近年利用同位素對黑河流域水循環(huán)的研究,水資源論文

近年利用同位素對黑河流域水循環(huán)的研究,水資源論文1、引言近年來，環(huán)境同位素技術(shù)由于在地下水勘測、地下水動力研究、了解含水層之間互相聯(lián)絡(luò)等方面的特殊作用，在寒區(qū)旱區(qū)水科學研究中得到了廣泛應(yīng)用。在黑河流域，應(yīng)用環(huán)境同位素的研究也獲得了一定的進展?？紤]到各類環(huán)境同位素的采樣條件和地球化學特性，在黑河流域的研究中大多項選擇用了氘(2H)、氧(18O)、氚(3H)、碳(14C)和氡(222Rn)等幾種環(huán)境同位素作為研究對象，華而不實2H和18O屬于穩(wěn)定同位素，3H，14C和222Rn屬于放射性同位素。降水及蒸發(fā)的同位素分餾作用能夠?qū)е滤w的2H和18O出現(xiàn)空間變化。通過比照樣品中的D和18O值，并利用2H和18O的分餾與各種環(huán)境因素(如溫度、濕度)之間的關(guān)系，能夠判定水體來源并追蹤各類水文地質(zhì)作用。除此之外，通常也利用放射性同位素的衰變原理來確定地下水年齡。由于3H和14C半衰期分別為12．43a和5730a，所以常被分別用來測定小于50a的當代水和介于2～20ka的古地下水年齡。222Rn的半衰期為3．8天，廣泛存在于巖石和土壤中，222Rn聚集于地下水，因其揮發(fā)性，通常在地表水中的含量很低，由此能夠揣測地下水排泄的位置和計算補給率。表1總結(jié)了在黑河流域內(nèi)所采用的同位素類型及其研究目的。2、同位素采樣空間分布圖1展示了近年來各研究團隊在黑河流域內(nèi)針對降水、地表水和地下水等各類水體進行采樣工作的樣點分布。降水樣點主要集中在上中游的各個氣象站、水文站;地表水樣點主要分布在沿黑河干流和北大河;地下水樣點則主要集中于河西走廊和下游河道附近的區(qū)域，在山區(qū)以及沖洪積扇帶比擬缺乏。除此之外，其他水體例如水庫、渠系以及冰雪融水等也考慮得較少。固然采樣覆蓋范圍已經(jīng)很大，但仍存在明顯的分布不均現(xiàn)象。3、降水與徑流由于祁連山區(qū)降水較多，是黑河流域的主要水源地，所以關(guān)于降水的同位素研究多集中在上游(圖1)。20022018年張應(yīng)華等構(gòu)建了區(qū)域降水D－18O關(guān)系線(表2)。黑河流域的降水線相較全球大氣降水線(GMWL，D=818O+10)斜率和截距都明顯偏低，與干旱地區(qū)特點非常吻合。主要由于黑河流域蒸發(fā)強烈，并且水汽來源有相當一部分來自局地。華而不實，中游盆地的降水線相比山區(qū)斜率和截距都更低，歸結(jié)于中游地區(qū)濕度更低、溫度更高層次，更容易產(chǎn)生重同位素的富集。除此之外，氘盈余(d=D－818O)的概念也被用來進一步描繪敘述水汽來源不同所造成的同位素時空分布特征。張應(yīng)華等提出，黑河流域的降水d值表現(xiàn)出很強的冬高夏低的季節(jié)變化規(guī)律。上游山區(qū)d值更接近全球平均水平，講明水汽是由山區(qū)輸送至中游盆地，輸送經(jīng)過中局地水汽的不斷輸入，使得從上游地區(qū)以外來水汽為主轉(zhuǎn)變?yōu)橹杏蔚木值厮哌_30%的現(xiàn)象。海拔、溫度、降水量等因素都能影響到氘氧同位素的動力分餾。華而不實，溫度效應(yīng)在黑河流域最為明顯，甚至對海拔、降水量等因素對降水中同位素的影響有一定的掩蓋作用，與18O之間的相關(guān)性一般在0．4～0．6之間，溫度越高18O越高。由于海拔與溫度之間的強相關(guān)性，同位素富集也呈現(xiàn)了很強的海拔效應(yīng)。降水量效應(yīng)則遭到溫度、季節(jié)、海拔等多種因素的影響，一般在上游山區(qū)的夏季才比擬明顯。黑河干流2H和18O從上游到下游總體呈現(xiàn)富集趨勢。華而不實山區(qū)河水有很強的季節(jié)性變化，主要是由于其同時接受冰雪融水、降水和地下水的補給，在豐水期時主要受降水控制，而枯水期則主要以泉水出露為主。中游地表徑流相較山區(qū)河流的同位素含量更高層次，主要是由于中游降水的同位素含量更高層次，并且受強烈蒸發(fā)而產(chǎn)生同位素分餾現(xiàn)象的影響。越接近下游，分餾越明顯，導致地表水18O的含量與沿程距離呈現(xiàn)明顯的正相關(guān)關(guān)系?？偟膩碇v，氘氧同位素的結(jié)果表示清楚上游山區(qū)降水是黑河河水的主要來源，除此之外冰雪融水、地下水也提供了一定的補給來源。4、地下水4．1地下水補給來源中游地下水補給主要來自上游山區(qū)。山區(qū)降水及冰雪融水構(gòu)成地表徑流并滲入地下，受地質(zhì)構(gòu)造的影響，大部分就近以泉的形式排泄轉(zhuǎn)化為河水，僅10%左右側(cè)向補給中游盆地。山前地區(qū)含水層為單一的潛水構(gòu)造，地下水以第四系孔隙水為主。該處地下水的D和18O值均落于全球降水線，講明起源于大氣水，且3H較高，交替更新較快。同時地下水的D－18O關(guān)系更接近河水，講明主要還是受河水補給。張應(yīng)華等采用兩端模型對民樂、張掖山前地區(qū)進行計算，得出河水和當?shù)亟邓难a給所占比例在9∶1左右。圖2中所示酒泉一帶山前地區(qū)地下水的D和18O值與山區(qū)河水接近，并以北大河為中心呈對稱趨勢逐步貧化，反映了以山區(qū)降水為來源的河流補給作用。細土平原帶D和18O則由南至北逐步貧化，同時地下水的埋深較深，d值較大，與山區(qū)降水相符合，14C偏小，反映出酒泉細土平原地下水有少量古水補給的痕跡。中游細土平原帶(圖2，張掖盆地臨澤高臺一帶)潛水D和18O與河水相近，低于當?shù)亟邓?，講明當?shù)亟邓a給并非是主導，而是接受山區(qū)降水補給的河水與當?shù)亟邓旌涎a給的結(jié)果，也遭到經(jīng)強烈蒸發(fā)之后的灌溉水補給。以黑河為分界，北岸主要受河水下滲補給，南岸則以上游地區(qū)側(cè)向補給和農(nóng)田灌溉入滲補給為主。該區(qū)域深層承壓水的D和18O，3H及d值與潛水及地表水不同，反映了不同的補給來源。利用海拔效應(yīng)得到補給源高程在3600m以上，講明在山區(qū)與中游盆地之間可能存在地下徑流。除此之外，龍首山前承壓水的D－18O位于降水線上，講明該區(qū)域補給來源主要是海拔相對較高的龍首山區(qū)的降水。下游地區(qū)氣候極度枯燥，年平均蒸發(fā)量在2000mm以上。南部金塔盆地潛水2H和18O含量大，3H值為10～39TU，含量偏高，地下水年齡小于40a，主要由酒泉一帶D和18O較高的地下水補給所致。北山山區(qū)淺層潛水D－18O在當?shù)亟邓€上，講明主要接受降水補給，而深部承壓水D－18O位于降水線附近，并有重同位素18O貧化的特征，揣測是由于起源于嚴寒的更新世降水入滲。額濟納盆地表現(xiàn)出很高的d值，反映了盆地內(nèi)強烈蒸發(fā)的影響，也有灌溉水回補的因素在華而不實。淺層潛水沿河流方向D和18O富集，但小于河水，并與3H值呈正相關(guān)性，河岸深層地下水中的氚值也較高，表示清楚該區(qū)域淺層地下水接受河水的補給。除此之外，居延海北部地下水的3H值較高，講明也接受中蒙邊境山區(qū)季節(jié)性降水補給。下游盆地東南部古日乃地區(qū)潛水D和18O極度富集，d值極低，與黑河水差異很大，故而錢云平等、Gates等和Ma等以為沙漠對該區(qū)地下水也有一定的奉獻。同時，陳建生等發(fā)現(xiàn)該區(qū)與沙漠地下水鈣含量極高，也印證了這一點，同時提出巴丹吉林沙漠的地下水源自于青藏高原，經(jīng)過碳酸鹽巖層通過大斷裂帶穿越祁連山和北山山區(qū)到達沙漠，并補給古日乃地區(qū)。而馬妮娜等和張應(yīng)華等以為，古日乃地下水的礦化度明顯低于沙漠，且3H值也更高層次，講明地下水更為年輕，沒有接受沙漠的補給，而是接受黑河水的補給。同時深層承壓水年齡較老，可能由地質(zhì)歷史時期降水補給構(gòu)成。武選民等以為，該區(qū)深層承壓水頭高于潛水，也有潛水層接受承壓層越流補給的可能性。各種講法當前還存在較大爭議。4．2地下水年齡中游張掖地區(qū)淺層地下水3H和14C值都很高，并沿河呈條帶狀分布。總體看來，淺層地下水近河道年齡較新，越接近山前帶年齡越新。這種分布形式顯示其多受降水、冰雪融水以及河水這類當代水的補給。至高臺一帶3H逐步減少，年齡增大，主要原因在于其接受酒泉盆地深層低3H地下水的補給。而深層地下水則3H含量減少，年齡老于50a，顯示與淺層地下水、地表徑流完全不同的補給來源。高臺一帶由于巖土顆粒較細，補給條件差，深層承壓水14C年齡在2ka以上。同樣，中游酒泉地區(qū)位于祁連山前的戈壁入滲帶地下水3H值也較高，細土平原區(qū)潛水3H值則很低，地下水年齡多大于40a，承壓層則更低。除此之外，酒泉盆地內(nèi)含水層浸透性較弱、水循環(huán)條件較差的地區(qū)地下水14C值很低，年齡可達數(shù)千年，鹽池明海蓮花一帶深層承壓水年齡14C校正年齡在2490～5760a之間。下游額濟納盆地沿河區(qū)域由于接受地表水補給3H值較高。深層承壓水則年齡較老，幾乎不含3H，相比起來南部鼎新一帶深層承壓水相對較年輕，多小于5ka，北部居延海一帶則較老，多在5468～8779a，而賽汗桃來附近承壓水年齡則大多超過萬年。巴丹吉林沙漠內(nèi)地下水幾乎檢測不到3H，14C測齡顯示該區(qū)域內(nèi)承壓水年齡在2200～3500a之間，更新速率緩慢。4．3盆地水力聯(lián)絡(luò)由盆地內(nèi)地下水同位素含量及補給來源能夠判定流域內(nèi)各盆地系統(tǒng)間的水力聯(lián)絡(luò)。由于張掖盆地西面與酒泉盆地以第三系泥巖隆起為分界，2個盆地18O明顯不同，講明2個盆地地下水補給機理不同。同時，在酒泉盆地東西邊緣表現(xiàn)出更低的D和18O值，表示清楚兩側(cè)水力單元與酒泉盆地之間較弱的水力聯(lián)絡(luò)。酒泉盆地以北靠近金塔盆地一帶潛水的同位素特征反映其受酒泉盆地地下水側(cè)向補給的影響，與酒泉盆地存在水力聯(lián)絡(luò)。同時，西部北山山區(qū)地下水一個主要排泄途經(jīng)就是經(jīng)過深層的區(qū)域向南部花海和東部鼎新一帶向系統(tǒng)外排泄。由于古日乃地區(qū)的地下水到底是接受巴丹吉林沙漠地下水、承壓層越流補給還是黑河河水的側(cè)向補給仍頗具爭議，所以額濟納盆地與古日乃地區(qū)的水力聯(lián)絡(luò)還無法確定。然而居延海北部一帶潛水與相鄰區(qū)域相比18O高而3H值低，講明與其他區(qū)域并不存在水力聯(lián)絡(luò)。從全流域看來，祁連山、合黎山、龍首山和北山的山區(qū)降水是黑河流域內(nèi)淺層地下水的主要補給來源，因而地下水年齡很小，以當代水為主。除此之外上中游的深層地下水則與淺層地下水頻繁交換，也相對年輕，下游深層地下水則相對封閉，以地質(zhì)歷史時期的老水為主，地下水年齡較老。各盆地與相鄰山區(qū)，以及各盆地之間都存在一定的水力聯(lián)絡(luò)，但個別區(qū)域相對聯(lián)絡(luò)較小。下游古日乃地區(qū)的地下水補給源以及與其他地區(qū)水力聯(lián)絡(luò)還存在爭議。5、地表地下水互相轉(zhuǎn)換黑河河水自出山口下面由于獨特的地質(zhì)地貌特征，構(gòu)成了流域尺度地表地下水交互的水循環(huán)系統(tǒng)，二者之間存在屢次轉(zhuǎn)換，尤其在中游盆地。圖3顯示了黑河流域沿河流方向上地表地下水補給關(guān)系的變化趨勢。張光芒等發(fā)如今張掖、高臺、正義峽等處河流的3H變化趨勢發(fā)生轉(zhuǎn)變(圖3)。Wu等和錢云平等利用放射性同位素222Rn對黑河中游段河流與地下水的交互量進行了研究，所得的地下水排泄形式與張光芒等的大致一樣，并且錢云平等指出張掖到高崖段地下水對河水的補給量比擬突出。張應(yīng)華等、陳宗宇等和楊秋等應(yīng)用2H，18O和水平衡、兩端模型等方式方法對中游地區(qū)的地表地下水交互水量進行計算，華而不實陳宗宇得出出山口張掖段河道對地下水補給約占出山徑流的27%，張掖正義峽段河道對地下水的補給約占該段河流徑流量的69%。秦大軍等研究發(fā)現(xiàn)灌溉引用河水由于增加了對地下水的補給并降低河水水位，也許會改變地表地下水的補給關(guān)系。仵彥卿等利用物探，水化學和2H，18O對下游額濟納盆地進行了研究，發(fā)現(xiàn)鼎新哨馬營段河流與地下水并無直接水力聯(lián)絡(luò)，而是通過垂直下滲補給地下水?？偟膩碇v，黑河流域地下水對地表水的主要補給區(qū)域在中游張掖正義峽一帶，其他區(qū)域內(nèi)都是以河水補給地下水為主。6、結(jié)束語黑河流域進行的環(huán)境同位素研究主要沿黑河干流地區(qū)對各類水體進行了采樣工作，針對2H，18O，3H，14C和222Rn等幾類同位素，分析不同區(qū)域內(nèi)地表、地下水各類同位素的含量，得到各區(qū)域內(nèi)地表、地下水的補給關(guān)系、年齡分布等特征。結(jié)果表示清楚，全流域的水源區(qū)在于上游高山區(qū)，途經(jīng)中游盆地的經(jīng)過中，在出山口、沖洪積扇邊緣及中下游分界點正義峽等多處發(fā)生與地下水補給關(guān)系的轉(zhuǎn)換。同時，中、下游淺層地下水的補給來源也主要來自于上游地下水的側(cè)向補給及以山區(qū)降水為來源的河水入滲補給，更新速率較快，地下水年齡較小。而深層地下水的補給方式則相對復(fù)雜，在接受河流及山區(qū)地下水入滲補給的同時，酒泉盆地北部、張掖盆地西部、古日乃地區(qū)以及居延海等區(qū)域深層地下水也檢測到有地質(zhì)歷史時期的老水補給。將來研究中應(yīng)重點加強下面3個方面:(1)豐富時空尺度上各類水體的采樣工作，華而不實最為突出的是在黑河流域已有的水文地質(zhì)剖面上開展環(huán)境同位素研究。這一部分的缺乏主要由于不同深度含水層采樣的困難，而現(xiàn)有的采樣井多為混合井，因而缺乏對樣品所處含水層的精到準確控制。另外對地表水的采樣仍多集中于河水和降水，而其他種類的樣品，如中游的水庫水、土壤水、灌溉溝渠水，以及上游的冰雪融水、凍土水等，都鮮有牽涉。(2)同時應(yīng)用多種同位素進行定量分析。當前黑河流域環(huán)境同位素的定量研究當前多集中于地下水年齡的分析;其他方面，如利用氡鐳放射同位素和氘氧穩(wěn)定同位素定量各種水源的比例研究較少。這個缺乏部分是由于這些環(huán)境同位素本身的局限性，譬如被多種環(huán)境參數(shù)影響以致于對水源的指