塔里木河流域地表水和地下水的轉(zhuǎn)化關(guān)系

李 林

(塔里木大學(xué) 水利與建筑工程學(xué)院, 新疆 阿拉爾 841005)

地表水與地下水是水資源中不可分割的重要部分，二者可進行密切的水質(zhì)與水量交換，是影響區(qū)域水資源形成及其結(jié)構(gòu)特征的重要因素[1-4]。研究地表水和地下水資源之間的相互作用和轉(zhuǎn)化的關(guān)系，是評價和管理區(qū)域水資源的前提，對掌握水資源的形成機制，合理開發(fā)利用水資源，建立區(qū)域水資源循環(huán)模式和科學(xué)管理水資源總量具有重要意義[5-6]。自1877年Boussinesq開展對地表水和地下水的相互作用研究以來，國內(nèi)外學(xué)者從未間斷對地表水和地下水資源的研究，各種研究方法被國內(nèi)外眾多專家學(xué)者應(yīng)用到不同的地區(qū)和流域，主要包括模擬計算法、水量平衡法、調(diào)查分析法和環(huán)境示蹤法等[7-8]。各種方法均有其優(yōu)缺點和適用性，其中：調(diào)查分析法耗時費力、誤差較大；水量平衡法對各源匯項的識別與量化過程復(fù)雜，往往具有較大誤差。隨著地表水與地下水相互作用研究的精細化與定量化，模擬計算法與環(huán)境示蹤法成為目前較為常用的研究手段[9-10]。模擬計算法具有可視性、仿真性等優(yōu)點，但耦合模擬存在難度，且需要的數(shù)據(jù)量大，操作復(fù)雜，受參數(shù)精度影響較大，一般用于具備大量長序列資料的大范圍地區(qū)[11-13]。近些年來，環(huán)境示蹤法具有原理簡單、實用有效、可結(jié)合多種信息源數(shù)據(jù)進行分析推算等優(yōu)點，得到了廣泛運用，并取得了很好的應(yīng)用效果[14-16]。環(huán)境同位素技術(shù)逐漸發(fā)展成為水資源研究的重要手段，特別是作為水組成成分的氫氧同位素，在水資源補給、轉(zhuǎn)化和蒸發(fā)等方面開展了大量研究，取得豐富的研究成果，使得氫氧同位素技術(shù)成為地表水—地下水轉(zhuǎn)化關(guān)系研究過程中重要且成熟的手段。塔里木河是中國的第一大內(nèi)陸河，近些年來，塔里木河流域的工業(yè)、城鎮(zhèn)生活和農(nóng)業(yè)面源三方面的污染源導(dǎo)致塔里木河水質(zhì)斷面中劣Ⅴ類水占比逐漸上升，2018年測得Ⅴ類水高于全國6.7%的平均水平[17]。再加上當(dāng)?shù)厝狈λ锬竞铀Y源的保護意識，過度開采導(dǎo)致地下水位下降，引發(fā)土壤鹽漬化和植被退化等一系列問題，嚴重阻礙塔里木河流域的生態(tài)建設(shè)和可持續(xù)發(fā)展[18-20]。為了保證和促進塔里木河流域社會經(jīng)濟與生態(tài)可持續(xù)發(fā)展，必須全面認識塔里木河水質(zhì)質(zhì)量問題。鑒于此，本文基于2018年塔里木河的監(jiān)測數(shù)據(jù)，運用同位素分析技術(shù)，探索塔里木河流域地表水和地下水的轉(zhuǎn)化關(guān)系，為塔里木河的高質(zhì)量發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

塔里木河流域地理坐標為東經(jīng)71°39″—93°45″，北緯34°20″—43°39″，位于天山山脈和昆侖山脈之間，是由葉爾羌河、和田河、阿克蘇河等匯合而成，是南疆最大的河流，也是中國最長的內(nèi)陸河流。塔里木河全長2 179 km，流域面積1.02×106km2，是一個封閉的內(nèi)陸水循環(huán)和水平衡的相對獨立的水文區(qū)域。流域水資源總量為4.29×1010m3，地表水天然徑流量3.98×1010m3，地下水資源量為3.07×109m3。

1.2 調(diào)查與采樣

水文地質(zhì)調(diào)查和水樣采集工作于2018年5—8月在塔里木河的上、中、下游進行，共采集地下水樣300個，地表水樣300個，泉水樣230個。測定氫氧同位素的樣品采用100 ml聚乙烯采樣瓶封裝，測定土壤陰陽離子的樣品采用600 ml聚乙烯取樣瓶封裝，樣品采集后及時采用封口膜密封，然后進行4 ℃低溫保存。

1.3 測試與方法

表1 研究區(qū)采樣點水化學(xué)指標

利用Piper三線圖可判斷水體中各離子比例和組份含量；Gibbs圖能夠有效地判斷水體中水化學(xué)組分的控制機制(降水優(yōu)勢、巖石優(yōu)勢和蒸發(fā)優(yōu)勢)；采用離子比例系數(shù)與TDS的關(guān)系判斷水體化學(xué)組分和來源及形成過程；利用Chloro-Alkaline指數(shù)來研究離子交換反應(yīng)，Chloro-Alkaline指數(shù)(CAI)的正負值代表水中與水層介質(zhì)中的陰陽離子發(fā)生正反離子交換；受氣溫、空氣濕度等控制，水體在蒸發(fā)過程中的氫氧穩(wěn)定同位素組成變化遵循瑞利分餾原理，可將其作為研究地表水與地下水徑流轉(zhuǎn)化過程的天然示蹤劑。當(dāng)水中的Ca2+或Mg2+與含水層介質(zhì)中的Na+或K+發(fā)生交換反應(yīng)，采用公式(1)計算；反之采用公式(2)計算。

(1)

(2)

常規(guī)現(xiàn)場測定指標主要為pH值和DO(溶解氧)，其中pH使用型號為PHS-3E的pH計和玻璃電極法測定，DO使用型號為JPB-607A溶解氧測定儀和電化學(xué)探頭法測定。將-20 ℃保存的水質(zhì)樣品送至北京原生態(tài)測試有限公司測定氘氧同位素，測定儀器為美國Picarro公司生產(chǎn)的L2130-l，使用方法為波長掃描光腔衰蕩光譜技術(shù)；本次研究中水體中222Rn同位素含量的測定采用美國Durridge公司RAD7型α能譜氡氣檢測儀。

2 結(jié)果與分析

2.1 水化學(xué)組成特征

表2 塔里木河上游流域不同時期水化學(xué)組成特征

2.2 水化學(xué)來源分析

圖1 塔里木河水化學(xué)來源分析

2.3 電導(dǎo)率變化特征

電導(dǎo)率(Ec)能夠反映出水體中總?cè)芙怆x子的含量，因此，水體中電導(dǎo)率的空間分布特征常被推斷河流中徑流途經(jīng)和滯留時間的長短。

由圖2可知，研究區(qū)水體的電導(dǎo)率較低，其中塔里木河流域上游電導(dǎo)率變化范圍為135～256 mV，中游電導(dǎo)率變化范圍為143～283 mV，下游電導(dǎo)率變化范圍為152～313 mV。從上游到下游，河水電導(dǎo)率沿程呈增加趨勢，可以推斷出塔里木河流域地形起伏較大，地形河道坡度陡峭。河水下游受支流匯入和徑流過程中溶解礦物質(zhì)的雙重影響，使下游河水電導(dǎo)率增加不顯著。

由圖2還可以看出，塔里木河流域地下水電導(dǎo)率為106～559 mV，與河水電導(dǎo)率相比顯著增加，表明地表水和地下水系統(tǒng)相對獨立，地下水接受地表水補給量相當(dāng)少或不接受地表水補給。

圖2 河水和地下水電導(dǎo)率分布特征

2.4 地下水氫氧同位素組成分析

由圖3可知，河水氫氧同位素擬合線為：δD=3.8δ18O-71 (R2=0.602)，線斜率為3.8；地下水為：δD=4.5δ18O-65 (R2=0.678)，線斜率為4.5。二者斜率相近，表明研究區(qū)地下水與河水存在水力聯(lián)系。與大氣降水線斜率相比明顯降低，這說明地下水和河水同位素組成受到一定程度蒸發(fā)作用影響。大氣降水是河水和地下水的主要來源，各河水樣點和地下水樣點均分布在大氣降水線附件，但河水沿大氣降水線的分布范圍較大，地下水沿大氣降水線的分布范圍較小，說明地下水氧同位素組成接近，河水中氧同位素組成存在差異。這是因為河水的δ18O與海拔呈負相關(guān)，隨著海拔的降低河水δ18O表現(xiàn)為富集；地下水徑流受盆地范圍的影響，途徑較短，區(qū)域地下水中同位素交換、溶解速度無顯著差異。各河水樣和地下水樣均位于大氣降水線左下方，水體的同位素比值相對偏負，這是由于天山融雪對河水和地下水補給造成的。

2.5 塔里木河水222Rn體積活度

塔里木河水222Rn體積活度沿程變化如圖4所示。上游地下水222Rn體積活度平均為15.23 Bq/L；中游地下水222Rn體積活度平均為21.03 Bq/L，下游地下水222Rn體積活度平均為23.15 Bq/L，地下水222Rn體積活度顯著高于河水。沿河干流水流方向，河水222Rn體積活度呈現(xiàn)明顯的波動。

注：Vsmow為維也納標準平均海水水樣同位素含量值。

圖4 塔里木河水222Rn體積活度沿程變化

2.6 基于222Rn的地表水—地下水轉(zhuǎn)化定量分析

根據(jù)以上分析確定的地下水與地表水相互轉(zhuǎn)化的區(qū)段，選擇有河水流量監(jiān)測數(shù)據(jù)的幾個區(qū)段，應(yīng)用222Rn的示蹤原理對地下水與地表水的轉(zhuǎn)化關(guān)系進行定量計算。根據(jù)質(zhì)量守恒定律，上游地表水體某斷面處原有的222Rn總量與下游某斷面處原有222Rn總量之間的差異來自于地下水體對地表水的補給、地表水體中222Rn的衰變以及地表水體中222Rn向空氣中的擴散損失。根據(jù)這一原理，在地下水與地表水不同補給關(guān)系的區(qū)段可構(gòu)造不同的質(zhì)量守恒方程計算地表水和地下水的轉(zhuǎn)換量。根據(jù)前文所述河流沿程222Rn同位素特征，結(jié)合各采樣點河流流量關(guān)系驗證得到各個計算區(qū)段上地下水與地表水間的轉(zhuǎn)化關(guān)系(表3)。經(jīng)過計算：上游地下水向地表水補給平均速率為1.76 m3/(d·m)，中游地下水向地表水補給平均速率為1.71 m3/(d·m)，下游地下水向地表水補給平均速率為1.65 m3/(d·m)。

表3 基于222Rn的地表水—地下水轉(zhuǎn)化定量分析

3 結(jié) 論

(1) 在塔里木河流域，地下水和河水的δ18O值具有不同的變化特征。地下水的δ18O隨流向逐漸呈現(xiàn)明顯的富集特點，而地表水則變化較小。TDS的沿程分析表明，上游的地下水由于河水下滲補給，加之側(cè)向徑流影響，其δ18O表現(xiàn)為大幅的下降，隨著河水補給的增加，其值不斷富集。地表水則隨流向其δ18O值逐漸下降，說明此時期地下水能夠?qū)Φ乇硭a(chǎn)生補給。

(2) 塔里木河河水線與地下水線為的δD斜率相近，表明研究區(qū)地下水與河水存在水力聯(lián)系。但與大氣降水線斜率相比明顯降低，表明地下水和河水同位素組成受到蒸發(fā)作用影響。同時地下水氧同位素組成接近，河水中氧同位素組成存在差異。

(3) 塔里木河流域上游地下水向地表水補給平均速率為1.76 m3/(d·m)，中游地下水向地表水補給平均速率為1.71 m3/(d·m)，下游地下水向地表水補給平均速率為1.65 m3/(d·m)。囿于數(shù)據(jù)和資料的限制，本文僅初步分析了塔里木河流域地表水與地下水的轉(zhuǎn)化關(guān)系，但未進行各水體轉(zhuǎn)化比例關(guān)系的計算也未對其時間序列變化特征和塔里木河支流流域的轉(zhuǎn)化關(guān)系及影響因素等進行探討，這是以后進一步努力的方向。