孫 遜

(山東泰信巖土工程有限公司，山東 淄博 256100)

雖然使用地表水作為城市地區(qū)公共供水的需求正在擴(kuò)大，但地下水仍然是飲用水的重要來源[1]。特別是城市郊區(qū)和農(nóng)村地區(qū)的居民可能需要使用地下水作為主要水源[2-3]。許多研究表明，地下水中砷元素是一個威脅健康的主要物質(zhì)。高地下水位的砷元素通常與第四紀(jì)三角洲和沖積沉積物有關(guān)。然而，由于具有高度多樣化的空間分布，其生成原因尚不完全清楚[3]。其還原條件下砷遷移的化學(xué)機(jī)制廣泛歸因于含水層沉積物中含砷礦物的生物或化學(xué)還原溶解[4]。另一些人認(rèn)為，砷可能從土壤礦物中釋放出來，隨后可能從近地表通過含水層被吸入到地下水。研究表明，微生物還原鐵和砷是影響地下砷釋放的重要因素[5]。地下水砷濃度升高大致與地下水中代謝副產(chǎn)物(包括無機(jī)碳、銨和甲烷)水平升高相對應(yīng)。因此，需要進(jìn)一步研究池塘水或沉積物中所含有機(jī)物的遷移，因為它有可能增強(qiáng)含水層中土壤礦物質(zhì)的砷遷移[6-7]。

地下水的補(bǔ)給和流動也被認(rèn)為是影響地下水砷的重要因素。淄河沿岸的更新世含水層(下層含水層)和全新世含水層(淺層含水層)主要是由河流自身的水補(bǔ)充的[8]。然而，少數(shù)文獻(xiàn)表明淄博的地下水部分來源于下滲過程，這表明需要對河流以外的地表水(例如，池塘、稻田)進(jìn)行研究，因為這種地表水在郊區(qū)很普遍[9]。

淄博的氣候特點(diǎn)是雨季炎熱潮濕(4—10月)、旱季溫和(11—次年3月)。淄河的水位變化具有很大的季節(jié)性(9m)[10]，這可能導(dǎo)致通過地下水反復(fù)上升和下降促進(jìn)砷在地下水中的溶解。在內(nèi)陸郊區(qū)的地下水中，淄河對補(bǔ)給的貢獻(xiàn)可能很大，因此帶來一個問題，即是否會存在這種由水位波動引起的砷污染機(jī)制。就水資源管理和城市規(guī)劃而言，如果池塘的滲透對地下水補(bǔ)給來說是可觀的，并且這種滲透不會造成砷對地下水的嚴(yán)重污染，那么在郊區(qū)保護(hù)池塘將有助于減輕砷對地下水的污染，因為池塘的滲透可能是一種更穩(wěn)定的補(bǔ)給來源，其水位波動比地面或稻田更小，后者卻具有季節(jié)性變化。該研究旨在通過調(diào)查水位和地下水及附近池塘穩(wěn)定同位素的季節(jié)性變化，在連續(xù)監(jiān)測水位和定期對水域取樣的基礎(chǔ)上，說明淄博郊區(qū)地下水的補(bǔ)給機(jī)制。

1 地質(zhì)信息及監(jiān)測方法

1.1 地質(zhì)信息

淄河流域地質(zhì)的典型特征是沖積砂和礫石層，覆蓋著厚粘土沉積物，這些沉積物是在一系列海侵和海退過程中形成的，帶來了海相沉積物。由于淄河發(fā)生了多次沉積過程，沉積物的巖性非常復(fù)雜，沉積物序列在短距離內(nèi)變化很大。上層含水層是全新世層(形成于1萬年前至今)，通常從地表到10～20m深。下層含水層是更新世層(形成于250萬至1萬年前)，位于全新世層之下。富含有機(jī)物的泥炭層在該地區(qū)很豐富，有時厚度超過10m。

1.2 水位監(jiān)測和采樣

水位監(jiān)測涵蓋了內(nèi)陸站點(diǎn)(1、2和3號站點(diǎn))和河流附近的站點(diǎn)(4、5和6號站點(diǎn))，上層含水層、下層含水層和附近池塘的水位由水位記錄器和監(jiān)測井進(jìn)行監(jiān)測。30min間隔的壓力數(shù)據(jù)采用氣壓計測量的大氣壓力進(jìn)行校正。在2018年3—11月的一系列采樣活動中，采集了89份地下水樣本和37份池塘水樣本。有些樣本在同一地點(diǎn)采集了兩次以上。此外，2017年8—11月期間，每月在17個地點(diǎn)(地下水9個、池塘5個、稻田和淄河2個)開展定期采樣活動。在1、2站點(diǎn)，由土壤水分采樣器從監(jiān)測井獲得的原狀土壤中采集孔隙水樣本，現(xiàn)場用0.45μm聚四氟乙烯膜過濾除孔隙水以外的所有水樣。孔隙水通過0.2μm的膜過濾，陰離子用離子色譜法測定。在樣品用硝酸(1%(v/v))酸化后，用ICP-MS測量重金屬，d18O同位素比率用如下公式表示：

2 結(jié)果和討論

2.1 池塘水和地下水季節(jié)變化

大多數(shù)池塘水顯示出d18O和d2H的富集(如圖1所示)，其中d2H=7.91×d18O+12.45。當(dāng)?shù)氐拇髿饨邓€(LMWL)是從淄博的雨水?dāng)?shù)據(jù)中計算出來的。虛線表示蒸發(fā)線(EL)，它是淄博地區(qū)地下水同位素的擬合線，斜率為5.6。淄河的同位素組成與雨水相似，淄河的蒸發(fā)線與大氣降水線接近，同位素與雨水加權(quán)平均值關(guān)系如圖2所示。箭頭顯示d18O和d2H值的假定季節(jié)性變化，結(jié)果表明池水經(jīng)歷了蒸發(fā)過程。池塘數(shù)據(jù)顯示了從大氣降水線向d18O富集的轉(zhuǎn)變，并且分布在地下水計算的蒸發(fā)線周圍。

圖1 按采樣月份分組的地下水樣品中d18O和d2H值之間的關(guān)系

此外，池塘水同位素的具有季節(jié)性趨勢：旱季樣本(1月、3月)接近于蒸發(fā)線，而雨季樣本(5月、6月、10月)接近于大氣降水線。池塘樣品中的同位素比率在雨季結(jié)束時(10月)最小，在雨季即將到來時(3月)最大。圖2顯示出一年中池塘水中同位素比率具有明顯的季節(jié)性變化。

圖2 兩個站點(diǎn)池塘水體中d18O和d2H值的季節(jié)變化

同位素比率的季節(jié)性變化反映出雨水同位素特征和池塘水蒸發(fā)過程的季節(jié)性變化。雨水同位素在2月最重、在8月最輕。雨季時池塘水樣同位素含量靠近大氣降水線，這可能是因為池塘水大量和頻繁地被雨水補(bǔ)充，因此蒸發(fā)產(chǎn)生的同位素分餾很少；在旱季，同位素含量接近蒸發(fā)線，這是因為由于雨水減少，蒸發(fā)的影響會很大。

地下水同位素數(shù)據(jù)表明，地下水的主要來源經(jīng)歷了蒸發(fā)過程。因此，淄河以外的地表水(例如，池塘、稻田)對地下水的補(bǔ)充有著很大程度的貢獻(xiàn)。通過比較測點(diǎn)位置，內(nèi)陸村莊(1、2和3)的同位素比率(t檢驗，P<0.001)大于河流村莊(4、5和6)。因此地下水同位素比率具有一定的空間差異。

2.2 地下水的補(bǔ)給機(jī)制

上含水層和下含水層的地下水補(bǔ)給來源和機(jī)制是不同的，d18O-d2H圖和孔隙水樣品d18O同位素比值的深度剖面圖如圖3所示?？紫端?dāng)?shù)據(jù)與EL的變化趨勢相同，這與地下水樣本一致。然而，孔隙水的深度剖面顯示了淺層土壤和深層土壤之間同位素比率的明顯差異，其中d18O在淺層土壤中更富集。d18O在25m處下降，可能是由于受到了不透水的淤泥和粘土層的影響。兩個地點(diǎn)的上層含水層和下層含水層的地下水樣本具有來自各自深度的類似的孔隙水同位素特征。此外，來自淺層土壤的地下水和孔隙水在內(nèi)陸地下水中具有相似的同位素比率，而來自深層土壤的地下水的同位素比率接近于河流地下水的同位素比率。在對兩個含水層的地下水進(jìn)行比較的過程中，上含水層和下含水層之間同位素比率的差異并不明顯。

圖3 孔隙水的d18O-d2H圖，以及d18O隨深度的變化

鑒于站點(diǎn)1和2中的同位素深度剖面代表了內(nèi)陸地區(qū)的同位素深度剖面，可推測出：河流附近區(qū)域地下水主要由淄河本身補(bǔ)給。但是對于遠(yuǎn)離河流的區(qū)域，具有蒸發(fā)過程的地表水(例如，池塘和稻田)和來自地表的雨水的直接滲透，成為遠(yuǎn)離淄河的上層含水層中地下水的主要來源。此外，需要對來自上含水層和下含水層的地下水同位素進(jìn)行更詳細(xì)的數(shù)據(jù)分析，以加強(qiáng)討論。

2.3 同位素的季節(jié)變化

氯化物和砷的季節(jié)變化如圖4—5所示。圖中監(jiān)測點(diǎn)11代表1號監(jiān)測站的1號檢測點(diǎn)，以此類推。對于氯化物和砷，池塘、稻田和淄河表現(xiàn)出較大的波動(50%或以上)，其濃度在旱季較高。另一方面，大多數(shù)地下水中氯化物的時間變化很小。但是，來自上層含水層的監(jiān)測點(diǎn)23的氯化物含量波動較大，而上層含水層的監(jiān)測點(diǎn)21沒有表現(xiàn)出如此大的變化。來自下層含水層的監(jiān)測點(diǎn)24(相鄰)和22(下層含水層監(jiān)測點(diǎn))的氯化物水平?jīng)]有任何變化。另一方面，砷含量的波動在監(jiān)測點(diǎn)23比監(jiān)測點(diǎn)24大。盡管流量有很大的季節(jié)性變化，淄河的氯化物和砷的濃度相當(dāng)穩(wěn)定?？拷恿鞯谋O(jiān)測站4中的地下水顯示出相似的氯化物和砷水平，這可能是由于河流的補(bǔ)給造成的。

圖4 常規(guī)采樣點(diǎn)氯濃度的季節(jié)變化

圖5 常規(guī)采樣點(diǎn)砷濃度的季節(jié)變化

監(jiān)測點(diǎn)23中的氯化物水平有變化，但砷水平穩(wěn)定，這可能意味著存在廢水的零星污染，而不是補(bǔ)給源發(fā)生了變化。水位監(jiān)測觀察到的小的季節(jié)性變化表明全年地下水補(bǔ)給相當(dāng)小。相反，盡管監(jiān)測點(diǎn)24中的氯化物水平非常穩(wěn)定，但砷的相對較大波動可能是由于日常抽取造成的下層含水層水位的頻繁變化造成的，這可能通過地下水的反復(fù)上升和下降促進(jìn)砷在地下水中的溶解。

與地表水類似，地下水中主要的陽離子和陰離子通常在旱季富集。另一方面，地下水砷的波動與季節(jié)無關(guān)。盡管補(bǔ)給可能很小，但站點(diǎn)1中氯化物和砷的季節(jié)性變化很大，需要通過持續(xù)監(jiān)測水質(zhì)和水位來進(jìn)一步研究。

3 結(jié)論

本文研究了地下水中同位素的變化特征，以說明淄博郊區(qū)地下水的補(bǔ)給機(jī)制和季節(jié)效應(yīng)。并得到如下結(jié)論。

(1)同位素變化具有季節(jié)性趨勢，旱季樣本接近于蒸發(fā)線，而雨季樣本接近于大氣降水線。

(2)池塘水中的同位素在整個旱季都有所富集，在雨季結(jié)束時(10月)最小，在雨季即將到來時(3月)最大。

(3)靠近淄河的地下水主要由淄河本身補(bǔ)給。在遠(yuǎn)離河流的區(qū)域，地表水和降雨成為上層含水層的主要供給源。

(4)地下水砷的波動與季節(jié)無關(guān)。但站點(diǎn)1中氯化物和砷的季節(jié)性變化很大，可能需要通過監(jiān)測水質(zhì)和水位來進(jìn)一步研究。