三江平原地表水与地下水氢氧同位素和水化学特征

摘要：地表水与地下水的相互作用是水循环研究中的重要组成部分，是水资源管理、规划和优化配置的基础。通过野外考察取样和室内测试分析，应用同位素和水化学方法分析了三江平原地表水与地下水的相互作用关系。结果表明：兴凯湖水氢氧同位素最富集，乌苏镇井水同位素最贫化。松花江、黑龙江和乌苏里江沿河流流向，δD都呈现贫化的趋势；δ18O在松花江和黑龙江沿河流流向有富集的趋势，而沿乌苏里江则呈现贫化趋势。在松花江和黑龙江汇合处，黑龙江江水同位素贫化，电导率低。深井的氢氧同位素比浅井贫化，电导率较小。三江平原当地大气降水线(LMWL)为δD=7.4δ18O-3.1。三江平原水化学主要是Ca·Mg-HCO3型，在人类活动较大的地方，水化学类型发生了改变。利用氢氧同位素和水化学分析表明降水是地表水和地下水的补给源，地表水与地下水水力联系较强。地表水与地下水应作为统一体进行水资源管理。关键词：地表水；地下水；稳定同位素；水化学；三江平原中图分类号：P426.61文献标识码：A文章编号：1000-0852(2014)02-0038-06三江平原地表水与地下水氢氧同位素和水化学特征张兵1，2，宋献方2，张应华2，韩冬梅2，杨丽虎2，唐常源3（1.天津市水资源与水环境重点实验室，天津师范大学，天津300387；2.陆地水循环及地表过程重点实验室，中国科学院地理科学与资源研究所，北京100101；3.日本千叶大学，千叶263-8522）收稿日期：2013-05-31基金项目：中国科学院知识创新工程（项目编号：KZCX2-YW-Q06-1)作者简介：张兵（1983-），男，湖北枣阳人，博士，助理研究员，主要从事水循环与水环境研究。Email:zhangbingcn@126.com通讯作者：宋献方（1965-），男，河北邯郸人，研究员，博士生导师，主要研究方向为流域水循环与水环境，环境同位素水文学。E-mail:songxf@igsnrr.ac.cn三江平原位于我国东北，主要农作物为水稻、玉米、大豆、小麦，粮食商品率达75%，农业机械化程度高达80%以上，是我国九大商品粮基地之一。三江平原对于保障我国粮食安全发挥了重要作用[1]。近年来，三江平原水稻种植面积逐年增加，在实际灌溉面积中，97%左右为水田面积，69%为井灌水田[2]。由于水田面积和灌溉面积的增加，地下水开采量也迅速增加，再加上人为浪费严重以及管理不力，使得三江平原地下水位普遍下降[3]。地下水资源的不合理利用影响到农业用水安全，进而影响到三江平原生态环境和粮食保障。认识三江平原地表水和地下水的相互关系是合理、协调用水，进行水资源开发和管理的基础。水循环中的地表水和地下水是相互作用、相互联系的。地表水体与地下水发生的相互作用影响着地表水和地下水的水量和水质。对地表水和地下水相互作用关系的研究是有效管理水资源的基础[4]。在地表水与地下水相互作用的过程中，水体中化学组成的变化在一定程度上记录着水体的形成、运移历史[5]。组成水分子的氢氧同位素直接参与了水循环，是研究水循环的良好示踪剂。同位素和水化学方法已运用在研究水循环[6,7]，地表水与地下水相互作用关系[5,8-12]。采用同位素和水化学相结合的方法，能有效研究地下水与地表水的相互关系，可减少单一方法所产生的不确定性。本文通过野外考察、采样和室内分析的方法，分析地表水和地下水中氢氧同位素组分和水化学组成的空间变化特征，结合现场考察和水文地质资料，进而研究地表水与地下水的相互关系，为三江平原水资源的利用提供一定参考。1研究区概况三江平原位于黑龙江省东北部，地理坐标为北纬43°49′55″～48°27′40″，东经129°11′20″～135°05′10″，总水文JOURNALOFCHINAHYDROLOGY第34卷第2期2014年4月Vol．34No．2Apr．,2014第2期面积约10.89×104km2[13]。其西部为小兴安岭山地，南部为完达山，北和东部则以黑龙江和乌苏里江为界，与俄罗斯隔江相望。整个平原被横亘其中的完达山分为两部分，完达山以北是是黑龙江、松花江和乌苏里江汇流冲积形成的低平原，即三江低平原；南部是兴凯湖北岸冲积湖平原，亦称穆棱兴凯平原。三江平原的地理位置见图1所示。三江平原属寒温带大陆性季风气候区，全区多年平均降水量450～650mm，降水年内分配不均，大部分集中在6～9月，占全年降水量的70%左右，气温南高北低，平原高山区低，年平均温度在1～3℃，平均年≥10℃活动积温为2300～2500℃；多年平均蒸发量550～840mm。三江平原在地貌上西南高，东北低。在构造上属海西褶皱的凹陷带，在中生代开始陷落。在平原的边缘地带有侏罗纪及火山岩层出露，在凹陷带中部由火山岩构成屹立的若干孤山。在新第三纪至第四纪初期，本区再度发生大规模的下陷，