基于氚和CFCs的三江平原浅层地下水更新能力估算

自然资源学报JOURNALOFNATURALRESOURCES第29卷第11期2014年11月Vol.29No.11Nov.,2014基于氚和CFCs的三江平原浅层地下水更新能力估算张兵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，中国；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，中国；3.日本千叶大学，千叶263-8522，日本）摘要：论文通过对三江平原浅层地下水年龄的测定，研究了地下水的来源与更新能力。在井深小于60m的钻孔中，采集了11组浅层地下水样，分别测定水中放射性同位素氚(T）和氟利昂（CFCs），根据活塞模型，分别计算出浅层地下水的年龄。分析结果表明，三江平原浅层地下水中氚同位素含量为1.7~61.2TU；CFC-12和CFC-113浓度分别是0.04~1.25pmol·kg-1和0.1~0.71pmol·kg-1。根据氚同位素含量估算的浅层地下水年龄范围是39~51a；CFC-12浓度估算的浅层地下水年龄范围为38.2~61.7a。两种测年数据都表明，浅层地下水缺失了0~39a的年轻水，这暗示三江平原的地下水主要接受外源水的补给，深循环地下水越流补给地表水并形成湿地，最终补给到河流之中，地下水有稳定的补给源，可以适当地进行开发和利用。关键词：水文地质学；浅层地下水年龄；氚同位素；氟利昂CFCs；更新能力；三江平原中图分类号：P641.8文献标志码：A文章编号：1000-3037(2014)11-1859-10DOI：10.11849/zrzyxb.2014.11.005水资源问题是人类社会共同面临的一个严峻问题，地下水的开发利用是水资源管理的重要内容。研究地下水的年龄及其分布，有利于评价地下水的运动机制以及如何合理开发利用地下水资源[1]。同位素方法能够用来研究地下水补给和地下水循环[2-3]。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[4]。然而由于大气中氚放射性同位素含量减少，利用氚定量估算地下水补给年龄的可信度降低。氟利昂（Chlorofluorocarbons，CFCs）是工业生产中的人工合成物，在自然界中化学性质稳定，通过测定水体中的CFCs浓度，可在同位素数据的基础上有力佐证地下水年龄[5]。应用氚同位素与CFCs相结合的方法，可估算地下水补给时间[6-7]，并应用于确定水文地质参数等方面[8]。三江平原是我国重要的商品粮基地，近年来的耕地面积和灌溉面积迅速增加。随着三江平原井灌稻面积的增加，地下水开采量增长迅速，地下水位有降低的趋势。受气候变化和人类活动影响，三江平原的气温呈显著上升趋势，降水呈减少趋势[9]。如何理解变化环境下的水循环特征，合理利用地下水资源，确定合理的灌溉面积和水田面积等都需要科学的理论研究。本文利用野外采样和室内分析，根据三江平原浅层地下水中氚同位收稿日期：2013-11-14；修订日期：2014-03-26。基金项目：中国科学院知识创新工程（KZCX2-YW-Q06-1)；国家自然科学基金重点项目（40830636）。第一作者简介：张兵（1983-），男，湖北枣阳人，助理研究员，博士，研究方向为水资源与水环境。E-mail:zhangbingcn@126.com*通信作者简介：宋献方（1965-），河北沙河人，男，研究员，博士生导师，研究方向为流域水循环与水环境。E-mail:songxf@igsnrr.ac.cn29卷自然资源学报素和CFCs浓度，估算地下水年龄及更新能力，为三江平原地下水资源的科学合理利用、保障粮食生产等提供理论基础。1研究区概况三江平原位于129o11′~135o05′E，43o49′~48o27′N，土地总面积为10.89×104km2（图1）。属寒温带大陆性季风气候区，年降水量为450~650mm，降水年内分配不均，6—9月降水约占全年降水量的70%，年平均温度为1~3℃，≥10℃活动积温为2300~2500℃；潜在蒸发量为550~840mm。土壤有黑土、草甸土、白浆土、沼泽土、暗棕壤、水稻土、冲积土、沙土等类型。耕地土壤以草甸土、白浆土和黑土为主[10]。大多数土壤有机质和养分总贮量高，有较高的潜在肥力。三江平原在地貌上西南高，东北低。完达山将三江平原分为两部分，完达山以南为穆棱兴凯平原，完达山以北是三江低平原。平原区的一级阶地和河漫滩海拔高程为40~80m，东北角最低为34m。三江平原是由黑龙江、松花江和乌苏里江三江共同作用形成的冲积平原，第四纪堆积物分布广泛。兴凯湖平原的形成除兴凯湖的堆积作用外，主要是受穆棱河的冲积作用[11]。建三江地区地表