黑河流域張掖盆地地表水駁叵濾系統(tǒng)同位素特征及轉(zhuǎn)化關(guān)系

劉芬 王水獻(xiàn) 藍(lán)永超 胡興林

摘要：

在西北干旱區(qū)內(nèi)陸河流域，地表水與地下水轉(zhuǎn)化頻繁，流域內(nèi)河流和含水層之間的相互作用歷來是水循環(huán)研究的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。環(huán)境同位素作為水循環(huán)研究中的示蹤劑，可以有效地揭示流域河流-含水層之間的轉(zhuǎn)化關(guān)系。根據(jù)張掖盆地黑河河水及其兩岸地下水中的穩(wěn)定氫氧同位素資料及氘過量參數(shù)（d）值，分析了張掖盆地內(nèi)不同水體中的δD、δ18O和d值的分布規(guī)律及其所指示的地下水主要補給來源和地下水與黑河河水的相互作用關(guān)系。結(jié)果表明，張掖盆地內(nèi)地下水和地表水同源于山區(qū)的降水和冰雪融水，不同深度地下水之間的水力聯(lián)系密切，為統(tǒng)一的河流地下水系統(tǒng)。在張掖盆地灌溉區(qū)，綠洲農(nóng)田灌溉嚴(yán)重影響了地下水和河水之間的轉(zhuǎn)化，導(dǎo)致地下水補給地表水的增加。運用質(zhì)量守恒原理，定量分析了盆地地下水與地表水轉(zhuǎn)化的轉(zhuǎn)化量，為正確評價和合理利用水資源奠定了基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：環(huán)境同位素；地下水；δD；δ18O；張掖盆地；黑河流域；干旱區(qū)

中圖分類號：P426.61文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：

16721683（2014）02009205

Environmental Isotopes Features and Exchanges of SurfacewaterGroundwater System

in the Zhangye Basin of Heihe River Watershed

LIU Fen1，2，WANG Shuixian1，2，LAN Yongchao2，HU Xinglin3

（1.College of Earth and Environmental Sciences，Lanzhou University，Lanzhou 730000，China；

2.Cold and Arid Regions Environment and Engineering Research Institute，Chinese Academy of Sciences，

Lanzhou 730000，China；3.Hydrology and Water Resources Bureau of Gansu Province，Lanzhou 730000，China）

Abstract：In the arid inland river basin of western China，groundwater and surface water exchange frequently，and the interaction between the river and aquifer in the river basin is an important research aspect of water cycle.Environmental isotopes can effectively reveal the relationship between the river and aquifer as tracers in the water cycle.Based on the environmental isotope features of hydrogen，oxygen，and deuterium excess （d） in groundwater and Heihe River of the Zhangye Basin，the spatial characteristics of δD，δ18O，and d in different water bodies were analyzed，which may indicate the main sources of groundwater and the interaction between groundwater and Heihe River.The results indicated that the groundwater and river water are mainly derived from the snow milting water and rainfall and the hydraulic connection of groundwater in different depths is very high.In the irrigation area of the Zhangye Basin，flood irrigation on vast farmlands has caused significant impacts on the interaction between groundwater and river water，resulting in the increasing of groundwater recharging river water.The exchange between groundwater and river water was analyzed quantitatively using the mass conservation principle，which can provide scientific basis for accurate assessment and reasonable utilization of water resources.

Key words：environmental isotopes；groundwater；δD；δ18O；Zhangye Basin；Heihe River Watershed；arid zone

在西北干旱地區(qū)，地下水是支持國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要水源，正確識別地下水的補給來源并厘清地下水與河水之間的相互轉(zhuǎn)化關(guān)系和轉(zhuǎn)換量，對建立區(qū)域水循環(huán)模式、揭示水資源形成機(jī)制、評價水資源總量及地下水污染治理，從而進(jìn)行水資源合理開發(fā)利用和科學(xué)管理等都具有重要的理論意義和實際價值[13]。

環(huán)境同位素存在于各種自然水體中，每種水體都具有獨特的同位素組成。由于水循環(huán)的作用，產(chǎn)生了同位素分餾，從而引起不同水體中同位素含量的變化。氘”和氧（18O）的同位素特征δD、δ18O，以及量化各地區(qū)大氣降水線與全球大氣降水線的偏差而產(chǎn)生的氘盈余（δd=δD-8δ18O）等環(huán)境同位素特征為水體打上了各種環(huán)境因素影響的特征“標(biāo)記”，因此成為追蹤各種水文作用的理想示蹤劑。目前環(huán)境同位素已成功地應(yīng)用于指示水的來源、確定水的年齡、記錄水-巖相互作用、研究水庫滲漏以及水土流失等方面，也被廣泛應(yīng)用于地下水補給來源的確定、地下水系統(tǒng)演化以及地下水與地表水之間的相互作用等方面的研究[45]。

張掖盆地位于黑河流域中游，屬于典型的干旱地區(qū)，由于特殊的自然環(huán)境和人類活動的影響，其地表水與地下水資源及其循環(huán)轉(zhuǎn)化關(guān)系引起了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。目前已有學(xué)者利用同位素手段進(jìn)行了相關(guān)方面研究：張光輝等采用環(huán)境同位素法、水文分割法、Tamers和IAEA模型等方法開展了黑河流域水循環(huán)過程與地下水形成演化模式研究，表明降水量和氣溫是改變研究區(qū)平原地下水補給的兩大要素，二者分別占91%、9%的權(quán)重，而且黑河流域地下水同位素特征與補給源的屬性和數(shù)量密切相關(guān)，具有非均一性[59]；陳崇宇等利用環(huán)境同位素法和水均衡方法識別了流域地下水補給來源[10]；聶振龍等應(yīng)用環(huán)境同位素方法研究了黑河源區(qū)水文循環(huán)特征，并基于水化學(xué)方法識別了沿黑河干流不同地帶地下水與地表水的相互轉(zhuǎn)化關(guān)系[1112]；張應(yīng)華等利用同位素上游降水中δ18O 變化特征，定量分析了黑河中游盆地黑河地下水與地表水的轉(zhuǎn)化量[1314]。仵彥卿等運用Stratagem EH4 電導(dǎo)率成像系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)在哨馬營至板灘井存在一個地塹式斷層，斷裂帶為古河道，同時又運用地球物探、盆地地質(zhì)演化等多種研究方法，綜合分析了黑河下游盆地河水與地下水的轉(zhuǎn)化途徑及方式[15]。以上研究大多以降水作為切入點，通過環(huán)境同位素在水循環(huán)中的時空變化，得到宏觀尺度上地表水地下水系統(tǒng)的相互作用轉(zhuǎn)化特征。

考慮到地下水和河水轉(zhuǎn)化因時因地不同而呈現(xiàn)不同的關(guān)系，筆者在張掖盆地沿河流流向采集具有不同水體來源的地下水和地表水樣，以質(zhì)量守恒原理為理論基礎(chǔ)，通過分析水體中δD、δ18O的空間分布特征，揭示地下水的補給來源及其與地表水體之間的關(guān)系，從而為張掖盆地地下水資源評價和地下水合理開采利用提供科學(xué)依據(jù)，同時該項工作對黑河水量科學(xué)調(diào)度及水資源合理配置、高效利用也具有重要意義。

1研究區(qū)概況

張掖盆地的氣候特征表現(xiàn)為熱量充足，日照長，溫差較大，且涼爽濕潤，屬于大陸荒漠性氣候，地理位置為東徑105°19′―106°44′，北緯38°42′―39°47′，地處河西走廊中段，西靠臨澤，東與山丹、民樂相依，南為肅南裕固族自治縣，北依龍首山，總面積約4 240 km2。黑河中游地區(qū)為鶯落峽至正義峽區(qū)間，在行政區(qū)域上包括張掖盆地的甘州區(qū)和臨澤、高臺兩縣。年均降水量從南部的250 mm向北降低至100 mm以下，同時沿線海拔則從2 000 m以上降至1 000 m左右，這樣大的地面落差為地表水-地下水-地表水之間的轉(zhuǎn)化創(chuàng)造了有利條件。張掖盆地是整個黑河流域地表水與地下水轉(zhuǎn)換最為頻繁的地段，是水循環(huán)演化的關(guān)鍵地帶，同時也是全流域水資源利用程度最高和利用量最大的地區(qū)[16]。區(qū)內(nèi)地形地貌平坦，地面海拔一般在1 050～1 200 m，地勢東高西低、南高北低，在地貌上可分為祁連山山前沖洪積戈壁平原、盆地中部沖洪積細(xì)土平原和北部龍首山山前戈壁平原。盆地潛水系統(tǒng)是一個比較復(fù)雜的開放系統(tǒng)，第四系含水系統(tǒng)可分為山前沖積扇單一潛水子含水層系統(tǒng)和細(xì)土平原多層潛水承壓水子含水層系統(tǒng)。整個張掖盆地具有相對獨立的補給、徑流、排泄特征，構(gòu)成相對獨立的水文地質(zhì)單元，而盆地內(nèi)部地表河水與地下水之間的相互轉(zhuǎn)化，將河流與含水層相互連接，從而構(gòu)成一個統(tǒng)一的“河流含水層”系統(tǒng)。

圖1張掖盆地位置及取樣點分布

Fig.1Geographic map of the Zhangye Basin and

location of water sampling points

2樣品采集與研究方法

2.1樣品采集

地下水環(huán)境同位素樣品主要沿張掖盆地長軸方向采取，并輔以垂直于黑河的剖面，地表水樣品則沿黑河自出山口鶯落峽至下游正義峽采取。采樣時間為2010年10月中旬，采集樣品49個，其中地下水樣37個，地表水樣12個，基本控制了張掖盆地黑河影響帶。地下水樣多取自機(jī)井、大口井和手壓井，井深在8～120 m之間。

2.2地表水-地下水轉(zhuǎn)化估算方法

按照質(zhì)量守恒原理，可以估算出地下水排泄到河水中的份額，其質(zhì)量守恒方程為[5]：

Os·Qs=Og·Qg+Ob·（Qs-Qg）（1）

式中：Os為取樣點河水中的δ18O值；Og為取樣點地下水中δ18O值；Ob為河流上游來水中δ18O值；Qs為取樣點河水流量；Qg為地下水排泄量。則由公式（2）可以計算出地下水排泄量占河水流量的百分比。

f= （Qg/Qs）×100%=（Os-Ob）/（Og - Ob）×100% （2）

2.3樣品的測定方法

樣品的δD和δ18O由中國林科院國家重點實驗室測定，使用儀器為MAT251穩(wěn)定同位素氣體質(zhì)譜儀，測定方法分別為CO2 平衡法和金屬鈾還原法，測試精度分別是δD為±0.01%，δ18O±0.002%。水樣測試結(jié)果見表1。

3結(jié)果與分析

3.1黑河河水氫氧穩(wěn)定同位素組成

國際原子能機(jī)構(gòu)IAEA和世界氣象組織WMO建立的全球降水同位素觀測網(wǎng)GNIP中包含中國27個監(jiān)測點的大氣降水δD和δ18O資料，其中張掖地區(qū)大氣降水的δ18O和δD加權(quán)平均值（1986年-2000年）分別是-6.4‰和-42‰，因此當(dāng)?shù)卮髿饨邓€方程（LMWL）見公式（3）[2]：

δD=6.87δ18O+3.45（3）

Dansgaard（1964）提出了氘過量的概念，并將其定義為：

d=δD-8δ18O（4）

由此，自鶯落峽水文站至正義峽水文站，黑河河水中δD、δ18O和d值特征見表2。

由表2可知，黑河河水中的δD在-41.06‰～-52.5‰之間，平均值為-48.59‰，變差系數(shù)為-7.35%；δ18O在-6.21‰～-8.58‰之間，平均值為-7.80‰，變差系數(shù)為-9.89%。以上結(jié)果表明，不同環(huán)境同位素在地表水-地下水轉(zhuǎn)化系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)化能力也不同，δ18O的轉(zhuǎn)化能力較δD強烈。黑河河水中d值在4.92‰～17.68‰之間，平均值為13.77‰，變差系數(shù)為31.55%，說明水體受到強烈的蒸發(fā)作用，導(dǎo)致重同位素富集。

從研究區(qū)4種不同水樣的δD-δ18O關(guān)系圖（圖2）可以看出，黑河河水水樣中環(huán)境同位素分布特征為：（δ18O，δD）特征點均靠近當(dāng)?shù)亟邓€（GMWL），僅正義峽水文站處河水樣

圖2研究區(qū)不同水體δD-δ18O關(guān)系

Fig.2Relationship between δD and δ18O of

different water bodies in the study area

（HR10）緊靠降水線，并沿斜率為3.93的蒸發(fā)線（EL：δD=3.934 6δ18O-17.237）分布。

一般來講，河水水體同位素特征（δ18O，δD）與該處河水與上游之間的距離呈正相關(guān)關(guān)系，主要原因是水體經(jīng)過強烈蒸發(fā)所引起的同位素分餾，越接近河流下游，降水越少，空氣的干燥程度越高，則引起的同位素分餾效應(yīng)越大。從圖3可以看出，黑河河水同位素從出山口鶯落峽到下游正義峽存在明顯的遞增趨勢，但在中游δD和δ18O降低，這可能與中游地區(qū)強烈的農(nóng)業(yè)灌溉有關(guān)。

圖3河水中同位素沿河流方向的變化

Fig.3Variation of δD and δ18O of stream water along flow direction

3.2地下水氫氧穩(wěn)定同位素特征

表2和圖2顯示，不同含水層地下水中氫氧穩(wěn)定同位素組成不同，地下水中δD和δ18O空間變化大。

淺層地下水中的δD在-44.17‰～-59.90‰之間，平均值為-50.38‰，變差系數(shù)為-9.84%；δ18O在-5.75‰～-9.26‰之間，平均值為-7.57‰，變差系數(shù)為-14.83%；d在1.83‰～21.68‰之間，平均值為10.17‰，變差系數(shù)為5239%。

中深層地下水中的δD在-43.46‰～-74.30‰之間，平均值為-56.58‰，變差系數(shù)為-13.56%；δ18O在-647‰～-10.41‰之間，平均值為-8.83‰，變差系數(shù)為-11.18%；d在6.38‰～26.70‰之間，平均值為14.06‰，變差系數(shù)為38.72%。

由圖2可以看出，地下水中氫氧同位素組成大多位于當(dāng)?shù)卮髿饨邓€（GMWL）下方，δD和δ18O方程可表示為：

δD=5.3325δ18O-9.0007（5）

斜率小于張掖盆地降水線（LWML），表明地下水的補給來源曾經(jīng)歷了較強的蒸發(fā)作用而引起氫氧重同位素富集，使氫氧同位素點偏離大氣降水線并位于其右下方。

根據(jù)地下水中的δD和δ18O值，可以將研究區(qū)地下水分為3類：第I類水樣點位于降水線的左上方，這可能是存在較強水巖相互作用的結(jié)果；第II類水樣點位于降水線的左下方，主要取自黑河沿岸且靠近河流，地下水位埋深淺，存在較為明顯的氧同位素重化漂移，地下水可能經(jīng)歷了較強的蒸發(fā)作用或存在較強的水巖作用；第III類為水樣散布于局部蒸發(fā)線附近，包含剩余水樣，主要取自黑河北岸和南岸較遠(yuǎn)離河流的區(qū)域。

由于地下水與河水的氫氧穩(wěn)定同位素組成差別較大，因此利用線性區(qū)間估計方法來對二者關(guān)系進(jìn)行了分析（見圖4）。河水和地下水的同位素轉(zhuǎn)化關(guān)系表現(xiàn)為線性特征：

δD=5.0313δ18O-11.551（6）

其中相關(guān)系數(shù)R=0.804，F(xiàn)=81.062>F0.05（1，49）=4.10，在α=0.05水平下二者線性關(guān)系顯著。

圖4河水和地下水中δDδ18O

Fig.4Relationship between δD and δ18O

of stream water and groundwater

由圖4可知，河水和地下水的δ18O、δD特征點均分布于蒸發(fā)線的95%置信區(qū)間內(nèi)，表明研究區(qū)內(nèi)河水和地下水同源于大氣降水，在進(jìn)入山口之前經(jīng)歷蒸發(fā)作用，自鶯落峽進(jìn)入張掖盆地后，河水大量入滲補給地下水，地下水所受蒸發(fā)作用弱，因此其δD和δ18O普遍小于河水。此外，季節(jié)差別和溫度效應(yīng)也增加了二者的差別[15，1718]。

3.3地表水-地下水轉(zhuǎn)化關(guān)系

根據(jù)樣品測試結(jié)果，由公式（2）計算得到各測點上地下水排泄量對河水流量的貢獻(xiàn)百分比（見表3）?？梢园l(fā)現(xiàn)，研究區(qū)從新黑河大橋斷面至正義峽斷面位置，為地下水排泄區(qū)間，其整體補給趨勢明顯遞增，局部呈現(xiàn)波浪型正態(tài)分布趨勢，并在高崖水文站至平川大橋區(qū)間和高臺大橋至正義峽區(qū)間達(dá)到峰值。呈現(xiàn)這種正態(tài)分布趨勢的主要原因是，黑河流域中游地區(qū)為綠洲農(nóng)田灌溉密集區(qū)，大量的引水灌溉和地下水開采改變原有的地下水和河水轉(zhuǎn)化關(guān)系，從而導(dǎo)致河水對沿程地下水補給滲漏減少，相對應(yīng)的地下水向地表水的排泄量增加。在張掖盆地，個別區(qū)域灌溉用水導(dǎo)致地下水對河水的補給量增加超過80%。

斷面位置 新黑河大橋 高崖水文站 黑河大橋下 平川黑河大橋 高臺黑河大橋 羅成黑河大橋 正義峽水文站

由此可見，黑河河水與地下水的交換情況沿程是有所變化的，不同地段隨地下水水位高低起伏而發(fā)生補給或排泄。通常情況下，地表水以補給地下水為主，但是在農(nóng)業(yè)灌區(qū)附近，農(nóng)田灌溉改變了地下水和地表水之間的轉(zhuǎn)化方式和轉(zhuǎn)化量，以地下水排泄補給地表水為主，使其對地表水的貢獻(xiàn)量超過50%。這種地下水與地表水之間補給方式的轉(zhuǎn)換，將導(dǎo)致河水補給地下水量的減少。

4結(jié)論

（1）張掖地下水和河水同源于山區(qū)大氣降水，二者都經(jīng)受一定蒸發(fā)作用而產(chǎn)生重同位素聚集。溫度效應(yīng)和蒸發(fā)程度不同導(dǎo)致二者同位素組成存在較大差異。利用這種差異，能很好地分析河水與地下水之間的相互轉(zhuǎn)化。地下水主要由經(jīng)歷蒸發(fā)作用的河水在洪積扇的大量入滲補給，而淺層地下水由于接受河流引水灌溉的補給，蒸發(fā)作用強烈，水土相互作用頻繁，河流與地下水存在密切的水力聯(lián)系。

（2）黑河河水與地下水的交換隨沿程發(fā)生變化，不同地段隨地下水水位高低起伏而發(fā)生補給或排泄。在盆地中游灌溉密集區(qū)，農(nóng)業(yè)引水改變了河流與地下水的補排關(guān)系，使得地下水通過排泄補給地表水，其對地表水的貢獻(xiàn)量一般超過50%。

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