烏蘭木倫河流域地下水水化學同位素特征及補給關系

代 彬, 郭巧玲,2, 陳梓楹, 張肖萌, 于 榮

(1.東華理工大學 水資源與環境工程學院, 江西 南昌 330013; 2.東華理工大學 核資源與環境國家重點實驗室, 江西 南昌 330013)

1 研究背景

黨的十八大以來,以習近平總書記為核心的黨中央將“黃河流域生態保護和高質量發展”上升為國家戰略[1-3],使其充分發揮流域的生態屏障作用,推動流域的經濟發展[4]。烏蘭木倫河是黃河的二級支流,位于半干旱區域,地處神府東勝煤田,河流沿岸分布著大量煤礦。煤礦的大量開采導致采煤塌陷區裂隙發育[5]以及地下水位的下降[6],破壞了地表水及地下水的運移和賦存狀態[7],改變了地表水-地下水相互作用的程度及性質,同時造成流域內水環境污染嚴重[8]和水資源枯竭[9]等相關問題。故對烏蘭木倫河流域開展地表水-地下水相互作用關系研究,對流域內水資源保護具有重要意義[10-12]。

目前,國內外很多學者對不同流域地表水和地下水的相互關系進行了研究。Bailey等[13]通過野外實測,利用MODFLOW模型在對美國德克薩斯州地下水流動模擬的基礎上,分析了地表水和地下水的相互作用。Boubacar等[14]在尼日爾西南部的半干旱地區,采用等效多孔介質的方法研究地表水和地下水的相互作用,表明地下水與地表水的交換通量是該流域的重要轉化過程。在中國,有眾多學者用不同的方法對濕地、水庫、流域的地表水與地下水的相互轉化進行了研究。譚秀翠等[15]通過SWAT模型對地表水與地下水的轉化量進行了定量分析。趙博[16]利用累積轉化量法分析了太子河遼陽-小林子段葠窩水庫影響下的地下水-地表水轉化關系。許秀麗等[17]對山西省汾河入黃口濕地水分的補給來源進行了研究,并結合端元混合模型揭示了不同時期的地表水與地下水轉化關系。劉芳等[18]在分析祁連山南坡主要河流同位素的基礎上,結合端元混合模型,估算了不同水源對河流的補給比例,并進一步探討了產生補給差異的原因。但目前對于礦區流域地表水與地下水的相互作用的研究較少,故本研究以煤炭礦區烏蘭木倫河流域為研究區,在分析降水、河水、地下水(礦井水和生活井水)水化學特征的基礎上,通過氫氧穩定同位素和水化學分析方法確定它們之間的相互關系,以期為流域水資源保護與利用提供科學依據。

2 材料與方法

2.1 研究區概況

烏蘭木倫河經內蒙古自治區鄂爾多斯市進入陜西省神木市,河流全長為138 km,流域面積為3 065 km2[19]。該流域屬于半干旱區,年平均降水量為396.8 mm,年平均蒸發量約1 753.8 mm,多年平均氣溫約7.2 ℃,7月平均氣溫約24 ℃。烏蘭木倫河流域地形呈波狀起伏,總趨勢為西北向東南傾斜[19],海拔高度約為1 400 m。流域地處我國著名的神府東勝煤田[20],礦區地表大部分被第四系覆蓋,區域地層由老至新分別為:三疊系上統延長組,侏羅系富縣組、延安組、直羅組、安定組,白堊系志丹群,新近系保德組,第四系離石組、薩拉烏蘇組和風積層及沖積層[21]。烏蘭木倫河流域概況見圖1。

圖1 烏蘭木倫河流域概況及水樣采樣點布設圖

2.2 樣品的采集與分析

為研究烏蘭木倫河礦區流域內河水與地下水的相互作用,在烏蘭木倫河沿岸的不同礦區的不同井水點位置進行布設采樣。本次樣品采集時間為2022年7—8月,共采集46個水樣,其中河水水樣20個;地下水水樣22個(布爾臺礦礦井水樣3個,祁連塔礦礦井水樣4個,烏蘭木倫礦礦井水樣6個,寸草塔二礦礦井水樣4個,大柳塔生活井水樣5個);大氣降水水樣4個。樣品的采集嚴格按照《水質 采樣技術指導》(HJ 494—2009)進行。各采樣點布設圖見圖1。

采用電感耦合等離子體光譜儀(ICP-OES)對水樣中陽離子進行分析測試;采用離子色譜儀(ICS-1100)對陰離子進行測試,其中,CO32-、HCO3-用酸堿滴定法測試。用便攜式多參數水質測定儀(HI98194)對pH等相關參數進行現場測定。氫氧同位素穩定分析由中國地質大學(武漢)地質調查實驗中心采用液態水同位素分析儀(IWA-45EP,USA)測定。

2.3 兩端元法

穩定的氫氧同位素方法可以用來研究徑流來源、河水與地下水之間的轉化等[22]。該方法原理基于同位素的質量守恒,不同來源的水體各為一個端元,當來源水體有兩個時即為兩端元法[23]。本次研究根據兩端元法對研究區內地下水接受大氣降水和河水的貢獻進行計算[24],計算方法如下:

CP=CQ·X+CW·(1-X)

(1)

式中:CP為地下水(礦井水、生活井水)的δD值,‰;CQ為河水的δD值,‰;CW為大氣降水的δD值,‰;X為河水端元的混合分數。

3 結果與分析

3.1 水體的水化學特征

通過分析研究區水體的水化學特征,可以進一步明確地表水、地下水與環境之間的相互作用[25]。表1為研究區內河水、礦井水和生活井水的pH、電導率EC、TDS(total dissolved solids)以及主要離子濃度的特征值。由表1可以看出,研究區河水、礦井水和生活井水的pH值均呈現弱堿性,且河水pH值的變化幅度較大;河水和礦井水的TDS值變化范圍分別為202.69～1 509.08 mg/L、287.92～937.05 mg/L,而生活井水的TDS值變化幅度相對較小。

表1 研究區河水和地下水主要水質指標及離子濃度特征值

變異系數CV通常被用來表征變量的穩定性。當01時,表示變量具有高變異性[26]。表1中顯示,在研究區內,生活井水中SO42-的CV值大于1,表明該離子的變異性極強;河水中的SO42-和Ca2+、礦井水中的SO42-和Cl-以及生活井水中的全部離子的CV值均超過0.6,表明這些離子對外部環境(研究區水文及人類活動)的影響條件較為敏感。

表2為研究區不同水源的水體中主要陽離子和陰離子含量中值的化學比例。由表2可以看出,在河水和礦井水中,陽離子平均質量濃度大小關系為Na+>Ca2+>Mg2+>K+;而生活井水中陽離子的平均質量濃度大小關系為Ca2+>Na+>Mg2+>K+;在所有水樣中,陰離子平均質量濃度大小關系均為HCO3->SO42->Cl-。表2清晰地表明了不同水體中陰、陽離子的組成優勢,所有水源類型中陰離子組成均以HCO3-為主,河水、礦井水和生活井水中的HCO3-占陰離子總量的比例分別達到66.61%、63.74%和83.88%;河水和礦井水中的Na+在陽離子中占據了絕對優勢,分別占陽離子總量的74.55%、88.95%,而生活井水中則是Ca2+占據絕對優勢,占陽離子總量的73.28%。因此,在研究區內不同水源的水體中,陽離子以Na+和Ca2+為主,陰離子以HCO3-為主?？傊?研究區內所有類型的水樣均由可變的陽離子和相似的陰離子構成。

表2 研究區不同水源中主要陽離子和陰離子含量中值的化學比例 %

3.2 水體的水化學類型

Piper三線圖是一種根據水體中陰、陽離子的組成而快速確定水化學類型的方法[27]。根據水樣點在Piper圖上的不同位置,可以對研究區內水樣的水化學類型進行區分[28]。

圖2為烏蘭木倫河流域不同水源水體的水化學Piper三線圖。從圖2可以看出,大多數河水樣品集中于菱形圖的中下部分,水化學類型主要以HCO3-Na型和HCO3+SO4-Na型為主。然而,礦井水和生活井水樣品在Piper三線圖上分散程度較大,礦井水中,水化學類型主要以HCO3-Na型、HCO3+Cl-Na型、HCO3+ SO4-Na型為主;生活井水中,水化學類型主要以HCO3-Ca型為主。

表3為流域各礦區內河水與地下水的水化學類型。從表3可以看出,布爾臺礦的河水和礦井水水化學類型均主要為HCO3-Na型,有少量水樣為其他水化學類型;祁連塔礦的河水與礦井水水化學類型一致,均為HCO3+SO4-Na型;烏蘭木倫礦的河水與礦井水水化學類型一致,均為HCO3-Na和HCO3+SO4-Na型;寸草塔二礦的河水水化學類型為HCO3-Na型和HCO3+SO4-Na型,地下水的水化學類型為HCO3+Cl-Na型和HCO3-Na型;大柳塔礦區的河水水化學類型為HCO3-Na型和HCO3+SO4-Na型,生活井水水化學類型呈多樣化,包括HCO3+SO4-Na型、HCO3-Ca型、HCO3-Ca+Mg型,可能是由于大柳塔礦地處城區,周邊環境較為復雜,水質受到的影響因素較多。

表3 研究區各礦區內河水與地下水的水化學類型

3.3 水體的氫氧同位素特征

表4為研究區內不同水源水樣的氫氧同位素特征值。由表4可知,研究區內大氣降水水樣的δ18O和δD值變化范圍分別為-16.66‰～-3.98‰、-128.89‰～-42.87‰,變化幅值分別為12.68‰、86.02‰,變化幅度較大,這主要是由于研究區內氫氧同位素受到氣溫和降水量的影響,導致采集的降水水樣的氫氧同位素產生差異。

表4 研究區內不同水源水樣的氫氧同位素特征值 ‰

圖3為研究區內大氣降水δD與δ18O值的關系,圖3中還給出了Yurtsever等[29]提出的全球大氣降水線(global meteoric water line,GMWL):δD=8.17δ18O+10.35和張洪平等[30]得到的中國大氣降水線(China meteoric water line,CMWL):δD=7.81δ18O+8.16(下同)。由圖3可以看出,研究區內采集的所有大氣降水樣點均落在全球大氣降水線和中國大氣降水線的下方,且研究區大氣降水樣點擬合線的斜率及截距較小,其主要原因是研究區屬于半干旱地區,且采樣時間在7月份,蒸發作用強烈使得重同位素富集[31]。

圖3 研究區內大氣降水δD與δ18O值的關系

研究區內河水水樣的δ18O和δD值變化范圍分別為-9.82‰～-3.84‰、-75.29‰～-39.03‰(表4),變化幅值分別為36.26‰、5.98‰,圖4為研究區內河水δD與δ18O值的關系。由圖4可知,河水氫氧同位素擬合線斜率小于當地大氣降水線斜率,表明河水受到了蒸發作用的影響[32];所有河水樣點均位于全球大氣降水線和中國大氣降水線下方,表明蒸發作用使得河水水體中重同位素富集[31];所有河水水樣點均位于當地大氣降水線附近,說明在研究區內河水主要接受降水補給。

圖4 研究區內河水δD與δ18O值的關系

在研究區內,礦井水水樣的δ18O和δD值變化范圍分別為-11.71‰～-9.47‰、-87.24‰～-71.10‰;生活井水水樣的δ18O和δD值變化范圍分別為-9.51‰～-8.23‰、-69.60‰～-62.15‰(表4),圖5為研究區內地下水δD與δ18O值的關系。從圖5可以看出,研究區地下水樣點位于大氣降水擬合線和河水擬合線附近,表明大氣降水和河水是流域地下水補給的主要來源,三者之間存在一定程度的水力聯系;河水、大氣降水、地下水的δD與δ18O值擬合線的R2依次減小,即δD與δ18O值的線性關系逐漸變得松散,表明各水體之間存在不同程度的轉換[33]。

3.4 基于同位素的河水與地下水關系分析

基于兩端元法分析降水、河水對地下水的補給。圖6為河水對地下水補給貢獻率與地下水井深的關系。從圖6可以看出,隨著地下水采樣點深度的增加,河水對地下水的補給貢獻呈下降趨勢。在整個研究區,當地下水井深小于135 m時,大多數采樣點河水對其貢獻率為58.47%～80.94%,河水是地下水的主要補給來源;當地下水井深大于135 m時,河水對其補給貢獻率為21.47%～58.69%,且絕大多數采樣點河水對地下水的貢獻率小于50%。

圖7為河水對地下水補給貢獻率與地下水采樣點距河道距離的關系。從圖7可以看出,在地下水采樣點距離河道8.8 km范圍內,絕大部分采樣點河水對地下水的補給貢獻率超過45%,最高貢獻率達到80.94%,故在地下水采樣點距離河道在8.8 km范圍內時,河水是地下水的主要補給來源之一;當地下水采樣點距離河道距離超過8.8 km時,河水對地下水的補給貢獻較低,僅約為20%。

圖8綜合顯示了河水補給地下水的貢獻率與地下水采樣點井深、距河道距離的關系。從圖8可以看出,河水對地下水補給的貢獻率低值區主要出現在距離河道較遠、井深較深的采樣點區域,高值區主要出現在靠近河道、井深較淺的區域。

圖8 河水補給地下水的貢獻率與地下水井深、距河道距離的關系

4 討 論

(1)本文以烏蘭木倫河流域河水、礦井水和生活井水為研究對象,進行水化學類型分析,結果表明,河水主要以HCO3-Na型和HCO3+SO4-Na型為主,礦井水主要以HCO3-Na型、HCO3+Cl-Na型、HCO3+SO4-Na型為主,生活井水水化學類型呈多樣化,主要以HCO3-Ca型為主。河水和礦井水中的陽離子以Na+為主,生活井水中的陽離子以Ca2+為主,這與呂情緒[34]和王昱同等[35]對神東礦區礦井水的研究分析結論一致。水體中陰離子以HCO3-為主,這與劉基等[36]對神府礦區地表水水化學特征的研究結論以及范立民等[37]對神府礦區地下水水化學特征的研究結論一致。

(2)在烏蘭木倫河流域祁連塔礦區,河水與地下水的水化學類型一致,而其他礦區河水與地下水的水化學類型相近,這是由于煤礦塌陷區存在大量地表裂隙,使得河水與地下水聯系緊密。李倩等[38]通過研究神府東勝煤田的海流兔流域水體補給關系指出,在煤礦開采影響下流域內不同水體的轉化關系以地表水下滲補給地下水為主,這與本文的研究結果一致。

(3)烏蘭木倫河流域位于西北半干旱地區,區域內的降水及河水強烈蒸發導致水體中同位素富集。曾帝等[39]在對西北干旱區降水的氫氧同位素研究中發現,由于降水受到強蒸發,1—7月氫氧同位素不斷富集,在夏季出現最大值,該研究結果證明了本文結論的可靠性。丁潔等[40]對干旱區土壤水中氫氧穩定同位素的研究也得出相似結論。

(4)對采樣點水樣的分析結果表明,河水對地下水補給貢獻率的較高值主要出現在靠近河道和井深較淺的區域;降水對地下水補給貢獻率的較高值主要出現在距離河道較遠、井深較深的區域。很多學者在黃河流域其他區域對地下水的補給來源也進行了研究,付昌昌等[41]對神府東勝煤田窟野河流域煤礦區的研究結果表明,第四系松散層、白堊系洛河組和侏羅系風化帶地下水主要接受現代大氣降水的補給,此結論與本文的研究結果一致。

5 結 論

(1)在研究區內,河水和礦井水中的陽離子主要以Na+為主,陰離子主要以HCO3-為主;生活井水中的陽離子主要以Ca2+為主,陰離子主要以HCO3-為主。

(2)研究區河水的水化學類型主要以HCO3-Na型和HCO3+SO4-Na型為主;礦井水的水化學類型主要以HCO3-Na型、HCO3+Cl-Na型、HCO3+ SO4-Na型為主;生活井水的水化學類型主要以HCO3-Ca型為主。礦井水與河水具有相似的水化學特征。

(3)研究區位于西北半干旱地區,降水及河水的強烈蒸發作用導致水體中同位素富集。地下水受到大氣降水和河水的共同補給,三者之間存在一定程度的水力聯系。

(4)在整個研究區,隨著采樣點井深的增加、與河道距離的增大,河水對地下水補給的貢獻率呈減小趨勢。當地下水井深小于135 m時,大多數采樣點河水對其補給貢獻率為58.47%～80.94%;當地下水井深大于135 m時,河水對地下水的補給減弱,對其貢獻率為21.47%～58.69%。地下水在距離河道8.8 km范圍內時,絕大部分采樣點河水對地下水的補給貢獻率超過45%,最高貢獻率達到80.94%,河水是地下水的重要補給來源之一;當地下水距離河道超過8.8 km時,河水對其補給貢獻率較低。

由于研究資料的限制,本研究基于采樣數據,僅對烏蘭木倫河流域地下水的補給來源做出定性和定量分析,未對該流域不同時段的河水與地下水的轉化過程、演變機理及影響因素進行研究。后續應進一步完善對河水與地下水關系研究的內容與方法,為烏蘭木倫河流域水資源保護和利用及水生態的保護提供全面、科學的數據支撐。