半干旱区强烈开采层地下水面状补给机理研究-以潮白河冲积扇为例

Diffuse recharge is not only an important source of groundwater, but also has great impacts on pollutant transport in the unsaturated zone. However, it is not entirely clear about the mechanism of the vertical diffuse recharge of groundwater and very difficult to quantify the recharge, especially those in the strongly exploited area, because of the highly complexity and uncertainty of the recharge processes and their impact factors. It is very important to reveal the mechanism of vertical diffuse recharge and quantify the recharge rate of groundwater in the strongly exploited area, because it is usually the vital water source and protection zone of groundwater pollution. The project intends to select the typical profiles of the Chaobai River Alluvial Fan in Beijing of China as an example, to study (1) the hydrological process and hydrogeochemical process of diffuse recharge of groundwater successively through the soil water zone→ transitional zone→ capillary water zone→ groundwater tabel; (2) changes and relationships of hydrochemical and environmental isotope tracers of unsaturated water and groundwater near the disturbed belt of the groundwater table and the recharge mechanism indicated by them; (3) the retard mechanism of recharge and the recharge rate of groundwater, based on the hydrochemical (TDS, Cl-, NO3-, et al.) and environmental (2H, 18O, 3H, 87Sr/86Sr, et al.) methods/tracing techniques, which combine the unsaturated zone and saturated zone as a whole system. This study is very important to understand the recharge mechanism, the transport process of pollutant, and the recharge rate of groundwater in the strongly exploited aquifer in the semiarid area with deep groundwater table.

面状补给不但是地下水的重要补给来源，而且对包气带污染物迁移有重要影响。但是由于其过程和影响因素均十分复杂且存在不确定性，因此对其机理尚不完全清楚，也很难准确量化，对于地下水强烈开采区尤其如此。地下水强烈开采区往往是重要的水源地和污染防护区，因此弄清其分散补给机理并确定地下水补给量十分重要。本项目拟选取北京潮白河冲洪积扇的典型剖面，将包气带和饱和带结合起来，用水化学（TDS、Cl-、NO3-等）和同位素（2H、18O、3H、87Sr/86Sr等）相结合的方法/示踪手段，研究（1）水分经过土壤水带→过渡带→毛细水带→地下水面的水文和水文地球化学过程；（2）包气带深部水位变动带上下水化学和同位素的变化和相互关系及由此指示的补给机制；（3）地下水补给延迟机理和补给量。该研究对于认识半干旱地区强烈开采区地下水的补给机理、污染物迁移过程、地下水补给量有重要意义。

作为地球上分布极为广泛的一种水资源，地下水在许多地区的社会经济发展中发挥着举足轻重的作用，在很多地区是重要的甚至唯一的供水来源。全世界15亿以上的人口以地下水作为主要饮用水源。我国地下水资源地域分布不均。据调查，全国多年平均地下水资源量为8218亿立方米，其中占国土面积64%的北方地区占30%，占国土面积36%的南方地区占70%。对地下水资源的不合理开发利用不仅引起了含水层枯竭，还引发了环境问题，这在华北平原尤为突出。随着社会经济的快速发展、城市规模的扩大和人口的增加，北京市因社会用水量的不断增加而在近些年逐渐变成一个缺水甚至面临水危机威胁的城市。由于没有充足的地表水源，近些年地下水供水量占北京市供水比例的六成以上。高强度的开采导致地下水超采，引起了地下水位降落漏斗面积不断扩大等问题。北京市地下水的可持续供水能力引起了社会和学者的高度重视。地下水的供水能力很大程度上取决于接受补给的能力，而面状补给是最重要的补给来源，因此通过揭示地下水面状补给机理进而估算地下水面状补给量，是认清地下水可持续供水能力的重要步骤。本研究基于多种方法（水位动态均衡法、水化学示踪法、环境同位素示踪法）揭示了地下水面状补给机理，并在此基础上估算得到了地下水面状补给量，主要研究内容和发现包括，（1）识别了研究区不同地段（上下游）不同层位（浅层和深层）地下水的水化学类型；（2）分析了研究区地表水、井水和泉水的2H和18O同位素特征，并与全球大气降水线（GMWL）和当地大气降水线（LMWL）进行了对比，在此基础上识别出地表水和浅层地下水的主要补给源均为当地大气降水；（3）发现2H和18O同位素含量大致沿大气降水→地表水→浅层地下水→泉水→深层地下水的方向减少，揭示出研究区的区域水循环特征；（4）对研究区地下水水化学和水质的季节变化进行了分析，不但直接掌握了地下水的水质情况，而且间接了解了研究区地下水接受面状补给的季节变化特征，为进一步揭示强烈开采层地下水面状补给机理提供了辅助证据；（5）联合使用水化学和同位素示踪技术，得到研究区浅层地下水和深层地下水的年龄分布（浅层和深层的年龄分别在5~60a和数千年至10000a以上）；（6）估算得到研究区地下水的补给量在0.07~0.48m/a之间，总体上较易获得补给，但是存在明显的时空差异。