西辽河平原地下水同位素特征研究
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摘要：依据全国地下水资源调查评价项目之“西辽河平原地下水资源及其环境问题调查评价”项目进行选题，以西辽河平原(内蒙古部分)为研究区，以地下水为研究对象，以同位素为主要研究手段，揭示研究区内大气降水、地表水和地下水之间的相互关系，确定地下水的来源。
中图分类号：P641.3 文献标识码：A 文章编号：1009-8631(2010)05-0162-01
一、研究区基础条件
工作区位于松辽平原西部的西辽河平原，北起科尔沁右翼中旗，南至奈曼旗。西起翁牛特旗，东至科尔沁左翼中旗。工作区包括了通辽市、赤峰市及兴安盟的绝大部分地区。区内属中温带半干旱季风气候区，大陆性气候十分明显，表现为春季干燥多风，夏季湿热多雨，秋季凉爽，冬季严寒少雪的气候特点。多年平均降水量350-400mm。并有自东向西递减的规律，降水多集中在7、8、9三个月，占全年总降水量的70％左右。多年平均蒸发量1800～2000mm。区内地貌主要受构造的控制影响。在长期的风化、剥蚀和堆积等外动力作用下，形成了北高南低、西高东低的区域地势形态。
二、采样与测试
(一)采样
区内研究程度较低，特别是同位素研究资料非常少。为了研究区内地下水的形成环境、年龄；地下水的补给、径流、排泄条件；地表水与地下水的补排关系。在充分分析已有资料的基础上，2003年在全区各子系统内沿区域地下水水流方向布置了5条同位素剖面。共取样60组。其中大气降水样3组，河水样3组，水库水样1组，湖水样1组，浅层地下水样44组，深层地下水样8组，所有样品均同时采集水质全分析样。所有样品的采集均按有关规范进行，多数水井在采样前抽水1h以上，以排除井筒中地下水的干扰，野外采样的同时实测水温和水位埋深。放射性氚和氢氧稳定同位素样品采集lL，置于聚脂塑料瓶中并密封。
(二)测试
所有水化学全分析由内蒙古自治区第四工程地质勘查院实验室完成：稳定同位素180、D和13C由国土资源部同位素测试中心测定，放射性同位素均在中国地震局14C实验室测定完成。180／160比值采用C02平衡方法、D/H比值采用锌还原法、13C/12C用100％磷酸法在MAT 251 EM质谱仪上测定，并用相对于标准样PDB的千分偏差表示。测试误差为±0.2‰。
三、同位素分布特征
(一)大气降水与地表水的同位素分布特征
工作区内没有长期观测站，并且没有开展过系统的同位素研究工作。另外，西辽河平原周边的锦州(1987年)、长春(1999年)及哈尔滨(1986年)等IAEMWMO观测站。资料长度不尽相同，观测时间也不同。故未建立当地大气降水稳定同位素雨水线方程，仅以全国大气降水稳定同位素雨水线方程作为本地区的参考方程。
1.大气降水的同位素分布特征
研究区内大气降水同位素平均值为BD-65，8180-8.9，氚17.66。
通过全国大气降水稳定同位素雨水线和本次所取的三个大气降水水样结果绘制了大气降水分布图，由此可见当地大气降水的BD和B180均落在全国大气降水稳定同位素雨水线附近，说明其组成与全国大气降水组成基本一致，但当地蒸发线(818D=3.22238180-38.103.R=0.979)斜率和截距与全国雨水线存在一定的差异，这与该区处于干旱半干旱的气候，湿度低、降水少和蒸发量大有关，它们的交点(8180=-9.8‰。B18D=-69‰)可近似地作为当地蒸发源水的原始平均同位素组成。
2.地表水的同位索分布特征
区内地表水同位素含量8D为-82％o～51％o，8180为-12.8％～3.4％0，氚为19.16TU～28.14TU。河水、水库和湖水的BD和8180含量存在着较大的差别，河水全部位于全国雨水线左上，且比当地大气降水的BD和B180低。这说明河水的主要补给源不是大气降水，而是上游河水；水库和湖水位于其右下，且河水的8D和B180明显低于水库和湖水，这表明河水与水库及湖水的补给源不同，而且水库和湖受到非常强烈的蒸发作用。
(二)地下水的同位素分布特征
本次研究共采集地下水样52个，其同位素分布范围BD为-59~-76％0、B180为-6.4-10.7‰、3H为0.5～28.49TU、14C为5.63～78.28％，总体来看沿地下水流向变化不大。但不同元素在不同地貌单元、不同流域和不同层位上其分布存在一定的变化规律，主要表现在三个方面：
1.流向上8180(潜水)变化不明显。
从B180(潜水)可以看出。在不同的取样剖面上潜水B180均呈现出相似规律，从上游到下游剖面1、2和5呈现出稍有增加的趋势，反映出蒸发作用对潜水同位素的微弱影响，同时显示出西辽河平原浅层地下水是以垂直交替为主。在局部地区由于水文地质条件不同，B180也存在较大差别，这体现出人类活动对地下水的影响，使其较富氧轻同位素。
2.随着地下水的埋藏深度的增加。地下水中D、180和3H浓度逐渐减少。
把所取样品按不同取样深度(40m)，根据不同的流域进行统计。西辽河流域、乌力吉沐仁河流域及养畜牧河流域地下水中D、180和3H浓度随着取样深度的增加而逐渐减少；教来河流域地下水中3H浓度显示出相似的特征，但其D和180浓度却随着取样深度的增加而稍有增大，取样点均离教来河较近，这说明河水补给地下水，使得浅层地下水中氧重同位素受到河水的稀释作用。
3.地下水利用程度差的地区，3H浓度(潜水)相对较低。
地下水利用程度差的地区主要包括牧区和沙地区，该区人口稀少，地下水开发利用程度较差，水交替较弱，地下水循环较慢。水中的氚含量相对较低。从西辽河闭流区所取样品的氚平均浓度均低于其它地区，另外。珠日河牧场的STl74和ST576的3H浓度分别为5.87TU和6.74TU，也低于该流域的其它取样点的3H浓度。
(三)各水体同位素之间的关系
利用本次采集的地下水样、地表水样及雨水样B180、8D的分析结果绘制成8D-8180关系。同时根据潜水的8180和BD值进行相关分析，得出当地潜水蒸发线：
818D=3，22238180-38，103(相关系数R=0.979)(1)
各取样点均落在全球雨水线和全国雨水线两侧，但多集中干它们的右下侧，说明区内地下水主要受大气降水的补给，并且受到一定程度的蒸发作用影响。另外，从前面的分析来看，地下水除主要受大气降水补给外，在部分地区还与不同的地表水存在一定的联系，如：教来河流域地下水受到河水的补给，ST528受到吐尔基山水库的影响。
区内地表水系虽较发育。但整个平原区内地表水较少，区内降水量较小，形成不了地表径流。三个河水样均位于全国雨水线左上侧，表明河水的补给源主要是上游河水，而不是当地大气降水，水库及湖水样位于全国雨水线的右下侧，说明河水对水库的补给较少，它们的补给主要是大气降水。
区内虽存在潜水与承压水之分，但整个含水层均为第四系含水层，它们之间没有一个稳定的隔水层，或多或少存在一定的水力联系。可见，随着地下水埋藏深度的增加，(40m以上的)地下水中3H浓度是逐渐减少，并没有大的突变，说明潜水对承压水有一定的补给，且具有随着深度的增加。补给量逐渐减少的特点。