大石河下游河水δ D和δ ¹⁸O同样受西部支流补给影响, δ D和δ ¹⁸O较上游贫化。随着径流途径的延长, 河水受到一定程度蒸发作用导致氢氧同位素富集, δ D和δ ¹⁸O沿流向呈上升趋势; 除水样点r18外, 东宫河流域河水δ D和δ ¹⁸O组成较大石河富集, 沿程无显著变化规律, 呈波动式上升、下降。水样点r18位于东部落地区, 泉水在该区集中出露, 主要来源于深层岩溶裂隙水^[3]。该区河水可能受到泉水补给影响, δ D和δ ¹⁸O较其他河段贫化。

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	图6 研究区河水δ D, δ ¹⁸O沿程变化特征Fig.6 Variation of the river water δ D, δ ¹⁸O along the distance in the study area

3.4.2 地下水氢氧同位素组成分析

地下水氢氧稳定同位素组成随井深变化特征见图7, δ D和δ ¹⁸O变化范围分别为-61‰ ~-51‰ 和-8.8‰ ~-7.0‰ , 平均值分别为-57‰ 和-8.1‰ 。当井深小于8 m时, 水体中δ D和δ ¹⁸O变化范围较大, 可能受到大气降水补给、河水补给以及蒸发作用共同影响; 当井深大于8 m时, 水体中δ D和δ ¹⁸O呈略富集趋势, 总体趋于平稳, 说明地下水所处环境较稳定。地下水氢氧稳定同位素组成总体较河水贫化, 但比较接近, 说明地下水与河水存在密切的水力联系。

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	图7 研究区地下水δ D, δ ¹⁸O随井深变化特征Fig.7 Variation of the groundwater δ D, δ ¹⁸O with the depth of wells in the study area

3.4.3 水体δ D-δ ¹⁸O关系

柳江盆地不同水体δ D-δ ¹⁸O关系见图8。根据柳江盆地的降水数据(于2013年采集大气水样39组)建立当地大气降水线为:δ D=7.8δ ¹⁸O+8.1(R²=0.65)。其氢氧稳定同位素值分布较离散, 这主要受季风气候影响。夏季盛行的偏南风带来了太平洋的海洋气团, 水汽在长距离输送过程中受到了蒸发作用影响, 分馏作用增强导致剩余水汽中δ D和δ ¹⁸O贫化; 冬季盛行的偏北风带来了大陆气团, 在低温控制下, δ D和δ ¹⁸O贫化作用减弱, 降水中δ D和δ ¹⁸O富集。

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	图8 研究区不同水体δ D-δ ¹⁸O关系图Fig.8 δ D-δ ¹⁸O relationship of different water bodies in the study area

根据地下水和河水测试数据分别建立地下水线和河水线为:δ D=4.7δ ¹⁸O-19.0(R²=0.61), δ D=3.2δ ¹⁸O-29.5(R²=0.81), 地下水线斜率为4.7, 河水线斜率为3.1, 均小于大气降水线斜率, 说明地下水和河水同位素组成受到一定程度蒸发作用影响。另一方面, 与大气降水线相比, 地下水线斜率与河水线较相近, 表明研究区地下水与河水的水力联系强。各地下水样点和河水样点均分布于当地大气降水线附近, 表明大气降水是河水和地下水的主要来源。其中河水沿大气降水线的分布范围较大, 水体中氧同位素组成存在差异。其原因是河水的δ ¹⁸O与高程之间具有较好的负相关性, 表明河水存在着明显的氧同位素高程效应。沿河流运移方向, 高程逐渐降低, 河水δ ¹⁸O表现为富集; 地下水沿大气降水线的分布范围较小, 氧同位素组成相接近。由于盆地范围小, 各区域地下水径流途径较短, 且丰富的孔隙介质为地下水径流提供了有利条件, 同位素交换、溶解速度无显著差异, 各区域地下水中δ ¹⁸O较接近。河水样和地下水样均位于大气降水线左下方, 推断地下水和河水可能受到冬季融雪补给的影响, 其水体的同位素比值相对偏负。

4 地下水与地表水相互作用关系

通过分析地下水和河水氢氧稳定同位素组成, 结合地形地貌水文地质条件以及实际测流和采样点分布图(图2)等, 探讨研究区河水与地下水相互作用关系(图9)。

大石河流域, 总体上河水与地下水δ D-δ ¹⁸O组成相接近(图10), 上游北沟— 义院口一带, 河水(r01, r02)同位素组成较河流东侧地下水(w25, w24)贫化, 而较西侧地下水样w26富集, 表现为河流以西为地下水排泄补给河水, 河流以东为河水补给地下水; 东王庄— 驻操营— 大柳树一带, 河水(r03~r05)δ D和δ ¹⁸O较地下水(w49, w53, w23)富集, 而河水电导率小于两侧地下水。由水文地质调查可知, 该区位于研究区北部山前地带, 地下水位埋深较大, 河水位高于地下水水位, 地下水在接受河水补给的同时接受下伏深层岩溶水的补给, 导致水体中δ D和δ ¹⁸O贫化。河水渗入补给地下水过程中, 不断溶解土壤中的溶解性盐类, 使地下水中电导率增大; 大柳树— 徐庄一带, 河水(r06)δ D和δ ¹⁸O较地下水(w20, w57)富集, 河流两侧均为地下水排泄补给河水; 徐庄— 半壁店一带, 河水δ D和δ ¹⁸O较西侧地下水(w19)富集, 较东侧地下水(w21)贫化, 表现为河流西侧接受地下水排泄补给, 河水又补给东侧地下水; 大石河西部支流花场峪一带, 河水(r08)δ D和δ ¹⁸O较地下水(w08)贫化, 主要为河水补给地下水。刘家房— 北杨庄— 车厂一带, 河水(r09, r10)δ D和δ ¹⁸O较两侧地下水均富集, 表现为河流两侧地下水排泄补给河水; 大石河下游区域, 河水δ D和δ ¹⁸O较两侧地下水富集, 电导率低于两侧地下水(图4), 推断该区地下水可能接受非常少量的河水补给, 主要来自深层岩溶水的补给量较大, 导致浅层地下水重同位素贫化, 可溶盐含量较高。

东宫河流域河水与地下水δ ¹⁸O组成差异性较大(图11), 表现为河水δ D和δ ¹⁸O富集, 分布于大气降水线右上方, 地下水δ D和δ ¹⁸O贫化, 分布于大气降水线右下方。程庄至黄土营村一带, 地下水电导率和δ D和δ ¹⁸O组成均小于河水, 该区河水接受两侧地下水排泄补给; 黄土营至东部落区域, 河水(r18)δ D和δ ¹⁸O较地下水(w41)略富集, 且电导率大于河水, 该区河水接受两侧地下水排泄补给; 东部落— 沙河寨一带, 河水δ D和δ ¹⁸O较两侧地下水富集, 且河水电导率略大于地下水, 表明河水接受两侧地下水排泄补给; 黄土营村以东支流(r17)和东部落以东支流(r19)区域, 均表现为河流北侧接受地下水排泄补给, 河水又补给南侧地下水, 上述两支流区域河水与地下水补排形式相同。

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	图9 研究区地下水与地表水相互作用关系示意Fig.9 Relationship between groundwater and surface water in the study area

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	图10 研究区大石河流域河水与地下水δ D, δ ¹⁸O关系图Fig.10 The relationship between δ D and δ ¹⁸O of river water and groundwater in Dashi River Basin

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	图11 研究区东宫河流域河水与地下水δ D和δ ¹⁸O关系图Fig.11 The relationship between δ D and δ ¹⁸O of river water and groundwater in Donggong River Basin

5 结论

通过野外水文地质考察取样和室内测试, 分析了柳江盆地地下水和河水水化学和氢氧稳定同位素组成特征, 探讨了地下水和河水的相互作用关系, 得出以下结论:

(1)盆地受地形地貌、地质及水文地质条件控制, 分为多个相对独立的地下水含水系统, 而各系统浅层地下水水化学类型具有统一的联系性。表明浅层地下水补给源相同, 由于地下水径流途径、滞留时间较短, 各区地下水经历了相近或相似的水化学形成作用。

(2)盆地内河水和地下水的电导率较低, 水化学类型均以HCO₃-Ca和HCO₃-Ca· Mg型低矿化度水为主, 且水化学类型空间分布较一致, 说明盆地内水的最终来源主要为大气降水, 地下水与河水存在一定程度的水力联系。地下水样点和河水样点分布于当地大气降水线附近, 进一步表明河水和地下水均来源于大气降水补给。其中河水受蒸发浓缩作用影响, 重同位素组成较地下水略富集。

(3)受地形地貌、地质条件等因素控制, 枯水期地下水与河水的相互作用关系具有明显的分段性:大石河上游区域, 主要表现为河水西侧受地下水排泄补给; 大石河西部支流区域, 表现为河水受两侧地下水补给; 大石河下游区域, 河水补给两侧地下水; 东宫河流域, 干流河水受两侧地下水排泄补给, 而支流河水单侧接受地下水补给。

本研究仅针对枯水期进行了地下水与河水相互转化关系的定性分析, 柳江盆地地质及水文地质条件较为复杂, 同时受人类活动影响强烈, 不同时期地下水与河水的相互作用关系可能存在较大的差异。因此, 在今后的研究中需进一步探讨丰水期各水体转化关系, 为水资源开发和管理提供科学的参考依据。

The authors have declared that no competing interests exist.

参考文献

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... 20世纪80年代以来,华北地区气候持续偏旱,水资源短缺日趋严重,华北面临着严重的水资源危机^[1] ...

1998

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. 1998, 4:1-3

Study on sustainable utilization of water resources in Qinhuangdao

秦皇岛市水资源持续利用研究

Zhao Yuhua.

赵玉华

... 秦皇岛位于华北平原北端,水资源主要靠境内自然降水,人均水资源拥有量仅为全国平均水平的1/4,1987年投产运行的柳江水源地,为缓解区域水资源的供需矛盾提供了有力保障^[2] ...

2015

0.0

. 2015, 22(2):90-95

Study on groundwater cycle in Donggong River Basin using data of hydrochemistry, D and ¹⁸O

基于水化学及D、 18 O的柳江盆地东宫河流域地下水循环特征解析

Song Yang , Chi Baoming , Gu Hongbiao

宋洋, 迟宝明, 谷洪彪

... 然而,近30年在人为干预下,地下水过量开采使得柳江盆地地下水位普遍下降,出现农用井干涸、地面塌陷、地裂缝等现象^[3] ...

... 水样点r18位于东部落地区,泉水在该区集中出露,主要来源于深层岩溶裂隙水^[3] ...

1981

0.0

... 环境同位素和水化学方法是描述流域水循环的有效手段^[4] ...

2007

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. 2007, 26(1):11-21

Characteristics of groundwater cycle using deuterium, oxygen-18 and hydrochemistry in Chaobai River Basin

基于氢氧同位素与水化学的潮白河流域地下水水循环特征

Song Xianfang , Li Fadong , Yu Jingjie

宋献方, 李发东, 于静洁

... 在地表水与地下水相互作用过程中,天然水化学组成在一定程度上记录着水体的形成过程和运移途径^[5] ...

... 根据不同水体中电导率的空间分布特征,可以大致推断水的运移路径,从而进一步揭示地表水与地下水的相互作用关系^[5,14] ...

2014

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. 2014, 25(3):327-335

Characteristics of stable isotopes in precipitation,surface water and groundwater in the Dongting Lake region

洞庭湖湖区降水#cod#x02014;地表水#cod#x02014;地下水同位素特征

Zhan Lucheng , Chen Jiansheng , Zhang Shiyin

詹泸成, 陈建生, 张时音

1. Geotechnical Research Institute, Hohai University, Nanjing 210098, China; 2. College of Earth Sciences and Engineering, Hohai University, Nanjing 210098, China

In order to perform a detailed investigation of the characteristics of temporal and spatial isotopic variation in the Dongting Lake region and to understand the interrelations of different water bodies in the same area, samples of surface water and groundwater were taken in April and August 2012, respectively. The hydrogen and oxygen isotopic compositions of all the samples were analysed and by combining them with isotopic data obtained from precipitation in Changsha from 1988 to 1992, published by the global network of isotopes in precipitation (GNIP), we find that this region is influenced by different monsoons throughout the year. Consequently, the isotopic compositions of precipitation and surface water demonstrate significant seasonal differences: Enriched in April and depleted in August. Additionally, the isotopic composition of surface water displays great spatial variation. The slopes of the surface water lines in April and August are all smaller than that of the local meteoric water line, which indicates the existence of evaporation of surface water. Even though the original source of both surface water and groundwater is precipitation, groundwater exhibits little seasonal variation compared with surface water, because groundwater recharge by surface water is a long-term process.

为探明洞庭湖湖区水体稳定同位素时间和空间上的变化规律，弄清各水体间的相互关系，分别在2012年4月和8月对区域内具有代表性的采样点进行了地表水和地下水的采样。通过对样品进行D、 18 O同位素分析，结合全球大气降水同位素监测网（GNIP）公布的1988—1992年间长沙降水同位素数据，发现湖区年内受不同盛行风影响，降水及地表水的同位素存在较大的季节性差异，4月份同位素富集，8月份贫化。此外，河水、湖水同位素也呈现明显的空间差异。两个时期地表水的水线斜率均小于当地降水线，地表水在两个时期均存在蒸发作用。虽然地表水和地下水的来源均为大气降水，但与地表水相比，地下水同位素季节变化较小，地下水接受地表水补给是一个较为长期的过程。

... 水体中氢氧稳定同位素组成直接参与了水循环过程,是解释地表水与地下水相互作用关系的有效示踪剂^[6] ...

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Relationship between surface water and groundwater using environmental isotope technique in Huaisha River Basin

基于环境同位素技术的怀沙河流域地表水和地下水转化关系研究

Song Xianfang , Liu Xiangchao , Xia Jun

宋献方, 刘相超, 夏军

... 例如,宋献方等^[7]运用地下水和地表水之间在同位素和水化学组成上的差异,阐明了怀沙河流域地表水和地下水转化关系 ...

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Characteristics of hydrochemistry and stable hydrogen,oxygen isotopes in surface water and groundwater in Jiyuan Basin

济源盆地地表水和地下水的水化学及氢、氧同位素特征

Jiao Yanjun , Wang Guangcai , Cui Linfeng

焦艳军, 王广才, 崔霖峰

... 焦艳军等^[8]运用氢氧同位素和水化学成分示踪剂,研究了济源盆地地表水和地下水之间的转化关系 ...

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Hydrogen and oxygen isotopic and hydrochemical characteristics of water in Sanjiang Plain

三江平原地表水与地下水氢氧同位素和水化学特征

Zhang Bing , Song Xianfang , Zhang Yinghua

张兵, 宋献方, 张应华

摘　要：地表水与地下水的相互作用是水循环研究中的重要组成部分,是水资源管理、规划和优化配置的基础.通过野外考察取样和室内测试分析,应用同位素和水化学方法分析了三江平原地表水与地下水的相互作用关系.结果表明：兴凯湖水氢氧同位素最富集,乌苏镇井水同位素最贫化.松花江、黑龙江和乌苏里江沿河流流向,δD都呈现贫化的趋势;δ18O在松花江和黑龙江沿河流流向有富集的趋势,而沿乌苏里江则呈现贫化趋势.在松花江和黑龙江汇合处,黑龙江江水同位素贫化,电导率低.深井的氢氧同位素比浅井贫化,电导率较小.三江平原当地大气降水线（LMWL）为δD=7.4δ18O-3.1.三江平原水化学主要是Ca＆#183;Mg-HCO3型,在人类活动较大的地方,水化学类型发生了改变.利用氢氧同位素和水化学分析表明降水是地表水和地下水的补给源,地表水与地下水水力联系较强.地表水与地下水应作为统一体进行水资源管理.

... 张兵等^[9]应用同位素和水化学方法分析了三江平原地表水与地下水的相互作用关系 ...

2014

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Application of environmental isotopes in understanding hydrological processes of the Heihe River Basin

环境同位素在黑河流域水循环研究中的应用

Hu Yue , Liu Chuankun , Lu Yuehan

胡玥, 刘传琨, 卢粤晗

Recent studies using environmental isotopes ( 2 H, 3 H, 14 C, 18 O, and 222 Rn) were summarized to trace hydrological processes in the Heihe River Basin (HRB). Isotopic values from various types of waters (i.e., precipitation, surface water, and groundwater) at multiple spatiotemporal scales within the basin have been synthesized. The measurements of δD and δ 18 O values show that: precipitation in the upper-basin constitutes the primary source for surface water and shallow groundwater in the HRB; frequent surface water-shallow groundwater exchanges take place mainly in the middle HRB; and in the lower HRB, shallow groundwater is recharged primarily by river water while deep groundwater is largely isolated from modern recharge sources. This finding for the lower HRB is further confirmed by 14 C and 3 H measurements, which demonstrate that shallow, unconfined groundwater is younger than deep, confined groundwater. Future research should be focused more on increasing sampling resolution in time and space, utilizing multiple isotopes in tandem with other geochemical tracers for more quantitative research, as well as integrating results from isotope-based, geochemical investigations into construction and calibration of numerical models.

为了解不同时空尺度上黑河流域水循环机制,总结了近年来黑河流域进行的氘氧稳定同位素以及氚、碳和氡放射性同位素研究( 2 H, 18 O, 3 H, 14 C, 222 Rn),得到各类水体(降水、河水、地下水)采样点的分布及分析结果。稳定同位素结果表明上游山区降水是全流域主要的水资源产生区,中游地表—地下水交互频繁,下游浅层地下水主要接受河水补给,深层地下水则相对封闭。放射性同位素也表明下游浅层地下水年龄小于深层,与稳定同位素结果相符。总体来说,环境同位素对黑河流域的水循环研究还处于定性研究阶段。今后研究方向应致力于丰富采样的时空尺度, 同时采用多种同位素并结合其他地球化学指标以定量研究结果,并将结果应用于水文数学模型的构建和校正。

... 胡玥等^[10]应用环境同位素对黑河流域水循环进行了研究 ...

1985

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. 1985, 4:20-24

An analysis of the enrichment rule karst groundwater in Liujiang Basin

柳江盆地岩溶水富水规律剖析

Tian Jisheng.

田级生

... 有学者曾对柳江盆地开展了地下水赋存特征^[11]、地质构造^[12]、地下水化学特征及污染来源^[13]等方面的研究 ...

1996

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