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多元同位素对石家庄地区地下水地球化学环境演化的指示意义

张彦鹏  
【摘要】:地下水是干旱半干旱地区人类生存和社会经济可持续发展不可缺少的物质资源。很多地区在社会经济高速发展的压力下,对地下水资源的不合理开发和利用以及人为的污染和破坏导致了地下水水质的迅速恶化,严重威胁到人类健康,并制约着社会经济发展。认识并把握地下水地球化学环境演进的过程及规律是保护并改善地下水水质,实现可持续发展目标的前提和当务之急。与石家庄地区社会经济发展相伴的地下水地球化学环境演化是整个华北平原山前地区乃至众多城市区域发展所面临的典型问题。面对突出的地下水环境演化问题以及复杂的演化过程和机制,已有研究主要瞄准于探明该地区地下水水化学演化趋势以及硝酸盐的迁移转化过程。然而地下水中不同宏量组分的演化过程及规律既有其共性也存在其特殊性。因此,在前人研究的基础之上,进一步探讨硫酸盐(SO42-)、氯化物(Cl-)以及溶解性有机碳(DOC)的来源及迁移转化过程,有助于更加全面深入地分析和认识区域地下水地球化学环境演化机制及其影响因素。仅仅利用传统水化学方法很难做到精确识别地下水中物质来源与复杂的水岩相互作用过程,而地下水中SO42-、Cl-以及DOC的多元同位素分析不仅包含了不同物质的大量“指纹特征”,而且能够有效地记录物质所经历的水文地球化学和生物地球化学过程。本研究旨在通过对SO42-、Cl-以及DOC的水化学及同位素组成的分析,建立SO42-、 Cl-以及DOC中同位素循环演化模型,弥补对该区域地下水地球化学环境演化认识的不足,拓展硫酸盐硫氧同位素、氯化物氯同位素以及溶解性有机碳碳同位素方法在类似研究中的应用。石家庄市地下水主要赋存于东部广大山前平原,以滹沱河现代河床及滹沱河冲洪积扇轴部为极富水带。第四系地下水系统可以划分为浅层和深层两个地下水系统。浅层地下水系统主要包括第Ⅰ和第Ⅱ含水组,由于两个含水组之间无严格的隔水层,可视为一个统一的含水层系统。深层地下水主要包括第Ⅲ和第Ⅳ含水组。由于第Ⅱ和第Ⅲ含水组之间缺乏连续的隔水层或弱透水层,两者之间水力联系较为密切,具有统一水位。目前,第Ⅱ和第Ⅲ含水组是石家庄地区工农业用水及城镇居民用水的主要供给来源。石家庄市地下水主要受大气降水、地表水的入渗、侧向径流及农田灌溉回归水等的补给。基于以上区域基础水文地质模型,以当前正在开采的第Ⅱ和第Ⅲ含水组作为主要研究对象,利用现有的居民生活及农田灌溉用井,沿滹沱河轴部以及石家庄市周边采集地下水样品,同时兼顾采集了对研究区地下水可能具有显著影响的地表水以及山区地下水。对所有样品的水化学组成,δ18OH2O、δ2H;δ34SSO4、δ18OSO4;δ37Cl以及δ13CDOC值进行了测定。通过对水化学及SO42-、Cl-以及DOC的同位素组成及分布特征的分析以及与不同物质的端元对应同位素组成的对比研究,明确空间范围内地下水补径排及水化学过程的联系与差异,解析人为和自然因素对地下水环境演化的影响,揭示地下水所经历的水文地球化学及生物地球化学过程,确定地下水地球化学环境演化的主要控制因素。以下为本次研究所得出的主要认识及结论:(1)解析了研究区地下水水化学组成特征及水文地球化学过程研究区地下水水化学类型主要以HCO3.SO4-Ca.Mg、SO4.HCO3-Ca.Mg和HCO3.Cl-Ca.Mg型为主。山区地表水及地下水和接近山前平原区地表水和地下水类型主要为HCO3.SO4-Ca.Mg和SO4.HCO3-Ca.Mg型,研究区东部和东南部地区部分地表水和浅层地下水以HCO3.Cl-Ca.Mg型为主。不同区域水化学类型的差异表明,山前平原区浅层地下水水化学特征显著受到侧向径流补给影响;东部区域地下水受地表侧向径流补给作用影响较小,受城市污水排放及农业灌溉影响显著。研究区地下水化学组成主要受到大气降水以及地表水淋滤作用影响,水化学过程以碳酸盐岩、硅酸盐岩及石膏矿物溶解为主,伴随着阳离子交换作用、蒸发浓缩作用等过程。大气降水、山区补给水以及人为活动输入控制了地下水水化学组成,不同端元间的混合作用是导致该地区地下水化学组成演化的主要原因之一(2)判识了研究区地下水中硫酸盐主要来源,揭示了人为活动对地下水硫酸盐浓度的影响以及深层地下水中硫酸盐的生物地球化学过程;解析了该地区地下水中硫酸盐演化的过程及机制。本次所采集地表水样品中硫酸盐硫氧同位素组成分别为δ34SSO4=+7.2‰~+9.7‰和δ18OSO4=+7.2‰~+9.0‰。地表水中硫酸盐主要来源于硫化物矿物氧化以及石膏矿物溶解产生的硫酸盐。大气降水也是地表水中硫酸盐重要贡献源之一。浅层地下水中硫酸盐硫氧同位素组成为δ34SSO4=+8.7‰~+16.7‰.和δ18OSO4=+5.9~+11.7%‰。浅层地下水中硫酸盐是多种硫酸盐来源的混合。山区地表水的侧向径流补给是该地区浅层地下水中硫酸盐的重要来源。同时,土壤及包气带中分散的碳酸盐岩及石膏矿物的溶解是浅层地下水中硫酸盐的另一重要来源。部分地点浅层地下水中硫酸盐来源受到洗涤污水排放的显著影响。深层地下水中硫酸盐硫氧同位素组成相对于地表水和浅层地下水更为偏正,δ34SSO4=+18.1‰~+21.7%o, δ18OSO4=+8.7‰~+11.4‰。深层地下水中硫酸盐受到了细菌硫酸盐还原作用的显著影响;其硫酸盐来源可能主要受早期大气降水以及浅层地下水渗漏补给影响。研究区地下水中硫酸盐浓度主要受到三方面因素的控制。一方面,人类活动加速了岩石矿物中石膏以及硫化物的释放过程。如山区煤矿开采中矿坑水的随意排放,以及其他如石灰岩及铁矿的开采导致这些矿物中含硫矿物裸露受风化溶解作用影响增强。过度开采地下水导致的水位下降,使得补给过程对包气带中含硫矿物的溶滤作用增强。第二,人为活动对环境的污染导致地下水中硫酸盐浓度逐渐增大。人类生活污水的排放是浅层地下水硫酸盐浓度升高的重要原因之一。第三,深层地下水中硫酸盐浓度受到生物硫酸盐还原作用的影响,使得浅层地下水渗漏对深层地下水造成的影响被削弱。(3)分析了研究区地下水中氯的主要来源及其混合作用,揭示了该地区地下水中氯离子含量升高的主要原因及过程,明确了氯同位素对地下水地球化学环境演化的指示意义。在山区及山前发现未受或极少受人为活动影响的地表水中氯离子氯同位素δ37C1值偏负(-0.18%0~-0.02‰),反映了海洋气溶胶受人为排放二氧化硫及氮氧化物所形成的硝酸及硫酸酸化影响,该过程产生的HCl气体是大气降水中氯的主要来源。浅层地下水中氯离子的氯同位素组成为δ37Cl=-0.01%o~+0.64‰。浅层地下水中的氯离子可能主要来源为含氯矿物溶解、污水输入以及大气沉降。城市生活及工农业污水的排放及输入是导致浅层地下水中氯离子浓度升高的主要原因。浅层地下水渗漏及深层地下水开采致使深层地下水中氯离子浓度也不断升高。同时,存在氯离子浓度较低、δ37C1值为负的深层地下水样品,可能是由于地下水过度开采导致了粘性土释水过程的发生。通过氯化物氯同位素及其浓度能够有效地识别地下水中氯离子的主要来源及迁移转化过程,为更深入地认识地下水地球化学环境演化提供了有力依据。(4)指示了地下水中溶解性有机碳的主要来源,表明了地下水中溶解性有机碳同位素可以用以指示地下水补给过程及更替速率,进一步揭示了浅层及深层地下水中潜在的生物地球化学过程。该地区地表水及地下水中DOC的碳同位素组成分别为δ13CDOC=-32.2‰~-24.7‰和δ13CDOC=-32.4‰~-25.1‰。地下水中溶解性有机碳(DOC)主要来源于以C3植物为主要成分的土壤有机质。地下水中DOC同位素组成特征与该地区地下水更替速率具有较好的相关性。在石家庄西北部,黄壁庄水库下游附近地区,地下水埋深较浅、交替强烈,TOC含量较高、DOC浓度较低、δ13CDOC值偏负,表明DOC浓度及组成主要受水动力作用影响。而在石家庄市周边及东部地区由于地下水过度开采和水文地质条件变化,地下水埋深增大,δ13CDOC值较滹沱河沿岸明显偏正,地下水中DOC浓度及组成可能主要受生物地球化学作用影响。通过地下水中DOC的δ13CDOC值以及δ15NNO3和δ34SSO4值的相关性分析,发现部分浅层地下水中存在一定的反硝化作用过程;而深层地下水主要以还原环境为主,反硝化作用以及硫酸盐还原过程对深层地下水地球化学环境具有重要影响。综上所述,本文综合运用地下水中硫酸盐硫、氧同位素,氯化物氯同位素以及溶解性有机碳碳同位素,揭示了地下水硫酸盐、氯化物以及溶解性有机碳循环演化过程,深化了对于地下水地球化学环境演化的认识和理解,证明硫酸盐硫、氧同位素,氯化物氯同位素以及溶解性有机碳碳同位素方法能够从不同角度、不同方面为深入认识地下水的补径排过程以及水文地球化学和生物地球化学过程提供更有效的信息。本研究进一步拓展了多种同位素在地下水环境演化研究中的应用,尤其是对氯同位素以及碳同位素在相关研究中的应用提供了良好的借鉴。


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