《Hydrology》：The Contribution of Natural Isotopes in Understanding Groundwater Circulation: Case Studies in Carbonate Aquifers of Central Apennines
Alessia Di Giovanni and
Sergio Rusi
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本研究为应对碳酸盐岩含水区地下水量化与循环路径判识的难题，研究人员综合运用稳定同位素（δ18O, δD）与氚（3H）示踪技术，结合野外调查，对亚平宁中部三个典型含水层（Genzana–Greco, Morrone, Marsicano）的泉水补给来源、平均入渗海拔（MIIA）、平均滞留时间（MRT）及地下水-地表水相互作用进行了精准刻画。结果成功厘定了Acquachiara泉、Germina泉的补给归属，量化了Gole di Popoli河段的地下水排泄增益，并明确了Scanno湖对Villalago泉群的补给作用。该研究为区域含水层精细刻画与水资源的可持续管理提供了关键科学依据。
准确量化地下水是可持续水资源管理的关键，但这在区域含水层中常常面临水文地质数据有限、泉水流量测量困难等挑战。在意大利中部的亚平宁地区，主要含水层位于大型碳酸盐岩地块中，拥有众多被用作饮用水源的基底泉。然而，由于岩性均质性强、海拔相近，以及含水单元边界常被湖相或冲积物覆盖，使得传统的化学和同位素技术难以精细区分不同含水单元，地下水排泄点的实际位置和各个流出组分的归属存在不确定性。这些“看不见”的水力交换，阻碍了人们对区域地下水流动系统和相关水均衡的清晰认识。为了解开这些谜团，研究人员选择亚平宁中部阿布鲁佐地区的三个碳酸盐岩含水层（Genzana–Greco山、Morrone山和Marsicano山）作为案例，展开了一项结合了自然同位素“侦探术”与实地勘探的研究。
这项研究旨在利用环境同位素作为天然示踪剂，澄清关于泉水归属和地下水流动路径的不确定性。具体而言，针对Genzana–Greco含水层，需要厘清Acquachiara泉的来源，以及确认野外调查中新发现的Germina泉的特征，判断其补给是来自局部还是更远处的碳酸盐岩地块。对于Morrone山含水层，目标则是量化Pescara河在Gole di Popoli河段的地下水排泄增益，并通过对比泉水与主要基底泉Giardino的 isotopic compositions，更好地界定地下水贡献。而对于Marsicano山含水层，则聚焦于探究Scanno湖在补给Villalago泉群中的作用，通过分析流入、下游泉水及基底含水层排泄点的同位素特征，以约束水文地质水均衡。
研究人员在2024年8月（旱季）和2025年5月（雨季）进行了两次野外采样，从九个泉水点采集了水样。他们主要运用了两项关键的“侦探”技术。首先是稳定同位素分析，即测定水样中氧-18（δ18O）和氘（δD）的比率，用以判断水的“出生地”——平均入渗海拔（MIIA），这有助于区分补给是来自高海拔的山区降水/融雪，还是低海拔的局部地表水。其次是放射性氚（3H）分析。氚是氢的放射性同位素，其浓度会随时间衰减。通过测量地下水中的氚活度，可以估算水从入渗到排泄所经历的平均时间，即平均滞留时间（MRT），从而推断地下水是“新水”还是“老水”，以及其流动路径的快慢。研究还结合了已有的δ18O-海拔相关曲线，并谨慎处理了氚初始浓度不确定带来的局限，对结果进行相对和定性层面的解读。
3.1. 平均入渗海拔（MIIA）与平均滞留时间（MRT）的估算
研究人员首先验证了所有水样的δ18O–δD关系均落在全球大气降水线附近，表明水样未经历明显的蒸发分馏，属于活跃的水文循环。随后，他们利用为三个含水层分别建立的δ18O-海拔相关方程，计算了各个泉水的MIIA。氚数据则被用于估算MRT，但由于大气氚初始浓度（Cp）存在不确定性，MRT结果主要用于定性比较，而非绝对定年。18O/δD关系。（左）：旱季采样结果；（右）：雨季采样结果。">
3.2. Genzana–Greco山含水层
对于Genzana–Greco含水层，Germina泉和已知的Capolaia泉估算出的MIIA值几乎重合且呈现相同的季节变化趋势，这表明两者共享一个共同的补给区。而Acquachiara泉的MIIA值较高，明确排除了其主要由低海拔的Sulmona平原冲积物或Introdacqua冲积扇补给的可能性，表明其主要由更高海拔的碳酸盐岩区域补给，但无法绝对确定是来自Genzana–Greco含水层本身还是相邻的含水层。MRT结果显示，Capolaia和Acquachiara泉在雨季的MRT明显缩短，这与两者在出露点附近接受冲积沉积物补给的观测一致。Germina泉的结果则需要进一步监测。
3.3. Morrone山含水层
在Morrone山含水层，所有泉水的MIIA在雨季均高于旱季，反映了季节性补给变化，并可能包含融雪贡献。位于Pescara河床内的泉水点（Gole di Popoli 2等）的MIIA与Morrone山体北部的平均海拔一致，排除了局部大气降水和河水直接补给的假设。Giardino泉的MIIA则指示其补给来自海拔约2000米的山体中南部。这些结果共同证实了Pescara河床内的排泄增益是该含水层两个主要基底排泄点之一的水文地质模型。MRT数据进一步支持了这一结论，显示河床内泉水与Giardino泉的MRT具有可比性，仅有一个河床内泉水点（MR4a; b_II）显示出可能与河水相互作用的更快流动路径证据。
3.4. Marsicano山含水层
对Marsicano山含水层的研究结果确认了Scanno湖及其起源的滑坡沉积物在区域地下水循环中的作用。Villalago泉群的MIIA值低于含水层平均值，且与湖泊海拔一致或略高，并显示出较大的季节性变化，证实了Scanno湖的影响以及可能的融雪贡献。例外的是MS4_a_III泉和Sega泉，它们显示出与Marsicano山最高海拔（约1500-1700米）一致的MIIA值，且电导率和温度数据也支持其与Villalago泉群不同。同位素分析还将Sagittario河在Cavuto泉群下游的流量增加，归因于补给Cavuto泉的同一地下水系统。Cavuto泉群的高MIIA值（约1600米）表明其补给不仅来自山体北部，还接收了来自更高、更中心区域的贡献。氚分析显示，MS4_a_III泉和Sega泉具有更慢的流动路径，而La Marca泉和位于Sagittario河床的MS4_a_I泉则在丰水期显示出受直接降水输入影响的迹象。Cavuto泉群本身的MRT则表现出季节性变化，这可能与邻近的Sagittario河流对其的补给作用有关。
4. 结论
从方法学角度看，所有结果都表明估算的平均入渗海拔（MIIA）与含水层的地形一致。高流量的基底泉MIIA变化最小（20-80米），最大值出现在雨季。而在受地表水或融雪补给的泉中，则观测到更大范围的变化（250-300米）。在单个含水层面，尽管并非结论性的，但MIIA估算和δ18O–δD的季节性变化帮助细化了对Genzana–Greco山、Morrone山和Marsicano山含水层基底泉补给路径的理解。具体而言，在Genzana–Greco含水层，Germina泉和Capolaia泉共享一个共同补给区，而Acquachiara泉主要由更高海拔的碳酸盐岩区域补给。对于Morrone含水层，同位素和氚数据证实了补给来自山体中南部，并支持将基底泉和Pescara河排泄增益确定为主要排泄点。在Marsicano含水层，分析结果突出了Scanno湖对Villalago泉群的补给作用，并将Cavuto泉群界定为一个接收来自山体中部和北部区域输入的主要排泄系统。
总体而言，δ18O–δD和氚测量的结合，对于约束补给海拔、流动动态和季节性变化至关重要，尤其是在地形边界与水文地质边界不一致的区域。这些发现为地下水管理提供了一个更坚实的框架，支持对亚平宁中部及类似地质、地貌和水文地质背景下的岩溶和冲积含水层进行可持续开采、饮用水资源保护和有依据的监测规划。基于氚的平均滞留时间（MRT）估算给出了试探性的结果，这些结果仅在定性上可靠，在定量上并不稳健，这主要是由于对大气氚浓度（特别是在入渗时）的约束有限，以及分析方法固有的近似性。
