基于同位素技術(shù)的且末車爾臣河流域地下水補(bǔ)給來源分析

王旭東，李 升，郭 新，王 璐

(新疆大學(xué)地質(zhì)與礦業(yè)工程學(xué)院，烏魯木齊 830047)

地下水是水文循環(huán)中極其重要的一部分，多年以來，地下水的補(bǔ)給來源及補(bǔ)給過程是水資源研究的基礎(chǔ)問題。特別是在干旱半干旱地區(qū)，在自然和人為因素的影響下，地下水作為主要供水水源，制約著當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境和社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。近些年來，人們普遍認(rèn)為西北干旱區(qū)內(nèi)陸河流域地下水的補(bǔ)給機(jī)制是：地下水的主要補(bǔ)給來源是山區(qū)河流。河流出山以后大部分在戈壁帶滲漏轉(zhuǎn)化為地下水,地下水又在戈壁帶前緣溢出匯入河流,此后，河水通過人工引灌和自然滲漏等方式補(bǔ)給下游平原地下水,最終以蒸發(fā)、植被生態(tài)消耗和湖泊儲(chǔ)存等形式排泄[1-3]。

車爾臣河流域是我國塔里木盆地南部較大的內(nèi)陸河流域。多年以來， 流域年均降水量、氣溫和河流徑流量均呈現(xiàn)出上升趨勢(shì)[4]；氣候朝暖濕方向發(fā)展，生態(tài)環(huán)境明顯改善。車爾臣河是流域內(nèi)最大河流，其綠洲帶周圍被荒地和沙漠環(huán)繞，隔離于周圍綠洲，這樣的特殊環(huán)境形成了獨(dú)特的水文特征：生態(tài)脆弱、氣候極端干旱、降水稀少、蒸發(fā)劇烈。為了對(duì)地下水進(jìn)行合理的開發(fā)與利用，更好地維持生態(tài)系統(tǒng)平衡，必須了解地下水系統(tǒng)的循環(huán)機(jī)制及其與地表水的相互轉(zhuǎn)化關(guān)系。傳統(tǒng)的判別地下水補(bǔ)給來源的方法有直接測(cè)量法、間接推算法、數(shù)值模型法以及達(dá)西定律法等。由于在不同的地貌單元、不同地區(qū)，地下水的補(bǔ)給方式存在差異，而地下水補(bǔ)給量又常隨著時(shí)間和空間的變化而發(fā)生變化，增加了判斷地下水補(bǔ)給來源的難度[5,6]。氫氧穩(wěn)定同位素作為水分子的一部分，直接參與水循環(huán)，能夠有效地區(qū)分不同補(bǔ)給來源，這一得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)使得其在國內(nèi)外的地下水補(bǔ)給研究中得到了廣泛的應(yīng)用[7]。但是在車爾臣河流域以往資料中，并沒有發(fā)現(xiàn)利用氫氧同位素的分布特征闡明地下水的補(bǔ)給機(jī)制的研究，所以本文利用此種方法探究了該地區(qū)地下水補(bǔ)給來源。

1 研究區(qū)概況

1.1 自然地理概況

研究區(qū)(E 85°11′～ 86°49′、N 37°25′～ 38°51′)屬新疆巴音郭楞蒙古自治州且末縣，位于車爾臣河流域中下游地區(qū)。東部與若羌縣相連，西臨且末縣的喀拉米然河流域，南屏阿爾金山和昆侖山山脈，北部伸入塔克拉瑪干沙漠。車爾臣河出山口后向北拐彎流出，河流在且末城以北由西南而后拐向東北，總體呈近東西展布的“7”字形區(qū)域，面積約為6 000 km2(見圖1)。

圖1 研究區(qū)位置及采樣點(diǎn)布置Fig.1 Location of the study area and sampling sites

根據(jù)地形地貌將研究區(qū)分為山前傾斜平原區(qū)、河谷平原區(qū)、風(fēng)成沙漠區(qū)3個(gè)地貌單元[8]。由于遠(yuǎn)離海洋且南北方為高原及山地，濕空氣不易流入，僅有干冷空氣從東北方襲來，受沙漠影響，從而形成暖溫帶極端大陸性干旱荒漠氣候[16]。研究區(qū)內(nèi)多年平均降水量22.1 mm，多年平均氣溫10.1 ℃，極端最高溫度43.6 ℃，極端最低溫度-27.5 ℃，最大凍土深度85 cm，年蒸發(fā)量2 507 mm[9,10]。

1.2 水文地質(zhì)概況

經(jīng)統(tǒng)計(jì)，研究區(qū)河流和洪溝共有9條，均發(fā)源于南部的阿爾金山和昆侖山，多年平均徑流量為9.742 億m3。其中，年徑流量大于0.5 億m3的河流有2條，以車爾臣河最大，為7.840 億m3，年徑流量小于0.1 億m3的洪溝有1條，其余水系呈梳狀泄于山前，在出山口不遠(yuǎn)的山前礫石帶中滲漏消失。河流徑流的年際變化較小，變差系數(shù)一般為0.2～0.4(據(jù)《新疆河流總徑流量調(diào)查統(tǒng)計(jì)匯編》，區(qū)水文總站，1984年)。但年內(nèi)變化極大，年徑流量的70%以上集中在夏季，對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)有利，但春、秋季水量不足。地下水由南向北以潛流的形式集于車爾臣河。從出山口至且末縣城大量河水沿河道滲漏，通過各級(jí)水利樞紐被引入到各級(jí)渠系，沿途滲漏和通過農(nóng)業(yè)灌溉、綠化等方式補(bǔ)給地下水，成為地下水的主要補(bǔ)給源。

車爾臣河地下水流向基本與河流延伸方向一致。車爾臣河中下游地帶按含水層類型可分為單一結(jié)構(gòu)潛水和雙層結(jié)構(gòu)潛水-承壓水。根據(jù)鉆孔資料，山前庫拉木勒克一帶，水量較為貧乏，含水層巖性以卵礫石，粒徑約為3～8 cm，潛水埋深198.07 m，單井涌水量為842.9 m3/d；庫拉木勒克以北卵礫石粒徑變小，潛水埋深為154.83 m，單井涌水量為2 154.95 m3/d；瓊庫勒鄉(xiāng)附近，含水層巖性以砂卵礫石、中粗砂為主，結(jié)構(gòu)松散，潛水埋深7.53～28.57 m，含水層厚度21.89～22.7 m，單井涌水量大于5 000 m3/d。多層結(jié)構(gòu)地下水主要分布在且末縣城以北沿車爾臣河2岸至塔提讓鎮(zhèn)東側(cè)、呈條帶狀展布，以及西側(cè)薩爾瓦敦開發(fā)區(qū)原故河道一帶。潛水含水層巖性由卵礫石，向東北漸變?yōu)樯暗[石、含礫砂、中粗砂，地下水下水埋深為1.0～2.5 m，富水性減弱；淺層承壓水頂板埋深96～165 m，巖性為粉質(zhì)黏土、粉土，厚度2～21 m。承壓水水頭與潛水水位接近，含水層厚度20～50 m。在灌區(qū)下游他提讓鄉(xiāng)地區(qū)，含水層以細(xì)砂與中細(xì)砂互層，地下水埋深在0.8～2.5 m，局部地下水溢出。河?xùn)|恰瓦勒墩地區(qū)地下水埋深一般在1～3 m，蒸發(fā)濃縮作用變強(qiáng)，水質(zhì)變差[11-19]。

2 樣品的采集與測(cè)試

本次取樣時(shí)間為7、8月份，樣品布設(shè)和采樣過程中參照《環(huán)境同位素分析水樣采集》導(dǎo)則(中國地質(zhì)調(diào)查局，2003年)、《同位素水文學(xué)》(顧慰祖，2011年)，共采集樣品點(diǎn)68組(見表1)。分別沿河流方向及垂直于河流方向布設(shè)不同水體同位素取樣點(diǎn)，揭示河水與地下水補(bǔ)排關(guān)系，地下水的補(bǔ)、徑、排條件及不同含水層地下水間水力聯(lián)系，探究研究區(qū)地下水補(bǔ)給來源。樣品分布見圖1。

表1 研究區(qū)地表水與地下水δD、δ18O、 T與Cl檢測(cè)結(jié)果Tab.1 Values of δ18O 、δD、T and Cl of surface water and groundwater in the study area

水化學(xué)樣品送至新疆地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第一區(qū)域地質(zhì)調(diào)查大隊(duì)進(jìn)行檢測(cè)；使用0.5 L的高密度聚乙烯塑料瓶采集δD、δ18O、T水樣并密封。其中δD、δ18O送至美國BETA實(shí)驗(yàn)室，由同位素質(zhì)譜儀(Thermo Delta-Plus)測(cè)試，分析精度分別為±0.2%和±0.03%。樣品T送至核工業(yè)北京地質(zhì)研究院分析測(cè)試研究中心，樣品經(jīng)過蒸餾、電解富集后，通過超低本底液體閃爍譜儀(Quantulus 1220)來測(cè)試，分析精度為±0.5 TU。水樣檢測(cè)結(jié)果見表1。

3 結(jié)果與分析

3.1 大氣降水同位素特征

在水循環(huán)過程中，大氣降水同位素特征充當(dāng)著“輸入函數(shù)”這一角色，是分析地下水補(bǔ)給來源的基礎(chǔ)。Craig最先發(fā)現(xiàn)水中δD與δ18O的相關(guān)關(guān)系，并提出了全球大氣降水線方程GMWL：δD =8 δ18O+10，但是受地形與氣候等因素干擾，局部地區(qū)大氣降水線與其存在差異[20]。由于研究區(qū)缺少流域內(nèi)大氣降水同位素?cái)?shù)據(jù)，所以本文選取離與研究區(qū)氣候相似且最近的和田站及烏魯木齊站2個(gè)國際原子能機(jī)構(gòu)(IAEA)大氣降水同位素監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的大氣降水資料，采用最小二乘法擬合得到研究區(qū)當(dāng)?shù)卮髿饨邓€方程δD =7.497 1 δ18O+5.926 6(n=178,R2=0.952 6)，方程的斜率和截距都小于全球大氣降水線的數(shù)值，客觀反映出這一地區(qū)氣候極為干旱，降水受二次蒸發(fā)作用影響。受西北內(nèi)陸地區(qū)特殊的水汽循環(huán)模式對(duì)降水的影響，和田站δD和δ18O的加權(quán)平均值為-6.529 36%、-0.913 936%，烏魯木齊站δD和δ18O的加權(quán)平均值-8.624 66%、-1.242 38%。

研究區(qū)降水多發(fā)生在南部高山區(qū)，降水量隨季節(jié)變化不斷波動(dòng)，根據(jù)前人研究[23]，中國西北部降水穩(wěn)定同位素δD～δ18O特征線為δD= 7.56 δ18O+5.05(n= 442,R2= 0.97)，與本次擬合當(dāng)?shù)卮髿饨邓€幾乎重合，因此擬合結(jié)果對(duì)于且末縣大氣降水穩(wěn)定同位素特征具有一定的代表性。

3.2 研究區(qū)采樣點(diǎn)同位素特征

地下水的同位素組成特征包含了補(bǔ)給區(qū)和補(bǔ)給時(shí)期的信息，不同來源的地下水具有不同的同位素組成[21]。本次研究沿車爾臣河流向在不同地貌單元選取不同水體δD、δ18O、T的濃度特征(見表2)。

從出山口至且末縣南阿熱勒鄉(xiāng)一帶為山前傾斜平原區(qū)，共取地下水樣8組，河水樣1組。地下水δ18O和δD濃度范圍為-0.934%～-0.84%和-6.712%～-5.505%，平均值為-0.899%和-6.075%。河水δ18O與δD 濃度為-0.935%、-6.165%。地下水T濃度范圍為14.9～20.9 TU，河水T的濃度為18.1 TU。

表2 研究區(qū)樣品同位素變化特征統(tǒng)計(jì)Tab.2. Isotopic variation characteristics of samples in the study area

研究區(qū)綠洲帶主要位于河谷平原區(qū)，人口較為密集，農(nóng)田分布較廣。地下水按賦存條件分為潛水和承壓水。其中潛水樣39組，δ18O，δD濃度范圍為-1.102%～-0.6%與-7.9%～-4.854%，平均值為-0.945%和-6.441%。承壓水有2組，δ18O與δD濃度分別為STKD4(-1.07%，-7.38%)，STKD9(-1.01%，-6.88%)，平均值為-1.04%、-7.13%。河渠水樣9組δ18O與δD濃度范圍-0.976%～-0.800%、-6.683%～-5.277%，平均值為-0.710%和-5.176%。河岸附近潛水樣T含量為13.1～29.3 TU，距離河流2岸7～15 km處鉆孔潛水樣及承壓水樣T值小于1.3 TU;河水T值為13.5～17.2 TU。

勒克庫木以東至依木拉克吐克依風(fēng)成沙漠地帶，地下水δ18O與δD濃度范圍為-1.000%～-0.787%、-6.900%～-5.401%，平均值為-0.935%，-6.374%。河水δ18O與δD濃度范圍為-0.766%～0.093%，-5.81%～-0.50%，平均值為-0.153%、-2.751%，表明河水受到了強(qiáng)烈的蒸發(fā)影響。地下水T含量除B6、B1點(diǎn)T含量分別為9.9、8.3 TU外，其他鉆孔水樣均小于1.3 TU;河水T值為10.9～18.6 TU。

3.3 地下水補(bǔ)給來源識(shí)別

研究區(qū)全年降水稀少，蒸發(fā)量大，降水對(duì)流域中下游地下水的補(bǔ)給量極少。在不同地貌單元，地下水受地質(zhì)條件、水文地質(zhì)條件及人為條件限制，存在不同的補(bǔ)給來源。

(1)山前傾斜平原區(qū)。河流到出山口后，河床加寬，河床質(zhì)為巨大卵礫石，河水垂直入滲補(bǔ)給地下水。河水與潛水δD、δ18O濃度均較低，平均值相近，取樣點(diǎn)偏離當(dāng)?shù)卮髿饨邓€多位于其左上方，其中潛水δD、δ18O沿δD潛= 6.3 δ18O-4.4分布(見圖2)，表明補(bǔ)給源區(qū)位于海拔高的高緯度地區(qū)。根據(jù)實(shí)際調(diào)查，研究區(qū)南部為高山區(qū)，全球平均δ18O高程梯度每100 m為-0.025%,計(jì)算結(jié)果該斷面地下水平均補(bǔ)給高程為3 600 m以上, 可能接受南部高山區(qū)降水及冰、雪融水補(bǔ)給。沿河流方向地下水 δ18O值逐漸增高，反映蒸發(fā)引起同位素分餾導(dǎo)致δ18O富集。A02點(diǎn)δD值較低，其位于灌區(qū)南部邊緣，推測(cè)A02點(diǎn)局部受人為影響導(dǎo)致δD偏低。河水與地下水T濃度值接近且較高，表明山區(qū)現(xiàn)代降水或冰川雪融水通過出山地表徑流補(bǔ)給地下水的特征,交替更新較快(見圖3)。

圖2 山前傾斜平原區(qū)采樣點(diǎn)δD、δ18O關(guān)系Fig.2 Relationship between sampling points δD and δ18O in piedmont slope plain

圖3 地表水與地下水T值隨深度的變化Fig.3 Changes of T values of surface water and groundwater with depth

(2)河谷平原區(qū)。河渠水與地下水δD、δ18O值基本落在大氣降水線左上方，大部分地下水點(diǎn)落在河渠水范圍內(nèi)，可以構(gòu)成相關(guān)程度很高的混合線(見圖4)，表明此段地下水與河渠水聯(lián)系較為緊密[22]，河水A22、B32、B19水樣 T含量與附近潛水點(diǎn)A15、B16接近(見圖3)，推測(cè)地下水部分補(bǔ)給來源于河渠水。機(jī)民井潛水、鉆孔潛水δD、δ18O分別沿δD機(jī)= 5.4 δ18O - 13.2、 δD鉆= 6.6 δ18O-1.57分布。通過野外實(shí)地調(diào)查，在綠洲帶內(nèi)2010年以后有大量新成機(jī)民井用于當(dāng)?shù)厣a(chǎn)、生活，人們修建水渠，抽取大量地下水進(jìn)行農(nóng)業(yè)灌溉。根據(jù)樊自立[10]有關(guān)車爾臣河灌區(qū)研究，農(nóng)業(yè)灌溉和生態(tài)用水各占水資源總量的一半，因此地下水接受了大量渠系引水及農(nóng)田灌溉回水的入滲補(bǔ)給。根據(jù)鉆孔資料，該段地下水位埋深1～4 m，取樣時(shí)間是7、8月份，灌溉水入滲蒸發(fā)強(qiáng)烈，使得部分近地表水體取樣點(diǎn)同位素值偏高。承壓水與附近鉆孔潛水點(diǎn)遠(yuǎn)離河流兩岸，附近人為活動(dòng)較少，δD、δ18O值偏低且較為接近。根據(jù)鉆孔水樣計(jì)算深層地下水平均補(bǔ)給高程為4 000 m以上，大部分地下水點(diǎn)均位于當(dāng)?shù)赜晁€左上方，表明補(bǔ)給源區(qū)位于南部山區(qū)而非當(dāng)?shù)卮髿饨邓叵滤邮芟鄬?duì)較貧重同位素的高山區(qū)降水及冰、雪融水補(bǔ)給。圖3中河流2岸潛水點(diǎn)A15、B16與B27與上游STK1、STK8 號(hào)潛水點(diǎn)T含量均在13.0～15.5 TU，地下水可能接受上游含水層側(cè)向徑流補(bǔ)給；承壓水與附近鉆孔潛水T值小于1.3 TU，反映地下水受到高海拔水源的早期補(bǔ)給且更新速率較慢。

圖4 河谷平原區(qū)采樣點(diǎn)δD、δ18O關(guān)系Fig.4 Relationship between sampling points δD and δ18O in the valley plain

(3)風(fēng)成沙漠區(qū)。由于蒸發(fā)作用強(qiáng)烈，該亞區(qū)河水δD、δ18O濃度出現(xiàn)正值，位于當(dāng)?shù)卮髿饨邓€下方，δD、δ18O值沿蒸發(fā)線δD河= 5.07 δ18O-19.76分布(見圖5)。地下水埋深較淺，但沿河流方向鉆孔潛水δD、δ18O、T值相比中游出現(xiàn)異常，突然變低，采樣點(diǎn)極為接近當(dāng)?shù)卮髿饨邓€，同時(shí)經(jīng)計(jì)算該段地下水平均補(bǔ)給高程為3 700 m以上，該段深層地下水與河谷平原區(qū)深層地下水T值均低于1.3 TU，表明補(bǔ)給源區(qū)相同，由此推測(cè)地下水是由少量大氣降水與源于南部高山區(qū)的大量古水混合補(bǔ)給。

圖5 風(fēng)成沙漠區(qū)采樣點(diǎn)δD、δ18O關(guān)系Fig.5 Relationship between sampling points δD and δ18O in eolian desert area

3.4 δ18O-Cl關(guān)系的指示

流域水的δ18O-Cl關(guān)系進(jìn)一步說明地下水的補(bǔ)給來源(見圖6)。在山前傾斜平原區(qū)，地下水的δ18O值和Cl濃度偏低,其中Cl值為32.6～178.49 mg/L, 平均值為107.62 mg/L，δ18O平均值為-0.894%；河水Cl值為 109.18 mg/L，δ18O值為-0.935%。河水與地表水點(diǎn)值較為接近,表明為出山河水快速補(bǔ)給。

圖6 研究區(qū)采樣點(diǎn)δ18O與Cl關(guān)系Fig.6 The relationship between sampling points Cl and δ18O in the research area

沿河流流向，河谷平原區(qū)地下水和河渠水的δ18O、Cl值受蒸發(fā)影響逐漸增大，且地表水與地下水δ18O大部分位于同一范圍內(nèi)，反映2者水力聯(lián)系密切，地下水可能接受河渠引水灌溉補(bǔ)給；地下水Cl濃度相比河渠水變化較大，這表明在該段地下水徑流緩慢，水巖相互作用充分，溶濾作用較強(qiáng)，導(dǎo)致Cl離子含量偏高，相反河渠水徑流速度較快，Cl值未發(fā)生較明顯變化；承壓含水層距河流2岸較遠(yuǎn)，δ18O值和Cl濃度均低于附近潛水,可能存在深部地下徑流，承壓水接受山前地下水的側(cè)向徑流補(bǔ)給。

風(fēng)成沙漠區(qū)受蒸發(fā)作用明顯，河水δ18O與Cl值突然增大。但是該區(qū)潛水δ18O與Cl濃度較塔提讓地區(qū)反而偏低, δ18O值更與承壓水接近，由此推測(cè)該段地下水與上游深層地下水存在相同補(bǔ)給源區(qū)，接受南部高山區(qū)冰、雪融水補(bǔ)給。

4 結(jié) 論

(1)由于研究區(qū)內(nèi)沒有監(jiān)測(cè)站，本文選取和田與烏魯木齊2個(gè)GNIP站點(diǎn)的多年大氣降水同位素?cái)?shù)據(jù)，采用最小二乘法擬合出當(dāng)?shù)卮髿饨邓€方程LMWL：δD =7.5 δ18O+5.9 (n=178,R2=0.952 6)，將有利于該地區(qū)地下水循環(huán)的進(jìn)一步研究。

(2)地下水徑流方向與河流流向一致。山前傾斜平原區(qū)河水垂直入滲，地下水水平徑流強(qiáng)烈；河谷平原區(qū)地下水相對(duì)于河水，徑流遲緩，水巖相互作用充分，溶濾作用較強(qiáng)；沙漠區(qū)蒸發(fā)強(qiáng)烈，地下水埋深較淺，以垂直蒸發(fā)為主，地表水重同位素富集。

(3)不同地貌單元的地下水存在相同的補(bǔ)給源區(qū)----南部高山區(qū)。冰川雪融水及高山降雨通過匯集地表徑流沿途垂直入滲及地下潛流補(bǔ)給研究區(qū)地下水。

(4)河谷平原區(qū)綠洲帶受人為及自然地理因素影響，地表水與淺層地下水發(fā)生混合，地下水還受到了河渠水、農(nóng)田灌溉回水的滲漏補(bǔ)給，承壓含水層重同位素貧乏，接受山前含水層側(cè)向徑流補(bǔ)給；沙漠一帶地下水同位素接近承壓水點(diǎn)，δD、δ18O值接近當(dāng)?shù)卮髿饨邓€，地下水還受到了少量局部大氣降水與古水混合補(bǔ)給。