渭干河流域地表水與地下水轉(zhuǎn)化研究

余江祥?李升?高遠(yuǎn)?葛燕燕?張云

摘要：水資源是人類社會發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)，尤其在缺水的南疆干旱地區(qū)，水資源顯得尤為重要，理清地表水地下水的轉(zhuǎn)化關(guān)系，對水資源的合理開發(fā)和生態(tài)保護(hù)具有重要意義。本文以渭干河流域為重點(diǎn)研究區(qū)，在充分了解研究區(qū)水文地質(zhì)條件的前提下，利用同位素技術(shù)分析同位素空間變化特征，判斷地下水與地表水的轉(zhuǎn)化關(guān)系。為渭干河流域地下水資源可持續(xù)開發(fā)利用和科學(xué)管理以及生態(tài)環(huán)境保護(hù)提供技術(shù)支撐。

關(guān)鍵詞：旱區(qū)地下水;同位素;兩水轉(zhuǎn)化

中圖分類號：TV211.2;P641 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

1研究區(qū)概況

研究區(qū)位于天山南麓，塔里木盆地北緣，北起渭干河龍口，南至塔里木河泛濫平原，西起新和縣桑塔木農(nóng)場，東至庫車縣哈拉哈塘鄉(xiāng)。行政區(qū)劃隸屬新疆阿克蘇地區(qū)的庫車縣、新和縣和沙雅縣。研究區(qū)北部為卻勒塔格山，南部是塔河泛濫平原，地勢總體北高南低，自西北向東南傾斜。地處歐亞大陸腹地，為典型的暖溫帶大陸性干旱氣候。研究區(qū)內(nèi)出露的地層有第三系和第四系，其大地構(gòu)造分區(qū)上屬于塔里木地臺北部臺向斜二級大地構(gòu)造單元，其三級構(gòu)造單元屬沙雅隆起，三道橋坳陷區(qū)。

2 材料與方法

本文結(jié)合GNIP（全球大氣降水同位素網(wǎng)絡(luò)）下載的研究區(qū)降水同位素數(shù)據(jù)，建立研究區(qū)大氣降水線方程，查明地表水地下水和大氣降水之間的關(guān)系，以河流沿程的方式，分析典型剖面上地表水與地下水的同位素變化規(guī)律與內(nèi)在聯(lián)系，判別不同地段地下水轉(zhuǎn)化關(guān)系。

3 結(jié)果與分析

1.研究區(qū)大氣降水線的建立

Graig（1961）通過分析全球大量水樣的氫氧穩(wěn)定同位素組成，得到全球大氣降水線方程：δD=8180+ 10，他們之間存在著很好的線性關(guān)系，被認(rèn)為代表了降水中氫、氧穩(wěn)定同位素組成的一般規(guī)律，為地下水循環(huán)特征的研究奠定了理論基礎(chǔ)。隨后，我國學(xué)者鄭淑慧（1983） 也通過分析總結(jié)得到我國大氣降水線（LMWL）方程δD=7.9δ180 +8.2。

由于降水成因、降水類型以及同位素分餾程度的不同，不同地區(qū)的當(dāng)?shù)卮髿饨邓€與全球大氣降水線總是在斜率與截距上存在著一定的差異，因此在研究一個地區(qū)的同位素特征之前，首先要建立該地區(qū)的當(dāng)?shù)卮髿饨邓€。

為了對大氣降水線進(jìn)行研究區(qū)適用性的驗證，本文利用Pang[42]等近幾年在天山南北坡的研究成果，獲得研究區(qū)近幾年的大氣降水同位素數(shù)據(jù)，通過與各站點(diǎn)降水同位素數(shù)據(jù)對比發(fā)現(xiàn)符合其同位素分布特征，因此表明大氣降水線對研究區(qū)具有適用性。

2.各水體同位素區(qū)域分布特征

通過對各水源種類進(jìn)行分類整理后，匯出各水體δD、δ18O分布圖，從而得出水體的δD、δ18O的關(guān)系方程：

地表水：δD=6.7δ18O-0.17 R2=0.77

潛水：δD=6.9δ18O+0.24 ? ? R2=0.88

Ⅰ承壓水：δD=7.4δ18O+6.92 ? R2=0.93

Ⅱ承壓水：δD=8.1δ18O+12.01 ? R2=0.98

通過分析研究區(qū)各水體的分布方程可知，地表水的擬合系數(shù)及斜率較小，說明受蒸發(fā)作用及外界影響因素較大。如圖所示，地表水，潛水，Ⅰ承壓水的同位素數(shù)據(jù)相互交錯分布，沒有明顯的范圍界限，且三者的斜率相差不大，說明它們具有緊密的水力聯(lián)系;Ⅱ承壓水δD、δ18O值除與部分潛水接近外，與其余淺層地下水相比明顯偏負(fù)，可以表明研究區(qū)淺層地下水與Ⅱ?qū)映袎核g的水力溝通總體上看并不暢通，含水層連通性差，Ⅱ?qū)映袎核⑽雌毡槭艿綔\層水的影響。

3.地表水與地下水轉(zhuǎn)化研究

此段為沿渭干河流域英達(dá)里亞河南北向剖面，由圖可知，D與18O變化趨勢基本一致，不同水體之間相互交錯，且各曲線均呈現(xiàn)出先下降后上升的變化趨勢，說明該河流附近的河水、潛水、Ⅰ承壓水水力聯(lián)系緊密，不同類型水體之間相互發(fā)生轉(zhuǎn)化。

下面就具體位置分段進(jìn)行分析：

相對距離0-30km

此距離位于克孜爾水庫至龍口一帶，河水與潛水同位素值均呈貧化趨勢，原因為地表水由水庫經(jīng)山區(qū)至龍口的徑流過程中，河道逐漸變窄，流速變快，蒸發(fā)作用減弱，且水體中的貧重同位素在山區(qū)得到補(bǔ)充;Ⅰ承壓水δD、δ18O大于潛水與河水接近，這是由于Ⅰ承壓水受到附近躍進(jìn)水庫的入滲影響，同位素值變大。以上兩點(diǎn)均說明此地段淺層地下水與地表水的關(guān)系緊密。此段位于低山丘陵附近，地下水埋深較深，含水層巖性多為卵礫石等顆粒直徑較粗的巖類，河水滲透性能強(qiáng)，大量河水或水庫水下滲補(bǔ)給地下水，故此區(qū)域為河水補(bǔ)給淺層地下水段。

相對距離30-60km

此段屬于英達(dá)里亞河的中上游，如圖所示，各水體同位素值明顯增大。從上游至中游，河水蒸發(fā)作用逐漸增強(qiáng)，同位素值得到富集;同樣在地下水流動過程中，隨著埋深變淺，潛水也由貧化轉(zhuǎn)向富集，且曲線的上升趨勢最終超過河水，這說明此地段兩者的轉(zhuǎn)化關(guān)系發(fā)生了變化，即流域內(nèi)地下水位接近地表，河流兩側(cè)含水層向河道徑流，潛水補(bǔ)給地表水;Ⅰ承壓水的同位素值也在此段緩慢增加，且在潛水的變化范圍之內(nèi)，說明此段的Ⅰ承壓水同樣受到了上層潛水的入滲影響。故此區(qū)域為潛水補(bǔ)給河水及Ⅰ承壓水段。

相對距離60-75km

此段位于英達(dá)里亞河下游，水體蒸發(fā)強(qiáng)烈，農(nóng)田眾多，人類活動頻繁。潛水達(dá)最高值后最先呈現(xiàn)下降趨勢，河水與Ⅰ承壓水則具有滯后性，變化趨勢略滯后于潛水，說明此段潛水對河水及Ⅰ承壓水的影響趨于穩(wěn)定，補(bǔ)給能力在逐漸漸弱，它們的同位素值也最終趨于一致。這是由于人工灌溉的影響，使各水體發(fā)生混合作用，導(dǎo)致地表水與地下水的補(bǔ)給強(qiáng)度及轉(zhuǎn)化關(guān)系發(fā)生了改變，判斷此段為人工條件影響下的潛水與Ⅰ承壓水及地表水的相互轉(zhuǎn)化段;Ⅱ承壓水δD、δ18O值與附近的淺層地下水及地表水相差較大，說明隔水層分層性好，Ⅱ承壓水與外界基本無水力聯(lián)系。

4 結(jié)論

（1）：研究區(qū)的大氣降水線方程為δD= 7.24δ18O+1.96（n=264，R2 = 0.95），斜率和截距都偏低，造成這種差異的主要原因是研究區(qū)位于西北干旱區(qū)，遠(yuǎn)離海洋，降水量少，氣候干燥，蒸發(fā)強(qiáng)度大，降水在降落過程中發(fā)生了強(qiáng)烈的蒸發(fā)作用，即受到二次蒸發(fā)的作用，造成降水同位素富集重同位素。

（2）：地表水，潛水，Ⅰ承壓水的同位素數(shù)據(jù)相互交錯分布，具有緊密的水力聯(lián)系;Ⅱ?qū)映袎核⑽雌毡槭艿綔\層水的影響。