2005_地下水CFC定年方法及应用_秦大军

地下水CFC 定年方法及应用
秦大军
(中国科学院地质与地球物理研究所,北京100029)
[摘　要]地下水系统中是否存在现代水补给,是地下水资源评价中非常重要的问题之一,如何确定地下水中有无现代水补
给,是水文地质工作中的一个难题。

地下水CFC 方法是一种新的定年方法,通过测量地下水中溶解的氟氯碳化合物(CFC ),可确定近50年以来地下水的年龄、地下水系统接受现代水的补给程度,是研究地表水与地下水之间的联系的有效方法。

[关键词]地下水;定年;CFC s ;应用
[中图分类号]　P 641.72 [文献标识码]　B [文章编号]　1004-1184(2005)06-0435-03
[基金项目]　国家自然科学基金资助项目(项目号:40372115)。

[收稿日期]　2005-07-15
[作者简介]　秦大军(1964—),男,河北滦县人,副研究员,主要从事水文地质、地下水年代学及方法,地球化学研究工作。

随着我国工业、农业、人民生活的改善,地表水和地下水资源利用量的快速增长,已引起了严重的生态和环境问题,并制约着经济、社会生活的发展和提高。

由于过量使用地表水,减少了对地下水的补给,而污水的大量排放又导致一些地区的地下水受到了不同程度的污染,甚至使饮用水水源地水质变差。

地表水,如何评价和确定二者之间的联系一直是需要迫切解决的问题。

受目前研究手段和认识的限制,对地下水的补给区、补给范围和补给速率等关键问题尚未解决好,这已影响到水资源评价结果的准确性,增加了水资源管理中非科学的因素。

地下水CFC 定年方法,弥补了1980年以前确定0～50年尺度地下水年龄缺乏可靠
方法的不足。

1　国内外地下水CFC 定年方法研究现状
在上世纪70年代中期,人们开始认识到地下水中的CFC 可以用来作为一种示踪剂(T hom p son and
H ayes ,1979)。

1990年后,开始CFC 方法定年研究,主要是通过测试地下水中的CFC -11和CFC -12两种化合物确定地下水表观年龄(B u senberg and
P lumm er ,1992;D unk le et al
.,1993),在近年的研究中开始测定地下水中的CFC -113(P lumm er et al .,
2000)。

1945年以后的地下水中的CFC 浓度都可以检测出来,因此该方法适用于确定近50年以来补给的地下水的年龄。

目前CFC 被认为是确定1950年以来年轻水年龄,评价地下水(水源地)是否易受到污染,
确定含水层修复时间等(P lumm e et al .,2000),地下
水流模型(活塞,指数,混合等)(R eilly et al .,1994;
Szabo et al
.,1996,)的有效示踪剂。

地下水中存在CFC 说明有两种情况,一是存在1945年以来补给的地下水,二是老水与50年代以来
地下水发生了混合。

同时测试3个CFC 有助于提高数据的可靠性,比仅测二个CFC 化合物具有明显的优点,可获得更多的信息。

结合其它水文学,水化学,或同位素资料,可以更有效地分析地下水是否发生混合作用,并可计算出地下水中新水所占比例。

作者于2002年将该方法和设备引入我国,并在中国科学院地
质与地球物理研究所建立相关实验室,介绍了地下水CFC 定年方法(Q in et al
.,2001;秦大军2002)和影响因素(秦大军,2004)。

2　渭河河水与地下水相互关系研究中的一些问题
傍河水源地为许多重大工程和居民提供水源,如上世纪70年代建成的渭河电厂年发电达39亿kw h ,所需水源全部取自傍渭河水源,日需水量达4500m 3
(郭志奇等,2000)。

同时傍河水源地也是城市供水的重要来源。

自上世纪70～90年代,咸阳、西安市渭河水源地井群地下水水位近20年累计下降40～60m ,最大达140m ,导致地面沉降,地裂缝发展,宝鸡市部分渭河地区地下水已经疏干(王敏捷,2000)。

在大规模开采渭河傍河地下水水源时,引发了越来越多的环境地质问题,比如地面沉降和地裂缝的形成,渭河河水水量减少和泥砂沉积等,缺乏对地表水与地下水转
　2005年12月第27卷　第6期 地下水Ground w ater Doc 1,2005V o l 127　NO 16
换关系的进一步深入研究。

关中盆地地下水很大一部分是来源于盆地四周山区河流和降水的入渗补给,山区河流经山口进入盆地后,大部分的河水渗漏补给地下水。

据已有资料,在关中盆地秦岭北坡石头河、黑河、沣河、灞河、尤河、罗夫河等渭河支流,河水一出山口,有相当部分渗入补给地下水。

渭河以北黄土台塬后部的凤翔、岐山至富平、蒲城至韩城的山前洪积扇区亦接受北部山区小河流及山洪的补给。

河流河谷两岸的河漫滩及部分低阶地,在洪水期间,由于河水位高于地下水水位,也可形成河水对地下水的补给。

目前主流观点认为,加大开采傍河地下水可以不断激发和增加河水的补给,可以吸夺更多的河水。

渭河河水补给对地下水的补给系数达0.7(赵红等, 2001)。

就是说渭河水是傍渭河水源地的主要补给源。

但是,另有资料表明,傍渭河水源地某些地区地下水可能与地表水无直接关系。

如渭南段渭河水氚同位素值(21TU),要远高于地下水同位素值(<12TU)(黎兴国等,1994)。

氚同位素的数据可能表明一种相反的结论,即河水并未直接补给地下水,傍河水源地吸夺的主要是侧向补给和深部地下水。

或者氚数据也可能说明河水与地下水发生混合,需要结合其它数据进一步分析。

渭河水补给系数是通过统计潜水开采量与承压水开采量计算得到的。

由于傍河水源地潜水与承压水缺乏连续隔水层,有时难以区别抽取的地下水来自于哪个含水层,更多情况下,抽出的地下水为来自不同含水层的混合水。

那么搞清混合水中有多少河水是十分重要和有意义的。

地下水系统是否接受现代水补给可以作为识别各种水力联系的标志。

如果傍河水源地地下水接受渭河河水的大量补给,傍河水源地的规模开采会明显地加重渭河河水的不足;反之河水未补给傍河水源地下水,傍河水源地的非平衡开采会加速渭河两岸地下水水位的下降,加重渭河两侧中上游地下水水资源的不足。

所以需要确定傍河水源地是否接受渭河补给,如果有河水补给地下水,补给程度如何;如果没有河水补给地下水,过量开采的地下水是从哪里来的,对周边地区有什么影响。

3　利用地下水CFC方法研究渭河河水与地下水的联从咸阳到渭南渭河两岸,秦岭山前和北山山前从浅水井(<100m,多数<50m)中采集了14个样品,利用CFC s数据确定出了新水的年龄。

含CFC新水与不含CFC的“老水”之间的混合可用二元混合模型来描述,利用CFC数据计算出新水在新老混合水中的比例。

在秦岭山前(户县)一带新水的年龄小于10年,新水所占比例可达50%,而向北到长安一带新水年龄为10年,新水比例下降为14%。

在北山山前地下水样品多数含有CFC s,新水年龄为13年,新水比例为20%。

相对于秦岭山前地下水而言,北山山前近30年以来的新水在地下水系统中所占的比例低。

在渭南双王监测井取得的样品CFC年龄为11年,比例仅为9%,在渭河北岸龙背村农灌井样品CFC年龄为13年,比例为9%。

渭河附近地下水样品新水比例<10%。

在咸阳市一生活供水井水样中,发现了较高的CFC s,地下水CFC年龄为10年,比例为35%。

由于此井靠近渭河北岸,考虑到多数近渭河样品CFC s含量低,该井吸夺了较多的上部浅层水或渭河河水。

在靠近渭河南岸的梁村浅井样品,CFC年龄较老为35年。

在渭河南岸,地下水年龄小于渭河北岸地下水年龄4～5年。

这与渭河南岸地下水水力梯度大于渭河北岸地下水水力梯度的情况相一致。

地下水中新水比例增加的方向指向地下水补给源,在山前地带新水比例较大,而远离山前新水逐渐减少。

关中盆地浅层地下水的补给区在盆地两侧山前地带,渭河为地下水的排泄区,从许多傍河水井中抽出的是在地下储藏时间较长的水。

即使加大了傍河水源地的开采量,所能激发的河水补给量的增加也有限。

傍河水源地过量开采更多地吸取了侧向补给的地下水。

傍渭河水源地非平衡开采地下水会加重渭河两侧地下水水位下降速度。

西安地面沉降、地裂隙、地下水位下降可能与此有关,应引起注意。

4　地下水开发影响水循环和环境的综合分析地表水(河水和降水)补给地下水有空间上的差异性,在河道附近河水虽然容易补给地下水,但多数情况下,因河床处于地形的低位置,往往成为地下水的出露区。

河水补给地下水的范围受河水水位与地下水位的制约,在河水高水位期可形成对地下水的补给,一般情况下侧向补给范围在1000～2000m。

有些地区河水渗漏明显时,补给地下水的量较大。

傍河水源地是否接受河水补给,除了采用常规的研究方法外,还需要采用环境示踪方法予以分析。

西安地面沉降及地裂缝的形成与地下水过量开采有关。

沉降和地裂缝多发育在城区及其附近,有关
部门采取关闭城区内的一部分深水井,以缓解地裂缝、地面沉降。

从目前的现状来看,这些措施的效果并不十分明显。

在治理西安地面沉降及地裂缝时,关闭一些过量开采井是必要的。

但是关闭哪些井,以及可能达到何种效果有必要作进一步的研究。

需要确定出哪些井正在抽取的是有现代补给的,哪些是没有现代水补给。

在此基础上,确定出应该关闭哪些水井,哪些水井还可以继续供水。

由此可能得到控制和解决类似西安(水文)地质灾害问题的一些新思路。

集中力量寻找和确定有降水和河水补给的区域作为城市供水的主要水源地,减少或关闭正在抽取储藏时间较长的地下水水井,来缓解和预防因过量抽取地下水引起的地面沉降和地裂缝。

CFC s是人工合成的有机化合物,在新水中含量最高,老的地下水中则低,甚至低于检测限,这为判断河水是否补给地下水,地下水系统是否接受新水补给,以及确定补给区的空间分布提供了重要的依据。

地下水CFC s方法应用领域较广阔,在地下水资源评价和管理中有重要作用。

目前的研究领域涉及到年轻地下水定年、地下水补给区确定、水源地保护方案的确定、核废料场址的评价、农业灌区地下水污染研究、河水污染对下水影响研究,以及揭示地表水与地下水相互作用等多方面的研究领域。

5　结论
1)CFC s数据表明,关中盆地地下水系统中新水的年龄为0～13年,入渗主要发生于山前洪积扇区域,入渗补给水运移到河床位置需要的时间>15年。

靠近河道地下水年龄较老。

2)秦岭山前地下水的新水补给量约为北山山前地区地下水中新补给量的2倍。

秦岭山前是关中盆地地下水的重要补给区。

3)傍河水源地水井的抽水量大时,可以吸夺部分河水,吸夺河水的量有限(<40%)。

4)地下水CFC定年技术是研究现代地下水循环和受人类活动影响的水体的运动规律有效方法,具有广泛的应用领域和前景。

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