土默川平原黃灌區(qū)地下水水化學(xué)及氫氧同位素特征分析

王子河 鄧騰林 劉偉 趙義平 汪馨竹 杜曉峰

摘 要：2016年冬灌期和2017年春灌期采集了干旱半干旱地區(qū)內(nèi)蒙古土默川平原黃灌區(qū)灌渠水、地下水以及雨水，通過(guò)測(cè)定不同時(shí)期水體的水化學(xué)成分及氫氧同位素值，分析了水化學(xué)類型和同位素的分布特征，探討了不同時(shí)期灌渠水對(duì)地下水的影響，判明了地下水的補(bǔ)給來(lái)源。研究結(jié)果表明：研究區(qū)大部分區(qū)域地下水補(bǔ)給源為灌渠水，而河森茂村、后荒地村一帶主要受降水和側(cè)向補(bǔ)給影響;研究區(qū)灌渠水和地下水氫氧同位素組成差異明顯，從灌渠水到地下水氫氧同位素呈貧化趨勢(shì)，但冬灌期、春灌期灌渠水對(duì)地下水的影響基本一樣;地下水冬灌期、春灌期水化學(xué)類型及其分布規(guī)律基本一致，主要有HCO3·Cl·SO4-Na·Ca·Mg、SO4·Cl-Na、HCO3·Cl-Na·Mg和Cl-Na型水。

關(guān)鍵詞：氫氧同位素;水化學(xué)特征;地下水;土默川平原

中圖分類號(hào)：TV211.1;X523 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2021.08.016

引用格式：王子河，鄧騰林，劉偉，等.土默川平原黃灌區(qū)地下水水化學(xué)及氫氧同位素特征分析[J].人民黃河，2021，43（8）：84-89.

Abstract： Among the irrigation areas of the Yellow River， Tumochuan plain is located in the arid and semi-arid region， northwest of China. Hydrochemical composition and hydrogen， oxygen isotopes were measured by the samples of precipitation， the water in irrigation canal and groundwater were collected during winter irrigation in 2016 and spring irrigation in 2017 and analyzed to the recharge sources of groundwater and the effect of the water in irrigation canal on groundwater. The results show that the water in irrigation canal is the main recharge sources of groundwater in the large area， and precipitation and the lateral seepage water are the sources of the groundwater in the areas of Hesenmao and Houhuangdi villages. Hydrogen and oxygen isotopic characteristics of the water in irrigation canal that effects in the irrigation of winter and spring on groundwater are mostly the same and obviously different from groundwater， and hydrogen and oxygen isotopic compositions are gradually depleted from the water in irrigation canal to groundwater. The hydrochemical types of groundwater in the irrigation of winter and spring are basically similar and the distribution of which is generally the same. The types are mainly HCO3·Cl·SO4-Na·Ca·Mg and SO4·Cl-Na and HCO3·Cl-Na·Mg and Cl-Na.

Key words： hydrogen and oxygen isotopes; hydrochemical characteristics; groundwater; Tumochuan plain

河套平原分為前套平原（土默川平原）和后套平原（巴彥淖爾平原），總面積約21 000 km2[1]。其中土默川平原包括內(nèi)蒙古省會(huì)城市呼和浩特市和重要工業(yè)城市包頭，是內(nèi)蒙古政治、經(jīng)濟(jì)、文化中心。土默川平原黃灌區(qū)作為西北地區(qū)典型的引黃灌區(qū)之一，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)高度依賴于灌溉，受不合理灌溉影響，灌區(qū)土壤次生鹽漬化急劇發(fā)展，大量土地荒棄，作為當(dāng)?shù)厝罕娢ㄒ簧钏吹牡叵滤|(zhì)不斷惡化，危及當(dāng)?shù)厝嗣袢罕婏嬎踩?/p>

目前，有關(guān)河套平原地下水的研究主要集中在后套平原[2-6]，對(duì)土默川平原的研究較少[1，7-8]，特別是土默川平原黃灌區(qū)地下水演化規(guī)律目前尚不清晰。不同來(lái)源的水具有不同的同位素組成特征，水在循環(huán)過(guò)程中的蒸發(fā)和擴(kuò)散作用會(huì)引起同位素分餾，氫氧穩(wěn)定同位素示蹤技術(shù)和水化學(xué)方法已廣泛應(yīng)用于區(qū)域地下水來(lái)源及水化學(xué)演變規(guī)律研究[9-16]，但是干旱干半旱地區(qū)的研究相對(duì)較少。本研究以處于干旱半干旱地區(qū)的土默川平原黃灌區(qū)為研究區(qū)，利用水體氫氧同位素和水化學(xué)方法，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和室內(nèi)試驗(yàn)，分析土默川平原黃灌區(qū)不同類型水體氫氧同位素和水化學(xué)特征，揭示區(qū)域地下水的來(lái)源。

1 研究區(qū)概況

土默川平原黃灌區(qū)位于黃河中上游，是我國(guó)北方重要的產(chǎn)糧區(qū)之一。多年平均降水量為356.6 mm，多年平均蒸發(fā)能力為1 989.6 mm。研究區(qū)地層為以湖相沉積為主、河流相沉積為輔的沉積層，含水層普遍為細(xì)粒的厚層湖相、河流相沉積層，巖性以細(xì)砂、粉細(xì)砂為主，夾薄層中砂、黏土，一般厚30～60 m，底板埋深60～80 m。地下水水力坡降為 0.018%～0.059%，地下徑流極其滯緩，阻礙了水中離子的遷移。該地區(qū)民生渠以南地下水礦化度為3.28～31.25 g/L（局部區(qū)域礦化度為1.11～2.88 g/L），礦化度由北向南呈增大趨勢(shì)。該地區(qū)水位埋深為2～3 m，隨著地下水的蒸發(fā)，水質(zhì)持續(xù)惡化，人民群眾的飲水安全受到威脅。

研究區(qū)自更新世以后，長(zhǎng)期斷陷下沉，巨厚的以湖相為主的淤泥質(zhì)不斷沉積。以中更新統(tǒng)上段（Q2）為主的湖心相分布于毛岱—明沙淖—黃河邊一帶，埋藏于89.39 m以下，巖性為灰、灰綠-灰黑色淤泥質(zhì)黏砂土、砂黏土或黏土與粉砂互層，局部夾芒硝層。芒硝層分布在民生渠以南、二十四頃地—沙海子以北，東部邊界可達(dá)土左旗善岱、大岱，西部邊界可達(dá)達(dá)拉特旗境內(nèi)，東西長(zhǎng)約70 km，南北寬10～12 km，埋深120～170 m;目前已揭露的深度內(nèi)可見(jiàn)1～4層，總厚度9.84 m，呈水平狀穩(wěn)定分布。經(jīng)水溶鹽分析，水溶鹽總量中純芒硝（Na2SO4）含量為94.97%～99.58%。湖心相上部為山前沖洪積層與黃河沖積層的交替沉積，巖性主要為黏土、砂質(zhì)黏土夾粉砂層。

2 數(shù)據(jù)來(lái)源與分析

2016年11—12月和2017年4—5月，分別對(duì)土默川平原黃灌區(qū)進(jìn)行野外調(diào)查，并采集冬灌、春灌期間地下水、灌渠水和雨水樣品共32個(gè)，其中地下水24個(gè)（第四系松散含水層水）、灌渠水6個(gè)、雨水2個(gè)。春灌期間地下水、灌渠水和雨水的數(shù)量及樣點(diǎn)位置與冬灌期一致，樣點(diǎn)位置見(jiàn)圖1?，F(xiàn)場(chǎng)采用便攜式HACH多參數(shù)水質(zhì)監(jiān)測(cè)儀測(cè)量了地下水和灌渠水的溫度、pH值、電導(dǎo)率和溶解氧含量等指標(biāo)。水樣現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)GF/F濾膜過(guò)濾后，用于離子分析的樣品保存于1 000 mL塑料瓶?jī)?nèi)，并用Parafilm封口膜密封;用于氫氧同位素分析的樣品裝于100 mL玻璃瓶中，并用Parafilm封口膜密封。實(shí)驗(yàn)室采用ICP測(cè)量水體中K+、Na+、Ca2+、Mg2+質(zhì)量濃度，離子色譜法分析SO2-4、Cl-、HCO-3質(zhì)量濃度。氫、氧同位素采用MAT-253型氣體同位素質(zhì)譜儀進(jìn)行分析測(cè)試，每個(gè)樣品重復(fù)測(cè)量6次，取平均值，其測(cè)試精度分別為±1‰和±0.1‰，樣品分析結(jié)果見(jiàn)表1。

3 結(jié)果分析

3.1 水化學(xué)時(shí)空變化特征

地下水化學(xué)參數(shù)的數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果可以反映研究區(qū)一段時(shí)間內(nèi)水化學(xué)組分的基本情況，土默川平原黃灌區(qū)不同水體水化學(xué)分析結(jié)果統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表2。冬灌期地下水TDS含量為1 116.10～20 784.26 mg/L，沿地下水流方向呈增大趨勢(shì);西河沿一帶和河森茂—后荒地一帶礦化度較小，為1 116.10～2 589.50 mg/L;春灌區(qū)地下水TDS分布趨勢(shì)和冬灌期基本一致，為903.00～14 211.60 mg/L，其整體上比冬灌期的小，推測(cè)是春季融雪、融冰補(bǔ)給地下水導(dǎo)致的。冬灌期灌渠水TDS含量為828.20～835.68 mg/L，春灌期灌渠水TDS含量為957.76～977.05 mg/L，兩個(gè)時(shí)期灌渠水TDS有所差別可能是黃河水季節(jié)性變化導(dǎo)致的。由表2可知，冬灌期地下水中NO-3、SO2-4和Ca2+的變異系數(shù)都在0.8以上，其他成分均在0.6左右，而春灌期地下水中SO2-4、Cl-、Ca2+和Mg2+的變異系數(shù)都在0.9以上，除HCO-3外，其他成分均在0.8左右，表明兩個(gè)時(shí)期地下水主要離子空間分布變化較大。相比同期的地下水，灌渠水的變異系數(shù)都較小，空間分布變化不大。

不同時(shí)期不同水體主要離子質(zhì)量濃度的相對(duì)比例分布情況見(jiàn)圖2。由Piper圖可知，地下水、灌渠水和雨水區(qū)別較為明顯，雨水偏左，地下水偏右。冬灌期、春灌期地下水水化學(xué)類型及其分布基本一致（見(jiàn)圖3），主要有HCO3·Cl·SO4-Na·Ca·Mg、SO4·Cl-Na、HCO3·Cl-Na·Mg和Cl-Na型水4種;分布規(guī)律為從西北向東南水化學(xué)類型由HCO3·Cl·SO4-Na·Ca·Mg型水轉(zhuǎn)為SO4·Cl-Na型水，最終變?yōu)镃l-Na型水;中部地區(qū)SO2-4含量普遍較高，推測(cè)主要受芒硝層溶解的影響。冬灌期灌渠水水化學(xué)類型主要為Cl·SO4·HCO3-Na·Mg·Ca型水、春灌期主要為Cl·HCO3-Na·Ca型水，灌渠水主要來(lái)源為黃河水，其成分變化主要受黃河水控制。冬灌期、春灌期雨水水化學(xué)成分稍有差別，但均為HCO3-Ca型水。

3.2 氫氧同位素變化特征

3.2.1 氫氧同位素關(guān)系及影響因素

1967年，Craig根據(jù)δD和δ18O的關(guān)系建立了全球大氣降水線，即δD=8δ18O+10。全球大氣降水線為各地區(qū)大氣降水同位素組成提供了基準(zhǔn)，也為推斷地下水的來(lái)源提供了參照[17]。包頭大氣降水δD和δ18O來(lái)自GNIP，大氣降水線方程為δD=6.36δ18O-5.21，確定系數(shù)為0.932。該地區(qū)大氣降水δ18O和δD的平均值分別為-8.16‰和-57.10‰，可作為研究區(qū)現(xiàn)代降水氫、氧同位素組成[5]。研究區(qū)不同水體、不同時(shí)期δD和δ18O特征分布見(jiàn)圖4，δD與δ18O的關(guān)系見(jiàn)圖5。

（1）冬灌期地下水氫、氧同位素組成δD和δ18O分別為-87‰～-67‰和-11.5‰～-8.5‰，平均值分別為-78.0‰和-10.3‰;灌渠水氫、氧同位素組成δD和δ18O分別為-64‰和-8.8‰;雨水氫、氧同位素組成δD和δ18O分別為-75‰和-11.0‰。春灌期地下水氫、氧同位素組成δD和δ18O分別為-87‰～-71‰和-11.4‰～-9.2‰，平均值分別為-77.4‰和-10.3‰;灌渠水氫、氧同位素組成δD和δ18O分別為-63‰～62‰和-8.4‰，平均值分別為-62.5‰和-8.4‰;雨水氫、氧同位素組成δD和δ18O分別為-73‰～-72‰和-10.9‰。

（2）除位于研究區(qū)東南的新利村樣品點(diǎn)DX11、CX11（該點(diǎn)承壓自流區(qū)）外，冬灌期、春灌期地下水的δD和δ18O大部分分布在綠色和藍(lán)色橢圓區(qū)域內(nèi)，灌渠水分布在紅色橢圓區(qū)域內(nèi);所有樣品均分布在大氣降水線以下，說(shuō)明降水過(guò)程中伴隨著蒸發(fā)作用。

（3）紅色橢圓區(qū)域內(nèi)為3個(gè)冬灌期灌渠水、3個(gè)春灌期灌渠水和1個(gè)淺層地下水樣品，分別為民生渠渠口、躍進(jìn)渠中部和民族團(tuán)結(jié)渠末端以及李興營(yíng)村農(nóng)灌井;該區(qū)域礦化度較低，為0.93～1.06 g/L;樣品點(diǎn)分布較為分散，但高程相近，冬灌期δD為-66‰～-64‰、δ18O為-8.8‰～-8.6‰，春灌期δD為-66‰～-62‰、δ18O為-8.6‰～-8.4‰，樣品點(diǎn)穩(wěn)定同位素組成與大氣降水的穩(wěn)定同位素組成相近，位于全國(guó)大氣降水線右下方，表明該地區(qū)灌渠水在入滲補(bǔ)給地下水前存在蒸發(fā)作用，而且李興營(yíng)村附近地下水直接接受灌渠水補(bǔ)給。

（4）綠色橢圓區(qū)域內(nèi)為6個(gè)冬灌期地下水和6個(gè)春灌期地下水樣品，分別取自田家圪旦村、五犋牛村、腮烏素村、聯(lián)合村、金錢鋪村和東黑沙圖村地下水監(jiān)測(cè)井，分布很分散;區(qū)域內(nèi)地下水礦化度較高，為9.01～15.62 g/L;冬灌期δD為-80‰～-73‰、δ18O為-10.5‰～-9.4‰，春灌期δD為-78‰～-71‰、δ18O為-10.3‰～-9.4‰。與紅色橢圓區(qū)域相比，該區(qū)域氫氧同位素有貧化現(xiàn)象，推測(cè)地下水除接受本地降水和灌渠水補(bǔ)給外，還接受北部地勢(shì)高處不同時(shí)期降水形成的徑流補(bǔ)給。另外，此6個(gè)監(jiān)測(cè)井冬灌期、春灌期地下水氫氧同位素值基本一致，表明冬灌和春灌對(duì)其影響是一樣的。田家圪旦村、五犋牛村、聯(lián)合村和東黑沙圖村的同位素值非常接近，表明其補(bǔ)給源相同;金錢鋪村和腮烏素村同位素值非常接近，表明其補(bǔ)給源相同。聯(lián)合村同位素值明顯低于周圍金錢鋪村和腮烏素村的，說(shuō)明其水力聯(lián)系較差。

（5）藍(lán)色橢圓區(qū)域內(nèi)為3個(gè)冬灌期地下水和3個(gè)春灌期地下水樣品，采樣點(diǎn)分別為西河頭村、河森茂村和后荒地村;區(qū)域內(nèi)地下水礦化度較低，為0.77～2.58 g/L;冬灌期δD為-80‰、δ18O為-11.2‰～-10.9‰，春灌期δD為-81‰～-80‰、δ18O為-11.2‰～-10.9‰。穩(wěn)定同位素值遠(yuǎn)小于其他區(qū)域的，更加貧化。西河頭村與河森茂村、后荒地村的位置雖然相隔較遠(yuǎn)，但氫氧同位素值很接近，推測(cè)其補(bǔ)給源相同，主要為降水和側(cè)向補(bǔ)給，而且這3個(gè)采樣點(diǎn)冬灌期、春灌期氫氧同位素值基本一致，表明冬灌和春灌對(duì)其影響一樣。

不同水體有著不同的δD、δ18O組成，而δD和δ18O作為示蹤劑在研究水循環(huán)中扮演著重要角色，是判斷地下水補(bǔ)給關(guān)系的主要方法之一，在分析地下水補(bǔ)給來(lái)源方面已得到廣泛應(yīng)用。從氫氧同位素組成可知，區(qū)域地下水受灌渠水（主要是黃河水）、降水補(bǔ)給，但降水的δD、δ18O組成相對(duì)灌渠水偏重，而地下水的δD、δ18O組成相對(duì)偏輕，因此灌渠水（主要是黃河水）是區(qū)內(nèi)地下水的主要補(bǔ)給源。

3.2.2 氫氧同位素組成與水化學(xué)組分的相關(guān)性分析

土默川平原黃灌區(qū)灌渠水冬灌期、春灌期的氫氧同位素組成與其大部分離子質(zhì)量濃度存在顯著相關(guān)性（見(jiàn)圖6、圖7及表3），表明兩個(gè)時(shí)期灌渠水氫氧同位素可能受到了較明顯的蒸發(fā)作用影響。灌渠水在蒸發(fā)過(guò)程中存在明顯的同位素分餾，使水體離子與其氫氧同位素之間存在相關(guān)性。地下水冬灌期、春灌期的氫氧同位素組成與其大部分離子質(zhì)量濃度的相關(guān)性不明顯，說(shuō)明該地區(qū)地下水氫氧同位素主要受補(bǔ)給來(lái)源的影響，與灌渠水相比，其受蒸發(fā)作用的影響相對(duì)較小。

4 結(jié) 論

（1）土默川平原黃灌區(qū)冬灌期地下水的TDS為1 116.10～20 784.26 mg/L，春灌期地下水TDS整體上比冬灌期的小，為903.00～14 211.60 mg/L。相較于地下水，冬灌期灌渠水的TDS小于春灌期的，分別為828.20～835.68 mg/L和957.76～977.05 mg/L。冬灌期和春灌期地下水水化學(xué)類型及其分布基本一致，水化學(xué)類型主要有HCO3·Cl·SO4-Na·Ca·Mg、SO4·Cl-Na、HCO3·Cl-Na·Mg和Cl-Na型水4種;分布規(guī)律為從西北向東南水化學(xué)類型由HCO3·Cl·SO4-Na型水轉(zhuǎn)為SO4·Cl- Na型水，最終變?yōu)镃l-Na型水;冬灌期灌渠水水化學(xué)類型主要為Cl·SO4·HCO3-Na·Mg·Ca型水、春灌期主要為Cl·HCO3-Na·Ca型水。

（2）不同水體氫氧同位素組成差異明顯，但不同時(shí)期同一水體氫氧同位素差異不大;冬灌期地下水氫、氧同位素分別為-87‰～-67‰和-11.5‰～-8.5‰，春灌期的分別為-87‰～-71‰和-11.4‰～-9.2‰;地下水氫、氧同位素從空間上由東南到西北表現(xiàn)為富集趨勢(shì)。冬灌期灌渠水氫氧同位素分別為-64‰和-8.8‰，春灌期的分別為-63‰～62‰和-8.4‰。從灌渠水到地下水，氫氧同位素呈貧化趨勢(shì)。

（3）研究區(qū)大部分地區(qū)地下水補(bǔ)給源為灌渠水，而田家圪旦村、五犋牛村、腮烏素村、聯(lián)合村、金錢鋪村和東黑沙圖村等一帶除接受灌渠水和降水補(bǔ)給外，還接受北部地勢(shì)高處不同時(shí)期降水形成的徑流補(bǔ)給;河森茂村、后荒地村一帶主要受降水和側(cè)向補(bǔ)給。

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【責(zé)任編輯 呂艷梅】