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环境同位素在北京平谷盆地山前侧向补给研究中的应用
王新娟 , 韩旭 , 许苗娟 , 孙颖 , 刘久荣

1. 北京市地质环境监测所,北京，100195

《地质论评》 202-年 69卷 第1期 125
全文 图表 参考文献 作者 出版信息
目录
摘要
关键词
1 研究区概况
2 采样与测试
3 成果分析
3.1 地下水水化学特征
3.2 地下水同位素特征
3.3 中桥水源地地区地下水补给来源及补给比例的估算
4 结论
参考文献

摘要

利用地下水水化学和同位素测试分析成果，结合区域地质、水文地质条件研究了平谷北山山区侧向补给情况和中桥水源地地区第四系松散孔隙水和下伏岩溶水关系。结果表明：研究区第四系松散孔隙水和基岩岩溶地下水均来源于大气降水，地下水化学类型均为

关键词: 山区侧向补给； 第四系孔隙水； 基岩岩溶水； 混合比例； 北京平谷

地下水资源作为北京市的主要供水水源，其开采量占全市供水量的50%～70%。平谷盆地地下水资源多年来是当地的生产和生活用水的主要来源，而且从2004年开始作为应急水源地为北京城区供水。1999年以来的多年连续干旱以及地下水超量开采，使区域地下水位持续下降，形成了地下水降落漏斗。2014年以后南水进京，区域地下水的紧张局面得到缓解，在条件允许的情况下可以回补地下水，使地下水资源得到恢复。在南水进京的新水情下如何合理利用地下水资源，是水资源能够满足供给的情况下得到合理储备，以备不时之需的关键所在。开展区域地下水资源计算评价，提出地下水合理开采和有序回补涵养方案是地下水合理开发利用和保护的重要基础。对于平谷盆地地下水资源来说，其补给项包括：垂向和侧向补给，垂向补给包括降水入渗、地表河流及灌溉入渗补给，已非常明确；山区侧向补给各段补给、区内基岩岩溶水和第四系松散孔隙水之间的水力联系及相互之间的补给比例等还不是十分环境同位素是指在自然界广泛存在的自然产生的同位素，如 H、C、O等，同位素在地下水科学中的应用，是现代核技术发展的产物。地下水在其形成过程中，除了形成一般的物理、化学踪迹外，还形成大量微观的同位素踪迹，这些微观踪迹记录着地下水的起源和循环的历史过程，稳定同位素对水起着标记作用，而放射性同位素对水起着计时作用(王恒纯，1991；李晨曦，2017；张雅等，2019)。 2 H和 18 O同位素是水分子的构成元素，参与水循环和转化的各个过程，能直接体现水体所经历的“过程”，反映地下水的状态。水体在循环过程中存在同位素分馏现象，使得不同水体间或者受不同因素影响的水体间D和 18 O同位素含量存在显著差别，可体现出水分运移和转化的不同过程。国内外众多学者利用降水和地下水的稳定同位素特征，识别了地下水补给源、补给方式，估算补给高程和补给比例，解决了很多与水循环相关的难题(刘存福等，1997；宋献方等，2017；于静洁等，2017；王洁青等，2017；周训等，2017；霍冬雪等，2019)。陈宗宇等(2006) ] 利用 δ D、 δ 18 O 准确识别了黑河流域山区河流对地下水的补给过程以及地表水与地下水相互转化的水量，解决了以往对黑河流域地表水与地下水转化具体过程认识不清的问题。马致远(2004)利用 δ D、 δ 18 O 发现甘肃省东部平凉市泾河以南地区岩溶水中存在大量现代水的混入补给，表明岩溶水的补给条件和更新能力较好。氚同位素 (Tritium，T) 是天然水的一部分，直接参与水循环。氚同位素的放射性使其成为水文地质研究中的一种测年技术手段(张兵等，2004)，并且被广泛应用于地下水循环演化的研究中。
笔者等通过对平谷北山山前第四系浅层地下水、基岩岩溶水、地表水及大气降水取样和测试( 图1 )，分析了第四系浅层地下水和基岩岩溶水的补给来源并估算了洳河冲洪积扇中桥水源地地区地下水的补给比例，为平谷区域地下水流模型的建立和地下水资源计算评价提供了技术支撑。
图1 北京平谷盆地基岩地质图及水样采集点分布

1 研究区概况

北京平谷地区东、北、西和东南为中、低山与丘陵环抱，中部为向西南倾斜的断陷盆地，仅西南有一出口，与华北平原相连接。平谷盆地东西长25 km，南北最宽14 km，盆地呈倒梯形。盆地地形高程由东北部的85 m向西南逐渐下降为20 m，地形坡度为2.3%～1.8%。山东庄—平谷镇—东高村以东地区，山前地形起伏较大，相对高差3～10 m。盆地内部地势平坦，地形最低洼处位于马坊东的泃河河床，海拔高程仅为12 m。
平谷区属暖温带大陆性季风气候，春季干旱多风，夏季炎热多雨，秋季短促凉爽，冬季严寒干燥。平谷是北京市暴雨中心地区之一，据平谷气象站1959～2020年观测资料，多年平均降水量约为627 mm，其中最大降水量1213 mm(1984年)，最小降水量332.4 mm(2020年)年际变化大。降水时间分布不均，年内集中在6～10月，占全年降水的80%以上。
平谷地区地层有密云群、长城系、蓟县系、青白口系、寒武系、奥陶系、石炭系—二叠系和侏罗系以及第四系( 图1 )。其中，中元古界长城系主要分布于北部山区和盆地底部北侧，以白云岩为主，碎屑岩次之；蓟县系岩性以碳酸盐为主，少量火山岩及碎屑岩。奥陶系下统冶里组(O 1 y )和亮甲山组(O 1 l )、中统马家沟组(O 2 m )，以灰岩、白云质灰岩、豹皮灰岩为主，夹有泥质灰岩、页岩，分布于二十里长山。盆地内广泛发育新生界第四系地层，基岩埋深由山前几十米到盆地中心岳各庄的715 m(袁丽娟等，2020)。
基岩地下水以岩溶裂隙水为主，分布于西部、西北部山区和东南部山区。主要含水岩组有高于庄组岩溶裂隙水和蓟县系雾迷山组岩溶裂隙水含水岩组。其水文地质条件主要受地层岩性、地质构造及地形地貌影响，所处构造部位不同，富水性也不同，钻孔的单位降深涌水量最大可达2000 m 3 /(d·m)，最小只有2.4 m 3 /(d·m)。
山区地下水的补给主要是大气降水入渗补给和地表河流入渗补给，在山区基岩裸露区
接受大气降水补给。北部地区基岩地下水由北向南径流，东北部基岩地下水由东流向西南。基岩地下水的主要排泄途径是人工开采、水库控制区和未控制区山前地区对第四系地下水的侧向排泄。区内基岩地下水的开采层位主要有高于庄组和雾迷山组。平原区地下水的补给来源主要有大气降水、山区侧向补给、地表河流入渗补给、灌溉入渗补给及水库控制区坝下渗漏等。地下水的排泄有人工开采、第四系潜水蒸发和侧向流出。

2 采样与测试

本次工作于2017年6月在平谷北山山前采集11组水样( 表1 )，水样类型有基岩岩溶水、第四系松散孔隙水和大气降水。地下水采样于以生活用水井和水源地水源井，井深为50 ～350 m，采样点分布见 图1 。其中，DSX1、DSX2为中桥水源地第四系松散孔隙水，JY1～JY8为基岩岩溶水， DQJS为大气降水。
表1 北京平谷盆地水样采集信息
用于D、 18 O测试的样品利用50 mL的PPE(聚苯醚)水样瓶。首先用待采水样把采样瓶充分冲洗至少3次，然后直接用采样瓶采取水样，水样必须装满水样瓶，盖上内盖和外盖，使采样瓶内不留气泡。常温保存，避免高温或低温情况(防止结冰)。氚的采集：采样及前处理：氚的采样规范相对宽松，只需保证在采样过程中尽量少接触空气、在采样瓶中不留空气即可。
样品的测试D、 18 O在中国科学院地理科学与资源研究所，采用液态水同位素分析仪(DLT-100)测试，测试精度： δ D<±1‰， δ 18 O<±0.1‰；氚含量是在核工业北京地质研究院进行，采用低本底液闪仪(Quantulus 1220-003 )测试，检出限为1.3 TU(1 TU=118 Bq/m 3 )下同)，精密度σ≤0.6 TU。水化学分析由北京市水文地质工程地质大队(北京市地质环境监测总站)化验室测定，其中K + 、Na + 、Ca 2+ 、Mg 2+ 等阳离子含量采用电感耦合等离子体发射光谱仪分析，HCO 3 - 、Cl - 采用ZDJ-4A型自动电位滴定。

3 成果分析

通过在北山山区平原分界线附近布置地下水、泉水和大气降水水化学和同位素取样测试，利用水文地球化学分析和同位素水文地质学原理，开展平谷北山山区侧向补给情况分析研究。首先，利用D， 18 O分析区域地下水的起源，然后，通过水化学和D， 18 O分析、部分T和 14 C测试结果分析山区、平原区地下水的补排关系，最后，利用D， 18 O分析含量估算平原区地下水的补给比例和地下水补给高程。

3.1 地下水水化学特征

本次研究所取水样中泉水、基岩岩溶水、第四系地下水水化学类型差别不大，均为无色、无味、透明，pH值一般在7.12～7.94之间，为中性水，所取水样的主要阴阳离子含量见 表2
表2 北京平谷盆地水样水化学测试结果
3 . 1 . 1 主要组分及水化学类型
主要组分是指地下水中含量较高的化学元素或者化合物，它们通常就是水中水化学特征七大离子，占据地下水中无机物含量 90%以上，决定着地下水的水化学类型(周 训等，2014年)。根据 表3 数据可以绘制阴阳离子水化学Piper图( 图2 )。
图2 北京平谷盆地地下水水化学类型Piper图
从图可以看出，在菱形图中，10个取样点处于菱形的水平左对角，水样中Ca 2+ •Mg 2+ 含量占阳离子总量的85%以上，HCO 3 - 含量占阴离子总量的86%以上，地下水水水化学类型都是 型。地下水的pH值在7.12～7.94之间，均为中性水。从地下水水化学类型来看，所取水样全部为 型，水循环交替条件均很好。
3 . 1 . 2 对应水样点的水化学分析
Stiff图是一种同时可以展示六种主要阴阳离子组分含量的一种多边形图，图中有一垂直轴，此轴的左右两侧分别表示阳离子和阴离子，其单位为毫克当量/升。与垂直轴垂直的有四条平行轴，顶轴有毫克当量/升的比例刻度。
利用水化学测试结果编制水样stiff图，DSX1、DSX2、JY1和JY2水样stiff图见 图3 ，DSX1点为中桥水源地地区浅层第四系井样，DSX2为中桥水源地第四系深层地下水水样，JY1翟各庄为水源地上游山区长城系高于庄组岩溶水，JY2为中桥水源地高于庄组基岩岩溶水样。从图可以看出，JY2水样和DSX1、DSX2及JY1都很相似，这说明中桥水源地浅层、深层第四系水松散孔隙水、基岩岩溶水水化学特征相近。
图3 北京平谷盆地DSX1、DSX2、JY1和JY2水样stiff图
JY3和JY4点，JY5和JY6点；JY7和JY8点stiff图见 图4 ，此六点基岩岩溶水均为北山山前对应点，取水岩层均为长城系高于庄组岩溶水，从图中可以看出，JY3和JY4 Stiff图形状比较接近，JY5和JY6点stiff图形比较接近；JY7和JY8点stiff图性比较接近，说明这3对水样点的水化学特征相近。
图4 北京平谷盆地JY3和JY4点，JY5和JY6点；JY7和JY8点水样stiff图

3.2 地下水同位素特征

3.2.1 2 H 、 18 O 同位素特征
本次测试平谷盆地北山山前地下水样的 δ D V-SWOM 和 δ 18 O V-SWOM 值列于 表3 ，水样的 δ D V-SWOM 和 δ 18 O V-SWOM 的关系图如 图5 所示。研究区 δ D V-SWOM 在-69.5‰～-61.9‰之间，均值为-65.08‰； δ V-SWOM 18 O在-10.7‰～-8.67‰之间，均值为-9.35‰。其中DSX1水样和大气降水水样 δ D V-SWOM 和 δ 18 O V-SWOM 值比较接近；DSX2、JY1样 δ D V-SWOM 和 δ 18 O V-SWOM 与JY2比较接近；JY3和JY4水样 δ D V-SWOM 几乎相同， δ 18 O V-SWOM 比较接近；JY5和JY6D和 δ 18 O V-SWOM 比较接近；JY7和JY8水样 δ D V-SWOM 和 δ 18 O V-SWOM 近乎相同。
表3 北京平谷盆地水样同位素测试结果
从对应点 δ D V-SWOM 和 δ 18 O V-SWOM 值的关系，初步可以确定DSX2、JY1与JY2点；JY3和JY4点，JY5和JY6点；JY7和JY8点有相应的补给关系。
3.2.2 地下水补给来源分析
水中稳定同位素 δ D V-SWOM 和 δ 18 O V-SWOM 的组成受气象过程的影响，它提供了水的起源的标志特征，其含量和分布特征是调查和分析地下水补给来源、补给高程和补给温度的基础。
水样 δ D V-SWOM 和 δ 18 O V-SWOM 组成见 图5 ，从 图5 中可以看出，所有水点均落在北京大气降水线的左下方，靠近大气降水线的，说明地下水补给均来源于大气降水，且其补给来源于海拔高且寒冷季节补给。其次，从第四系地下水、基岩岩溶水 δ D V-SWOM 和 δ 18 O V-SWOM 同位素趋势线来看，第四系地下水、和基岩岩溶地下水在形成过程中均经历了蒸发作用，其中，基岩岩溶水的趋势线斜率最小，说明其补给径流过程经历了强烈蒸发作用。
图5 北京平谷盆地水样
3.2.3 补给高程估算
大气降水中的 δ D V-SWOM 和 δ 18 O V-SWOM 会随着地形高度的升高而降低，因此可以利用同位素的高程效应估算地下水的补给高程。常用的计算公式如下：
方法一：中国大气降水中 δ D V-SWOM 值的高程效应公式(周训等，2010)：
δ D V-SWOM /‰=-0.03 ALT /m-27 　 (1)
ALT 为海拔高程值。
方法二：我国西部降水的 δ 值与高程 H 的关系式为(于津生等，1997)：
δ 18 O V-SWOM /‰=-0.0031 H /m-6.2 δ D V-SWOM /‰=-0.026 H /m-30.2 　 (2)
利用式(1)和(2)计算的结果再求取平均值，结果 表4 。从 表4 可以看出方法二中( δ 18 O V-SWOM )计算的结果偏小，其他两种方法求得的数值比较相近。因为地下水中的 δ 18 O V-SWOM 更易与围岩发生同位素交换反映，所以用 δ 18 O V-SWOM 值计算的结果有偏差。
表4 北京平谷盆地地下水补给高程计算成果
为了降低因取样和测试产生的误差，将使用 δ D两种方法计算结果的平均值作为地下水的补给高程。补给高程的估算结果显示北部山前第四系地下水和基岩岩溶地下水均来自北部山区裸露基岩补给区，补给高程在1296～1405 m，这一信息也印证了 δ D V-SWOM 和 δ 18 O V-SWOM 补给来源分析中补给来自高寒地区降水补给。
3.2.4 氚测试结果
氚测试结果见 表3 ，从 表3 可以看出，JY1翟各庄村东井氚含量和JY2中桥村八厂水源地井水样氚含量接近，一个值为7.2 TU，一个值为7.64 TU，说明两个水的年龄均较小，为比较新的补给水。而中桥八厂水源基岩岩溶水井氚含量稍微比翟各庄村生活用水井高，另外中桥八厂水源地第四系井氚含量更大一些，这也可以说明中桥八厂水源地基岩岩溶水即接受山区岩溶水侧向补给，也接受上伏第四系松散孔隙水越流补给。JY3和JY4氚含量均小于1.3 TU，说明这两个水样地下水补给来源均为大于54年补给水，氚含量相近也说明两个水有补给关系。JY5和JY6、JY7和JY8也都是年龄比较小的水，相互之间也有补给关系。

3.3 中桥水源地地区地下水补给来源及补给比例的估算

由于 δ D和 18 O稳定同位素的保守性，决定了它们除了能确定补给来源、估算补给高程和补给温度外，还可确定两种不同水的混合比例。利用中桥水源地地区大气降水、山区基岩岩溶地下水JY1，水源地第四系地下水样DSX1、DSX2，水源地基岩岩溶地下水JY2的 δ 2 H计算分析水源地第四系浅层地下水、基岩岩溶水的补给来源和补给比例。
不同水样混合比计算公式为：
式中： Y 为混合比例； δ A 为水样A的 δ D V-SWOM 或 δ 18 O V-SWOM 值； δ 样 为混合水的 δ D V-SWOM 或 δ 18 O V-SWOM 值； δ B 为水样B的 δ D V-SWOM 或 δ 18 O V-SWOM 值。
3.3.1 中桥村第四系浅层水的补给分析
中桥村第四系浅层地下水主要接受山区基岩岩溶水侧向径流补给和大气降水入渗补给，其次是洳河河水补给，但是，在2017年取样期间该段河流无水，因此，认为主要以基岩岩溶水和大气降水补给为主。经计算分析，中桥村浅层第四系松散孔隙水大气降水和山前基岩岩溶水补给比例为57∶43=1.325。中桥水源地地区浅层第四系松散孔隙水除了接受当地降水入渗补给外，还接受山区基岩岩溶水的侧向补给，并且山区侧向补给量还稍大于垂向降水入渗补给，这和在永定河和潮白河冲洪积扇上游地下水侧向补给：垂向降水入渗补给比例为4∶3=1.333比较接近。另外，在峪口冲洪积扇顶部地区第四系浅层水地下水水力梯度较大，为2‰～2.8‰和永定河冲洪积扇上游的水力梯度2‰～3‰接近。
3.3.2 中桥水源地基岩岩溶水补给分析
从前面分析可以知道，中桥水源地基岩岩溶水除了接受山区岩溶水侧向补给外，还接受上覆第四系深层地下水的垂向越流补给。分别利用DSX2、JY1、JY2三组取样点的 δ 2 H值、T值估算DSX2和JY1的混合比例，计算结果见 表5
表5 北京平谷盆地中桥水源地基岩岩溶水补给混合比例估算结果
从 表5 中可以看出， δ D V-SWOM 和T值计算结果比较接近，以 δ D V-SWOM 和T值计算结果的均值确定混合比例， JY1∶DSX2混合比例为87∶13。中桥水源地地区第四系地下水和基岩岩溶水的水力联系非常密切，其变化情况分两个阶段，水源地开采前，基岩岩溶水水位高于第四下地下水，岩溶水越流补给第四系；2004年中桥水源地给市区供水后，第四系松散孔隙水位高于基岩岩溶水，补给方向逆转。
利用分析结果在平谷区域地下水资源计算中，结合山区平原分界处剖面、地下水流场等计算了平原区北山山前侧向补给量，年均补给量为5014万m 3 。利用平谷区地下水流数值模型模拟计算了第四系地下水越流补给基岩岩溶水量，年均补给量为1255万m 3 。

4 结论

(1) 通过水化学特征、 δ D、 18 O及T含量分析，确定了研究区地下水起源于大气降水，补给高程在1296～1405m之间，为北部山区高寒补水；理清了平谷北山山前地下水侧向补给关系，即山前岩溶水的侧向排泄去向，山前岩溶地下水即补给平原区隐伏岩溶水，又补给平原区第四系松散孔隙水。
(2) 分析了洳河冲洪积扇上游中桥水源地浅层第四系松散孔隙水的垂向和侧向补给情况，利用 δ D、 18 O值估算了中桥水源地地区第四系浅层地下水的山区侧向补给和垂向降水入渗补给比例，计算结果为57∶43；通过同位素和水化学分析认为中桥水源地基岩岩溶水，即接受山区岩溶水侧向补给，又接受上覆第四系地下水的越流补给。利用 2 H、T含量估算了中桥水源地地区基岩岩溶水接受山区岩溶水侧向补给和第四系孔隙水垂向越流补给比例，计算结果为87∶13。这两项成果均可以说明山前地区地下水水交替条件非常好。
(3) 在山区侧向补给混合比例估算成果的基础上，结合山区平原分界处剖面、地下水流场等计算获得山前侧向补给第四系地下水量为5014万m 3 /a；在中条水源地基岩岩溶水的补给比例估算成果的基础上，利用平谷盆地地下水流数值模型模拟计算了第四系地下水越流补给基岩岩溶水量为1255万m 3 /a。
注释 / Note
❶ 北京市水文地质工程地质大队. 2013. 顺平地区岩溶水数值模拟研究.

参考文献

1. (The literature whose publishing year followed by a “” is in Chinese with English abstract; The literature whose publishing year followed by a “” is in Chinese without English abstract)

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