地下水年龄和稳定同位素对强烈开采承压含水层的响应机理研究

The physical and chemical factors of isotopic response to groundwater exploitation are important part and key theoretical basis to understand the impact of human activities on groundwater system. Last researches mainly study on the spatial distribution characteristics of isotopes and hydro chemistry in the aquifers after decades intensive exploitation. They emphasis on the disadvantageous changes and focus on the analysis of the results of these changes, while ignore the certain characteristics response mechanism to groundwater exploitation. Taken North China Plain confined aquifers as the research object with the changes of D，18O，3H and 14C in the past 40 years, combined hydrogeochemistry, and hydrogeology methods，to discuss the changes isotope caused by hydrogeological dynamic and chemistry factors, including recharge and discharge of groundwater, age structure, changes of aquifer hydraulic connection and water rock equilibrium in process of groundwater exploitation. The controlled factors caused the isotope changes will be determined in the process of groundwater exploitation. And then the response mechanism of groundwater age and stable isotope to the exploitation of confined aquifers would be revealed. It will provide a theoretical basis for reasonable utilization and groundwater resource protection.

同位素对地下水开采响应的主要物理化学控制因素的识别是认识人类活动对地下系统影响的重要环节与关键理论基础，当前研究多以地下水强烈开采几十年后的同位素与水化学的空间分布特征为主，其侧重点更加强调的是地下水开采引起的一些不利变化，重在这些变化的结果分析，而忽略了地下水中某些变化特征对地下水开采响应机理的研究。本研究拟以华北中东部平原承压含水层为研究客体，以过去40多年开采过程中同位素D，18O，3H， 14C的历史变化形式为突破口，结合传统水文地质学和水化学方法，分析地下水开采的同位素响应特征，探讨引起同位素变化的地下水动力场和化学场（水文地球物理化学作用）因素，包括地下水开采过程中地下水补排状态、不同含水层的水力联系、地下水年龄结构和水-岩平衡态的变化，确定同位素在地下水开采过程中变化的主要控制因素，从而揭示地下水强烈开采下地下水年龄和稳定同位素响应机理，为实现地下水资源保护及合理开发利用提供依据。

地下水强烈开采改变了地下水流动循环模式和水盐平衡状态，并在一定程度上干扰了地下水脆弱性。面对地下水环境日趋衰变，正确认识地下水循环对开采条响应特征，识别地下水衰变机理，才能保障地下水资源安全。. 本项目以同位素与水化学时空演化特征为基础，分析研究华北平原地下水的水动力条件和水化学场的对地下水开采的响应。山前平原精细刻画的地下水年龄与相关组分的分布特征表明，潜水含水层受到地下开采影响较大，在地下水年龄小于10年区域地下水环境恶化未显，地下水系统脆弱性及更新性较强；而10~40年区域地下水环境恶化明显，地下水系统脆弱性和更新性一般；大于40年老水区域地下水地下水系统脆弱性及更新性较弱，但是地下水开采诱使了水岩反应加速，地质环境相关组分进入含水层，地下水脆弱性在开采影响下增强。. 中东部平原地区承压含水系统中依据18O、14C和Cl-随着地下水开采的变化特征，预示随着地下水开采相对年轻低盐地下水首先被开发利用，而年老高盐水逐渐在地下水系统中富集；而到近十几年虽然对地下水进行压采，但是地下水位及地面沉降累积量持续增加，引起上层年轻高盐水越流补给增加。无论越流还是压缩释水，地下水开采影响下开采含水层新激发的补给都是通过粘土进入含水层，因此引起含水层中Cl-和F-持续增多，使得含水层水质变差，而18O值、14C含量是先降后增，表明地下水更新性是先降后升。. 晋州-衡水-沧州水文地质剖面上地下水中水化学（Cl-、F-）和同位素（14C、18O，37Cl，86/87Sr）空间演化规律，进一步说明在地下水开采影响下，开采含水层主要有两个演变趋势：补给源一是以粘性土压缩释水为主，另一个是上覆水越流为主。这两种趋势地下水环境均会出现不可逆转恶化。.