土默川平原黃灌區地下水水化學及氫氧同位素特征分析

王子河 鄧騰林 劉偉 趙義平 汪馨竹 杜曉峰

摘 要：2016年冬灌期和2017年春灌期采集了干旱半干旱地區內蒙古土默川平原黃灌區灌渠水、地下水以及雨水，通過測定不同時期水體的水化學成分及氫氧同位素值，分析了水化學類型和同位素的分布特征，探討了不同時期灌渠水對地下水的影響，判明了地下水的補給來源。研究結果表明：研究區大部分區域地下水補給源為灌渠水，而河森茂村、后荒地村一帶主要受降水和側向補給影響;研究區灌渠水和地下水氫氧同位素組成差異明顯，從灌渠水到地下水氫氧同位素呈貧化趨勢，但冬灌期、春灌期灌渠水對地下水的影響基本一樣;地下水冬灌期、春灌期水化學類型及其分布規律基本一致，主要有HCO3·Cl·SO4-Na·Ca·Mg、SO4·Cl-Na、HCO3·Cl-Na·Mg和Cl-Na型水。

關鍵詞：氫氧同位素;水化學特征;地下水;土默川平原

中圖分類號：TV211.1;X523 文獻標志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2021.08.016

引用格式：王子河，鄧騰林，劉偉，等.土默川平原黃灌區地下水水化學及氫氧同位素特征分析[J].人民黃河，2021，43（8）：84-89.

Abstract： Among the irrigation areas of the Yellow River， Tumochuan plain is located in the arid and semi-arid region， northwest of China. Hydrochemical composition and hydrogen， oxygen isotopes were measured by the samples of precipitation， the water in irrigation canal and groundwater were collected during winter irrigation in 2016 and spring irrigation in 2017 and analyzed to the recharge sources of groundwater and the effect of the water in irrigation canal on groundwater. The results show that the water in irrigation canal is the main recharge sources of groundwater in the large area， and precipitation and the lateral seepage water are the sources of the groundwater in the areas of Hesenmao and Houhuangdi villages. Hydrogen and oxygen isotopic characteristics of the water in irrigation canal that effects in the irrigation of winter and spring on groundwater are mostly the same and obviously different from groundwater， and hydrogen and oxygen isotopic compositions are gradually depleted from the water in irrigation canal to groundwater. The hydrochemical types of groundwater in the irrigation of winter and spring are basically similar and the distribution of which is generally the same. The types are mainly HCO3·Cl·SO4-Na·Ca·Mg and SO4·Cl-Na and HCO3·Cl-Na·Mg and Cl-Na.

Key words： hydrogen and oxygen isotopes; hydrochemical characteristics; groundwater; Tumochuan plain

河套平原分為前套平原（土默川平原）和后套平原（巴彥淖爾平原），總面積約21 000 km2[1]。其中土默川平原包括內蒙古省會城市呼和浩特市和重要工業城市包頭，是內蒙古政治、經濟、文化中心。土默川平原黃灌區作為西北地區典型的引黃灌區之一，農業生產高度依賴于灌溉，受不合理灌溉影響，灌區土壤次生鹽漬化急劇發展，大量土地荒棄，作為當地群眾唯一生活水源的地下水水質不斷惡化，危及當地人民群眾飲水安全。

目前，有關河套平原地下水的研究主要集中在后套平原[2-6]，對土默川平原的研究較少[1，7-8]，特別是土默川平原黃灌區地下水演化規律目前尚不清晰。不同來源的水具有不同的同位素組成特征，水在循環過程中的蒸發和擴散作用會引起同位素分餾，氫氧穩定同位素示蹤技術和水化學方法已廣泛應用于區域地下水來源及水化學演變規律研究[9-16]，但是干旱干半旱地區的研究相對較少。本研究以處于干旱半干旱地區的土默川平原黃灌區為研究區，利用水體氫氧同位素和水化學方法，結合現場調查和室內試驗，分析土默川平原黃灌區不同類型水體氫氧同位素和水化學特征，揭示區域地下水的來源。

1 研究區概況

土默川平原黃灌區位于黃河中上游，是我國北方重要的產糧區之一。多年平均降水量為356.6 mm，多年平均蒸發能力為1 989.6 mm。研究區地層為以湖相沉積為主、河流相沉積為輔的沉積層，含水層普遍為細粒的厚層湖相、河流相沉積層，巖性以細砂、粉細砂為主，夾薄層中砂、黏土，一般厚30～60 m，底板埋深60～80 m。地下水水力坡降為 0.018%～0.059%，地下徑流極其滯緩，阻礙了水中離子的遷移。該地區民生渠以南地下水礦化度為3.28～31.25 g/L（局部區域礦化度為1.11～2.88 g/L），礦化度由北向南呈增大趨勢。該地區水位埋深為2～3 m，隨著地下水的蒸發，水質持續惡化，人民群眾的飲水安全受到威脅。

研究區自更新世以后，長期斷陷下沉，巨厚的以湖相為主的淤泥質不斷沉積。以中更新統上段（Q2）為主的湖心相分布于毛岱—明沙淖—黃河邊一帶，埋藏于89.39 m以下，巖性為灰、灰綠-灰黑色淤泥質黏砂土、砂黏土或黏土與粉砂互層，局部夾芒硝層。芒硝層分布在民生渠以南、二十四頃地—沙海子以北，東部邊界可達土左旗善岱、大岱，西部邊界可達達拉特旗境內，東西長約70 km，南北寬10～12 km，埋深120～170 m;目前已揭露的深度內可見1～4層，總厚度9.84 m，呈水平狀穩定分布。經水溶鹽分析，水溶鹽總量中純芒硝（Na2SO4）含量為94.97%～99.58%。湖心相上部為山前沖洪積層與黃河沖積層的交替沉積，巖性主要為黏土、砂質黏土夾粉砂層。

2 數據來源與分析

2016年11—12月和2017年4—5月，分別對土默川平原黃灌區進行野外調查，并采集冬灌、春灌期間地下水、灌渠水和雨水樣品共32個，其中地下水24個（第四系松散含水層水）、灌渠水6個、雨水2個。春灌期間地下水、灌渠水和雨水的數量及樣點位置與冬灌期一致，樣點位置見圖1。現場采用便攜式HACH多參數水質監測儀測量了地下水和灌渠水的溫度、pH值、電導率和溶解氧含量等指標。水樣現場經GF/F濾膜過濾后，用于離子分析的樣品保存于1 000 mL塑料瓶內，并用Parafilm封口膜密封;用于氫氧同位素分析的樣品裝于100 mL玻璃瓶中，并用Parafilm封口膜密封。實驗室采用ICP測量水體中K+、Na+、Ca2+、Mg2+質量濃度，離子色譜法分析SO2-4、Cl-、HCO-3質量濃度。氫、氧同位素采用MAT-253型氣體同位素質譜儀進行分析測試，每個樣品重復測量6次，取平均值，其測試精度分別為±1‰和±0.1‰，樣品分析結果見表1。

3 結果分析

3.1 水化學時空變化特征

地下水化學參數的數理統計分析結果可以反映研究區一段時間內水化學組分的基本情況，土默川平原黃灌區不同水體水化學分析結果統計見表2。冬灌期地下水TDS含量為1 116.10～20 784.26 mg/L，沿地下水流方向呈增大趨勢;西河沿一帶和河森茂—后荒地一帶礦化度較小，為1 116.10～2 589.50 mg/L;春灌區地下水TDS分布趨勢和冬灌期基本一致，為903.00～14 211.60 mg/L，其整體上比冬灌期的小，推測是春季融雪、融冰補給地下水導致的。冬灌期灌渠水TDS含量為828.20～835.68 mg/L，春灌期灌渠水TDS含量為957.76～977.05 mg/L，兩個時期灌渠水TDS有所差別可能是黃河水季節性變化導致的。由表2可知，冬灌期地下水中NO-3、SO2-4和Ca2+的變異系數都在0.8以上，其他成分均在0.6左右，而春灌期地下水中SO2-4、Cl-、Ca2+和Mg2+的變異系數都在0.9以上，除HCO-3外，其他成分均在0.8左右，表明兩個時期地下水主要離子空間分布變化較大。相比同期的地下水，灌渠水的變異系數都較小，空間分布變化不大。

不同時期不同水體主要離子質量濃度的相對比例分布情況見圖2。由Piper圖可知，地下水、灌渠水和雨水區別較為明顯，雨水偏左，地下水偏右。冬灌期、春灌期地下水水化學類型及其分布基本一致（見圖3），主要有HCO3·Cl·SO4-Na·Ca·Mg、SO4·Cl-Na、HCO3·Cl-Na·Mg和Cl-Na型水4種;分布規律為從西北向東南水化學類型由HCO3·Cl·SO4-Na·Ca·Mg型水轉為SO4·Cl-Na型水，最終變為Cl-Na型水;中部地區SO2-4含量普遍較高，推測主要受芒硝層溶解的影響。冬灌期灌渠水水化學類型主要為Cl·SO4·HCO3-Na·Mg·Ca型水、春灌期主要為Cl·HCO3-Na·Ca型水，灌渠水主要來源為黃河水，其成分變化主要受黃河水控制。冬灌期、春灌期雨水水化學成分稍有差別，但均為HCO3-Ca型水。

3.2 氫氧同位素變化特征

3.2.1 氫氧同位素關系及影響因素

1967年，Craig根據δD和δ18O的關系建立了全球大氣降水線，即δD=8δ18O+10。全球大氣降水線為各地區大氣降水同位素組成提供了基準，也為推斷地下水的來源提供了參照[17]。包頭大氣降水δD和δ18O來自GNIP，大氣降水線方程為δD=6.36δ18O-5.21，確定系數為0.932。該地區大氣降水δ18O和δD的平均值分別為-8.16‰和-57.10‰，可作為研究區現代降水氫、氧同位素組成[5]。研究區不同水體、不同時期δD和δ18O特征分布見圖4，δD與δ18O的關系見圖5。

（1）冬灌期地下水氫、氧同位素組成δD和δ18O分別為-87‰～-67‰和-11.5‰～-8.5‰，平均值分別為-78.0‰和-10.3‰;灌渠水氫、氧同位素組成δD和δ18O分別為-64‰和-8.8‰;雨水氫、氧同位素組成δD和δ18O分別為-75‰和-11.0‰。春灌期地下水氫、氧同位素組成δD和δ18O分別為-87‰～-71‰和-11.4‰～-9.2‰，平均值分別為-77.4‰和-10.3‰;灌渠水氫、氧同位素組成δD和δ18O分別為-63‰～62‰和-8.4‰，平均值分別為-62.5‰和-8.4‰;雨水氫、氧同位素組成δD和δ18O分別為-73‰～-72‰和-10.9‰。

（2）除位于研究區東南的新利村樣品點DX11、CX11（該點承壓自流區）外，冬灌期、春灌期地下水的δD和δ18O大部分分布在綠色和藍色橢圓區域內，灌渠水分布在紅色橢圓區域內;所有樣品均分布在大氣降水線以下，說明降水過程中伴隨著蒸發作用。

（3）紅色橢圓區域內為3個冬灌期灌渠水、3個春灌期灌渠水和1個淺層地下水樣品，分別為民生渠渠口、躍進渠中部和民族團結渠末端以及李興營村農灌井;該區域礦化度較低，為0.93～1.06 g/L;樣品點分布較為分散，但高程相近，冬灌期δD為-66‰～-64‰、δ18O為-8.8‰～-8.6‰，春灌期δD為-66‰～-62‰、δ18O為-8.6‰～-8.4‰，樣品點穩定同位素組成與大氣降水的穩定同位素組成相近，位于全國大氣降水線右下方，表明該地區灌渠水在入滲補給地下水前存在蒸發作用，而且李興營村附近地下水直接接受灌渠水補給。

（4）綠色橢圓區域內為6個冬灌期地下水和6個春灌期地下水樣品，分別取自田家圪旦村、五犋牛村、腮烏素村、聯合村、金錢鋪村和東黑沙圖村地下水監測井，分布很分散;區域內地下水礦化度較高，為9.01～15.62 g/L;冬灌期δD為-80‰～-73‰、δ18O為-10.5‰～-9.4‰，春灌期δD為-78‰～-71‰、δ18O為-10.3‰～-9.4‰。與紅色橢圓區域相比，該區域氫氧同位素有貧化現象，推測地下水除接受本地降水和灌渠水補給外，還接受北部地勢高處不同時期降水形成的徑流補給。另外，此6個監測井冬灌期、春灌期地下水氫氧同位素值基本一致，表明冬灌和春灌對其影響是一樣的。田家圪旦村、五犋牛村、聯合村和東黑沙圖村的同位素值非常接近，表明其補給源相同;金錢鋪村和腮烏素村同位素值非常接近，表明其補給源相同。聯合村同位素值明顯低于周圍金錢鋪村和腮烏素村的，說明其水力聯系較差。

（5）藍色橢圓區域內為3個冬灌期地下水和3個春灌期地下水樣品，采樣點分別為西河頭村、河森茂村和后荒地村;區域內地下水礦化度較低，為0.77～2.58 g/L;冬灌期δD為-80‰、δ18O為-11.2‰～-10.9‰，春灌期δD為-81‰～-80‰、δ18O為-11.2‰～-10.9‰。穩定同位素值遠小于其他區域的，更加貧化。西河頭村與河森茂村、后荒地村的位置雖然相隔較遠，但氫氧同位素值很接近，推測其補給源相同，主要為降水和側向補給，而且這3個采樣點冬灌期、春灌期氫氧同位素值基本一致，表明冬灌和春灌對其影響一樣。

不同水體有著不同的δD、δ18O組成，而δD和δ18O作為示蹤劑在研究水循環中扮演著重要角色，是判斷地下水補給關系的主要方法之一，在分析地下水補給來源方面已得到廣泛應用。從氫氧同位素組成可知，區域地下水受灌渠水（主要是黃河水）、降水補給，但降水的δD、δ18O組成相對灌渠水偏重，而地下水的δD、δ18O組成相對偏輕，因此灌渠水（主要是黃河水）是區內地下水的主要補給源。

3.2.2 氫氧同位素組成與水化學組分的相關性分析

土默川平原黃灌區灌渠水冬灌期、春灌期的氫氧同位素組成與其大部分離子質量濃度存在顯著相關性（見圖6、圖7及表3），表明兩個時期灌渠水氫氧同位素可能受到了較明顯的蒸發作用影響。灌渠水在蒸發過程中存在明顯的同位素分餾，使水體離子與其氫氧同位素之間存在相關性。地下水冬灌期、春灌期的氫氧同位素組成與其大部分離子質量濃度的相關性不明顯，說明該地區地下水氫氧同位素主要受補給來源的影響，與灌渠水相比，其受蒸發作用的影響相對較小。

4 結 論

（1）土默川平原黃灌區冬灌期地下水的TDS為1 116.10～20 784.26 mg/L，春灌期地下水TDS整體上比冬灌期的小，為903.00～14 211.60 mg/L。相較于地下水，冬灌期灌渠水的TDS小于春灌期的，分別為828.20～835.68 mg/L和957.76～977.05 mg/L。冬灌期和春灌期地下水水化學類型及其分布基本一致，水化學類型主要有HCO3·Cl·SO4-Na·Ca·Mg、SO4·Cl-Na、HCO3·Cl-Na·Mg和Cl-Na型水4種;分布規律為從西北向東南水化學類型由HCO3·Cl·SO4-Na型水轉為SO4·Cl- Na型水，最終變為Cl-Na型水;冬灌期灌渠水水化學類型主要為Cl·SO4·HCO3-Na·Mg·Ca型水、春灌期主要為Cl·HCO3-Na·Ca型水。

（2）不同水體氫氧同位素組成差異明顯，但不同時期同一水體氫氧同位素差異不大;冬灌期地下水氫、氧同位素分別為-87‰～-67‰和-11.5‰～-8.5‰，春灌期的分別為-87‰～-71‰和-11.4‰～-9.2‰;地下水氫、氧同位素從空間上由東南到西北表現為富集趨勢。冬灌期灌渠水氫氧同位素分別為-64‰和-8.8‰，春灌期的分別為-63‰～62‰和-8.4‰。從灌渠水到地下水，氫氧同位素呈貧化趨勢。

（3）研究區大部分地區地下水補給源為灌渠水，而田家圪旦村、五犋牛村、腮烏素村、聯合村、金錢鋪村和東黑沙圖村等一帶除接受灌渠水和降水補給外，還接受北部地勢高處不同時期降水形成的徑流補給;河森茂村、后荒地村一帶主要受降水和側向補給。

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【責任編輯 呂艷梅】