地下水水質(zhì)評價與水資源管理研究范文

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《ActaGeologicaSinica雜志》2016年第4期

摘要：

地下水系統(tǒng)是包含地質(zhì)環(huán)境、地下水動力、地下水化學(xué)等子集的綜合系統(tǒng)，早在2000年前的古羅馬時代，人們就已應(yīng)用水文地球化學(xué)方法開展地下水的水化學(xué)特征、地下水補(bǔ)給、徑流與排泄等研究。近現(xiàn)代同位素技術(shù)的發(fā)展，為開展地下水補(bǔ)給和可更新性、追蹤地下水污染等方面的研究，提供了極大幫助。研究者通過分析地下水樣品的水文地球化學(xué)指標(biāo)，如K＋、Ca2＋、Na＋、Mg2＋等離子，結(jié)合δ18O、δD、δ37Cl、δ81Br等穩(wěn)定同位素指標(biāo)，在地下水徑流特征分析、水巖相互作用過程、地下水咸化、地下水資源管理以及地下水水質(zhì)問題等研究方面取得了大量成果。本文概述了國內(nèi)外近年來應(yīng)用水文地球化學(xué)與同位素結(jié)合的手段進(jìn)行地下水系統(tǒng)研究取得的成果及進(jìn)展，著重回顧了在地下水咸化、地下水硝酸鹽及微量有機(jī)污染以及地下水資源管理研究中的應(yīng)用成果。文末討論了應(yīng)用水文地球化學(xué)與同位素結(jié)合的手段研究地下水系統(tǒng)的基本方法，探討了開展地下水質(zhì)質(zhì)量評價與地下水資源管理的科學(xué)方法，展望了水文地球化學(xué)與同位素方法在地下水有機(jī)污染調(diào)查研究中的應(yīng)用前景，認(rèn)為該方法可以為地下水中新型及持久性有機(jī)污染物的來源及污染特征研究提供重要支撐。

關(guān)鍵詞：

水文地球化學(xué)；同位素；地下水；硝酸鹽；微量有機(jī)污染物

自從古羅馬哲學(xué)家老普利尼記錄第一條水文地球化學(xué)規(guī)則以來———流水呈現(xiàn)出與它所經(jīng)過的巖石相似的性質(zhì)———科學(xué)家和哲學(xué)家對水文地球化學(xué)的運用已經(jīng)歷了2000余年。早期的水文地質(zhì)研究傾向于水巖相互作用、徑流走向、水文地球化學(xué)循環(huán)特征等方面，現(xiàn)代水文地球化學(xué)更注重應(yīng)用于水資源管理及水污特征染等的研究。上世紀(jì)60、70年代，隨著工業(yè)化進(jìn)程加劇，水資源短缺與水質(zhì)惡化問題凸顯，水文地球化學(xué)在地下水污染及相關(guān)問題研究中的作用更為重要。與此同時，元素的檢測儀器從原子吸收光譜（AAS）發(fā)展到電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀再到電感耦合等離子體質(zhì)譜，多元素同步檢測以及含量在μg／L水平以下微量元素的檢測技術(shù)取得突破，水文地球化學(xué)的應(yīng)用得以擴(kuò)展到酸雨、孔隙水等微小體積樣品分析領(lǐng)域。對水資源評價和水質(zhì)分析做出重要貢獻(xiàn)的另一工具———穩(wěn)定同位素技術(shù)在這段時期也得到快速發(fā)展。1961年，Craig在《科學(xué)》雜志上發(fā)表了經(jīng)典文章“isotopicvariationsinmeteoricwaters”（全球降水的同位素組成差異），標(biāo)志著同位素手段在自然水體中的系統(tǒng)應(yīng)用開始。歷經(jīng)50余年的發(fā)展，同位素手段已與水文地球化學(xué)分析手段緊密的融合在一起，在建立地下水循環(huán)過程概念模型、了解水質(zhì)演化、判斷地下水補(bǔ)給水源以及地下水溶質(zhì)的溯源等方面發(fā)揮著重要的作用。眾所周知，地下水資源是干旱、半干旱地區(qū)工業(yè)、農(nóng)業(yè)和生活用水的重要來源。例如在西班牙，地下水提供了全國總用水量的1／5，并灌溉了全國1／3以上的農(nóng)田。我國首都北京市同樣處于溫帶半干旱半濕潤地帶，水資源天然稟賦不足，全市2／3以上的供水量來自地下水資源?。自20世紀(jì)70年代以來，北京因地表水的減少和地下水開采量增加，地下水逐年虧損。超量開采地下水造成水位下降，形成水位降落漏斗，產(chǎn)生地面沉降、水質(zhì)污染等問題?。為緩解緊張的用水形勢，保障城市供水，很多地區(qū)利用再生水進(jìn)行農(nóng)田灌溉。但目前多數(shù)城市工業(yè)廢水和城市生活污水排放量大幅增加，污水處理設(shè)施能力明顯不足，再生水灌溉嚴(yán)重威脅到地下水水質(zhì)安全。在沿海地區(qū)，地下水超采還會引發(fā)海水入侵，導(dǎo)致地下水咸化、地下水水質(zhì)退化等問題。面臨日益嚴(yán)峻的地下水資源短缺及地下水水質(zhì)惡化等問題，人們迫切的需要在地下水水質(zhì)狀況、污染狀況、污染物來源、遷移及歸趨、水資源管理等等方面展開深入細(xì)致的研究。水文地球化學(xué)特征與同位素特征分析相結(jié)合的研究方法，已成為廣大研究者用于研究地下水資源管理及污染物來源及遷移轉(zhuǎn)化的重要手段。本文將就水文地球化學(xué)與環(huán)境同位素分析手段在地下水資源與水質(zhì)評價研究中的應(yīng)用現(xiàn)狀與成果做一回顧，著重概述水文地球化學(xué)與環(huán)境同位素分析手段在地下水補(bǔ)給來源、地下水咸化過程、地下水污染及地下水資源管理研究中的應(yīng)用。并在此基礎(chǔ)上討論應(yīng)用水文地球化學(xué)與同位素方法研究地下水系統(tǒng)的基本方法，探討開展地下水質(zhì)質(zhì)量評價與地下水資源管理工作的科學(xué)方法，展望今后水文地球化學(xué)與環(huán)境同位素分析方法的應(yīng)用空間及有關(guān)發(fā)展趨勢。

1地下水的補(bǔ)給與演化

水文地球化學(xué)與同位素分析手段是描述地下水補(bǔ)給來源與揭示地下水演化規(guī)律的有效研究方法，被廣泛應(yīng)用于多個地區(qū)地下水系統(tǒng)的研究中。研究者將地下水樣品中的δD、δ18O值與當(dāng)?shù)卮髿饨邓€比較，如果二者擬合程度好，則說明研究區(qū)地下水主要源自大氣降水的入滲補(bǔ)給。DongJiannanetal．（2014）研究了我國四川省廣元市的地下水來源與演化，將研究區(qū)地下水的δD、δ18O值投影到西南地區(qū)δD－δ18O值關(guān)系圖上，發(fā)現(xiàn)均落在降水線附近，如圖1所示，即認(rèn)為該區(qū)地下水主要來源于大氣降水補(bǔ)給。ZhaiYuanzhengetal．（2011）比較了北京市平原區(qū)地下水與北京地區(qū)大氣降水中的δD－δ18O關(guān)系，發(fā)現(xiàn)地下水中的δD、δ18O平均值明顯低于大氣降水中的δD、δ18O值，地下水中的δD－δ18O線性斜率亦小于大氣降水線。據(jù)此，作者得出該區(qū)域地下水主要來源于大氣降水的入滲補(bǔ)給，并認(rèn)為地下水在補(bǔ)給過程中經(jīng)歷了不同程度的蒸發(fā)作用影響。Chenetal．（2014）在地下水系統(tǒng)的研究中，除分析D和18O同位素外，還增加了37Cl和81Br的指標(biāo)，用于更為準(zhǔn)確的判斷地下水的補(bǔ)給來源，以及揭示地下水形成初期所經(jīng)歷的地球化學(xué)演化過程。δ37Cl和δ81Br同位素組成的變化可對一些物理過程如蒸發(fā)、稀釋、離子交換等起到指示作用，蒸發(fā)作用使樣品中δ37Cl和δ81Br值升高，而海水稀釋則使δ37Cl和δ81Br值降低，其中δ81Br的變化幅度更為顯著。通過分析中國北方某地區(qū)地下水中δ37Cl－δ81Br相互關(guān)系以及δ37Cl和δ81Br與TDS之間的關(guān)系，Chenetal．（2014）準(zhǔn)確區(qū)分了經(jīng)歷蒸發(fā)作用與海水稀釋的兩個地下水演化系統(tǒng)，如圖2所示。圖中可見，冀中地下水系統(tǒng)經(jīng)歷的蒸發(fā)作用明顯，而黃驊地下水系統(tǒng)則主要經(jīng)歷了海水的稀釋作用。

2地下水咸化

海濱地區(qū)地下水超采引發(fā)海水入侵災(zāi)害造成地下水咸化，在干旱半干旱地區(qū)尤為嚴(yán)重。在葡萄牙的大西洋海岸，從北部的Aveiro到南部的Algarve，都發(fā)生了因超采引起的地下水咸化災(zāi)害，并逐步向內(nèi)陸延伸。我國環(huán)渤海地區(qū)由于淡水資源匱乏，地下淡水資源是居民飲用水及工農(nóng)業(yè)用水的重要組成部分，地下水連年超采，引發(fā)嚴(yán)重的海水入侵，已經(jīng)破壞了部分濱海水源地。除海水入侵以外，地下水的咸化還歸因于其他過程，如蒸發(fā)濃縮過程、污水回灌、古咸水補(bǔ)給、表層水鹽分溶解與滲濾以及水巖相互作用使礦物溶解等。很多地區(qū)地下水咸化往往是上述幾個因素共同作用的結(jié)果，要區(qū)分地下水咸化的來源及主要作用過程，將是一個非常復(fù)雜的難題。環(huán)境同位素的組成特征是識別海水入侵及其他地下水咸化過程的重要工具。當(dāng)?shù)叵滤袒饕怯珊Ｋ肭忠饡r，地下水的同位素組成（δ18O和δD）呈現(xiàn)出與海水一致的變化。而地下水發(fā)生鹽分礦物溶解、或表層鹽水滲濾導(dǎo)致地下水鹽度增高時，地下水的δ18O和δD同位素組成則并不會發(fā)生變化（圖3）。結(jié)合Ca2＋、Mg2＋、總?cè)芙庑怨腆w等水化學(xué)特征，就可以區(qū)分地下水咸化的不同來源。圖3不同咸化過程地下水同位素組成與鹽度變化關(guān)系Fig．3δ18Ovssalinity：changeinisotopiccompositionofwater，ascribedtodifferentsalinizationprocessesCaryetal．（2015）通過分析地下水中溶解氧、電導(dǎo)率、總?cè)芙庑怨腆w（TDS）以及Ca2＋、Mg2＋等多種離子含量，結(jié)合δ2H，δ18O，δ87Sr和δ11B等多元素同位素組成，探討了巴西東北部重要沿海城市Recife地區(qū)地下水咸化的來源與主要過程。淺層地下水中δD和δ18O同位素分析表明咸化是由古海水匯入以及淺層地下水蒸發(fā)濃縮造成的，深層地下水中Na、B、Ca、Sr等水文地球化學(xué)特征顯示有明顯的咸水引入，并發(fā)生相應(yīng)的離子交換。YangJilongetal．（2012）、Xueetal．（2000）通過水文地球化學(xué)與環(huán)境同位素結(jié)合分析，對我國濱海地區(qū)地下水海水入侵程度、鹽分來源以及入侵機(jī)理進(jìn)行了研究。研究者以大連大魏家水源地為研究對象，對地下水δD和δ18O同位素的組成進(jìn)行了分析，結(jié)合Cl－濃度分布，作者認(rèn)為研究區(qū)除海水入侵淡水含水層增加了地下水中的鹽分外，淺層地下水的蒸發(fā)也對地下水中鹽分的累積起到了重要作用。根據(jù)不同水體中δ34S－δO4、δ13C－HCO3等同位素特征，結(jié)合水化學(xué)成分（如SO42－、Cl－）分析認(rèn)為，研究區(qū)微咸水和咸水并不是地下水淡水和海水機(jī)械混合而成，而是在混合作用基礎(chǔ)上還發(fā)生了如石膏、碳酸鹽巖的溶解和沉淀等地球化學(xué)作用。通過對環(huán)境穩(wěn)定同位素（δ2H、δ18O和δ13C）和放射性同位素（3H和14C）進(jìn)行分析，結(jié)合地球化學(xué)數(shù)據(jù)，Carreiraetal．（2014）識別出葡萄牙內(nèi)陸地區(qū)地下水咸化的主要來源包括：海水入侵、深層鹽水稀釋、以及淺層灌溉水的蒸發(fā)。研究區(qū)大部分地下水的δD、δ18O值均位于全球降水線上或在附近，說明當(dāng)?shù)氐叵滤饕獊碜越邓a(bǔ)給。在近海地區(qū)，地下水Cl－濃度升高，電導(dǎo)率升高，體現(xiàn)出與海水混合、鹽分溶解的影響。利用放射性C同位素、環(huán)境穩(wěn)定同位素和水文地球化學(xué)資料，便可從多種途徑解釋地下水鹽分升高的來源，甚至區(qū)分古海洋水和現(xiàn)代海水的入侵比例。而近代人為活動如對地下水超采、采用污水灌溉等，已成為僅次于海水入侵引發(fā)地下水鹽化、地下水水質(zhì)退化的過程。采用Cl離子與δ18O的關(guān)系作為指示地下水蒸發(fā)濃縮程度的一個經(jīng)典常用指標(biāo)，可以指示污水回灌引起的鹽分變化。

3地下水污染

自古代以來地下水水質(zhì)就與人類活動息息相關(guān)，隨著近現(xiàn)代工業(yè)化不斷發(fā)展，人類對地下水資源需求量增大，地下水位不斷下降，取水井深不斷增加，地下水污染逐步顯現(xiàn)（圖4）。其中，農(nóng)業(yè)面源污染、城市生活污水及工業(yè)固體廢物處置是造成地下水有機(jī)與無機(jī)污染的主要人為活動（Edmunds，2009），也是目前研究者重點關(guān)注的研究領(lǐng)域。近50年來，為了應(yīng)對人口增長對糧食的需求，以地下水灌溉為前提的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動，如印度等國家為提高糧食產(chǎn)量提出的“綠色革命”，造成了地下水位的持續(xù)嚴(yán)重下降（Perrinetal．，2011）。在我國，單位耕地面積化肥及農(nóng)藥用量分別為世界平均水平的2．8倍和3倍，大量化肥和農(nóng)藥通過土壤滲透等方式污染地下水；部分地區(qū)長期利用污水灌溉，對農(nóng)田及地下水環(huán)境構(gòu)成危害，農(nóng)業(yè)區(qū)地下水氨氮、硝酸鹽氮、亞硝酸鹽氮超標(biāo)和有機(jī)污染日益嚴(yán)重?。人口急劇增長和城市規(guī)模擴(kuò)大使生活污水的排放量不斷增加，而廢污水處理設(shè)施建設(shè)相對滯后，大量廢污水未經(jīng)處理或者未處理完全即排放到環(huán)境中，成為地下水污染的重災(zāi)區(qū)?。我國大部分農(nóng)村地區(qū)的生活垃圾仍處在隨意丟棄的階段，城市地區(qū)多處非正規(guī)垃圾填埋場幾乎沒有防滲措施，垃圾滲濾液嚴(yán)重威脅地下水環(huán)境安全。工業(yè)固體廢物的不當(dāng)處置會造成滲漏污染地下水，石油化工行業(yè)勘探、開采及生產(chǎn)等活動顯著影響地下水水質(zhì)，工業(yè)企業(yè)通過滲井、滲坑和裂隙排放、傾倒工業(yè)廢水，造成地下水污染。當(dāng)前，我國相當(dāng)部分地下水面臨嚴(yán)重污染，部分地區(qū)地下水污染程度仍在不斷加重?。當(dāng)前及未來形勢下，人類需要識別地下水污染的來源，追蹤地下水污染物的遷移轉(zhuǎn)化行為，了解地下水污染物的消減機(jī)制，為地下水資源的再生及可持續(xù)利用提供支持。

3．1硝酸鹽污染

硝酸鹽是地下水中最為普遍的一類污染，主要與農(nóng)業(yè)上施用氮肥等活動、垃圾集中處理、工業(yè)廢水排放、動物養(yǎng)殖等活動相關(guān)。不同來源的硝酸鹽顯示出不同的N、O同位素比值特征。因此，通過分析地下水中硝酸鹽的δ15N與δ18O值，可以判斷地下水中硝酸鹽污染的主要來源。結(jié)合水文地球化學(xué)數(shù)據(jù)，還可對硝酸鹽污染物的生物地球化學(xué)轉(zhuǎn)化過程進(jìn)行評價。研究資料顯示，工業(yè)化肥的δ15N－NO3一般在－9．2‰～＋14．5‰之間，而動物糞肥的δ15N－NO3一般在10‰～20‰之間，且δ18O－NO3普遍低于15‰。Matitatos（2016）分析了希臘中部Asopos盆地24孔井水中硝酸鹽的同位素，結(jié)果表明，δ15N－NO3位于－9．2‰～＋14．5‰之間，平均5．4±1．2‰（n＝24）；δ18O－NO3位于－2．6‰～＋13．8‰之間，平均2．5±1．5‰（n＝24）。結(jié)合十項水文地球化學(xué)指標(biāo)的分析（電導(dǎo)率，Mg2＋，Cl－，SO2－4，NO－3，TotalOrganicCarbon，K＋，As，SiO2andZn），Matitatos（2016）推斷Asopos盆地研究區(qū)地下水硝酸鹽污染主要來自城市和工業(yè)廢污水。地下水硝酸鹽的生物地球化學(xué)轉(zhuǎn)化過程，包括硝化作用與反硝化作用，從N、O的同位素比值變化上有所反映。好氧條件下的硝化過程中，14N發(fā)生富集而15N貧化，δ18O－NO3值介于＜－5‰到＋15‰之間。厭氧條件下，NH4＋迅速完成硝化反應(yīng)，生成富集15N的硝酸鹽產(chǎn)物。地下水硝酸鹽的硝化速率受含水層巖石組成的影響，水稻田的灌溉補(bǔ)給和反硝化作用可顯著降低地下水硝酸鹽濃度（Chaeetal．，2009）。

3．2硫酸鹽污染

地下水中NO3－富集，會促進(jìn)沉積巖含水層中的硫鐵礦發(fā)生氧化，進(jìn)而使地下水硫酸鹽濃度升高。硫酸鹽是地下水中普遍存在的一類化合物，來源于多種人為源和自然源，包括土壤施用的農(nóng)業(yè)化學(xué)品淋濾、酸雨、石灰?guī)r含水層中硫化鐵礦物的氧化與溶解等。飲用水中硫酸鹽含量過高，還會影響到水的硬度和口感。不同來源的硫酸鹽δ34S和δ18O值表現(xiàn)不同，硫鐵礦氧化生成的硫酸鹽化合物具有δ34S和δ18O極度貧化的特征，而未遭受人為污染的深層水顯示出與前工業(yè)化時代降水一致的δ34S富集的特征。在區(qū)域尺度上多個含水層交界的地下水系統(tǒng)中，研究者利用硫酸鹽的δ34S和δ18O同位素指標(biāo)作為硫酸鹽的物理過程和生物地球化學(xué)過程的指示物。為探究地下水中硫酸鹽的人為源與自然源（硫鐵礦氧化）組成關(guān)系，Moncaster等（2000）通過一個簡單的二維模型模擬了理想狀態(tài)下石灰?guī)r含水層中硫酸鹽的不同來源關(guān)系（式1）。假設(shè)在這個理想系統(tǒng)中，硫酸鹽無轉(zhuǎn)化無沉淀，則：Cg·δ34S（SO4）g＝Ca·δ34S（SO4）a＋Cp·δ34S（SO4）p，（1）其中，C：濃度；δ34S（SO4）：硫酸鹽S同位素組成；g：地下水總硫酸鹽；a：人為源硫酸鹽；p：硫鐵礦氧化硫酸鹽；由于：Cg＝Ca＋Cp，則：δ34S（SO4）g＝（n）（δ34S（SO4）a）＋（1－n）（δ34S（SO4）p），其中，n＝人為源硫酸鹽的比例。利用上述模型，Moncaster等（2000）計算得到在LincolnshireLimestone含水層地下水約有66％～88％的硫酸鹽來自人為源（圖5），印證了當(dāng)?shù)販\層地下水主要是遭受污染的現(xiàn)代水的說法。

3．3微量有機(jī)污染

在我國，地下水有機(jī)污染研究起步較晚，但已在一些地區(qū)發(fā)生了嚴(yán)重的地下水有機(jī)污染事件，持續(xù)發(fā)展的高靈敏度和高選擇性分析測試技術(shù)使得地下水中的新型微量污染物得以不斷被檢出。當(dāng)前，各類化學(xué)品通過工業(yè)廢水、礦山等點源污染和土地施用化肥、農(nóng)藥等面源污染進(jìn)入到地下水中，地下水的有機(jī)污染已引起越來越多的關(guān)注。地下水污染研究已從無機(jī)污染轉(zhuǎn)向有機(jī)污染，微量有機(jī)污染上升為地下水環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域的首要問題。研究普遍認(rèn)為，地下水中的有機(jī)污染與畜牧養(yǎng)殖、農(nóng)業(yè)化肥與農(nóng)藥使用等人類活動相關(guān)。進(jìn)入到地下水中的污染物在下滲過程中會通過土壤吸附、生物降解、稀釋等自然作用消減，但一些污染物也有可能在地下水中富集，或生成更頑固的中間產(chǎn)物。此外，污水處理廠排放的廢水及地下水污水回灌也給地下水系統(tǒng)帶來大量有機(jī)污染。相較城市建設(shè)的進(jìn)程，很多污水處理設(shè)施的建設(shè)明顯落后，部分未達(dá)標(biāo)處理的廢污水排入地下水，造成地下水有機(jī)污染加重。圖6總結(jié)了地下水中有機(jī)污染的主要來源與遷移途徑。可以看到，地下水系統(tǒng)面臨來自人類活動的多重污染。地下水中的微量有機(jī)污染物的含量及遷移轉(zhuǎn)化等行為，與化合物的水溶解度S、辛醇－水分配系數(shù)logKow、有機(jī)碳－水分配系數(shù)logKoc等物理化學(xué)特征密切相關(guān)。水溶解度高、logKow高的化合物傾向在地下水中富集，如2環(huán)、3環(huán)和4環(huán)多環(huán)芳烴（logKow＜5）相較5環(huán)和6環(huán)（logKow＞6）多環(huán)芳烴在地下水中的檢出率明顯較高。此外，含水層的地質(zhì)條件、水文地球化學(xué)特征也是影響地下水中微量有機(jī)污染物富集的關(guān)鍵因素。非承壓含水層及地下水滯留時間短的含水層，如卡斯特含水層和淺層沖擊含水層，通常微量有機(jī)污染物的含量較高。硝酸鹽、硫酸鹽是地下水人為污染的重要指標(biāo)，人為活動的影響較多的地方大部分顯示出地下水中NO3－、SO42－離子濃度較高的特征，NO3－、SO42－離子濃度結(jié)合δ15N－NO3、δ18O－NO3和δ34S－SO4、δ18O－SO4同位素特征分析，可進(jìn)一步識別出地下水中不同有機(jī)污染物的來源及貢獻(xiàn)。應(yīng)用水文地球化學(xué)分析與穩(wěn)定同位素特征相結(jié)合的手段，探尋地下水有機(jī)污染物的來源及轉(zhuǎn)化，在有工廠污水排放、畜禽養(yǎng)殖、污水回灌等多種人類活動混合的復(fù)雜區(qū)域，顯得更為有效。GuoHuamingetal．（2001）選擇我國南陽油田作為研究區(qū)，根據(jù)近似地下水流線方向地下水中總油質(zhì)量濃度和水化學(xué)分析結(jié)果，發(fā)現(xiàn)有機(jī)物污染嚴(yán)重的地方地下水總油質(zhì)量濃度就高。由于硫酸鹽與總油質(zhì)量濃度之間的變化關(guān)系明顯，作者認(rèn)為硫酸鹽可作為地下水有機(jī)污染的地球化學(xué)標(biāo)志物。Estevezetal．（2016）對位于西班牙某高爾夫球場地下水中的微量有機(jī)污染物進(jìn)行了分析，包括一些優(yōu)先控制的微量有機(jī)污染物（多環(huán)芳烴、有機(jī)氯農(nóng)藥等）以及典型新型持久性有機(jī)污染物（藥物）的含量情況，同時分析了地下水中δ15N－NO3、δ18O－NO3和δ34S－SO4、δ18O－SO4同位素。作者發(fā)現(xiàn)污染物的含量與地下水的水文地質(zhì)條件、穩(wěn)定同位素特征之間均存在明顯的相關(guān)關(guān)系。位于補(bǔ)給區(qū)域的井水中污染物含量以及δ15N－NO3同位素指標(biāo)均處于較低水平；而用于灌溉的再生水中的硝酸鹽、六氯苯、毒死蜱等有機(jī)污染物濃度δ15N－NO3、δ34S－SO4同位素明顯較高。因此，在研究地下水中的有機(jī)污染物時，可以根據(jù)研究區(qū)的水文地質(zhì)特征及穩(wěn)定同位素特征選擇適合的監(jiān)測井。Sassineetal．（2015）首次使用三嗪類農(nóng)藥（阿特拉津、西瑪津及其降解產(chǎn)物）作為農(nóng)業(yè)活動污染的指示物，結(jié)合Na＋、K＋、Cl－、NO32－等水文地球化學(xué)指標(biāo)，及δ18O、δD、87Sr／86Sr等同位素特征分析，對法國某地淺層沖擊含水層的補(bǔ)給水源進(jìn)行了識別。經(jīng)主成分分析證實，這種多參數(shù)研究手段可以應(yīng)用于較大尺度上地下水補(bǔ)給的來源以及地下水質(zhì)量的管理研究。

4地下水資源管理

位于多個地區(qū)交界的含水層地下水資源管理需要精確而又詳細(xì)的含水層邊界與補(bǔ)給水源資料，對于地?zé)豳Y源這種十分寶貴的綜合性礦產(chǎn)資源尤其如此。Pannonian盆地是歐洲最大的內(nèi)陸盆地，橫跨匈牙利、羅馬尼亞、塞爾維亞等八個國家和地區(qū)，隨著各國對地下水資源的需求不斷加大，建立一個共同的地下水與地?zé)豳Y源的管理方案十分必要。借助于Cl－、NO3－、NO2－、SO42－等離子及元素分析，以及δ18O、δ2H和3H、14C同位素分析，Szocsetal．（2013）嘗試對斯洛文尼亞東北－匈牙利西南部的跨界含水層進(jìn)行描述。作者發(fā)現(xiàn)在斯洛文尼亞與匈牙利之間的地?zé)豳Y源確實存在跨界傳輸，兩側(cè)的地下水均為Na－HCO3型、中度礦化，補(bǔ)給水源均來自大氣降水，地下水從斯洛文尼亞流向匈牙利方向。在Lendava－Szolnok附近的含水層地下水類型雖然接近，卻相對破碎且沒有傳輸關(guān)系（圖7）。通過14C測年監(jiān)測，斯洛文尼亞一側(cè)的地下水存在年代更古老的水源補(bǔ)給。作者認(rèn)為地下水的地球化學(xué)組分變化可以提示補(bǔ)給路徑與水源的變化，δ18O、δ2H、δ13C等同位素的監(jiān)測可以幫助獲知地?zé)豳Y源的傳輸機(jī)制，這些信息對于地下水資源的適度開采和科學(xué)管理十分重要。在澳大利亞的LatrobeValley，煤礦開采、頁巖氣開采、農(nóng)業(yè)活動、居民生活用水等對地下水資源需求巨大，近30年來地下水位下降嚴(yán)重。為探討含水層之間的水力聯(lián)系以及了解地下水滯留時間，評價LatrobeValley地區(qū)地下水資源的可持續(xù)性，Hofmannetal．（2013）分析了地下水中的水文地球化學(xué)指標(biāo)，包括Ca2＋、K＋、Mg2＋、Cl－等，以及穩(wěn)定同位素信息，δ18O、δ2H等，采用3H、14C同位素測定地下水的年齡，建立了地下水在不同含水層之間運移與交換的概念模型。研究區(qū)煤礦和頁巖氣開采使地下水流向發(fā)生了改變，不同含水層之間的主要離子、穩(wěn)定同位素特征、87Sr／86Sr等特征均比較接近，但14C的分布不一致，說明各含水層在水平和垂向上都發(fā)生了混合，不可再生的古地下水向第三紀(jì)到第四紀(jì)含水層作出了補(bǔ)給。為保障當(dāng)?shù)氐叵滤Y源的再生能力和可持續(xù)利用，必須對煤礦和頁巖氣開采采取規(guī)范和限制措施。同樣，Warneretal．（2013）研究了美國Fayetteville地區(qū)非常規(guī)天然氣開采對地下水資源的影響，利用多個地球化學(xué)指標(biāo)、CH4及其C同位素δ13C－CH4，以及其他多種同位素特征的分析結(jié)果，并未得到淺層地下水質(zhì)量退化與天然氣開采存在相關(guān)關(guān)系的結(jié)論。上述研究結(jié)果有助于解決競爭性用水的問題，為區(qū)域性地下水資源管理提供支持，而這樣的結(jié)論單純通過地下水位分析是不能得到的。

5討論

5．1地下水水質(zhì)評價

地下水資源作為干旱半干旱地區(qū)人們生活、生產(chǎn)活動的主要水源，在水質(zhì)和水量上都受到來自人口增長和氣候變化的威脅。隨著人口增長及糧食產(chǎn)量提高，地下水資源的需求量不斷增加，多個地區(qū)地下水超采嚴(yán)重，地下水位持續(xù)下降。各類工業(yè)廢水、礦山開采產(chǎn)生的固體廢物以及油氣開采等活動中的大量深井，不但使各類有機(jī)和無機(jī)污染物源源不斷的進(jìn)入地下水，還從水文地質(zhì)環(huán)境上改變了地下水的流向及匯流路徑，地下水水質(zhì)退化趨勢明顯。應(yīng)用水文地球化學(xué)方法與環(huán)境同位素方法結(jié)合研究地下水系統(tǒng)，不僅可以識別地下水的水化學(xué)特征、水化學(xué)成分及水質(zhì)的演化過程，還可以追溯污染物的來源，區(qū)分自然源和人為源的特征，描繪跨界含水層間的源匯關(guān)系，為地下水資源的合理開發(fā)和利用提供科學(xué)依據(jù)。當(dāng)前，地下水水質(zhì)評價仍以硝酸鹽、鐵、錳等無機(jī)指標(biāo)為主，我國至今仍沿用的《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)GB／T14848－93》，由原國家環(huán)保總局于1994年，地下水質(zhì)量評價體系共包含39項指標(biāo)，其中的微量有機(jī)污染物指標(biāo)僅有六六六和滴滴涕2項。然而地下水的有機(jī)污染一直存在，且隨著工業(yè)化發(fā)展有不斷加重的趨勢。日益先進(jìn)的檢測技術(shù)使得更多微量有機(jī)污染物被檢出，地下水微量有機(jī)污染的研究進(jìn)入蓬勃發(fā)展的階段。2005年，國土資源部啟動全國地下水污染調(diào)查評價工作，地下水微量有機(jī)污染物調(diào)查指標(biāo)大幅增加至39項，包括鹵代烴15項，氯代苯5項，單環(huán)芳烴8項，有機(jī)氯農(nóng)藥11項，其中檢出36項。隨著城市化進(jìn)程的加快，工業(yè)污染和農(nóng)業(yè)污染大幅增加，大量未被列入地下水質(zhì)量監(jiān)控的新型微量有機(jī)污染物進(jìn)入到地下水環(huán)境中，對生態(tài)環(huán)境和人體健康造成潛在威脅。今后，水文地球化學(xué)與同位素相結(jié)合的分析手段將在地下水中微量有機(jī)污染物的來源、遷移和轉(zhuǎn)化研究中發(fā)揮重要作用，為完善地下水質(zhì)量評價體系提供支撐。此外，污染物在進(jìn)入到地下水環(huán)境的過程中會經(jīng)歷物理、化學(xué)、生物等過程，發(fā)生吸附、稀釋、降解及轉(zhuǎn)化，一部分生成更為頑固的中間產(chǎn)物。目前，對地下水微量有機(jī)污染的中間產(chǎn)物的研究還未展開，在今后應(yīng)考慮加大研究力度。

5．2地下水資源管理

地下水資源管理是在充分了解地下水資源和開發(fā)利用狀況及動態(tài)的前提下，運用行政、法律、經(jīng)濟(jì)、技術(shù)等手段，對地下水開發(fā)、利用和保護(hù)實施組織、協(xié)調(diào)、監(jiān)督，實現(xiàn)地下水資源可持續(xù)利用和生態(tài)環(huán)境的有效保護(hù)（WenDongguang，2002）。水文地球化學(xué)方法在了解地下水的水化學(xué)特征、查明地下水的補(bǔ)給、徑流與排泄以及闡明地下水成因及資源的性質(zhì)上卓有成效，環(huán)境同位素技術(shù)在研究地下水補(bǔ)給和可更新性、追蹤地下水的污染方面，是當(dāng)前國內(nèi)外較為新穎的方法之一。將水文地球化學(xué)方法與同位素方法結(jié)合，研究者能夠把大氣水－地表水－地下水視為統(tǒng)一的“系統(tǒng)”，進(jìn)而定量研究其轉(zhuǎn)化關(guān)系，為地下水資源管理提供科學(xué)支撐。目前許多國家已將水文地球化學(xué)方法與同位素方法列為地下水資源調(diào)查中的常規(guī)方法。水文地球化學(xué)指標(biāo)除了測定地下水中常規(guī)的八大離子，即K＋、Ca2＋、Na＋、Mg2＋、HCO3－、Cl－、NO3－、SO42－及總?cè)芙夤腆wTDS等外，還包括Fe2＋、Mn2＋、F－、CO32－等離子，根據(jù)含水層情況而定。同位素指標(biāo)方面，應(yīng)用氫氧穩(wěn)定同位素確定地下水的起源與形成條件，應(yīng)用氘、14C測定地下水年齡，追蹤地下水運動，確定含水層參數(shù)，應(yīng)用34S研究地下水中硫酸鹽的來源，分析地下水的遷移過程，應(yīng)用11B／10B研究鹵水成因等方面都有重要進(jìn)展。地下水資源的保護(hù)目標(biāo)，不僅包括水質(zhì)，使其不受人類社會經(jīng)濟(jì)活動的污染，還要保護(hù)水量的可持續(xù)利用。新時期的地下水資源保護(hù)應(yīng)把提高地下水資源保障能力、改善人民群眾的飲水質(zhì)量和生存環(huán)境質(zhì)量、保護(hù)生態(tài)、減輕或避免地下水不合理利用產(chǎn)生的地質(zhì)災(zāi)害等放在重要位置，實現(xiàn)從重開發(fā)、輕保護(hù)到保護(hù)與開發(fā)利用并重的戰(zhàn)略轉(zhuǎn)變，加強(qiáng)水源保護(hù)，減少人為水災(zāi)，促進(jìn)人水和諧。

6結(jié)論

地下水資源是人類十分寶貴的戰(zhàn)略資源，地下水資源的更新和可持續(xù)利用是關(guān)系到國計民生的重大問題。為科學(xué)解決這一問題，必須要加強(qiáng)對地下水系統(tǒng)特征的認(rèn)識。從國內(nèi)外現(xiàn)有研究成果來看，水文地球化學(xué)方法結(jié)合同位素方法是認(rèn)識地下水資源屬性、劃分地下水系統(tǒng)的有效方法。大量研究工作表明，人類活動已成為控制某些地區(qū)地下水環(huán)境演化的主導(dǎo)力量，地下水的水質(zhì)及水資源量都與人類的活動強(qiáng)度直接相關(guān)。地下水污染研究已從無機(jī)污染轉(zhuǎn)向有機(jī)污染，微量有機(jī)污染上升為地下水環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域的首要問題。應(yīng)用水文地球化學(xué)方法與同位素方法結(jié)合，能夠準(zhǔn)確地描述描述地下水系統(tǒng)中各類污染物的來源、徑流及排泄，能夠科學(xué)地認(rèn)識地球系統(tǒng)的自然行為與人類擾動的影響，在更廣闊的視野和可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略思想上去發(fā)展水文地質(zhì)學(xué)科。

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作者:焦杏春 單位:中國地質(zhì)科學(xué)院生態(tài)地球化學(xué)重點實驗室 國家地質(zhì)實驗測試中心