干旱區(qū)兩級(jí)地下水位分配及補(bǔ)給量計(jì)算

干旱區(qū)兩級(jí)地下水位分配及補(bǔ)給量計(jì)算

0地下水水資源量水化學(xué)成分轉(zhuǎn)化技術(shù)中國西北干旱地區(qū)（以下簡稱西北干旱地區(qū)）降水少，蒸發(fā)強(qiáng)烈，水資源空間分布不均。前面的洪水儲(chǔ)水池和后面的山區(qū)盆地已成為主要儲(chǔ)水單元。地下水多來自山前側(cè)向補(bǔ)給與大氣降水入滲補(bǔ)給,因降水歷時(shí)短、雨量小以及包氣帶厚度較大等原因,大氣降水又可分為直接入滲和山區(qū)洪流間接入滲。第四系儲(chǔ)水量的多少一般取決于沉積物分布規(guī)模及其補(bǔ)給量。研究第四系地下水資源量必須關(guān)注三水轉(zhuǎn)化問題,傳統(tǒng)的三水轉(zhuǎn)化研究方法主要涉及介質(zhì)場、水動(dòng)力場、水化學(xué)場和溫度場等方面,由于地下水埋藏的隱伏性、賦存的歷史性等特點(diǎn),傳統(tǒng)的研究方法受到一定的限制。近些年,隨著同位素測試技術(shù)的發(fā)展,同位素水文技術(shù)在水資源領(lǐng)域的研究內(nèi)容不斷擴(kuò)大,發(fā)展較為迅速。在水資源評(píng)價(jià)和管理研究中,同位素水文技術(shù)對(duì)于確定地下水補(bǔ)給來源、補(bǔ)給量、地下水年齡以及了解地表水和地下水相互轉(zhuǎn)化規(guī)律、水-巖相互作用、地表水和地下水污染等方面發(fā)揮其獨(dú)有的作用,可以獲得常規(guī)方法不能取得的關(guān)鍵數(shù)據(jù)并節(jié)省開支。本文結(jié)合水文地質(zhì)條件,以新疆庫魯克塔格中段北部山間洼地第四系地下水為研究對(duì)象,利用D、18O、3H(T)同位素揭示第四系地下水補(bǔ)給來源、運(yùn)動(dòng)特征以及地下水年齡等,判斷降水直接入滲、洪流間接入滲以及山前側(cè)向補(bǔ)給在第四系洼地地下水補(bǔ)給中所占的比例。1地形地貌細(xì)土帶研究區(qū)位于天山東段,地貌整體呈現(xiàn)東西向山體夾東西向洼地格局,山體之間形成與山體走向一致的洼地。地勢總體上南高北低,洼地由南向北具有上下級(jí)關(guān)系,洪水出山口后于山前散流形成規(guī)模不等的礫質(zhì)傾斜平原,洼地中心部位形成面積不大的細(xì)土帶,最低處有洪溝切穿山體并與較低洼地相通,且有泉水溢出,匯流成溪。各級(jí)洼地受山體控制,地下水、地表水多次轉(zhuǎn)化,上一級(jí)儲(chǔ)水洼地的泉水構(gòu)成下一級(jí)洼地的重要補(bǔ)給來源。2采樣點(diǎn)分布及測試方法環(huán)境同位素取樣是根據(jù)水資源徑流路徑,橫向控制,充分考慮各儲(chǔ)水洼地典型樣品。由于鉆孔深度限制,樣品主要代表潛水及出露泉水。采樣點(diǎn)分布如圖1所示。樣品測試由中國地質(zhì)科學(xué)院礦產(chǎn)資源研究所和水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)研究所測定。其中,δD(氘)和δ18O分別采用鋅還原法和二氧化碳平衡法用MAT253EM質(zhì)譜計(jì)進(jìn)行測定,分析精度為±2‰。利用Qnantulus1220超低本液體閃爍譜儀測定T(氚)。3地下水中穩(wěn)定的相特征3.1對(duì)降雨線d=8.18o+10研究區(qū)地表水和地下水以及降水的δD和δ18O關(guān)系如圖2所示。大氣降水線根據(jù)國際原子能機(jī)構(gòu)烏魯木齊資料獲得:δD=7.2263δ18O+4.2825,與全球雨水線δD=8δ18O+10相比,其斜率和截距都偏小,降水點(diǎn)均落在烏魯木齊雨水線左側(cè),斜率更小,本區(qū)降水比烏魯木齊更稀少,蒸發(fā)更強(qiáng)烈。地下水與泉水點(diǎn)則落在降水線附近或蒸發(fā)線上,反映不同地下水單元均來自大氣降水,由于徑流路徑、滯留含水層時(shí)間的不同,地下水受到不同強(qiáng)度的蒸發(fā)而偏離大氣降水線,形成一條蒸發(fā)線。3.2地表下滲,降水入滲比例隨立地水資源量變化地下水由南向北徑流,經(jīng)歷了兩級(jí)儲(chǔ)水洼地,各儲(chǔ)水洼地既是獨(dú)立的地下水單元,又相互具有水力聯(lián)系。山區(qū)降水通過坡面流滲入補(bǔ)給或側(cè)向補(bǔ)給洼地地下水,上游洼地地下水則通過泉水排泄補(bǔ)給下游洼地,地下水和地表水反復(fù)轉(zhuǎn)化,使儲(chǔ)水洼地間構(gòu)成水力聯(lián)系。為計(jì)算各級(jí)洼地補(bǔ)給資源量所占比例,本次研究挑選典型封閉儲(chǔ)水洼地說明三水轉(zhuǎn)化特征。研究區(qū)南部一級(jí)儲(chǔ)水洼地出口泉水中T含量為51.6TU(TritiumUnit,取樣點(diǎn)3),反映該地下水為現(xiàn)代水,而其氫氧穩(wěn)定同位素δ值高于大氣降水,因此它除了接受大氣降水補(bǔ)給外,還接受了南部山體側(cè)向補(bǔ)給。同位素的混合比例公式為:δ樣=XδA+(1-X)δB(1)式中:X為A型水與B型水的混合比例;δ樣為混合后樣品的同位素δD、δ18O值;δA為A型水的同位素δD、δ18O值;δB為B型水的同位素δD、δ18O值。在此處A型水即大氣降水的δ值為δD=-86‰,δ18O=-15.8‰;B型水即南部山區(qū)地下水(取樣點(diǎn)1)的δ值為δD=-56‰,δ18O=-8.2‰;δ樣即一級(jí)洼地下游出露泉水(取樣點(diǎn)3)的δ值為δD=-62‰,δ18O=-7.8‰。以δD為例,根據(jù)公式(1)得出:X=δ樣-δBδA-δB=(-62%)-(-56%)(-86%)-(-56%)=0.2117(2)X=δ樣?δBδA?δB=(?62%)?(?56%)(?86%)?(?56%)=0.2117(2)從公式(2)可以得出,降水直接入滲補(bǔ)給量約占21%,以降雪樣品為A型水(δD=-64‰,δ18O=-10.1‰)計(jì)算,冰雪融水入滲補(bǔ)給量約占79%,即為山區(qū)洪流入滲補(bǔ)給量。實(shí)際一級(jí)洼地年降水、洪流入滲比例為60%。根據(jù)剖面圖(圖3),一級(jí)洼地泉水下滲成為基巖裂隙水,繼而側(cè)向補(bǔ)給二級(jí)洼地,考慮到洪水入滲補(bǔ)給,且一級(jí)洼地泉水穩(wěn)定同位素值與二級(jí)洼地出露泉水的同位素值接近,而二級(jí)洼地上游裂隙潛水(取樣點(diǎn)4)同位素值δD=-47‰,δ18O=-6.7‰,以裂隙水看成側(cè)向補(bǔ)給并作為B型水根據(jù)公式計(jì)算,降水直接入滲比例占38%。1969年丹斯加爾德對(duì)格陵蘭北部世紀(jì)營長為1390m的冰心進(jìn)行了氧同位素研究,得到如下結(jié)論:8000a以來δ18O值變化不大,說明8000a以來氣候相差不多;距今10000～60000a的最后一次冰期內(nèi),δ18O平均值比現(xiàn)在的低10%左右。我們注意到,二級(jí)洼地地下水氚含量小于3TU,并且14C測年顯示其為古水(年齡大于8000a)。說明古降水直接入滲比例達(dá)到38%,而現(xiàn)今大氣降水并沒有混入,致使地下水氚含量極低。一級(jí)洼地氚含量較高,但14C測年仍高達(dá)兩千多年,這似乎有些矛盾。其實(shí)不然,一級(jí)洼地除了大氣降水的直接、間接補(bǔ)給外,側(cè)向補(bǔ)給也占有相當(dāng)比例,根據(jù)斷面達(dá)西公式計(jì)算側(cè)向補(bǔ)給比例可以達(dá)到40%左右,說明泉水中14C來自深層水,而淺層水14C含量則直接受到大氣降水影響。依據(jù)此結(jié)論,一級(jí)洼地地下水流動(dòng)系統(tǒng)將深層裂隙水與淺層孔隙水視為兩個(gè)地下水流動(dòng)系統(tǒng)。4值的估算地下水中常見的放射性同位素主要有T和14C,由于T與O形成含氚地下水,成為天然的放射性示蹤劑,為人們研究地下水提供依據(jù)。大氣降水中的氚有兩個(gè)主要來源,宇宙射線成因的氚和核爆氚。核爆氚自20世紀(jì)50年代快速上升,至1963年達(dá)到頂峰,隨后逐年降低,21世紀(jì)初已恢復(fù)到核爆前水平。由于氚的半衰期較短(12.43a),故利用氚值估算地下水年齡僅能計(jì)算百年以內(nèi)尺度。由于研究區(qū)位于新疆中部,距離大氣層核試驗(yàn)場直線距離約200km,核爆對(duì)當(dāng)?shù)亟邓绊戄^大,至今降水氚含量在本區(qū)仍高達(dá)45～65TU。根據(jù)研究區(qū)各水樣點(diǎn)氚值測試值(表1),一級(jí)洼地地下水、泉水氚含量均較高,但深層水氚含量明顯降低,二級(jí)洼地氚含量極小,因此不受現(xiàn)代大氣降水影響,利用區(qū)域降水氚含量恢復(fù)值,估算出一級(jí)洼地淺層地下水滯留時(shí)間。4.1系統(tǒng)總體響應(yīng)以大氣降水作為輸入信息,氚隨著大氣降水被輸入到系統(tǒng)中,而輸入與流量Q成正比,則系統(tǒng)輸入信息用公式表示為:C入=α·S·f·P·β·ψ(3)式中:C入為隨降水輸入的氚信息,dpm;α為降水的深入系數(shù);S為接受降水補(bǔ)給面積,km2;f為降水中氚濃度,TU;P為年降雨量,mm;β為1L水中氚計(jì)數(shù);ψ為降水量換算因子(將mm換算km)。系統(tǒng)輸出信息用公式表示為:C出=r·Q出·y出·β(4)式中:C出為輸出氚信息,dpm;Q出為泉年平均流量或斷面流量,m3/s;r為時(shí)間換算因子(年換成秒),即r=1×365×24×3600;y出為泉水平均氚濃度,TU。當(dāng)?shù)叵滤到y(tǒng)信息傳輸符合線性規(guī)則,整體上能將其內(nèi)部結(jié)構(gòu)特性概化為一個(gè)點(diǎn)參數(shù),用以表示不隨時(shí)間變化的系統(tǒng),稱之為線性時(shí)不變集中參數(shù)系統(tǒng)。數(shù)學(xué)上用褶積公式描述,且考慮整個(gè)時(shí)間域(0～∞),系統(tǒng)的總響應(yīng)為各脈沖響應(yīng)的疊加,并考慮放射性衰變。Q出·C出=∞∫0Q入·C入(t-τ)·e-λτ·g(τ)dτ(5)式中:τ為示蹤劑滯留時(shí)間,年;t為日歷時(shí)間;g(τ)為系統(tǒng)響應(yīng)權(quán)函數(shù)。穩(wěn)定流條件下,Q出=Q入,將C出公式帶入公式(5)得到:r?Q出(t)?y出(t)?β=∞∫0α?S?β?ψ?Ρ?f?e-λτ?g(τ)dτ(6)y出(t)=3.17×10-5?α?SQ出(t)∞∫0Ρ入(t-τ)·f入(t-τ)·e-λτ·g(τ)dτ(7)式中3.17×10-5為換算系數(shù),其他符號(hào)同前式。4.2系統(tǒng)響應(yīng)函數(shù)根據(jù)權(quán)函數(shù)類型不同,可以將模型類型分為活塞流模型和全混合模型?；钊髂Ｐ图俣ǖ叵滤到y(tǒng)的所有相繼輸入之間不發(fā)生混合。在這種模型中,當(dāng)有一個(gè)單位脈沖示蹤劑輸入系統(tǒng)時(shí),從系統(tǒng)中流出的示蹤劑將是一個(gè)平均傳輸時(shí)間τ的函數(shù),系統(tǒng)的響應(yīng)函數(shù)為g(τ)=δ(t-τ),δ為狄拉克函數(shù)。示蹤劑的輸入輸出關(guān)系為:y出(t)=y入(t-τ)·e-λτ(8)全混合模型又稱指數(shù)模型,其假定系統(tǒng)任何時(shí)間不同年齡地下水都均勻混合。系統(tǒng)的響應(yīng)函數(shù)為:g(τ)=(1/τm)?e-ττm(9)式中τm是示蹤劑平均滯留時(shí)間。4.3全混合模型的建立地下水流動(dòng)系統(tǒng)是指一個(gè)地下水系統(tǒng)內(nèi)自補(bǔ)給區(qū)(源)到排泄區(qū)(匯)的徑流過程中具有統(tǒng)一時(shí)空演變的地下水流。通過前述分析,本區(qū)一級(jí)洼地地下水可視為深層裂隙水與淺層孔隙水兩個(gè)流動(dòng)系統(tǒng)。根據(jù)地下水氚值測試結(jié)果可知:一級(jí)洼地淺層孔隙水補(bǔ)給來源為大氣降水,氚含量較高;深層裂隙水為山前側(cè)向補(bǔ)給,氚含量較低。依據(jù)氚測年尺度,本次研究僅將淺層孔隙水作為子流動(dòng)系統(tǒng)計(jì)算地下水年齡,淺層孔隙水流動(dòng)系統(tǒng)由于降水的直接或洪流間接補(bǔ)給,將降水入滲作為輸入信號(hào),泉作為輸出信號(hào),分別假定兩種極端情況即活塞流模型與全混合模型計(jì)算地下水年齡。活塞流模型為:y出(t)=y入(t-τ)·e-λτ(τ=τm)(10)單輸入單輸出的全混合模型為:y出(t)=3.17×10-5?α?SQ出(t)∞∫0Ρ入(t-τ)·f入(t-τ)·e-λτ·g(τ)dτ(11)y出(t)=3.17×10-5?α?SQ出(t)∞∑τ=0Ρ入(t-τ)·f入(t-τ)·e-λτ·g(τ)(12)將全混合模型權(quán)函數(shù)代入公式(12)得到:y出(t)=3.17×10-5?α?SQ出(t)∞∑τ=0Ρ入(t-τ)·f入(t-τ)·e-λτ?1τm?e-ττm(13)設(shè)φ=(3.17×10-5·α·S)/Q出(t),因1952年前降水氚濃度很低,經(jīng)過一定時(shí)間衰變對(duì)地下水系統(tǒng)貢獻(xiàn)已趨于0,故上式簡化為:y出(t)=φτmt-1952∑τ=0Ρ入(t-τ)·f入(t-τ)·exp[-τ(1/τm)+0.05581)](14)2009年對(duì)研究區(qū)進(jìn)行取樣測試,同時(shí)收集了多年降水氚值測試成果。焦鵬程等研究了羅布泊鹵水同位素特征,并恢復(fù)了1952年以來降水氚值。本次工作將利用其部分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)充,研究區(qū)內(nèi)1952年以來降水氚恢復(fù)值(表2)。另外測得一級(jí)洼地降水補(bǔ)給面積約為85km2,降水入滲系數(shù)為0.2(入滲系數(shù)為降水直接、間接補(bǔ)給共同計(jì)算得到),下游泉水流量為1000m3/d,因泉水部分來自深層水,假定地下水為穩(wěn)定流,故此處泉水流量為實(shí)測流量減去山前側(cè)向補(bǔ)給量。根據(jù)公式(10)和公式(14),利用f、P以及φ計(jì)算不同φ/τm條件下的泉流量中y出(2009年)值,繪制y出-τm曲線(圖4,圖5)。根據(jù)泉水樣品氚含量平均值(51.6TU),活塞流模型計(jì)算淺層孔隙水平均年齡為32a,全混合模型計(jì)算其年齡為60a?；钊髂Ｐ秃腿旌夏Ｐ褪撬旌系膬煞N極端情況,而地下水實(shí)際滯留時(shí)間介于二者之間,故可以認(rèn)為一級(jí)洼地淺層孔隙水實(shí)際年齡為32～60a。5地下水補(bǔ)給量研究區(qū)位于西北干旱區(qū),地貌整體呈現(xiàn)東西向山體夾東西向洼地格局,地下水主要來自大氣降水和山區(qū)側(cè)向補(bǔ)給。地下水資源分配不均,靠近山前洼地水量豐富,遠(yuǎn)離山區(qū)洼地水量減少,并且各級(jí)洼地受山體控制,地下水、地表水反復(fù)轉(zhuǎn)化,上一級(jí)儲(chǔ)水洼地的泉水構(gòu)成下一級(jí)洼地的重要補(bǔ)給來源?；谕凰乩碚?判斷地下水補(bǔ)給來源為大氣降水。各級(jí)洼地大氣降水直接入滲比例各不相同,一級(jí)洼地降水與洪流入滲比例分別約為21%和79%,而山前側(cè)向補(bǔ)給占40%。二級(jí)洼地地下水氚含量極低而14C年齡較大,降水入滲比例可以達(dá)到38%,但為古