地下水主要古补给期

地下水中同位素信息记载了过去净补给历史过程，从中可识别地下水形成过程中主要补给期。地下水的形成与当时大气圈、岩石圈、生物圈有着密切互动关系，地下水中同位素及其水化学组成与其形成时期的气候条件存在一定的关联性。例如在北半球中高纬度地区，大气降水的δ¹⁸O与年均气温之间存在相关关系，使其在全球环境变化研究中得到更广泛的应用，并成为在深海沉积、黄土、冰心及湖泊沉积等气候记录研究的重要识别手段。

一、地下水中古气候记录

华北平原地下水同位素变化有如下特征：第四系浅层地下水氢氧稳定同位素值较高，且差别较大；深层承压水氢氧同位素的δ值多落在大气降水线附近。山前冲积扇顶部区的δ值高于东部平原，与同位素的大陆效应不符，δD变化由山前至滨海呈高—低—高的变化，中部平原区为低值区。¹⁴C校正年龄表现为由山前至滨海呈年轻—年老—年轻的变化，中部平原区地下水年龄较老，垂向上¹⁴C校正年龄则随深度增加而变老，¹⁴C 校正年龄为0～24000a（B.P.）。基岩地下水中第三系地下水δ值变化较小，岩溶水的同位素在冀中坳陷变化较大，总体特征是从山前向冀中坳陷有增加的趋势，¹⁴C 校正年龄为11000～33000a（B.P.），沿径流方向变老，年龄最大在牛驼镇凸起（Liu Cunfu and Wang Peiyi，1992；李桂如等，1988）。

根据同位素数据，建立地下水的¹⁸O和²H的曲线，如图3-7所示。

图3-7 华北平原地下水同位素特征

（据张光辉等，2004）

（a）格陵兰冰心同位素曲线；（b）华北平原地下水同位素曲线

图3-7中δ¹⁸O曲线表明：35000a（B.P）以来，δ¹⁸O值明显分为不同的两个阶段，以平均值-9‰为界限，10000a（B.P.）之前低于平均值，而10000a（B.P.）以来高于平均值，相同的研究结果也曾报道过（张宗祜等，1997）。低δ¹⁸O 值阶段相当于深海氧同位素的第Ⅱ阶段，高δ¹⁸O值阶段相当于深海氧同位素的第Ⅰ阶段，反映全新世气温明显高于晚更新世末期。在33000～25000a（B.P.），δ¹⁸O 趋于减小，气候趋冷。在25000a（B.P.）达到最低点，间冰期结束，冰期开始；25000～15000a（B.P.），δ¹⁸O值较低，说明冰期气候寒冷，反映冰期气候特点，其中在18000a（B.P.）左右δ¹⁸O值降到最低点，δ¹⁸O=-11.07‰，δD=-78.2‰。对应于末次冰期盛冰期，据京广沿线降水同位素与年均温度的关系（δD=2.8 t-94.0，δ¹⁸O=0.35 t-13.0），计算得盛冰期年均气温5.5℃，按华北平原年均气温10～14℃计，冰盛期气温比现在低4.5～8.5℃，与孢粉等研究结果相符（吴忱，1992）。18000a（B.P.）之后，δ¹⁸O 值振荡上升，并在15000～13000a（B.P.）达到冰期的最高值。末次冰期在15000a（B.P.）后趋于缓和。在12000a（B.P.），δ¹⁸O又减小，是向全新世过渡前的一次短暂冷期。随后，δ¹⁸O值快速上升，表明冰期即将结束，并在10600a（B.P.）左右倒转下降，对应于新仙女木颤动，而后向全新世快速转变。

10000a（B.P.）以来，气候明显变暖，但相对于整个全新世而言，δ¹⁸O 在8000～6000a（B.P.）期间较低。如果δ¹⁸O值作为温度变化的标记，显然与其他地质记录所表明的全新世气候适宜期不一致。陈宗宇博士认为，10000a（B.P.）以来δ¹⁸O反映的是夏季风带来的降雨和湿度的变化。夏季风带来的降水对地下水产生重要影响，因此，地下水的δ¹⁸O主要记录了夏季风的盛衰。从这个意义上讲，全新世以来地下水形成和演化与夏季风有着密切的关系。

华北平原季风的兴起，开始于10000～9000a（B.P.），8000～5000a（B.P.）期间盛行，在5500a（B.P.）前后稍减弱。5000a（B.P.）之后，季风开始减弱。在2000～1000a（B.P.）期间有所增强。1000a（B.P.）以来，进入衰弱期，气候偏干。

在冰期，地下水的δ¹⁸O值反映了气温的变化，而在全新世期地下水的δ¹⁸O值则反映了季风带来降水所引起的湿度变化。因此，山前平原地下水的δ¹⁸O和δD值明显低于中东部平原，反映了夏季风相对强盛期间降水对地下水的补给特征。

二、古气候条件下地下水补给

华北平原地下水多形成于数千年，甚至万年之前（图3-8），是地质历史时期的产物。华北平原地下水形成与气候之间通过温度效应、降水效应和大陆效应等一系列反馈过程相互制约，并通过同位素信息记录在地下水中。降水的变化影响径流出现的时间及干湿交替频率和强度，温度的变化直接影响水面蒸发、陆面蒸发和潜水蒸发，改变土壤湿度和入渗条件。所有这些作用，都在地下水的形成和演化过程中留下永恒的记录。因此，通过研究古气候对地下水形成的影响，使我们了解其在地下水本身的特征，反过来，利用古气候研究成果认证了地下水形成、演化规律与区域水文循环变化的一致性。

华北平原地下水¹⁴C校正年龄分布具有如下规律，自晚更新世末期以来，区域地下水主要补给期具有周期性，每一主要补给期约1000～2000a（图3-9）。在冰盛期，地下水的补给较少。全新世以来，地下水主要补给期与气候演变历史中的多雨期和少雨期相应或交替出现。以地下水年龄统计频数分布（图3-10）初步确定，晚更新世末期以来，华北平原主要补给期为15000～13000a（B.P.）、12500～11500a（B.P.）、11000～9000a（B.P.）、8500～7500a（B.P.）、7000～5500a（B.P.）、5000～3900a（B.P.）、2500～1500a（B.P.）和1000a（B.P.）以来，其他时段地下水获得的净补给较少。

图3-8 华北平原地下水¹⁴C校正年龄［ka（B.P.）］

（据张光辉等，2004）

从现今区域地下水资源实际分布情况考虑，6000a（B.P.）前后和4000a（B.P.）前后的补给，具有奠基意义。4000a（B.P.）前后，曾发生被称为第二次大洪水期（杨怀仁，1996），孢粉及古籍资料记录均表明 5000～4000a（B.P.）降水量增大，4000a（B.P.）的海平面较今高1.0m左右，北京地区在5000～4000a（B.P.）期间形成了泥炭层。这一时期的洪水对华北平原地下水形成影响较大。在2700a（B.P.）前后因连年干旱，大面积沼泽地干涸。黄河下游地区，在5000～3900a（B.P.）期间因夏季风高峰向北方推进而高温多雨，人类迁移到了地势较高地区。在邯郸发现两口深度7m左右的龙山期水井及藁城发现的两口深3.7～5m的商代木结构井，都表明那时人类开始在地势较高的地方就地提取地下水生活。

图3-9 地下水的主要补给期与其他地质信息的对比

（据张光辉等，2004）

①华北平原地下水补给期主要期；②华北平原地下水¹⁴C校正年龄频数分布；③黄河中上游地区多雨期与少雨期；④华北平原古洪水期；⑤全新世鄂尔多斯高原降雨量（郭永海等，1996）；⑥岱海水位；⑦华北和西北地区湖面历时百分数；⑧黄河源区全新世湿度半定量曲线；⑨祁连山敦德冰心氧同位素曲线（关秉钧等，1985）

图3-10 华北平原地下水¹⁴C年龄统计频数分布

（据张光辉等，2004）

从图3-9可见，地下水主要补给期与区内其他研究成果具有较好的对应性。其中，吴祥定等（1994）根据北大池剖面恢复出全新世以来的降水量，并由此确定出多雨期和少雨期。多雨期与本区地下水的主要补给期基本吻合，反映出多雨期与地下水主要补给期的对应性。古湖面波动是区域水文、气候，尤其是有效湿度变化的反映，可视为天然雨量计。通过对黄河流域及其以北地区内陆封闭湖泊水位的变化研究发现（吴锡浩等，1994），在9000～5500a（B.P.）期间曾出现高湖面，5000～3000a（B.P.）转为中低湖面波动为主，3000a（B.P.）以来则以低中湖面居多。高湖面为主的时期，反映夏季风带来的降水增加，低湖面则相反，降水量减少。黄河源区干湿半定量曲线显示7500～5500a（B.P.）是最湿润阶段，5500～5000a（B.P.）是相对凉干阶段，5000～3900a（B.P.）为全新世第二温暖湿润阶段，大约在3200a（B.P.）突发降温之后，干湿波动频繁。

三、地史时期地下水补给演化过程

根据前几节的降水量和气温重建资料，应用区域水量均衡原理，并借用表3-3中公式，采用200、100、50、20、10和5a的时间尺度多年平均，并彼此嵌套，估算出12400a（B.P.）以来华北平原不同时段的多年平均年地下水储变量演化过程，如图3-11所示。

图3-11 12400a（B.P.）以来华北平原不同时段多年平均年地下水净补给量

（据张光辉等，2004）

（注：在天然状态下，净补给量=总补给量-总排泄量=储变量，开采量=0）

表3-3 华北平原主要研究分区年天然地表径流模式与水文-环境特点

续表

从百年时间尺度的平均意义来讲，12400a（B.P.）以来华北平原不同时段多年平均地下水储变量最大值为57.75mm/a（6000a（B.P.）前后），极小值为-15.3mm/a（2900a（B.P.）前后）、-16.4mm/a（3800a（B.P.）前后）。在8000～4000a（B.P.）期间，华北平原出现 3个区域地下水的主要补给期，分别为4500～3900、6800～5700a（B.P.）和7800～7200a（B.P.），这一规律与地下水同位素水文学研究结果相一致。

从千年时间尺度的平均意义来看，在8000～4000a（B.P.）期间，华北平原出现两个区域地下水主要补给期，分别为5000～4000a（B.P.）和7900～5600a（B.P.），净补给量为16.5mm/a和20.1mm/a。

在9300～8700、5600～5200、3200～2700、2200～1400和900～700a（B.P.）期间，区域地下水获取的补给较少。