关中盆地浅层地下水CFC年龄的计算

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2009 年第 9 期
此即为活塞运移模型的数学物理表达式 。 关中盆地地下水系统主要来自降雨入渗补给 。 以渭河为界 , 南北两侧地下水在由山前洪积扇向冲 积平原径流的过程中不断与当地降雨的入渗水和灌 区回归水混合 , 同时还受到上游水体的侧向补给 。 但由于缺少灌溉回归水的同位素资料 , 因此输入项 为大气降水 , 输出项为开采量 , 地下水的计算模型 概化为单输入 - 单输出系统 。在山前洪积扇区大气 降雨入渗补给地下水并以活塞流推进 。到达黄土台 塬区 , 由于地下水埋深较大 , 在此区域主要是地下 水与雨水完全混合 。而在冲积平原降雨与侧向径流 [8 ] 一面进行混合 , 一面向前推进 。因此 , 本次采用 活塞模型进行计算 。 312 地下水 CFC 年龄计算基本原理 测量地下水 CFC 年龄有 4 个基本假设 : ① 补给 温度已知 ; ② 取样过程中不能接触大气或其他来源 的 CFC ; ③ 除了大气背景 CFC , 不能存在任何局部 CFC 污染源 ; ④ 地下水中的 CFC 浓度不能受到明显 的水动力弥散影响 , 以便可以运用活塞运移模型近 [11 ] 似刻画 CFC 在地下水中的运动 。 根据亨利 ( Henry) 定律 , 当空气 - 水达到平衡 3 状态时 , 水中的 CFC 浓度 ( Ceq ) 与 CFC 在空气中
地下水年龄是研究地下水运动的重要参数。在 过去的 40 多年里 , 用于地下水定年的示踪剂主要 是放射性同位素或比值 , 其中用于年轻地下水年龄 3 3 3 测定较为成熟的方法有 H 法和 HΠ He 法等 , 测年 [1 ] 范围在几十年内 。CFC 是英文 Chlorofluorocarbons (氟里昂) 的缩写 , 是一类纯人工合成的有机化合 物 , 包括 CFC211 ( CCl3 F) 、CFC212 ( CCl2 F2 ) 与 CFC2
计算 CFC211 , CFC212 和 CFC2113 的亨利定律常数的系数表 [ 9]
CFC CFC211 CFC212 CFC2113 CFC211 CFC212 CFC2113
a1
-1
表1
b2 b3
a2
a3
b1
KH 单位用 mol ・ kg - 1 ・ (1013125hPa)
2 采样与分析测试
在关中盆地典型地貌单元 — — — 山前洪积扇 , 黄 土台塬 , 渭河冲积平原 ( 渭河二级阶地 、一级阶 地 、河漫滩) 与渭河 , 于 2006 年 10 月 12 日～10 月 23 日对不同水体进行了系统取样 , 共采集水样 40 件 。采样位置见图 1 。
图1 关中盆地浅层地下水 CFC 取样点
CFCs age calculation of shallo w groundwater in Guanzhong basin
Li Chen
1 ,2
, Qin Dajun
1
(1. Institute of Geology and Geophysics , Chinese Academy of Sciences , Beining 10029 , China ; 2. Graduate University of Chinese Academy of Science , Beining 100049 , China)
关中盆地浅层地下水 CFC 年龄的计算
李 晨
1 ,2
, 秦大军
1
(1. 中国科学院地质与地球物理研究所 , 北京 100029 ; 21 中国科学院研究生院 , 北京 100049)
摘要 : 通过在关中盆地典型地貌系统取样 , 在实验室中应用吹扫捕集气相色谱法对关中盆地浅层地
下水样品 CFC211 、CFC212 和 CFC2113 浓度进行测定 , 以亨利定律为基础建立了计算地下水 CFC 年 龄的活塞模型 。利用 CFC 输入函数对地下水表观年龄进行了计算 。研究结果表明 , 关中盆地浅层 地下水的年龄随埋深增加而增大 ; 从两侧山前向渭河 , 浅层地下水年龄呈增加的趋势 ; 自然状态 下 , 渭河水对地下水的影响仅局限在河道两侧 2km 范围内 。 关键词 : 关中盆地 ; CFC ; 表观年龄 ; 输入函数 中图分类号 : P64113 文献标识码 : A
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[2 ]
关中盆地位于陕西省中部 , 属温带半干旱 、半 湿润气候区 。多年平均气温 l2 ～ 1316 ℃, 多年平均
收稿日期 : 2009201215 ; 修订日期 : 2009205207 基金项目 : 国家自然科学基金项目 ( 40572148) ; 国家 973 项 目 (2006CB403401) . 作者简介 : 李晨 ( 1981 - ) , 男 ( 汉族 ) , 河北邯郸人 , 硕 士. 工程勘察 Geotechnical Investigation & Surveying 39
Abstract : Through systematically sampling in some typical regions in Guanzong basin , the concentrations of CFC211 , CFC212 and CFC2113 of shallow groundwater in Guanzhong basin are determined in the laboratory using a purge and trap chromatography procedure and a Piston2Flow2Model is established to calcuate CFCs ages of groundwater based on the Henry Law. Apparent ages of groundwater are calculated by the input function of CFCs. The study result shows that ages of shallow groundwater in Guanzhong basin increase as depth. From mountain sides to the Weihe river , shallow groundwater ages take a rising trend. Under natural conditions , the Weihe river does not affect areas more than 2 kilometers away from the bank. Key words : Guanzhong basin ; CFCs ; apparent age ; input function 0 前言
降水量 600 ～ 750mm , 西部多于东部 , 南部多于北 部 , 降水量年际与年内分配不均 , 年降水量多集中 于 7 、8 、9 月 , 其降水量占全年 45 %左右 。多年平 均蒸发量 1000 ～ 1200mm , 多年平均相对湿度 61 % ～72 % 。 关中盆地北面为舒缓起伏的低山丘陵 , 习称北 山 , 南部为秦岭 。从南北山区向盆地中心呈阶梯状 降落 , 依次分布山前倾斜平原 、黄土台塬 、冲积平 原等地貌类型 。渭河是关中盆地的主要河流 , 自西 向东横贯盆地中部 , 在潼关汇入黄河 , 其多年平均 3 径流量为 10116 亿 m 。 由于受地质地貌和气象水文等因素控制 , 不同 地貌单元上地下水含水介质 、赋存状况 、埋藏条件 等存在着明显差异 。含水介质以第四系松散覆盖层 孔隙 、孔隙裂隙水含水岩层为主 , 并常组合成上部
113 ( C2 Cl3 F3 ) 。CFC 定年法最早出现于 20 世纪 70
等 研究地下水年龄 , 并与 HΠ He 年龄作了对比研 究。 CFC 定年技术能够测定年龄在 50 年以内的地 [6 ] 下水 , 特 别 适 合 研 究 1945 年 以 后 补 给 水 的 年 [7 ] 龄 。本文以关中盆地为研究区 , 利用已建立的 50 年来大气 CFC 浓度输入函数 , 将实测水样结果与之 比对分析 , 得出地下水年龄 , 为进一步合理开发利 用地下水资源奠定基础 。
tt C t = Cin t - t t exp - λ
当地下水系统中 CFC 同位素的运移符合线性规 律 , 并将整个系统概化为线性的集总参数模型时 , 地下水系统中 CFC 的运移可以用卷积积分进行计 [9 ] 算 。其数学物理模型如下 :
40 工程勘察 Geotechnical Investigation & Surveying
∞
Cout t
=
C ∫
in 0
τ ) dτ ( 1) t - τ g τ exp ( - λ
式中 : Cin 与 Cout 分别是示踪剂的输入浓度与输出浓 度 ; τ是示踪剂在地下水系统中的滞留时间 ; t 是取 样时间 ; t - τ 是运移时间 ; g τ 是权重函数 , 用 以描述水样的年龄分布 。 当地下水系统中的流线被假定具有相同的平均 运移时间 , 并且水动力扩散和弥散作用可以忽略 时 , 设 t t = t - τ , 则权重函数 g τ = δ τ - t 。 将其代入 ( 1) 式有 :
潜水与下部承压水双层含水结构 。盆地地势低平 , 第四系松散堆积物厚度大 , 分布广 , 富水性好 , 加 之降水较多 , 又有出山口河流渗漏 , 补给条件良 好 , 地下水较为丰富 。盆地中部的渭河沿岸及各支 流阶地 、山前洪积扇前缘等区域和局部地下水排泄 区为主要的富水地段 。盆地内广大地区地下水以水 平运动为主 , 主要由南北两侧向盆地中部渭河径 [8 ] 流 、排泄 。
[5 ] 3 3
1 研究区概况
年代中期 , Thompson ( 1976 ) 、Thompson 和 Hayes ( 1979) [3 ] 测定了美国新泽西南部 、阿肯色和德克萨 斯中南部地下水中的 CFC211 含量 , 分析结果与已 知水文信息和氚浓度吻合良好 。90 年代初 , 这种方 法在美国得到了较广泛的应用 , 现已趋于成熟 。在 [4 ] 国内 , 韩良峰等 用 CFC 研究地下水混合 , 秦大军
水样的 CFC 含量测试采用 “吹扫捕集气相色谱 法” , 水样中 CFC211 , CFC212 和 CFC2113 浓度通过 装有电子捕获检测器的吹扫捕集气相色谱仪测定 [7 ] 出 。测试程序与 Busenberg 与 Plummer 的测试方法 相似 。分析结果见表 2 。
3 地下水 CFC 年龄计算 311 数学物理模型
[10 ]
的分压 ( PCFC ) 成正比 :
Ceq = KH × PCFC
3
( 3)
式中 , KH 为亨利定律常数 ; PCFC 为与水中 CFC 达 到平衡时气相中 CFC 的分压 , 被定义为 : ( P - PH2 O ) PCFC = x′
( 4)
式中 , x′ 为干燥空气中 CFC 的摩尔分数 ( x′< < 1) ; P 为总大气压 ; PH2 O 为水蒸汽的分压 。Warner 和 Weiss 等 确定出在一个标准大气压下 , 一定温 度与含盐量范围内 CFC211 , CFC212 和 CFC2113 在淡 水和海水中的亨利定律常数 KH , 用公式表示如下 :
ln KH = a1 + a2 100
T
[12 ]
+ a百度文库 ln
T
T
100
T
+
2
S b1 + b2
100
+ b3
100
( 5)
式中 , a1 、 a2 、 a3 和 b1 、 b2 、 b3 都是常数 ; T 是 绝对温度 ; S 是盐度 , 当地下水为淡水时 , 可以不 考虑 。表 1 列出了温度 0 ℃ ～40 ℃ 之间 , 盐度在 0～ 40 ‰ 之间时 , 根据最小二乘法拟合出的分别计算 CFC211 , CFC212 和 CFC2113 的亨利定律常数时所需 常数值 。