皮山河綠洲帶大氣降水同位素特征及其應(yīng)用

郭 新，李 升，鄧恩松，余 斌

(新疆大學(xué)地質(zhì)與礦業(yè)工程學(xué)院，烏魯木齊 830047)

0 前 言

同位素作為自然水體中的重要組成部分，盡管其所占比例很小，卻非常敏感地響應(yīng)著環(huán)境的變化，并記載著水循環(huán)演化的歷史信息[1,2]。進(jìn)行大氣降水中同位素組成分析是研究局部乃至全球水循環(huán)的必要前提[3]。來(lái)源不同的水體，往往具有不同的D 和18O特征，據(jù)此可以確定水循環(huán)中部分水體的來(lái)源的，解釋大氣降水、地表水和地下水之間的相互關(guān)系[3-6]

隨著穩(wěn)定同位素技術(shù)在水文水資源領(lǐng)域應(yīng)用不斷加深，降水同位素的研究越發(fā)顯現(xiàn)出其價(jià)值。1961年，全球大氣降水同位素網(wǎng)絡(luò)GNIP(Global Network of Isotopes In Precipitation)正式啟動(dòng)，目前已為全球提供上百個(gè)站點(diǎn)的多年大氣降水同位素?cái)?shù)據(jù)[7]。

國(guó)內(nèi)外的專家學(xué)者也對(duì)降水同位素及其特征已經(jīng)進(jìn)行了廣泛的研究，并取得深刻的認(rèn)識(shí)。我國(guó)學(xué)者在國(guó)內(nèi)也開展了大量的研究，如王曉艷等[3]利用渭南大氣降水δD和δ18O實(shí)測(cè)值及相關(guān)的氣象觀測(cè)資料，分析了降水δD 和δ18O 的特征及其變化與水汽來(lái)源的關(guān)系。李捷等[8]利用北疆4個(gè)大氣降水觀測(cè)站的同位素?cái)?shù)據(jù)，結(jié)合HYSPLIT模式，重點(diǎn)分析了北疆大氣降水同位素特征。

目前，雖然對(duì)降水同位素特征已取得較為深刻的認(rèn)識(shí)，但具體應(yīng)用還主要是對(duì)于各研究區(qū)所構(gòu)建區(qū)域降水線和以此為基礎(chǔ)的一些籠統(tǒng)性的指示意義，對(duì)于降水同位素特征的具體實(shí)際應(yīng)用還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，對(duì)類似于塔里木盆地南緣人類活動(dòng)劇烈的典型中小河流綠洲帶，相關(guān)研究更是不足。本文選取具有代表性的皮山河綠洲帶進(jìn)行系統(tǒng)的同位素取樣和分析，通過(guò)分析研究區(qū)的大氣降水特征，建立研究區(qū)大氣降水線方程，并具體應(yīng)用，揭示研究區(qū)大氣降水、地表水、地下水之間的聯(lián)系，為處于相似地理環(huán)境的地區(qū)提供借鑒。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)主要為皮山河流經(jīng)的綠洲帶(見圖1)，處在新疆塔里木盆地南部邊緣，是塔里木盆地南緣具有代表性的中小河流綠洲帶。

圖1 取樣點(diǎn)位置分布Fig.1 The study area and sampling sites

皮山河屬冰雪消融、降水混合補(bǔ)給型河流，由發(fā)源于中昆侖山西段北坡的克里陽(yáng)河和步瓊河2大支流匯集而成，全年水量74%以上集中在夏季6-8月份[9]。由南及北，隨著海拔降低，地貌逐漸發(fā)生改變，綠洲的類型也發(fā)生改變。自山麓向平原在水平方向上，巖性由粗變細(xì)，由卵礫石逐漸過(guò)渡為砂礫石、中粗砂、粉細(xì)砂和亞砂土。流域內(nèi)主要分布有碎屑巖類孔隙裂隙水及松散巖類孔隙水，分別位于南部的低山丘陵地帶和沖洪積扇地帶，地下水主要接受南部山區(qū)側(cè)向徑流補(bǔ)給和區(qū)內(nèi)垂直入滲補(bǔ)給，地下水動(dòng)態(tài)變化主要受昆侖山區(qū)降雨及冰雪融化的控制，表現(xiàn)為地下水位的變化隨河水流量變化而變化。

2 樣品采集與分析

為了得出不同水體同位素的空間特征，于2016年7、11月在研究區(qū)進(jìn)行水樣采集。由于研究區(qū)所在的河流綠洲帶，人為修建的渠系與河道并存相互交錯(cuò)聯(lián)通，渠水河水混為一體，因此將河水渠水歸為一類。其中，2016年7月采集樣品包括河渠水樣3件、潛水樣5件以及承壓水樣2件，11月采集樣品包括河渠水樣3件，潛水樣1件，樣品采集位置及類型見圖1。采集的水樣送至核工業(yè)北京地質(zhì)研究院分析測(cè)試研究中心進(jìn)行δD和δ18O測(cè)定，水樣檢測(cè)結(jié)果見表1。

表1 研究區(qū)地表水、地下水δD、δ 18O檢測(cè)結(jié)果 %

3 數(shù)據(jù)分析與討論

3.1 全年降水同位素變化特征分析

1958年,國(guó)際原子能機(jī)構(gòu)IAEA(International Atomic Energy Agency)與世界氣象組織WMO(World Meteorological Organization)合作,計(jì)劃在全球范圍內(nèi)對(duì)降水中穩(wěn)定同位素成分進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)。1961年,全球大氣降水同位素網(wǎng)絡(luò)GNIP正式啟動(dòng)[7]，目前，已為全球提供上百個(gè)站點(diǎn)的多年大氣降水同位素?cái)?shù)據(jù)。與本文研究區(qū)域最近的站點(diǎn)為和田站，其觀測(cè)數(shù)據(jù)在一定程度上能夠代表研究區(qū)的降水同位素特征。

根據(jù)GNIP提供的和田站1988-1992年各月降水δD、δ18O及降水量數(shù)據(jù)[10]，繪制得到δD、δ18O和降雨量月變化趨勢(shì)圖(見圖2)。

圖2 和田站δD、δ18O降雨量月變化趨勢(shì)Fig.2 Monthly variation characteristics of δD and δ 18O of precipitation in Hotan

和田站1988-1992年年平均降雨量為204.6 mm，如圖2所示，和田站的主要降水集中在5-8月，占全年降雨量的70%左右,降雨量最大值出現(xiàn)在6月，最小值在10月。全年降水同位素δD、δ18O也有明顯的變化,δD、δ18O的最大值出現(xiàn)在8月，最小值出現(xiàn)在2月。不難發(fā)現(xiàn)，全年的降水量與降水中的同位素值有著同樣的變化趨勢(shì)，降水中的同位素值變化稍微滯后于降水量的變化。根據(jù)GNIP在新疆的另一個(gè)觀測(cè)站點(diǎn)烏魯木齊站1986-2003年數(shù)據(jù)[10]繪制δD、δ18O和降雨量月變化趨勢(shì)圖(見圖3)，可以看出烏魯木齊站全年降水同位素δD、δ18O也有明顯的變化，與和田站相似。

圖3 烏魯木齊站δD、δ18O降雨量月變化趨勢(shì)Fig.3 Monthly variation characteristics of δD and δ 18O of precipitation in Urumqi

根據(jù)和田站(1988-1992年)降水同位素?cái)?shù)據(jù)[10]，并結(jié)合王圣杰[11]等2012-2013年南疆10個(gè)站點(diǎn)大氣降水同位素監(jiān)測(cè)值擬合得到南疆地區(qū)大氣降水線方程為：δD = 8.02 δ18O + 5.88(n=310,R2= 0.967 2)(見圖4)，與全球大氣降水線方程：δD = 8.0 δ18O + 10相比，斜率稍大、截距較小，表明水汽到達(dá)南疆地區(qū)降落前經(jīng)歷了一定的蒸發(fā)作用。

圖4 和田站各月降水δD值～δ18O值關(guān)系Fig.4 Plot of δD versus δ 18O for monthly precipitation in Hotan

如圖4所示，全年各月降水同位素值大致可分為2部分，區(qū)域Ⅰ和Ⅱ。區(qū)域Ⅰ包括12-3月，這幾個(gè)月的降水同位素加權(quán)平均值為：δD值=-13.430%、δ18O值= -1.73%，同位素相對(duì)貧化。區(qū)域Ⅱ包括4-10月，這幾個(gè)月的降水同位素加權(quán)平均值為：δD值=-2.036%、δ18O值=-0.404%，同位素相對(duì)富集，降水同位素值具有明顯的季節(jié)差異性。根據(jù)王圣杰在南疆大氣降水同位素監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的數(shù)據(jù)(見表2)也可以看出南疆降水同位素值具有明顯的季節(jié)差異性。

表2 2012-2013年部分南疆站點(diǎn)大氣降水δD、δ 18O 加權(quán)平均值[11] %

研究區(qū)所在的西北干旱區(qū)全年有2條水汽路徑，分別為西風(fēng)帶輸送的大西洋海源水汽以及極地北冰洋地區(qū)水汽[12]。夏季受西風(fēng)帶影響降雨量較大，且溫度較高蒸發(fā)較為強(qiáng)烈，相對(duì)于冬季同位素較為富集，因此降水同位素年內(nèi)會(huì)分為2部分。

3.2 地表水、地下水同位素特征分析

結(jié)合2次采樣檢測(cè)結(jié)果，繪制δD～δ18O關(guān)系圖(見圖5)。如圖5所示，無(wú)論是7月還是11月采集的各水體水樣都集中在當(dāng)?shù)亟邓€的同一塊區(qū)域，說(shuō)明在降雨量與蒸發(fā)存在明顯差異的季節(jié)里，不同水體之間的聯(lián)系也較為緊密，降雨量效應(yīng)不明顯，造成這種現(xiàn)象說(shuō)明不同時(shí)期各水體可能持續(xù)受到不同季節(jié)降水及冰雪融水補(bǔ)給的影響。分別對(duì)不同時(shí)期的地表水、地下水樣品進(jìn)行δD、δ18O值分析，得出各自的δD～δ18O關(guān)系(見圖6)。

圖5 降水、河渠水、潛水、承壓水δD～δ18O關(guān)系Fig.5 Relationship between δD and δ18O of precipitation, surface water and groundwater

圖6 研究區(qū)地表水、地下水δD～δ18O關(guān)系Fig.6 Relationship between δD and δ18O of surface water and groundwater

由圖6可以看出，無(wú)論是地表水還是地下水的氫氧同位素組成均位于當(dāng)?shù)卮髿饨邓€附近，顯示它們接受了大氣降水補(bǔ)給。同時(shí)，如圖6所示，各水體交錯(cuò)分布，這一點(diǎn)在地下水上反映明顯。根據(jù)降雨量得到和田站點(diǎn)δD、δ18O的降雨量加權(quán)平均值分別為-0.546%、-3.263%，結(jié)合表1的檢測(cè)結(jié)果可知，這與各時(shí)期水體的D、18O檢測(cè)結(jié)果基本處于同一變化范圍，相差不大，說(shuō)明不同時(shí)期內(nèi)的各水體之間聯(lián)系密切，即受到不同季節(jié)降水及冰雪融水持續(xù)補(bǔ)給的影響。選擇各時(shí)期數(shù)據(jù)較多的水體進(jìn)行δD～δ18O關(guān)系擬合分析，各時(shí)期主要水體的δD～δ18O關(guān)系為：

δD7河= 8.48 δ18O + 9.39 (R2=0.82)

δD11河=11.63 δ18O + 14.88 (R2=0.97)

δD7潛=8.92 δ18O + 8.14 (R2=0.91)

可以看出其斜率均大于當(dāng)?shù)亟邓€斜率8.02。由上文分析，12-3月降水同位素較為貧化，斜率變大是由于受到貧同位素水體補(bǔ)給的原因。在干旱地區(qū)，高海拔冰川區(qū)冰雪融水與降水是內(nèi)陸河流的重要水源，并且冰雪融水是極其重要的組成部分[13,14]。根據(jù)孫從建等[15]2014-2015在天山山區(qū)典型內(nèi)陸河流取樣檢測(cè)結(jié)果(見表3)分析，可以看出,冬半年降水較夏半年降水同位素貧化，冰川融水同位素也較為貧化，而融雪水經(jīng)過(guò)一定的蒸發(fā)分餾同位素較為富集。

結(jié)合前文分析(圖2、圖4)，4-6月，降雨量逐漸增大，大量的降雨補(bǔ)給河流，同時(shí)隨著降雨量的增大溫度也隨之的升高，冰雪融水也大量補(bǔ)給河流。由前文知，皮山河屬冰雪消融、降水混合補(bǔ)給型河流，研究區(qū)的地下水主要接受來(lái)自大氣降水和冰雪融水的補(bǔ)給，并且會(huì)在同一時(shí)期受到不同季節(jié)降水及冰雪融水持續(xù)補(bǔ)給,因此，如圖5所示不同時(shí)期的地表水和地下水會(huì)分布在相同的區(qū)域，表現(xiàn)出相似的特征。為了驗(yàn)證該結(jié)論，對(duì)處于同一地區(qū)，相同地理環(huán)境，同為冰雪消融、降水混合補(bǔ)給的玉龍喀什河取樣結(jié)果進(jìn)行分析(見圖7)，與前文結(jié)果相似，不同時(shí)期的水體都集中在當(dāng)?shù)亟邓€的同一塊區(qū)域,各水體交錯(cuò)分布，聯(lián)系緊密。

表3 烏魯木齊河流域與黃水溝流域不同時(shí)期河水、降水、地下水、冰川融水及融雪水穩(wěn)定同位素均值[14] %

圖7 玉龍喀什河降水、河渠水、潛水、承壓水δD～δ18O關(guān)系Fig.7 Relationship between δD and δ18O of precipitation, surface water and groundwater in Yulong River

由于2個(gè)時(shí)期的各水體之間的聯(lián)系密切，反映出相同的特征，因此將7月、11月各水樣綜合在一起結(jié)合大氣降水同位素進(jìn)行分析(見圖8)。

圖8 大氣降水、地表水、地下水δD～δ18O關(guān)系Fig.8 Relationship between δD and δ18O of precipitation, surface water and groundwater

如圖8所示，地表水、地下水均位于大氣降水附近，河水的分布區(qū)域較廣且δD～δ18O擬合曲線斜率為11.23,遠(yuǎn)大于地區(qū)降水線的斜率8.02，而潛水的δD～δ18O擬合曲線斜率為8.51，也大于地區(qū)降水線的斜率，2個(gè)承壓水樣基本位于潛水的擬合線上。無(wú)論是降雨量的還是冰雪融水量的變化，河水最先接受其補(bǔ)給，在同一階段內(nèi)，接受不同月份降雨和冰雪融水補(bǔ)給，因此河渠水的分布區(qū)域較廣，斜率差異明顯。同時(shí)可以看出，部分潛水樣位于河水樣的趨勢(shì)線上，河水、潛水、承壓水相互交錯(cuò)在一起，再次表明研究區(qū)地表水與地下水聯(lián)系緊密，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的主要原因是由于不同時(shí)期內(nèi)的各水體受到不同季節(jié)降水及冰雪融水持續(xù)補(bǔ)給的影響，其他可能存在的原因是在部分地段地表水與地下水的轉(zhuǎn)化關(guān)系發(fā)生改變。同時(shí)，由前文所述可以思考，對(duì)于南疆地區(qū)主要接受冰雪消融、降水混合補(bǔ)給的河流，在應(yīng)用各水體穩(wěn)定同位素D、18O差異判別地表水地下水轉(zhuǎn)化關(guān)系時(shí)，需要對(duì)由接受補(bǔ)給造成的各水體之間的同位素差異進(jìn)行充分考慮。

4 結(jié) 語(yǔ)

(1)與南疆其他地區(qū)一樣，研究區(qū)全年降水同位素值具有明顯的季節(jié)差異，大致可分為4-10月、12-3月2部分，4-10月降水同位素相對(duì)富集，12-3月降水同位素相對(duì)貧化，同時(shí)得到南疆地區(qū)大氣降水線方程為δD = 8.02 δ18O + 5.88。

(2)研究區(qū)不同時(shí)期的水體都集中在區(qū)域降水線的同一塊區(qū)域,各水體交錯(cuò)分布，具有相似性，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的主要原因是由于不同時(shí)期內(nèi)的各水體受到不同季節(jié)降水和冰雪融水持續(xù)補(bǔ)給的影響。

(3)對(duì)于南疆地區(qū)主要接受冰雪消融、降水混合補(bǔ)給的河流，在應(yīng)用各水體穩(wěn)定同位素D、18O差異判別地表水地下水轉(zhuǎn)化關(guān)系時(shí)，需要對(duì)由接受補(bǔ)給造成的各水體之間的同位素差異進(jìn)行充分考慮。

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