巴丹吉林沙漠南緣地下水補(bǔ)給機(jī)制研究

魏世博 聶振龍 申建梅 崔亞莉 王哲 孟令群 劉學(xué)全

摘要：為研究巴丹吉林沙漠南緣水源地的地下水補(bǔ)給機(jī)制，分析了采自淺井、深井及湖泊的35個(gè)水樣的Cl-濃度、TDS含量和氫氧同位素特征。根據(jù)巴丹吉林水源地及周邊水化學(xué)水平分布特征，結(jié)合研究區(qū)氣象和水文條件、水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)、地下水流場(chǎng)發(fā)現(xiàn)，戈壁區(qū)地下水對(duì)沙漠區(qū)地下水無(wú)明顯補(bǔ)給作用，但是沙漠區(qū)、戈壁區(qū)及山區(qū)地下水穩(wěn)定同位素關(guān)系表明，沙漠區(qū)地下水來(lái)源于南部山區(qū)及戈壁區(qū)的地下水或降水。通過(guò)野外調(diào)查發(fā)現(xiàn)，沙漠邊緣分布大量洪積黏土，認(rèn)為沙漠外圍山區(qū)、山前戈壁帶降水在季節(jié)性河道形成的脈沖式洪流是沙漠區(qū)地下水的重要補(bǔ)給來(lái)源之一，這一認(rèn)識(shí)不僅解釋了采用水化學(xué)和同位素技術(shù)進(jìn)行分析而獲得不同結(jié)論的原因，而且有利于地下水資源評(píng)價(jià)。

關(guān)鍵詞：地下水;補(bǔ)給機(jī)制;水化學(xué);穩(wěn)定同位素;洪水;巴丹吉林沙漠

中圖分類(lèi)號(hào)：P641.3

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j .issn. 1000-1379.2019.02.018

地下水在循環(huán)過(guò)程中與含水層介質(zhì)相互作用，水化學(xué)成分不斷變化，水化學(xué)成分在循環(huán)過(guò)程中的變化可以反映地下水的循環(huán)模式。利用水化學(xué)資料可以研究地下水的賦存環(huán)境、徑流途徑與能量質(zhì)量交換等，從而揭示地下水的循環(huán)規(guī)律[1-5]。

巴丹吉林沙漠位于阿拉善右旗，因其沙山與湖泊并存的奇特景觀而聞名于世[6].高大沙山之間點(diǎn)綴著100多個(gè)湖泊，其中常年有水的湖泊超過(guò)70個(gè)[7]。阿拉善右旗作為嚴(yán)重缺水地區(qū)，深受水資源短缺問(wèn)題困擾，為此建立了巴丹吉林水源地，為了論證巴丹吉林水源地開(kāi)采對(duì)周?chē)吹挠绊懸约澳芊窨沙掷m(xù)開(kāi)采，需要了解水源地所在沙漠東南緣地下水的補(bǔ)給機(jī)制。關(guān)于巴丹吉林沙漠南緣地下水補(bǔ)給機(jī)制，前人對(duì)當(dāng)?shù)亟邓苯尤霛B補(bǔ)給地下水的認(rèn)識(shí)較為一致，總體認(rèn)為當(dāng)?shù)亟邓霛B是存在的，但不是主要補(bǔ)給來(lái)源[8-17]。野外調(diào)查發(fā)現(xiàn)，由于水源地位于沙漠區(qū)，降水量小，地下水埋深大于30 m.包氣帶巖性為沖一洪積砂礫石層夾多層厚5～40 cm的鈣質(zhì)膠結(jié)細(xì)砂層，因此當(dāng)?shù)亟邓藵B補(bǔ)給量可能很小。張競(jìng)等[10-11]畫(huà)出了巴丹吉林沙漠區(qū)域流場(chǎng)圖，提出了與馬妮娜等[13-14]研究結(jié)果大致相同的地下水循環(huán)方式，但由于缺乏鉆探資料，且地下水循環(huán)的載體是三維地質(zhì)體，僅通過(guò)二維等水位線(xiàn)圖來(lái)研究地下水循環(huán)不夠全面，因此通過(guò)鉆探獲取了地層資料，建立了南北向地質(zhì)剖面，厘清了地質(zhì)結(jié)構(gòu)，進(jìn)而通過(guò)水化學(xué)與同位素技術(shù)研究地下水的補(bǔ)給機(jī)制。從水系分布特征、沙漠邊緣有大量洪積黏土和粉砂質(zhì)黏土出露來(lái)看，巴丹吉林沙漠南緣表現(xiàn)出洪水人滲的跡象。已有研究成果[8，18-19]和巴丹吉林沙漠南緣野外調(diào)查結(jié)果表明，洪水可能是水源地的重要補(bǔ)給來(lái)源之一，但是關(guān)于研究區(qū)洪水人滲補(bǔ)給缺乏定性討論，即沙漠區(qū)是否有洪水補(bǔ)給尚缺乏證據(jù)。本次研究結(jié)合水源地位置劃分出具有水文地質(zhì)意義的研究范圍，并在整理以往研究成果和進(jìn)行野外地質(zhì)調(diào)查的基礎(chǔ)上，大量采集水樣，研究區(qū)內(nèi)水文地球化學(xué)分帶規(guī)律及不同地貌區(qū)水樣的氫氧穩(wěn)定同位素關(guān)系，定性探討巴丹吉林沙漠南緣水源地地下水補(bǔ)給機(jī)制。

1 區(qū)域概況

研究區(qū)位于內(nèi)蒙古自治區(qū)阿拉善右旗巴丹吉林沙漠南緣，南側(cè)為北大山，東南側(cè)為雅布賴(lài)山，北側(cè)為巴丹吉林沙漠，地勢(shì)總體南高北低，區(qū)內(nèi)植被稀疏，生態(tài)環(huán)境脆弱，為禁牧區(qū)。研究區(qū)屬于溫帶大陸性荒漠草原氣候區(qū)，干旱少雨，風(fēng)大沙多，夏季炎熱，晝夜溫差大，年平均氣溫8～9℃，年均降水量110 mm，年均水面蒸發(fā)量3100 mm，降水量由東向西、由南向北遞減，即山區(qū)降水量最大，戈壁區(qū)降水量次之，沙漠區(qū)降水量最小，蒸發(fā)量則相反。降水季節(jié)分配不均，7-9月降水量占全年降水量的68%，極易引發(fā)暴雨洪澇災(zāi)害[20]。該區(qū)洪水具有突發(fā)性和瞬時(shí)性的特點(diǎn)，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，有記載的洪水有20次，較大洪水的發(fā)生年份為1964年、1978年、1984年、1987年、1994年、1998年、2004年、2006年、2007年、2012年、2015年[21]。研究區(qū)范圍及取樣點(diǎn)分布見(jiàn)圖1。

巴丹吉林水源地位于沙漠南緣，2016年8月建成，12月開(kāi)始運(yùn)行，共4眼水井，設(shè)計(jì)年開(kāi)采量25萬(wàn)m。巴丹吉林沙漠南緣外圍山前戈壁帶被上更新統(tǒng)沖一洪積砂礫石所覆蓋，局部出露花崗巖、砂巖、砂礫巖，第四系覆蓋整體較淺，第四系沖一洪積砂礫石層與下伏花崗巖、白堊系砂巖風(fēng)化殼構(gòu)成具有統(tǒng)一水力聯(lián)系的潛水含水層，地下水埋深3～5 m，含水層厚5～ 15m，第四系下伏未風(fēng)化白堊系泥質(zhì)膠結(jié)砂巖、砂礫巖較密實(shí)，為隔水層。戈壁區(qū)與沙漠區(qū)的分界可能為一斷層，巴丹吉林沙漠南緣位于巴丹吉林凹陷盆地內(nèi)，區(qū)內(nèi)主要被第四系風(fēng)積砂所覆蓋，局部出露第四系沖一洪積砂礫石層，風(fēng)積砂透水而不含水，厚度較大。據(jù)內(nèi)蒙古阿拉善右旗巴丹吉林鎮(zhèn)新水源地研究報(bào)告[22]，風(fēng)積砂下伏的第四系沖一洪積砂礫石層和基巖風(fēng)化殼為主要潛水含水層，含水層厚度大于100 m，地下水埋深0—30 m，湖泊周邊地下水出露。沖一洪積砂礫石層以下未風(fēng)化的白堊系泥巖、泥質(zhì)砂巖、砂礫巖及局部的花崗巖構(gòu)成隔水層。研究區(qū)地質(zhì)剖面見(jiàn)圖2（地質(zhì)剖面平面位置見(jiàn)圖1中剖面Ⅱ一Ⅱ），根據(jù)地質(zhì)剖面，研究區(qū)含水層為具有統(tǒng)一水力聯(lián)系的潛水含水層。

研究區(qū)范圍的確定充分利用地下水系統(tǒng)要素的相關(guān)性，根據(jù)地質(zhì)背景和流場(chǎng)圖勾畫(huà)地下水系統(tǒng)的輪廓（見(jiàn)圖1）。研究區(qū)南側(cè)以北大山一雅布賴(lài)山分水嶺為界：西側(cè)以色林敖包正南至北大山分水嶺為界，該邊界為地表水分水嶺，兩側(cè)大面積出露花崗巖，為隔水邊界：東側(cè)以區(qū)域地下水分水嶺為界，依據(jù)是在大量野外調(diào)查基礎(chǔ)上發(fā)現(xiàn)該邊界附近基巖埋深較淺，局部出露風(fēng)化強(qiáng)烈的砂巖、砂礫巖、泥巖，富水性差，含水層厚度受基巖控制，總體較薄，含水層呈淺碟狀;北側(cè)以伊克力敖包與色林敖包連線(xiàn)為界，該邊界局部出露的砂巖普遍含有較多泥質(zhì)，風(fēng)化物滲透性較差，從地下水流場(chǎng)圖上看，在伊克力敖包與色林敖包之間有部分地下水可能流人北部沙漠腹地，但考慮到伊克力敖包對(duì)研究區(qū)地下水循環(huán)起著重要的控制作用，故以此為研究區(qū)北部邊界;研究區(qū)底部邊界為白堊系泥巖、泥質(zhì)砂巖、砂礫巖，局部為花崗巖，根據(jù)野外調(diào)查及鉆孔資料定為隔水邊界。采用Real-time kinematic（RTK）載波相位差分技術(shù)測(cè)量研究區(qū)地下水水位，繪制了研究區(qū)等水位線(xiàn)，見(jiàn)圖3，圖3中取樣點(diǎn)即地下水水位測(cè)量點(diǎn)，地下水宏觀流向?yàn)樽阅舷虮薄?/p>

2 取樣點(diǎn)分布及樣品采集測(cè)試結(jié)果

根據(jù)研究區(qū)地下水流場(chǎng)圖、地表河道分布及地下水埋深布置取樣點(diǎn)，野外取樣工作于2014年9-11月進(jìn)行，共采集水樣35個(gè)（包括地下水樣品33個(gè)、湖泊水樣品2個(gè)）.取樣點(diǎn)位置見(jiàn)圖1，其中坑探點(diǎn)及水源地水井為新建，其余水井為已有。

樣品采集與測(cè)試分別按照《水質(zhì)采樣技術(shù)規(guī)程》（SL 187-96）、《水質(zhì)分析方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB 7466～7494-87）進(jìn)行。測(cè)試項(xiàng)目包括K+、Na+、Ca2+、Mg2+、Cl、SO2-、HC03，其中HC03屬于不穩(wěn)定離子，一般情況需要現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定，本次取樣未進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定，故代表性不強(qiáng).HC03并非本研究分析的重點(diǎn)，測(cè)試結(jié)果僅供參考。根據(jù)離子平衡原理進(jìn)行誤差分析，分析誤差均小于5%，樣品的測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1，其中S2、S4樣品測(cè)試結(jié)果來(lái)源于文獻(xiàn)[22]。

3 結(jié)果與討論

（1）結(jié)合研究區(qū)等水位線(xiàn)圖，選取與水源地地下水有水力聯(lián)系的上游戈壁、季節(jié)性河道典型水樣及水源地水樣（見(jiàn)表2）對(duì)Cl-濃度及TDS值進(jìn)行對(duì)比，定性分析季節(jié)性河道潛流量。

位于季節(jié)性河道內(nèi)取樣點(diǎn)的Cl-含量均低于戈壁區(qū)取樣點(diǎn)Cl-含量。分析認(rèn)為季節(jié)性河道內(nèi)取樣點(diǎn)水位埋深與戈壁區(qū)取樣點(diǎn)水位埋深差別較小，受蒸發(fā)影響均較大，但河道內(nèi)地下水在汛期可接受洪水補(bǔ)給，河道內(nèi)地下水循環(huán)條件好。由于戈壁區(qū)地勢(shì)高于河床，河道內(nèi)條帶狀含水層厚度小，對(duì)戈壁區(qū)的側(cè)向補(bǔ)給量小，戈壁區(qū)地下水循環(huán)條件差，受到的蒸發(fā)作用更為明顯，因此戈壁區(qū)地下水Cl-含量普遍高于干涸河道內(nèi)地下水的。

由表2可知，季節(jié)性河道典型水樣的Cl-含量大部分低于水源地典型水樣的，雖然這一現(xiàn)象符合沿徑流路徑Cl-含量逐漸升高的規(guī)律，但是調(diào)查發(fā)現(xiàn)河床內(nèi)沖一洪積砂礫石層厚度普遍偏小，為1～5 m，飽水帶厚0.3～ 0.7 m，砂礫石層下伏花崗巖及白堊系泥巖、砂巖、砂礫巖，因風(fēng)化強(qiáng)烈構(gòu)成隔水底板，故與河道分布范圍一致的條帶狀薄層淡水含水層的分布范圍相對(duì)于整個(gè)山前戈壁帶而言很小，季節(jié)性洪水在河道內(nèi)沿途人滲量不大，即戈壁區(qū)河床潛流對(duì)地下水補(bǔ)給量很小。

（2）沿季節(jié)性河道進(jìn)行調(diào)查發(fā)現(xiàn)，河谷內(nèi)分布條帶狀沖一洪積砂礫石層，除研究區(qū)最西側(cè)河道外，其他河道采砂坑均可見(jiàn)風(fēng)化的白堊系泥巖、泥質(zhì)砂巖，研究區(qū)最西側(cè)河道發(fā)育在花崗巖風(fēng)化殼上，長(zhǎng)石風(fēng)化呈粉末狀，充填于裂隙中，表明花崗巖體富水性差。調(diào)查發(fā)現(xiàn)一口位于河道內(nèi)深5m的基巖井水量很小，揭露地層為沖一洪積砂礫石及風(fēng)化的白堊系泥巖。根據(jù)繩寶印等[23]的鉆孔資料及本次調(diào)查獲取的最新基巖鉆孔資料（見(jiàn)表3）可知，戈壁區(qū)白堊系砂巖富水性差，TDS值高。綜上，根據(jù)研究區(qū)基巖的富水性、水質(zhì)特征，基巖裂隙水向沙漠區(qū)的側(cè)向徑流量很小。

（3）由上文分析可知，戈壁區(qū)河床潛流對(duì)沙漠區(qū)地下水補(bǔ)給量很小，故剔除在河道上采集的水樣點(diǎn)，分析區(qū)域TDS分布規(guī)律及剖面上C1-含量分布規(guī)律。根據(jù)本次研究所獲得的水化學(xué)數(shù)據(jù)，結(jié)合研究區(qū)水文地質(zhì)特點(diǎn)，勾畫(huà)了研究區(qū)TDS等值線(xiàn)，見(jiàn)圖4。根據(jù)研究區(qū)等水位線(xiàn)圖，戈壁區(qū)地下水與沙漠區(qū)地下水應(yīng)存在補(bǔ)給關(guān)系，戈壁區(qū)地下水TDS值應(yīng)大于沙漠區(qū)地下水TDS值。從TDS等值線(xiàn)發(fā)現(xiàn)，戈壁區(qū)地下水TDS值較大，沙漠區(qū)存在兩個(gè)地下水TDS值小于1g/L的區(qū)域。由于戈壁區(qū)地下水埋深普遍較小，受蒸發(fā)影響強(qiáng)烈，因此TDS值偏大。從TDS等值線(xiàn)看，存在沿地下水徑流路徑TDS值逐漸降低的異?，F(xiàn)象，這與正常的水化學(xué)分帶理論相悖，表明戈壁區(qū)地下水對(duì)沙漠區(qū)地下水的側(cè)向徑流補(bǔ)給量比較小。若降水在基巖山區(qū)或山前人滲補(bǔ)給地下水，向沙漠區(qū)徑流，同樣無(wú)法解釋這一異?，F(xiàn)象。沙漠區(qū)北部存在TDS大于3g/L的區(qū)域，結(jié)合研究區(qū)等水位線(xiàn)分析得知，該區(qū)域?yàn)榈叵滤判箙^(qū)，地下水徑流途中不斷溶解各種離子，加之該區(qū)湖泊、干湖集中分布，地下水埋深淺，蒸發(fā)強(qiáng)烈，導(dǎo)致TDS值增大。

Cl-在水中高度溶解和遷移，和水分子非常相似[24]，所以Cl-不會(huì)在透水巖層中停留[25]，Cl-濃度變化完全和來(lái)源有關(guān)[26].在水文地球化學(xué)分析中可用作參照離子。結(jié)合地下水埋深及等水位線(xiàn)圖選取穿過(guò)戈壁區(qū)與沙漠區(qū)的典型剖面研究Cl-濃度在剖面上的變化規(guī)律。

典型水化學(xué)剖面（剖面位置見(jiàn)圖1，0點(diǎn)為剖面起點(diǎn)）上Cl-濃度及地下水埋深關(guān)系見(jiàn)圖5、圖6。戈壁區(qū)地下水Cl-濃度大于水源地周?chē)叵滤瓹l-濃度。戈壁區(qū)地下水埋深小，受蒸發(fā)影響Cl-濃度偏高;沙漠區(qū)地下水埋深較大，幾乎不受蒸發(fā)作用的影響。通常Cl-濃度隨著地下水徑流路徑長(zhǎng)度的增加而增大，因此戈壁區(qū)地下水對(duì)沙漠區(qū)地下水無(wú)明顯補(bǔ)給作用。

（4）研究采集穩(wěn)定同位素樣品32個(gè)，其中11個(gè)位于山區(qū)及戈壁區(qū)、21個(gè)位于沙漠區(qū)，所有水樣均取自潛水含水層，與水質(zhì)測(cè)試取樣點(diǎn)位置相同。不同區(qū)域水體的氫氧穩(wěn)定同位素關(guān)系見(jiàn)圖7。在資料不足的情況下，與其用不確定性高而又難以判定的地區(qū)大氣降水線(xiàn)，不如就用全球大氣降水線(xiàn)[27]，故以全球大氣降水線(xiàn)為基準(zhǔn)進(jìn)行分析。由圖7可以看出，山區(qū)及戈壁區(qū)地下水均落在全球大氣降水線(xiàn)附近，具有偏負(fù)的穩(wěn)定同位素組成，不存在明顯的蒸發(fā)效應(yīng)，說(shuō)明該區(qū)地下水來(lái)源于大氣降水人滲補(bǔ)給，且地下水循環(huán)條件好，受蒸發(fā)影響小，其同位素組成基本反映山區(qū)降水的原始特征。沙漠區(qū)水樣落在全球大氣降水線(xiàn)右下方地下水蒸發(fā)線(xiàn)上，地下水蒸發(fā)線(xiàn)的延長(zhǎng)線(xiàn)與全球大氣降水線(xiàn)相交于戈壁及山區(qū)水樣點(diǎn)分布區(qū)域，根據(jù)蒸發(fā)線(xiàn)與全球大氣降水線(xiàn)交點(diǎn)處的同位素含量可以得出地下水初始補(bǔ)給源的同位素組分[28]，即沙漠區(qū)地下水來(lái)源于南部山區(qū)及戈壁區(qū)地下水或降水。

（5）上文（1）～（3）從水化學(xué)角度證明戈壁區(qū)地下水對(duì)沙漠區(qū)地下水無(wú)明顯補(bǔ)給作用，（4）分析了沙漠區(qū)、戈壁區(qū)及山區(qū)地下水氫氧穩(wěn)定同位素關(guān)系，表明沙漠區(qū)地下水來(lái)源于南部山區(qū)及戈壁區(qū)地下水或降水。根據(jù)洪積黏土出露范圍（見(jiàn)圖8），結(jié)合研究區(qū)歷史洪水資料[21]，筆者認(rèn)為沙漠外圍山區(qū)、山前戈壁帶降水在季節(jié)性河道形成的脈沖式洪流可能是沙漠區(qū)地下水的重要補(bǔ)給來(lái)源之一。原因是，季節(jié)性河道內(nèi)的洪水通過(guò)地表徑流在沙漠邊緣人滲補(bǔ)給沙漠區(qū)地下水，沿途受溶濾作用影響小，可在沙漠區(qū)形成低TDS值和Cl-濃度的地下水，沙漠邊緣分布較厚滲透性差的洪積黏土層，洪水人滲時(shí)間可能較長(zhǎng)，這一點(diǎn)經(jīng)訪問(wèn)當(dāng)?shù)啬撩褚驳玫阶C實(shí)，加之洪水多發(fā)生在炎熱的夏季，人滲期間受蒸發(fā)作用影響較強(qiáng)烈，這也證明了沙漠區(qū)埋深較大的地下水為何具有偏正的穩(wěn)定同位素組成。

4 結(jié)論

通過(guò)分析研究區(qū)TDS等值線(xiàn)、典型水化學(xué)剖面Cl-濃度及地下水埋深、不同區(qū)域水樣的氫氧穩(wěn)定同位素關(guān)系，結(jié)合鉆孔資料、地表水文網(wǎng)分布特征、洪積黏土層出露位置，認(rèn)為沙漠外圍山區(qū)、山前戈壁帶降水在季節(jié)性河道形成的脈沖式洪流是沙漠區(qū)地下水的重要補(bǔ)給來(lái)源之一，這一認(rèn)識(shí)為水源地地下水資源評(píng)價(jià)及論證水源地開(kāi)采對(duì)湖泊生態(tài)系統(tǒng)的影響、巴丹吉林沙漠地下水循環(huán)模式研究提供了依據(jù)。

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【責(zé)任編輯呂艷梅】（上接第48頁(yè)）

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