庞忠和研究员
地质与地球物理研究所水文地质学家

　　Gregor Hsiao (GH)：中国人口众多，水资源有限，特别是在北方。您研究的是水资源管理的哪些方面，同位素在其中发挥了怎样的作用？

　　庞忠和：华北缺水是中国政府和社会都非常关注的重大问题。我们正在研究气候变化对水资源的影响。例如，在中国西北地区的新疆，因为以往的数据非常有限，我们加强了对降水中同位素的监测。我们还引入了事件监测，并利用这些数据建立了降水的时空模型。在 Tellus-B [1] 上发表的文章中，我们描述了如何利用氘盈余来了解这一干旱地区的降水。我们还研究了水分来源以及循环水分在降水中的作用（图 1）。在《水文学杂志》 （Journal of Hydrology）[2] 上发表的论文中，我们比较了北疆和南疆水系对气候变化的敏感性。还有一些研究中国水资源的论文正处于不同的发表阶段 [3]，其中大部分都应用水的稳定同位素来了解当地的水循环（图 2）。

　　我们关心的另一个领域是土地利用变化对地下水补给的影响，特别是在华北的黄土高原。我的研究所对黄土高原研究多年，这些研究中的古气候学数据已被广泛用于帮助理解全球气候史，但对地下水的研究工作还做得不多。我们的工作重点是结合稳定同位素和氯质量平衡直接估算地下水补给 [4]。我们使用手摇钻采集了 20 米深的土壤剖面，以获得土壤水样（图 3）。利用稳定同位素提取蒸发信息，对化学工作有很大的补充作用。地下水资源最大的空白之一是地下水补给的估算。通常情况下，这是通过逆向建模完成的，该方法不是很准确，会高估地下水补给。地下水补给的估算在干旱地区是非常关键的，因为例如在华北，地下水位正降至 100 米以下，而且下降速度非常快 - 补给速度的不准确估算只会使问题更加严重。在我们的研究中，我们发现黄土高原上的天然草地改种冬小麦等作物，使补给量减少了近一半，这种差异是由于不同植被类型间的根系不同造成的（图 4）。

　　我们关注的另一个主要问题是整个华北地区地下水中硝酸盐的含量非常高。硝酸盐含量高于可接受水平，我们正在使用同位素来了解作为肥料施用的硝酸盐的迁移机制。从非饱和带向地下水位的迁移主要由地下水循环主导。我们可以通过利用水的稳定同位素来了解不同区域中水的相互作用，从而最好地理解这一点。其中的部分工作在几年前的一些国际会议（例如欧中双边计划“亚欧会议”）上有所介绍，一些这方面的论文也正在准备发表。

　　Gregor Hsiao (GH)：华北平原位于一个非常大的地热储层之上。我知道您的一些研究涉及到如何将该储层用作能源，您能进一步阐述吗？

　　庞忠和：华东地区拥有非常丰富的地下热水资源，在华北盆地和其它“热盆地”地区拥有高地热背景和大型深层地下水储层，这点真的十分幸运。这些储层靠近主要人口中心，可达深度为 1000 至 2000 米，在其它情况下深度则更大。实际上，包括首都北京和港口城市天津在内的大城市将此作为集中供热源已有 30 年，但人们对地下水补给不甚了解（图 5）。在这些岩溶（石灰岩）储层中，水再循环非常复杂，因为它们是异质的。我们从盆地的各个地方采样，以了解补给发生在哪里，来自哪些山脉。通过使用稳定的水同位素，放射性碳数据和人工示踪剂，我们还得以开发出一种新模型来理解华北平原中的牛驼镇凸起型储层 [5]。中国更南边的地方，如江苏和苏北盆地也有类似的大型储层。中国是世界上最大的地热能使用国，该模型将帮助我们持续该过程，通过使用该天然热源来缓解气候变化 [6]。

　　Gregor Hsiao (GH)：您最近发表的一篇论文探讨了使用深层咸水层封存二氧化碳的可能性。您能否总结一下这项研究的结果，并解释一下水的稳定同位素测量在理解二氧化碳封存方面发挥了什么作用？是否可以以此作为监测封存效果的手段？

　　庞忠和：从 2007 年起，我开始对碳封存感兴趣，尽管我以前没有这方面的经验。人们普遍认为，深层咸水层是二氧化碳封存的极佳选择，因为它们在全球范围内都很容易获得，而且储存能力潜力很大。了解深层咸水层的封存能力以及二氧化碳迁移与这些含水层的特性和岩水相互作用之间的关系至关重要。我们开发了一个同位素模型来更好地理解这些相互作用。此外，我们还在渤海湾盆地进行了现场实验，在 26 小时内注入 305 吨二氧化碳（图 6），并对其进行了为期 3 个月的监测，包括连续监测水的稳定同位素。水同位素对这项工作至关重要，因为它们提供了深层咸水层的相关信息 [7]。例如，在进行任何封存之前，与地下水相比，氧-18的变化使人们能够深入了解深层咸水层基质的矿物组成。存在的碳酸盐和方解石会与注入的二氧化碳发生反应，了解最初存在的物质有助于预测储存行为。注入后，氧-18 会提供有关二氧化碳交换的信息，并用于估算储存能力。此外，注射后氘的变化显着；如需了解更多相关信息，请等待下一篇文章发表 [8]。我们还在使用碳和硫的同位素来获得更多信息。这项研究得益于跨学科团队的合作，团队成员包括岩土力学和地下水流建模方面的专家。

　　庞忠和研究员是北京中国科学院地质与地球物理研究所的水文地质学家。有关他的研究和发表作品的更多信息，请参见他的英文主页。

访问其网站

1. Pang Z., Kong Y., Froehlich K., Huang T., Yuan L., Li Z., Wang F., 2011, Processes affecting isotopes in precipitation of an arid region, Tellus B, http://dx.doi.org/10.1111/j.1600-0889.2011.00532.x
2. Kong, Y., Pang, Z., 2012, Evaluating the Sensitivity of Glacier Rivers to Climate Change based on Hydrograph Separation of Discharge Journal of Hydrology, http://dx.doi.org/10.1016/j.jhydrol.2012.02.029
3. Yuan, L., Pang, Z. and Kong, Y., 2012, Isotopic evidence for the response of groundwater quality to the wetland reclamation for agriculture in the Sanjiang Plain, Northeast China: implications for rational land use, Applied Geochemistry, under review.
4. Huang, T., Pang, Z. and Edmunds, 2012, Soil profile evolution following land-use change: implications for groundwater quantity and quality, Hydrological Processes, in press, http://dx.doi.org/10.1002/hyp.9302
5. Wang, S., Liu, J., Lin, P., Pang, Z., Liu, S. and Yin, M, 2012, Origin and Evolution Characteristics of Geothermal Water in the Niutuozhen Geothermal Field，North China Plain, Journal of Earth Science, accepted.
6. Pang Z., Yang F., Huang T., Duan Z., 2010, Genesis Analysis of Geothermal Systems in Guanzhong Basin of China with Implications on Sustainable Geothermal Resources Development. Proceedings World Geothermal Congress 2010, Bali, Indonesia, 25-29 April 2010.
7. Pang, Z., Li, Y., Yang, F. and Duan, Z., 2012.Geochemistry of a continental saline aquifer for CO₂ sequestration: The Guantao formation in the Bohai Bay Basin, North China, Applied Geochemistry, in press, http://dx.doi.org/10.1016/j.apgeochem.2012.02.017
8. Yang, F., Pang, Z., Lin, L., Zhao, S., Zong, Z., 2012.Hydrogeochemical evidence for trans-formational flow in a sedimentary basin: implications for CO₂storage, Applied Geochemistry, in revision.