河北平原地下水有机碳同位素演化特征及其水文地质意义

近年来，地下水中微量有机污染对人类健康的威胁日益严重，受到全球关注。目前，碳同位素测试已成为研究水中有机污染的重要手段，最新的测试技术仅用50μL水样就能测定出13C/12C值。本项申请拟以河北平原地下水为例，系统分析地下水中溶解性总有机碳（DOC）含量及其碳同位素组成。沿保定-任丘-河间-沧州剖面的四个含水层分层采样，研究河北平原山前倾斜平原区和中部冲积平原区地下水中有机污染物溶解性总有机碳同位素分布特征，探讨地表水和地下水的补排关系。结合特殊单体有机污染物碳同位素，通过室内模拟实验研究污染物在氧化还原环境的演变和微生物降解作用过程，揭示碳同位素分馏机理。在此基础上，选择典型试验场地开展野外现场研究，沿地下水流向取样，分别研究浅层水和深层水中有机污染物的来源、降解和迁移过程。本项研究将推动有机碳同位素在地下水有机污染研究中的应用，并为地下水有机污染修复提供依据，具有重要的示范作用。

建立了水体中溶解性有机碳（DOC）旋转蒸发浓缩富集前处理方法，以及测定水体中溶解性有机碳同位素（13CDOC）的EA-IRMS在线连续流法，为解析地下水中溶解性有机碳来源及其对地下水环境演化的指示意义提供了新的技术与方法。EA-IRMS在线连续流法测定δ13CDOC分析精度为0.2‰，完全满足野外应用研究的需要。应用研究以典型研究区太行山前平原石家庄地区为例，揭示地下水中溶解性有机碳同位素组成的分布特征，探讨地下水中溶解性有机碳来源及其对地下水环境演化的指示意义，得出了以下几点新认识：①研究区地下水中溶解性有机碳同位素δ13CDOC值随着地下水埋深的增大而增大；石家庄西部和南部地区地下水埋深浅δ13CDOC值偏负，主要分布在(-33~-29‰)；而石家庄北部和东部靠近滹沱河沿岸，地下水埋深较大，δ13CDOC值偏正（-27~-24‰）。②地下水中DOC的主要来源是一致的，以土壤有机质为主，其前驱物质为C3植物。③δ13CDOC值的分布特征能够指示地下水补给更替速率。δ13CDOC值偏负，地下水更替速率较快；δ13CDOC值偏正，地下水更替速率慢，生物地球化学作用影响地下水化学组成特征。④δ13CDOC值与地下水中NO- 3和SO2- 4浓度关系表明研究区地下水中存在反硝化作用与硫酸盐还原作用。⑤δ13CDOC值可以识别出污水以及反硝化作用对硝酸盐氮同位素的影响，为准确识别地下水中硝酸盐污染来源和迁移转化过程提供理论依据。研究区西部地下水中硝酸盐在未受到反硝化作用的显著影响，硝酸盐主要来源于以粪肥为主；石家庄市周边及东南部地区，地下水受污水排放影响，硝酸盐来源主要以污水和粪肥混合为主。