基于氧同位素(δ18O)的塔里木河下游河水向地下水的轉化研究

王希義， 徐海量， 閆俊杰， 凌紅波， 趙新風

(1.新疆農業大學， 新疆 烏魯木齊 830052； 2.中國科學院 新疆生態與地理研究所， 新疆 烏魯木齊 830011)

1 研究背景

中國西北內陸河地區氣候干旱，河流形成于山區，下游逐漸干涸或流入內陸湖。當河水從源頭進入盆地或是平原區時，流速減緩，河水與地下水間轉換十分頻繁[1-2]。研究地表水與地下水相互作用的途徑、方式、轉化量等具有重要價值，對水資源合理利用以及水資源變化預測具有重要意義。在干旱區，河水是重要的地表水資源。因此，干旱區地表水與地下水間轉化的研究重點集中在河水與地下水之間。目前，河水與地下水之間轉換關系的研究主要有4種方法：解析解法、數值解法、野外測試與水化學分析法[3-4]，其中數值解法與水化學分析相結合是定量研究河水與地下水轉化的最有效方法[5]。在河水與地下水轉化的研究中，同位素技術的應用越來越廣泛[6-7]。在常溫狀態下，以水分子形式存在的D和18O的性質非常穩定，不易與其接觸到的物質發生化學反應，同位素含量也不會發生變化[8-9]。因此在同位素技術的研究中，D和18O的研究倍受關注。

在國外，Reberski等[10]利用氫氧同位素技術對地表水和地下水之間的關系進行了分析，Brenot等[11]運用氫氧同位素技術研究了沖擊含水層區域地表水與地下水的相互作用，其他一些學者也利用穩定同位素技術探討了地表水與地下水之間的轉換問題[12-13]。在國內，同位素技術被應用到不同水樣之間的轉化關系方面。曾巧等[14]利用同位素技術研究了植物的水分來源，Li Peiyue等[15]研究了渭河流域華縣段石堤河的地下水與地表水轉換，楊玉忠等[16]研究了北麓河流域降水與河水的同位素特征。在新疆塔里木河流域，周天河等[17]運用同位素對塔里木河上游胡楊、檉柳的水分來源進行了研究，孫從建[18]應用同位素技術結合水化學特性定量分析了各源流區的徑流組成及貢獻率，徐夢辰等[19]在利用環境同位素技術與多年徑流量數據分析塔里木河中游的水文過程基礎上，采用聚集度指標與種群結構動態量化法研究了胡楊種群結構與時空變化特征。然而，有關地表水與地下水之間關系的研究大都集中在濕潤地區，針對塔里木河流域地表水與地下水相互作用的研究較為少見。

塔里木河下游從1972年起持續斷流，地下水位不斷下降，以胡楊、檉柳為代表的兩岸植被幾近消亡[20]。從2000年5月起至2016年底，由水利部會同新疆維吾爾自治區人民政府及新疆生產建設兵團等部門共進行了17次間歇性的應急生態輸水，旨在搶救下游瀕危植被，以實現區域經濟、社會和生態的協調發展。本文的目的是在分析塔里木河下游水文地質條件的基礎上，對河水與地下水進行取樣，然后在室內對δ18O同位素進行分析測定，之后依據質量守恒原理，確定塔里木河下游生態輸水過程中河水對地下水的轉化比率，以便為生態輸水的效益評估提供研究基礎和理論依據。

2 研究區概況

塔里木河下游是指從大西海子水庫到臺特瑪湖之間的區域(圖1)，西依塔克拉瑪干沙漠，東連庫魯克沙漠，屬溫帶大陸性干旱荒漠氣候，年降水量僅為17.4～42.0 mm，而潛在年均蒸發量卻高達2 500～3 000 mm[21]。自2000年開展生態輸水以來，大量死亡或瀕臨死亡的植被又開始復蘇，蓋度和多樣性有所回升[22]。

圖1 塔里木河下游各取樣斷面及取樣點示意圖

塔里木河下游為寬約10～20 km的沖積平原，海拔位于780～840 m之間。地形總體上由西北向東南傾斜，最低點位于臺特瑪湖。塔里木河下游河道寬30～50 m，河床下切2～7 m，兩岸分布有胡楊、檉柳、駱駝刺、鹽生草、花花柴等喬灌木以及固定、半固定沙丘，并在低洼地帶有鹽土和鹽殼分布[23]。在構造上，塔里木河下游是一個長時期的緩慢沉積帶，具有較厚的第四系松散堆積層。在漫長的地質時期，河流改道頻繁，河水攜帶的大量泥沙經過沉積或淤積形成了以細砂和粉砂為主的帶狀沖積湖積層，這十分有利于地下水的儲存和運動。塔里木河下游含水層巖性單一，主要為河湖相細砂和粉細砂，屬于典型的孔隙含水層。按地下水埋藏條件，含水層可分為潛水含水層和承壓含水層。其中潛層地下水與河水聯系密切，對于河道兩側植被維持生命活動具有重要作用，也是本文研究的重點。

塔里木河下游干旱少雨，但蒸發強烈，少量的大氣降水很容易蒸發殆盡。因此，大氣降水對地下水補給幾乎無作用，區域內地下水主要受到河水的補給。地下水徑流從徑流特性方面可以分為縱向與橫向兩種形式。在縱向上，影響地下水徑流的因素主要是地形，地下水徑流在縱向上與河流的流向基本相同。由于水力坡度小，含水層的透水性較差，導致地下水徑流速度小。因此，在縱向上，地下水徑流不明顯，有些區域甚至處于停滯狀態。在橫向上，即垂直于河道方向上，地下水徑流受河水水位的影響十分顯著。在生態輸水的過程中，地下水位低于河水位，這導致河水向河道兩側滲透，因此橫向徑流較為活躍。

3 數據來源與研究方法

3.1 δ18O的現場采樣與室內測量

依據塔里木河下游所設立的5個斷面，取斷面上的河水樣，在主流河水面30 cm以下取地表水樣，用待取水樣將水樣瓶清洗3次后再取樣。塔里木河下游自大西海子水庫以下分為兩條支流，一條為其文闊爾河，另一條現稱為老塔里木河，兩河在阿拉干處匯合后流至臺特瑪湖。在本次研究中，于河流匯合點上游，沿著其文闊爾河所布設的監測井取地下水樣，取樣井點如表1所示。

表1 生態輸水工程區各斷面監測井分布

注：圖表中每一生態監測斷面上排為遙測站編號，下排數據為遙測站至近側河道河岸的距離。

除英蘇斷面只有5口監測井以外，其他每一個斷面的監測井均分布在離河道50 、150 、300 、500 、750 、1050 m的位置上。對于每一個監測斷面，采取每一口監測井的水樣。然而，喀爾達依斷面G6井由于設備損壞而沒有取到地下水樣，庫爾干J4、J5、J6井中沒有地下水，也許因為地下水位過低或是無地下水補給而致。其余的監測井中均可取到水樣。取得河水與地下水樣品后，立即密封樣品瓶，避免樣品與空氣之間進行同位素交換以及樣品因蒸發而導致的同位素分餾。每一個斷面的監測井水樣δ18O的平均值記為該斷面地下水的δ18O值。另外，依據計算的需要，需要在監測斷面的上游取水樣，依據張應華等[24]的研究方法，上游取水樣約距離監測斷面15～30 km，因此在英蘇斷面上游15 km處取一次水樣；研究區相鄰兩個斷面間距離在30～40 km之間，因此在每兩個相鄰斷面中間的位置取一次河水水樣(圖1)。

水樣中δ18O的室內分析是在中國科學院新疆生態與地理研究所荒漠與綠洲國家重點實驗室進行，用MAT-252氣體質譜儀分析，測得的氧同位素比率的結果為與“標準平均海洋水(SMOW)”的千分差δ18O，測量精度在±0.2‰之內。

3.2 研究方法

3.2.1 δ18O的特性 在氧的同位素當中，以16O和18O的豐度較高，彼此間的質量差也較大，因此在地學中大都使用18O/16O比值，通常用δ18O來表示:

(1)

式中：m為樣品； s為標準樣，其國際標準樣品是“標準平均海水”代號為SMOW(Standard Mean Ocean Water)。

3.2.2 δ18O在水體轉化中的質量守恒方程 質量守恒方程為：

CsQs=CgQg+Cb(Qs-Qg)

(2)

式中：Cs為取樣點河水的δ18O值；Cg為取樣點地下水的δ18O值；Cb為取樣點上游來水中δ18O值；Qs為取樣點的河水流量；Qg為向地下水的排泄量。則由公式(2)可以導出，河水向地下水的排泄量占河水流量的百分比：

(3)

當僅靠一種示蹤劑無法計算出其中一種混合來源的百分比時，必須還要借助另外一種示蹤劑，即分析水中另外一種同位素或水化學離子等。本研究借助氫同位素(δD)按照三相混合來計算[25]，將公式(2)擴展成三相混合質量均衡方程：

CsQs=CgQg+CaQa+Cc(Qs-Qg-Qa)

(4)

4 結果與分析

4.1 各取樣點δ18O值(‰)測定結果

經過實驗室的處理與分析，得出了所采取水樣中河水與地下水的δ18O值(表2)。

表2地下水和河水的δ18O值(‰)測定結果

取樣點河水δ18O值地下水δ18O值上游河水δ18O值英蘇 -8．40489-8．070884-8．71251喀爾達依 -7．84908-7．301915-8．27423阿拉干 -7．72468-7．817403-7．92755依干不及麻-7．51640-7．244601-7．71298庫爾干 -7．27435-6．929014-7．49425

4.2 各斷面河水對地下水的轉化比例

依據公式(2)和(3)，以Cs表示取樣點地表水δ18O值、Cg表示取樣點地下水δ18O值、Cb表示取樣點上游河水δ18O值，可以得出各測點上河水對地下水的貢獻百分比(表3)。

表3 塔里木河下游各斷面河水對地下水的轉化率

可見，阿拉干斷面上河水對地下水的轉化率最高。從圖1中可以看出，阿拉干斷面為兩條支流的匯合處，但是依據公式(3)僅考慮了其文闊爾河一條支流。本研究中，阿拉干斷面河水對地下水的轉化率高達54.29%，這是因為阿拉干斷面是其文闊爾河與老塔里木河的交匯點，而本研究在計算河水對地下水的轉化率時，僅考慮其文闊爾河河水對地下水的轉化率，將老塔里木河的河水當成地下水進行計算。然而僅靠一種示蹤劑無法計算出其中一種混合來源的百分比，必須還要借助另外一種示蹤劑，即分析水中另外一種同位素或水化學離子等。本研究利用公式(4)，借助氫同位素(δD)按照三相混合來計算。在公式(4)中，Cs、Cg和Qs、Qg與式(2)中意義相同，Ca表示阿拉干斷面上游其文闊爾河水樣中氫同位素值，Cc表示斷面上游老塔里木河水樣中氫同位素值。將氫同位素值代入公式(4)得出阿拉干斷面實際地表水對地下水的轉化率為44.28%，明顯小于按兩項混合計算的54.29%。因此可以得出，在整個塔里木河下游地區，河水對地下水的平均轉化比例為43.36%，即河水對地下水的補給量占總量的近一半。

5 討 論

塔里木河的自然漫溢孕育了植被，而一定的地下水位維持了植被的生存。因此，長期輸水后植被的恢復程度及范圍與地下水特征具有很大的相關性，而河水對地下水的轉化特征在很大程度上決定著河畔植被的種類及分布梯度。在實施生態輸水的過程中，沿河道向下游，河水流量逐漸減少，水位降低，河水對河床的壓強也降低，對地下水的轉化率也有所減少，這與本研究的結果基本一致。另外，在兩個支流交匯處，如果只分析一條支流對地下水的轉化率，結果明顯偏高；然而利用另一種同位素示蹤，借鑒三相混合質量均衡方程，得出的結果比較接近正常范圍[24]，這也與本研究的結果相吻合，證明本研究的方法合理，結果可信。

在干旱地區，天然植被生長和繁育更新所需水分主要依靠地表水轉換成地下水進行補給。塔里木河下游生態輸水工程已經實施了近17年，隨著輸水的進行，河水對地下水的補給十分顯著，河道兩側的地下水位處在不斷的恢復之中[26]。通常情況下，河水水面蒸發一般不足滲漏損失的5%，另有一部分存儲于包氣帶中，還有一部分通過土壤蒸發和植物蒸騰而消耗，很大一部分補給地下水[27]，這正與本研究的結果相一致。在本研究中，河水對地下水的轉化量約占河水總水量的1/2。楊鵬年等[28]運用Modflow模型模擬的塔里木河下游河水對地下水的轉化率平均為42.19%；鄧銘江等[29]綜合2000-2013年輸水資料，指出河水對地下水的轉化率平均為46.2%，這都與本研究的結果接近，造成微小差異的原因也許與研究的時間長度不同以及輸水特征不同有關，需要進一步的討論。

在塔里木河下游地區，為了擴大生態輸水效應，從第5次輸水開始，實施其文闊爾河和老塔里木河雙河道輸水。這種輸水方式擴大了植被受水面積，但是同時也加大了河水的蒸發消耗量。目前，國內有關河道水損失量的研究很少，首先，塔里木河下游斷流河道輸水損失量有待深入探討。另外，隨著輸水后地下水位的不斷抬升，潛水蒸發量逐漸增多，輸水對地下水的補給作用逐漸減弱并趨于動態穩定。再者，輸水量和持續時間是決定生態輸水效益大小的關鍵因素。為擴大生態輸水的效益，應堅持采用雙河道輸水和地表漫溢的方式，并在可能的區域實施多河道輸水。最后，充分利用其文闊爾河在塔里木河下游形成的天然湖泊進行集中生態供水，對更加科學高效用水、促進生態恢復進行積極探索。

6 結 論

(1)在塔里木河下游地區，從上游到下游，地表水向地下水的轉化比例呈現降低的趨勢。英蘇斷面地表水對地下水的轉化率最高為47.94%，其次為阿拉干斷面44.28%，最小的為庫爾干斷面38.9%。在生態輸水過程中，英蘇斷面的過水量最大，持續時間長，阿拉干斷面次之；庫爾干斷面過水量小，持續時間短。因此，河道的水量越大，持續時間越長，則河水對地下水的轉化率越高。今后，應加強河水對地下水轉化率與過水量、過水持續時間之間關系的研究。

(2)在整個塔里木河下游地區，河水對地下水的轉化率約為43.36%，即河水對地下水的轉化比率近1/2。在生態輸水的過程中，大量的河水轉化為地下水，使得河道附近的植被得以存活并生長。植被具有調節氣候、涵養水源、維持生物多樣性等生態功能。因此，開展生態輸水工程，保持河水向地下水的轉化，可以促進沿岸植被的生長，對于區域內的環境保護和經濟可持續發展具有重要作用。

(3)本研究重點討論了河水對地下水的轉化特征，但是河水轉化為地下水以后，地下水又有一部分轉化為土壤水供植物吸收。因此，在以后的研究中，應開展地下水對土壤水的轉化研究。另外，植物體內也含有水分，主要來自于土壤水和地下水。因此，開展植物水分的來源及轉化比例也十分必要，這對于區域內水資源的合理開發利用、生態環境評價以及水環境預測等具有重要意義。

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