地下水作为水资源的重要组成部分，成为生活用水和工农业生产的重要水源，人类对地下水的依赖程度越来越高[1-3]。但受人类活动的影响，部分地区出现了地下水污染、水质恶化等环境问题[4-7]。地下水一旦遭受污染，其治理难度很大，且成本较高[8-9]。因此，如何保护地下水资源免受污染或减少受污染风险就显得尤为重要。地下水年龄可以指示含水层中地下水的更新速率，对地下水的固有脆弱性也具有重要指示意义[10-12]，是开展地下水资源保护研究的一项基础性工作。
目前，用于年轻地下水测年较为常用的方法主要有3H（氚）法、CFCs（氟里昂）法和3H/3He（氚氦）法[13]。3H 测年是应用最广泛的方法，但是随着其不断衰变致使浓度大幅降低，其优势逐渐被3H/3He 和CFCs等方法替代。CFCs测年是确定1950年以来地下水年龄的有效方法，但是，由于其在水中降解及易受工业CFCs点源污染等的影响，增加了该方法测年的不确定性[14]。相对而言，3H/3He法是目前适用于年轻地下水年龄测定的有效工具之一，韩庆芝等学者开展了该方法的案例研究[15]。鉴于样品数量有限，本次选择3H/3He法和3H法结合来计算地下水年龄。
Gellermann[16]等、Andrew[13]等提出了地下水的脆弱性与地下水年龄、年轻地下水（现代水）含量之间的对应关系，为利用放射性同位素指示地下水固有脆弱性研究提供了理论依据。几十年来，很多国内外学者应用同位素方法（或结合应用其他方法）进行了地下水脆弱性研究（表1）。
表1 同位素法研究含水层地下水脆弱性实例一览表
Table 1 Groundwater vulnerability study cases with isotopic methods
发表时间/（年）1990 1995 2003 2005 2006 2012 2012 2020主要作者Gellermann等[16]Fernando等[17]Nelms等[18]Moran等[19]Koh等[20]张翼龙等[21]Molson等[22]Edward等[23]主要指标3H、14C年龄及NO3-D, 18O 3H/3He年龄，水化学和3H、D、18O 3H/3He年龄，挥发性有机组分VOCs 3H/3He和CFC年龄3H、14C含量和年龄，DRASTIC指标地下水平均年龄，预期寿命等3H年龄，水化学和D、18O研究对象三叠系和二叠系含水层马德里盆地含水层美国维吉尼亚州含水层加利福尼亚州Central Vally深部含水层韩国Jesu岛地下水呼和浩特市地下水加拿大沃特卢Moraine含水层西非White Volta河流域花岗岩含水层
1 研究区概况
研究区位于石家庄太行山前倾斜平原地带，地面高程约60～110 m，地势西高东低，地形坡度0.5‰～2.5‰，属温带大陆性季风气候区，多年平均气温约13℃，多年平均降水量约570 mm，主要分布滹沱河和石津灌渠等地表河流和人工水渠（图1）。地下水主要赋存于第四系松散岩层孔隙中，包气带岩性以砂性土为主，含水层自上而下划分为四个含水层组，本次研究的对象是浅层地下水，即区内第Ⅰ、Ⅱ含水层组，两含水层组之间没有相对连续的隔水层和弱透水层，水力联系密切，岩性主要为砂砾石夹中粗砂及亚砂土和亚粘土。自西向东，含水层厚度由厚变薄，粒度由粗变细，结构由少增多，富水性由强至弱，中东部含水层底板埋深大于50 m。地下水动态受气候和人类活动共同影响，地下水补给以大气降水入渗和侧向径流补给为主，地下水排泄方式主要为人工开采和蒸发，地下水总体由西北向东南方向流动。
图1 研究区位置及样点分布图
Fig.1 Location of study area and groundwater isotopic sites
2 数据来源
本次研究所采用的地下水同位素、水化学、地下水位埋深等基础数据主要来源于已经公开发表的文献[24-26]和中国地质科学院水环所调查报告资料。采用的3H/3He 样品数量为14 件，3H 样品数量为45 件（其中有部分样品取样位置较为临近）。
3 浅层地下水年龄
根据3H/3He 年龄的计算原理并结合文献资料[13，27]，得出研究区3H/3He浅层地下水样点的同位素年龄介于5～36年（图2）。基于3H/3He年龄来矫正地下水3H 年龄，地下水3H 年龄通过Flowpc 3.1程序定量计算[28]。根据大气降水氚恢复输入函数[12]，给定一系列滞留时间，计算得到氚输出浓度，根据实测样品的氚含量，对比计算的输出浓度，得到不同样品点的平均地下水年龄（图3）。
图2 地下水3H/3He年龄结果
Fig.2 Groundwater 3H/3He isotopic ages of samples
图3 地下水氚年龄结果
Fig.3 Groundwater 3H isotopic ages of samples
由地下水同位素年龄来看，自西向东地下水年龄呈现逐渐增大特征（图4）。西部山前地区地下水年龄小于5 年，石家庄漏斗区地下水氚年龄在10 年左右。以漏斗为中心，向南到方村镇地下水年龄增大到20年左右，向东和东北方向年龄也呈增大趋势。同时可发现，从石家庄到正定方向穿过滹沱河之前地下水年龄出现南北向低值（≤10 a）区，推断该区为滹沱河补给石家庄地下水的优先补给带。依据年龄分布，本次按照5a 间隔为等值线，将地下水年龄由高到低划分为Ⅰ-Ⅴ五个区（图4），呈现较为明显的分带性。
图4 地下水同位素年龄分区图
Fig.4 Partition map of groundwater isotopic ages
4 地下水年龄对含水层固有脆弱性的指示
前人研究结果显示[13，16，29]，分析地下水中现代水的含量也可以指示含水层固有脆弱性或可能的污染风险。根据Andrew[13]等的研究成果，可根据现代水的含量将地下水划分为Unmixed（未混合型Un）、Modern（现代型M）、Modern/Pre-bomb（混合M/P）和Pre-bomb（古水含量≥80%的P型）型。区分不同类型地下水的关键是分类界线的划定，根据研究区实际水文地质条件和研究精度，本次研究暂不划定P 型（图5），故而可将14个样品按脆弱性高低程度分为三组（图5、表2）。
图5 3H/3He数据确定现代水含量
Fig.5 Determination of modern groundwater content by 3H/3He data
表2 现代水含量评价地下水脆弱性结果
Table 2 Groundwater vulnerability based on modern water content
组别第一组第二组第三组水样编号3，8，53 1，2，5，7，32，33 31，48，40，49，52现代水含量≈100%80%~100%＜80%脆弱性等级①高②中③低分级标准Un M M/P
为了对比根据现代水含量评价脆弱性和根据地下水年龄指示脆弱性的结果，我们将分组结果与样品的计算年龄值做对比（表3）。可以发现，除个别点（点53），地下水年龄分组结论与根据现代水含量分组结论取得了很好的一致性。
表3 年龄与现代水含量指示的脆弱性评价结果对比
Table 3 Comparison of vulnerability between ground water age and modern groundwater content indicators
脆弱性等级①高②中③低按现代水百分含量分组水样编号3，8，53 1，2，5，7，32，33 31，48，40，49，52含量范围/%100（Un）≥80（M）<80（M/P）按地下水年龄分组水样编号3，8 1，2，5，7，32，33，53 31，48，40，49，52年龄范围（a）5~6 8~19 24~36
综上所述，地下水年龄对含水层固有脆弱性具有较好的指示作用，地下水年龄相对较小的含水层固有脆弱性呈现出相对较高的特征。
5 讨论
为了验证地下水年龄对含水层地下水固有脆弱性的指示是否具有合理性，本次通过水文地质条件和地下水污染数据来分析对比并进行讨论。
5.1 地下水位埋深和渗透系数验证
根据研究区已有资料程度，选取传统固有脆弱性评价方法DRASTIC 法[30-31]中的水位埋深、渗透系数两项指标进行验证和讨论。水位埋深影响污染物到达含水层经历的路程和时间，在不考虑其他因素时，通常水位埋深越浅，污染物发生反应的时间越短、衰减的机会越少，地下水就越脆弱。该区地下水位埋深由漏斗区向周边逐渐减小，在西北部普遍小于15 m，其他大部分地区一般大于20 m。水位埋深指示的地下水脆弱性趋势为：由山前到扇缘脆弱性呈减弱趋势，其中漏斗区由于埋深较大，脆弱性较低。与地下水年龄指示脆弱性的结论差异在于漏斗区地下水位埋深较大而脆弱性较低。这种差异的解释是：地下水漏斗区形成水动力场的“汇”（图6），周边地下水向漏斗中心补给，运动速率快，从而导致地下水年龄较年轻（约10 a）且具较高脆弱性。若存在面源污染时，漏斗区高脆弱性将表现的尤为显著。
图6 地下水位埋深和渗透系数等值线与地下水年龄指示脆弱性分区对比
Fig.6 Comparison of groundwater depth and permeability coefficient contour with vulnerability partition based on groundwater age
渗透系数影响污染物的入渗速度，在不考虑其他因素时，渗透系数越大，污染物入渗的速度就越快，地下水易受到污染，脆弱性相对越高。该区渗透系数由西北向东南总体呈减小趋势（图6），地下水渗透能力降低，潜在污染物在地下水中运动的速度相对减慢，指示地下水脆弱性程度也沿西北至东南方向总体相应减弱，这与地下水年龄指示的结论吻合较好。
5.2 NO3-和Cl-分布指示证据
受人类活动影响，地下水NO3-、Cl-等含量和分布将发生变化，其分布差异反映出地下水受污染程度的高低，一定程度上反映了地下水脆弱性的强弱。
研究区地下水NO3-分布规律是：以石家庄市区偏西部为中心，靠近西部、西南部地区污染程度增高，而靠近北部、东部地区污染程度呈减小趋势，这与地下水年龄指示的脆弱性分区具有良好的一致性（图7）。不同点在于：除漏斗区外，NO3-污染高值区还分布在石家庄南部-栾城附近，通过分析污染源，推断主要是受历史排污渠（东明渠）的影响，南部样点Cl-离子浓度偏高也反映了这一解释的合理性。此外，Cl-离子高浓度样点主要分布在高脆弱区（Ⅰ区）和较高脆弱区（Ⅱ区），也较好地反映出地下水年龄指示脆弱性具有一定合理性（图7）。
图7 NO3-和Cl-离子质量浓度等值线与地下水年龄指示脆弱性分区对比
Fig.7 Comparison of groundwater NO3-and Cl-content with vulnerability partition based on groundwater age
6 结论
（1）3H/3He和3H同位素数据测年结果表明，研究区浅层地下水年龄介于4～36 年，均为现代水补给，地下水年龄由山前至平原沿地下水流动的方向逐渐增大，具有较明显的分带性。
（2）通过与现代水含量识别含水层固有脆弱性方法对比，同时选用地下水位埋深、渗透系数两个固有脆弱性影响因素以及NO3-、Cl-离子含量进行验证，证实地下水年龄的分布对含水层固有脆弱性具有较好的指示意义，研究区含水层固有脆弱性由山前到平原呈现降低趋势。
（3）本次收集使用了前人已有研究资料，可能存在不同取样时间导致的误差，建议后续研究者在同一周期内采集批量样品开展研究。同时，受资料所限，仅使用了水位埋深、渗透系数等指标进行验证和讨论，后续研究者可采用DRASTIC法或其改进法进行对比研究。
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