龚建师1 叶念军1 顾慰祖2 哈承佑3 陈乐柱1 葛伟亚1 于俊杰1
（1.南京地质矿产研究所，南京210016；2.水利部南京水文水资源研究所，南京 210024；3.中国地质环境监测院，北京 100087）
摘要：本文基于淮北地区环境同为素数据对区域地下水含水系统划分进行了进一步的明确。基本确定以50～60m为界将区域地下含水系统划分为浅层和中深层两个层组。同时根据同位素和水化学样品数据总结出了区域沿涡河、沙颍河两个剖面的地下水化学特征。淮北平原地下水从上游到下游以自然的水化学演变为主，在周口、亳州、开封南一带叠加了人为污染的影响。
关键词：淮北平原；浅层水；中深层水；水化学；同位素
1 研究区概况及取样测试情况
淮北地区包括豫东皖北苏北近14万km2，地处黄淮之间，是我国重要商品粮产粮区。区域内地势低平，稍有丘陵低山，淮河沿线自上游到下游最大落差不过几十米。淮北平原地处暖温带气候带内，四季分明，年平均气温11℃～16℃，年降雨量900～1100mm，无霜期200～240天。淮北平原地表水主要是淮河各支流以及沂沭泗水系，水资源丰富。
本次水样采集涉及豫皖两省，面积近9万km2，采样时间2003～2004，测试分析时间为2004年初。采样点位共23个（图1）采样项目包括简分析、13C、14C、2H、18O、3H（另外还有CFC、34S、238U、234U，本文不涉及），分别采自20～400m不同深度的水样。采样方案的设计参照国际原子能机构相关规定，采样过程由顾慰祖教授（水利部南京水文所教授，中国科学院水问题研究中心项目专家，国际原子能机构（IAEA）水资源同位素项目专家）作技术指导，简分析样品由江苏地调院检测中心分析，同位素样品由地科院矿产研究所同位素实验室分析（结果见第四部分表1），采样过程严格按照设计方案执行，避免了程序上的纰漏。
2 淮北地区含水系统的划分
黄淮海南部地区较其他区域而言是研究程度较低的区域，关于淮北平原第四系含水层位划分一直没有定论。传统上以50～60m左右深度较厚一层粘土为界将区域含水系统分为浅层含水层组和中深层含水层组。
本次同位素测试数据汇总后，尤其18O同深度的关联性，可以找出规律，对传统的划分方法是一个有力的印证。如图2，是不同深度的18O分布图线，从图上可以看出，重氧分布可以划分成两个区域。区域A基本在－7～－8.6之间，且随深度变化，并未呈相应的函数关系递增或者递减。区域2则呈很大的波动，与区域A有明显的差别。同位素丰度变化受很多因素影响，这些因素发生在地球表层不同的层圈中，并且在水文循环中都参与了影响，而地下水由于补径排的复杂性，响应在同位素丰度的结果是众多因素的合成。如今习惯上在分析地下水中同位素时候以新水老水来权衡，也就是成水时间上的效应。新水由于受地表及降雨的影响，重氧丰度值较老水偏高，同一时期形成的水重氧值相近。从图2可以明显看出，在深度60m左右重氧丰度值呈明显的分界，以浅重氧值相近且偏高，说明此范围的水成因时间相近，或者有混合，也就是说此范围的含水层在纵向上是连续的。区域2中重氧的丰度值分散且普遍偏小，说明形成年代较久，且含水层系在纵向上没有太多联系，至于根据分散状况再能具体划分多少层，由于数据量及采样密度所限，这里不能详尽的分析，但是60m左右的界限是可以科学界定的。
图1 淮北地区同位素采样点位示意图
图2 氧－18丰度值与井深关系图
图3是14C测年的结果，很明显，60m以浅和60m以深水样的年龄出现明显差别。并且60m以浅水样年龄基本没有差别，形成时期相近或者有混合，后者的可能性最大，可以推断60m以浅是在纵向上连续的含水层。
图3 地下水年龄与井深关系图
图4 淮北平原地下水水化学三线图
3 淮北平原地下水演化规律
以50～60m为界将流域内地下含水系统分为浅层和中深层含水系统，并就测试数据绘制了三线图，从图中可以找出两系统内地下水的规律性演化。
从三线图上可以看出（图4），浅层地下水总的趋势A区从HCO3型向HCO3－Cl型方向变化，一种表明浅层地下水从上游至下游天然变化，地下水处于溶滤阶段，随着地下水运动途径的延长，溶解度的增加，可以出现HCO3型向HCO3－Cl型方向演化；一种可能与浅层地下水受到污染，导致矿化度、总硬度增加，而形成HCO3－Cl型。
浅层水碱土金属超过碱金属，即Ca＋Mg＞K＋Na离子，大体上处于氧化环境。中深层水碱金属离子超过碱土金属离子B区，上覆有粘性土覆盖，大体上处于还原环境，Ca2＋与Na＋离子进行置换所致。中深层地下水由HCO3型向HCO3－Cl型方向变化B区，可能与人类活动有关，即中深层地下水受浅层水的混合污染有关，也或许是中更新世地下水残留咸化了的HCO3－Cl型水。
大于300mg/L的氯离子、SO4离子毫克当量占70％左右，表示矿化度大于1g/L，表明区内地下水受人为影响严重，水化学趋氯趋硫严重，浅层水已经受到不同程度污染，中深层已经有混合。
图5 淮北平原区域地下水水化学演化示意图
根据对三线图的分析，在区域上可以看出，沿涡河和沙颍河从上游到下游浅层水从HCO3－Ca·Mg型逐渐转变为向HCO3－Cl型（图5）；浅层水在开封附近和周口—沈丘一带出现氯化物富集，可能受到人为污染的影响；中深层水在周口－界首－毫州一带出现Cl—Na型水，可以断定此区域深层水受到浅层水的混合，使得浅层水的人为影响结果涉及到深层水，这个现象在沙颍河流域的郸城、界首尤为明显。
4 淮北平原同位素水文地球化学的认识
同位素测试数据如表1所示，氧－18和氘丰度值关联性（图6）呈现的规律和三线图反映的结果是吻合的。从氘氧曲线可以得到如下结论。
图6 氘氧关系曲线图
流域内无论浅层水、中深层水样品数据，均落在雨水
线附近，并且大部分样品在雨水线下方（图6），表明地下水体均来自大气降水或地表迳流的补给，上述变化规律均符合瑞利蒸发模式。
中深层C区地下水氘值在－62‰～－67‰、δ18O为－8.9‰～10.6‰；
浅层A区地下水氘值在－51‰～－60‰、δ18O为－7‰～8.4‰；
中深层水形成时温度低于浅层水，形成早于浅层水；
B区氧－18值域在－9.5到－8.6之间，可以判断是受浅层混合的中深层水。
该项数据为论证含水系统的划分，改变长期来把地层时代作为含水系统形成时代划分的依据。同时为正确的地下水补给资源、可采资源计算奠定了基础。
取样点中深层地下水多数样点受现代水补给较差，只有少数中深层地下水样点落在浅层水区，表明该点附近中深层水有浅层水混入。
中深部分层样点落在雨水线左上方C区，可能由于水岩相互作用－水解作用，二价铁离子（以FeS形式存在），水解作用使重同位素氧－18耗损，其水化学演化方程应该是：
4FeS+7O2+4H2O→2Fe2O3+4H2SO4
Fe2O3+3H2O→2Fe(OH)3
表1 淮河流域同位素测试部分结果*
δD、δ18O系中国地质科学院矿床地质研究所同位素实验室测试。
δSⅠ、δSⅡ、δ13C、δ14CT（氚）均系中国地震地质研究所同位素试验室测试。
二者均系国家重点实验室采用MAT－250及液体闪烁计数器测试，数据均系2003～2005年测试。
5 结论
淮北平原浅层水和中深层水以50～60m深度为分层界线，传统上以50～60m深较厚粘土为界线划分，但没有定论，根据本次样品分析结果，对传统的划分进行了印证。水化学分析结果表明，淮北浅层水自上游到下游呈HCO3·Ca·Mg－HCO3·Cl·Ca·Mg和HCO3·Ca·Mg－Cl·Ca·Mg变化趋势，前者符合径流途径上的自然变化，后者加入了人为影响（污染）的因素；中深层水以HCO3－Na为主，有部分水样呈HCO3·Cl型，中深层位的地下水受人为活动影响较小，所以Cl的富余是浅层水混入的结果。同位素测试结果证实，浅层水年龄较轻，补排相关性贴近雨水线，部分地区蒸发强于补给；中深层水处于相对封闭的还原环境，存在离子交换作用，地下水年龄在15000年左右（与华北平原一致），沙颍河中游地区有较严重的浅层水混入。
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Resume of Hydrogeochemistry in Huaibei Plain
Gong Jianshi1, Ye Nianjun1, Gu Weizu2, Ha Chengyou3,Chen Lezhu1, Ge Weiya1, Yu Junjie1
(1. Nanjing Institute of Geology and Mineral Resources, Nanjing 210016;2. Nanjing Institute of Hydrology and Rresource MWR,Nanjing 210024;3. China Institute of Geological Environmental Monitoring, Beijing 100087)
Abstract: There is bifurcation about aquifer partition in Huaibei plain in last twenty years, now the author points out the partition borderline of the aquifers based on isotope data. It can be authenticated that the interface depth of shallow groundwater system and mid-level&deep-seated groundwater system is 50～60 m in Huaibei plain in this article. Each of them is opposite absolute system with groundwater evolvement. Figures about relationship of 18δ& well depth、relationship of groundwater age & well depth can indicate the difference of which.
The author also did enough work about hydromedistry in this area and got plenty of informations this time. The hydromedistry data indicate that the shallow water genre is HCO3·Ca·Mg in upriver changing to HCO3·Cl·Ca·Mg and Cl·Ca·Mg in downriver, and deep-seated water genre is HCO3-Na attended by some HCO3·Cl water mixed with shallow water, the former is natural hydrochemical evolvement from upriver to downriver, the latter can be considered as admixture with deep water and shallow polluted water. An important ting is found this time that content of Cl- in shallow water is high around Kaifeng city and Zhoukou city near Guohe river and Huijihe river(branches of Huaihe river). Conceivable reason is the influence of human beings( especial of pollution). Another discovery is that Cl-Na water is found in deep water in east Zhoukou and west Jieshou area near Shaying river( anoter branch of Huaihe river), which prove that there is eventual blend with shallow influenced water into deep old water.
Isotope data prove that shallow water is newer and δ18O、δ2H in which attach to Meteoric Water line, deep-seated water is older in a close condition and severe mixed with shallow water in Shaying valley area. The age of deep water is approximately same with ones in Huabei plain. One thing need to explain that the 18δ is lower than average level in the lower left of Meteoric Water line. The author think that there may be a chemical reaction consuming 18O so as to less 18δ in the figure of relation of 18δ and 2δ.
Key words: Huaibei plain; Shallow groundwater; Mid-level and deep-seated groundwater;Hydrogeochemistry