陳彭，王威，馬震，施佩歆，王國明

（中國地質(zhì)調(diào)查局天津地質(zhì)調(diào)查中心，天津 300170）

河北省唐山市陡河流域地下水年齡評(píng)價(jià)

陳彭，王威，馬震，施佩歆，王國明

（中國地質(zhì)調(diào)查局天津地質(zhì)調(diào)查中心，天津 300170）

利用環(huán)境同位素研究地下水年齡對(duì)區(qū)域地下水資源評(píng)價(jià)提供可靠依據(jù)。本文以陡河流域?yàn)槔?，通過采集大量地下水中的環(huán)境同位素樣品，測(cè)試水中氚、CFCs和14C含量，分別計(jì)算地下水年齡，評(píng)價(jià)地下水的可更新能力。研究結(jié)果表明：Q4含水層受井孔利用情況平均滯留時(shí)間存在顯著差異；Q3含水層地下水年齡最廣，從70年以前的老水到新水不等；Q2含水層主要為生活供水和工業(yè)開采層，遠(yuǎn)離河岸帶地下水年齡10～70年；遠(yuǎn)離河岸帶Q1含水層地下水為冷濕氣候下補(bǔ)給；灌區(qū)地下水澆灌過程中與大氣接觸發(fā)生空氣-水平衡，使得CFCs不適合于灌區(qū)地下水年齡計(jì)算。

陡河流域；地下水年齡；CFCs；14C；氚

地下水的年齡受控于區(qū)域含水層的地下徑流循環(huán)條件，開展地下水年齡評(píng)價(jià)是地下水資源評(píng)價(jià)中的重要基礎(chǔ)工作，也是地下水資源管理的重要依據(jù)[1]。已有的研究結(jié)果表明，開展地下水年齡評(píng)價(jià)對(duì)深入理解區(qū)域地下水循環(huán)特征、建立區(qū)域水循環(huán)模式和開展區(qū)域水資源評(píng)價(jià)與管理工作具有重要意義[2-5]。當(dāng)前的地下水年齡評(píng)價(jià)多采用3H、CFCs、14C等方法。3H是水分子的組成部分，經(jīng)由大氣圈而進(jìn)入水循環(huán)，它在相同的條件下經(jīng)歷了同樣的演化過程，因此理論上說3H是目前唯一可以直接測(cè)定地下水年齡的放射性同位素。利用地下水14C年齡測(cè)定結(jié)果可以很好地確定地下水流向和地下水的循環(huán)速度，并結(jié)合其他氣候變化指標(biāo)恢復(fù)地下水形成的古氣候古環(huán)境條件，以及作為約束條件提高地下水流模型數(shù)值模擬的精度。CFCs作為經(jīng)典的利用事件發(fā)生事件來指示地下水年齡的示蹤劑，是根據(jù)地下水中溶解的碳氯氟化合物含量與大氣輸入函數(shù)對(duì)比，確定地下水在含水層中的滯留時(shí)間。這三種測(cè)年方法的綜合應(yīng)用成為未來地下水年齡計(jì)算和可更新能力評(píng)價(jià)的主要趨勢(shì)[6-10]。

由于水資源短缺是制約華北地區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境建設(shè)的最重要因素，開展區(qū)域地下水年齡評(píng)價(jià)對(duì)區(qū)域水資源量和水質(zhì)的精確評(píng)價(jià)具有重要意義[11～15]。本次選取灤河三角洲地區(qū)對(duì)唐山市供水具有重要意義的陡河流域進(jìn)行研究，分別采集地表水和地下水樣品，對(duì)水中氚、CFCs和14C含量分布特征進(jìn)行綜合分析，計(jì)算陡河流域地下水年齡，評(píng)價(jià)區(qū)域地下水的可更新能力，為唐山地區(qū)水資源評(píng)價(jià)與可持續(xù)開發(fā)利用提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

灤河三角洲北依燕山山脈，燕山山區(qū)基巖的風(fēng)化剝蝕碎屑物是其堆積物質(zhì)的主要來源，灤河水系縱貫山區(qū)，是碎屑物質(zhì)的主要運(yùn)輸者。在地質(zhì)歷史時(shí)期它以洪水形式攜帶大量泥砂沖出山口傾瀉于平原之上。新生代以來其堆積厚度達(dá)千米以上，第四系厚度約500～600m。以第四紀(jì)地質(zhì)時(shí)代劃分為基礎(chǔ)，研究區(qū)南部從新到老有4個(gè)含水組，即第Ⅰ、第Ⅱ、第Ⅲ和第Ⅳ含水層，其對(duì)應(yīng)地質(zhì)時(shí)代分別相當(dāng)于Q4、Q3、Q2和Q1（表1）；研究區(qū)北部第四系僅三個(gè)含水層，從Q3到Q1。

陡河位于灤河三角洲西部，發(fā)源于北部山區(qū)馬蹄泉，由北向南流向，流域面積為1340 km2,河道長(zhǎng)度120 km，流經(jīng)唐山市區(qū)、農(nóng)業(yè)灌溉區(qū)，直接由豐南縣澗河注入渤海。陡河上游唐山市區(qū)北部的陡河水庫是區(qū)內(nèi)最大的地表水體，總庫容3.4億m3，如圖1所示。

表1 第四系含水組水文地質(zhì)特征表Table 1 The hyd rogeo logica l characteristic in quaternary aquifer

2 樣品采集與測(cè)試

2006年11月至2008年1月在研究區(qū)分3批次，共采集3H樣品101件，CFCs樣品41件，14C樣品7件。采樣點(diǎn)分布圖見圖1。

圖1 研究區(qū)采樣點(diǎn)分布圖Fig.1 The dirtribution of sam p ling point in study area

放射性同位素3H樣品無需經(jīng)過特殊處理，直接使用螺紋蓋密封，容積為50m L、500m L的線性聚乙?。≒E）瓶取樣即可。

地下水中CFCs取樣容器為封口瓶蓋內(nèi)有金屬襯墊的50m L玻璃瓶，取樣和封蓋全過程在水下進(jìn)行，以避免空氣污染。

DIC中14C的取樣需在取樣現(xiàn)場(chǎng)對(duì)水樣進(jìn)行處理，首先加入NaOH至溶液中pH值接近10，將樣品中各種形態(tài)的C皆轉(zhuǎn)化至以CO32-形式存在，加入過量SrCl2后溶液中DIC以SrCO3沉淀保存，為了保證測(cè)試結(jié)果質(zhì)量，C含量需大于1 g。

放射性同位素3H樣品測(cè)試在中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所地下水年代實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，采用蒸餾與電解富集（20倍）流程，之后在Quantulus1220液體閃爍計(jì)數(shù)器上測(cè)試，檢測(cè)限為0.3 TU。

CFCs在中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所地下水年代實(shí)驗(yàn)室利用帶電子捕獲器（CED）的氣相色譜測(cè)試儀測(cè)試，標(biāo)準(zhǔn)偏差（1σ）為0.01 pmol/kg。

14C測(cè)試在中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所新生代地質(zhì)與環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，將酸化處理樣品得到的CO2同過一系列反應(yīng)

轉(zhuǎn)化為C6H6，加入閃爍體在Perkin Elmer Quantulus 1220液體閃爍計(jì)數(shù)器上測(cè)定。

3 結(jié)果與討論

3.1 氚法年齡

山前沖洪積平原的地表水體為大氣降水的直接匯入形成，在大氣環(huán)境中，不發(fā)生放射性衰變，因此其3H含量可以代表當(dāng)年大氣降水中3H含量。地表水樣3H含量在6.0～12.4范圍內(nèi)分布。陡河兩個(gè)地表水樣3H含量分別為9.8 TU和10.4 TU。陡河水庫3H含量為12.4 TU。石榴河5個(gè)地表水3H分布范圍為6.0 TU～7.7 TU，均低于10 TU（表2）。

取3H含量最高的水庫水的12.4TU代表當(dāng)年大氣降水中3H含量平均值，則可推斷石榴河、陡河下游地表水都受地下水影響。陡河農(nóng)灌區(qū)兩個(gè)地表水樣的低3H含量可能是因?yàn)榈?H石榴河水的匯入，也可能是灌區(qū)地表水受地下水補(bǔ)給。天然情況下，石榴河為季節(jié)性河流。但因?yàn)槠湓搭^李家套東北煤礦采空，現(xiàn)在石榴河地表水為礦坑排水。通過石榴河源頭地表水3H含量可以直接讀出礦區(qū)地下水在含水層中的滯留年齡。

研究區(qū)地下水中3H含量見表3，其中34個(gè)遠(yuǎn)離河岸帶地區(qū)地下水3H含量分布范圍為（0.3TU～14.9 TU）。58個(gè)河岸帶地下水樣3H含量分布范圍為（2.1 TU～13.7 TU）。從3H含量分析未發(fā)現(xiàn)明顯受核爆影響時(shí)期補(bǔ)給的地下水?？赡茉蚴茄芯繀^(qū)含水層不同年齡段地下水混合作用強(qiáng)烈，消除了1963年3H峰

的痕跡。這一推論也在美國地質(zhì)調(diào)查局（1996）的工作中得到驗(yàn)證。另外，強(qiáng)烈的混合作用削弱了3H輸入函數(shù)的可靠性，使根據(jù)3H放射性衰變方程進(jìn)行精確定年這一方法也不再現(xiàn)實(shí)。

表2 研究區(qū)地表水3H含量Table 2 The3H content in surfacewater

表3 研究區(qū)地下水3H含量Table 3 The3H content in groundwater

3.2 CFCs法年齡

利用美國地質(zhì)調(diào)查局CFCs實(shí)驗(yàn)室分析數(shù)據(jù)的USGS-CFC2004電子表格程序?qū)λ腥芙釩FCs含量結(jié)果進(jìn)行分析。以北半球CFCs含量作為輸入函數(shù)，并假設(shè)年均溫度12.5℃作為地下水補(bǔ)給溫度，利用亨利定律對(duì)樣品中測(cè)試得出的CFCs含量進(jìn)行處理，即可反推出不及時(shí)段大氣中CFCs濃度。將結(jié)果與歷年大氣中CFCs含量圖作對(duì)比，即得出該地下水的補(bǔ)給年齡圖。

根據(jù)CFCs定年原理，假設(shè)活塞流的前提下：根據(jù)CFC-11、CFC-12、CFC-113三者得出的視年齡一致時(shí)，可以認(rèn)為該視年齡即補(bǔ)給時(shí)間。但實(shí)際環(huán)境中諸多影響因素導(dǎo)致三個(gè)視年齡不一致，多年的研究表明：在氧化條件下，CFCs是極其穩(wěn)定的。而在缺氧環(huán)境下，CFC-11最易分解，CFC-12最穩(wěn)定，CFC-11分解率比CFC-12約高十倍。但是另一方面，也可用CFC-11的不穩(wěn)定性來指示該采樣點(diǎn)的CFCs降解和確定視年齡的上限。這里僅以CFC-12得出的視年齡作為CFCs定年結(jié)果如圖2、表4所示。

按采樣點(diǎn)所處位置的土地利用方式的差異將CFCs值分為兩大類：市區(qū)和農(nóng)業(yè)區(qū)。市區(qū)四個(gè)井其中Y1采自巖溶含水層，其它三個(gè)樣品采自第四系含水層。農(nóng)業(yè)區(qū)按照采樣點(diǎn)所處位置與河岸帶距離的遠(yuǎn)近又分為遠(yuǎn)離河岸帶和河岸帶。

市區(qū)除Y1巖溶水年齡為1984年外，其余各點(diǎn)地下水的補(bǔ)給皆發(fā)生在1972年前后，而地下水中3H含量分布在（6 TU，7.4 TU）范圍內(nèi)。兩個(gè)定年手段的結(jié)果基本吻合。市區(qū)深層承壓水地下水年齡約為35年，市區(qū)第二含水層年齡與其近似相等。導(dǎo)致這一現(xiàn)象的原因是市區(qū)極大的開采力度，使得第二、第三

含水層有良好溝通。巖溶水地下水年齡約25年。兩者水力聯(lián)系不好。值得注意的是同位素及各種示蹤劑反應(yīng)的是水質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)移，地下水流場(chǎng)變化中水壓力的變化響應(yīng)速度比水質(zhì)點(diǎn)運(yùn)移速度快得多。

圖2 研究區(qū)地下水中CFC-12年齡分布圖Fig.2 The distributionmap ofCFC-12age in groundwater

表4 地下水3H和CFCs含量Table 4 The3H and CFCs content in groungwater

灌區(qū)采樣點(diǎn)中遠(yuǎn)離河岸帶的CFC-12視年齡較河岸帶小，CFC-12數(shù)據(jù)表明補(bǔ)給約發(fā)生在1990前后。但沿區(qū)域地下水流向無明顯規(guī)律。河岸帶三個(gè)剖面上地下水年齡無一致規(guī)律。河岸剖面1的地下水年齡相對(duì)較平均，補(bǔ)給發(fā)生在1980至1990年間。剖面2和剖面3上地下水年齡分布范圍較廣，從1965年跨越到1988年。灌區(qū)3個(gè)剖面上CFC-12年齡與采樣點(diǎn)距河岸距離無相關(guān)關(guān)系。灌區(qū)河岸帶CFC-12地下水年齡偏老，可能發(fā)生了CFCs化合物的生物降解，特別是在河岸帶還原環(huán)境下。

市區(qū)，地下水CFCs定年與3H定年兩者結(jié)果吻合較好。灌區(qū)除河岸帶含水層中可能發(fā)生CFCs的還原，使得河岸帶地下水年齡與遠(yuǎn)離河岸帶地下水年齡相比偏老。另外，灌區(qū)遠(yuǎn)離河岸帶地下水CFCs定年結(jié)果也無規(guī)律性，造成這一現(xiàn)象的可能原因是灌區(qū)大面積的回灌水的存在造成CFCs定年的假設(shè)前提不成立。

3.314C法年齡

根據(jù)其放射性同位素的衰變?cè)?，可利用地下水?4C含量確定地下水在含水層中儲(chǔ)藏的年齡。實(shí)驗(yàn)室給出樣品中地下水視年齡為1318～4996年間?？拷负铀畮?，且位于陡河斷層附近深度為368m的3H含量達(dá)13.7 TU，與采樣點(diǎn)附近陡河水庫中3H含量相近，地下水可能來源于水庫順斷層的滲漏補(bǔ)給。其14C活度為85.3 PMC，為同批次樣品中14C活度最高的點(diǎn)?？蓪⒃擖c(diǎn)的14C活度作為研究區(qū)現(xiàn)代水的14C活度背景值。計(jì)算出研究區(qū)地下水年齡在0～3700年之間，該年齡可視為混合端元中老水年齡（表5）。

老水在含水層中的滯留時(shí)間至少為200到2300年，且年齡存在隨井深度增加而增大的趨勢(shì)。年齡與井深的相關(guān)關(guān)系為Y=0.09X+103.4（R2=0.96，n=4）（圖3）。100m處，老水的地下水年齡約200年。100m以深，含水層深度每增加100m，地下水年齡增加約1000年。

基于14C的測(cè)年誤差，將地下水中14C活度為80 PMC作為界限。將地下水分為兩組：14C濃度大于80 PMC的KK02、KK03、Y5和N2-5；低于這個(gè)值的KK01、Y3和N1-1。前者為現(xiàn)代水補(bǔ)給，14C衰變程度小。后者在含水層中經(jīng)過時(shí)間長(zhǎng)達(dá)1000年到3000年不等的14C衰變，卻普遍存在一定量的3H檢出這一年輕水標(biāo)志（圖4）。這個(gè)矛盾正好驗(yàn)證了不同年齡地下水的混合作用。以Y3為例，其地下水中3H含量為7.2 TU，14C活度為54.6PMC。如果這個(gè)結(jié)果是由現(xiàn)代水（3H含量為13.7 TU，14C活度為85 PMC）與古水（3H含量為＜0.3 TU，14C活度未知）混合。則通過Y3的地下水3H含量可以算出現(xiàn)代水對(duì)Y3所在含水層的貢獻(xiàn)為52%。沿地下水流向，從北往南唐山市北郊水廠11號(hào)井地下水混合作用最為強(qiáng)烈，其次是越康新園，豐南區(qū)混合作用稍弱。但是N2-5點(diǎn)現(xiàn)代水的補(bǔ)給顯得尤為突出。造成這一例外的原因可能是該點(diǎn)井深為150m，受灌區(qū)淺部地下水的快速循環(huán)影響。

表5 研究區(qū)14C和3H測(cè)年結(jié)果Table 5 The14C and3H age da ting resu lts

圖3 地下水中14C年齡垂向分布Fig.3 The14C age vertica ldistribution in groundwater

圖4 3H和14C含量對(duì)比圖Fig.4 The com parison diagram in3H and14C content

4 結(jié)論

（1）Q4含水層受井孔利用情況、成井工藝差別，其平均滯留時(shí)間存在差異。Q3含水層受含水層沉積條件和農(nóng)業(yè)用水作用方式控制，地下水滯留時(shí)間范圍最廣，北部地下水平均年齡小于35年，而南部受年輕水與老水的混合補(bǔ)給。Q2含水層主要為生活供水和工業(yè)開采層，地下水年齡10～70年不等。

（2）市區(qū)地下水CFCs定年與3H定年兩者結(jié)果吻合較好。灌區(qū)地下水CFCs定年與3H存在一定差異性，一方面是因?yàn)楹影稁Ш畬又锌赡馨l(fā)生CFCs的還原，使得河岸帶地下水年齡與遠(yuǎn)離河岸帶地下水年齡相比偏老，另一方面是因?yàn)楣鄥^(qū)大面積的回灌水的存在造成CFCs定年的假設(shè)前提不成立。

（3）根據(jù)14C測(cè)年結(jié)果，混合端元中老水的年齡則與含水層深度呈正相關(guān)關(guān)系，含水層深度每增加100 m，地下水年齡增加1000年，100m深度處地下水年齡約1000年。Q1地下水年齡較老約為3300年。

致謝：本項(xiàng)目在研究開展過程中得到中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所龐忠和研究員和袁利娟博士的大力幫助，特此表示感謝！

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Groundwater Age Assessmentof Dou River Basin in Tangshan City,HebeiProvence

CHEN Peng,WANGWei,MA Zhen,SHIPei-xin,WANGGuo-m ing (Tianjin Center,ChinaGeologicalsurvey,Tianjin,300170,China)

Groundwater age assessmentw ith environmental isotopes could useful for localgroundwater resources evaluation andmanagement.Dou River Basin has been selected as the typical study area,amount of groundwater samples have been tested w ith3H,CFCs and14C,groundwater ages have been calculated.The results show that, groundwater ages changes obviously in Q4aquiferw ith the impact of human activities;groundwater ages varied mostw idely in Q3,and the age distributed from old water 70 year ago to new water;as themain development aquifer,Q2aquifer has the groundwater ages from 10 to 70 years;groundwater in Q1aquifer recharged with precipitation from cold and wet climate;because of the air-water equilibrium during the irrigation process,CFCs method isnotsuitable to calculate the groundwaterage in irrigation area.

Dou River Basin;groundwaterage;CFCs;14C;3H

P641.3

：A

：1672－4135（2014）04－0288-06

2014-07-24

中國地質(zhì)調(diào)查局項(xiàng)目“灤河三角洲地下水污染調(diào)查評(píng)價(jià)”（1212010634608）

陳彭（1982-），男，碩士，工程師，主要從事水文地質(zhì)與環(huán)境地質(zhì)相關(guān)研究，E-mail：mr.chenpeng@163.com；通訊作者：王威（1984-），男，博士，工程師，主要從事水文地質(zhì)與環(huán)境地質(zhì)相關(guān)研究，E-mail：wangwei_wangwei@126.com。