基于同位素揭示艾比湖流域地下水特征

劉景明， 丁建麗， 包青嶺， 張子鵬， 姜磊鵬， 曲 藝

（1.新疆大學地理與遙感科學學院，新疆 烏魯木齊 830046；2.新疆綠洲生態(tài)重點實驗室，新疆 烏魯木齊830046；3.智慧城市與環(huán)境建模自治區(qū)普通高校重點實驗室，新疆 烏魯木齊 830046）

大規(guī)模的地下水開采造成地面沉降、干旱期泉水和河流基流減少、咸水入侵、水質退化、甚至全球海平面上升等問題，并對世界各地的生態(tài)系統(tǒng)造成損害［1］。特別是內陸干旱地區(qū)，地下水對于調節(jié)水文循環(huán)和維系生態(tài)系統(tǒng)健康至關重要［2］。其中地下水的補給、交換機制和組成成分是水文學和水文地質學的基本問題之一。在傳統(tǒng)的常規(guī)手段較難獲取這些信息的情況下，同位素水文學技術已被證明是解決許多關鍵水文問題和過程的有效工具，同時開展水化學多方法聯(lián)合示蹤并相互驗證可以提高評價精度［3-4］。

利用水化學和同位素方法對干旱區(qū)流域地下水補給和水循環(huán)的研究已有開展。通過對比地下水與潛在水源的同位素組成可以示蹤干旱區(qū)地下水補給來源［5］，Yapiyev等［6］通過水的氫氧同位素組成確定中亞地區(qū)的蒸發(fā)損失和地下水輸入；Joshi等［7-8］利用水同位素追蹤印度恒河流域地下水補給源；Jesiya 等［9-10］根據地下水的穩(wěn)定同位素時間序列數據研究地下水補給機制。同時，結合水化學和氫氧穩(wěn)定同位素指標成為定量評價地下水與河水交換的有效手段［11］，文廣超等［12-15］學者分別研究了鄱陽湖、孔雀河、伊犁河谷和巴音河流域地下水和地表水轉換關系。在艾比湖流域地下水的相關研究中，郝帥等［16-18］分析了流域地下水氫氧穩(wěn)定同位素的時空變化特征，揭示了水體穩(wěn)定同位素與環(huán)境要素關系；朱世丹等［19-20］結合水化學和氫氧穩(wěn)定同位素技術，分析艾比湖主要入湖河流氫氧同位素及水化學的組成特征，但地下水涉及較少。因此，本次工作在前人研究的基礎上，綜合利用水化學和氫氧穩(wěn)定同位素開展艾比湖流域地下水研究。

艾比湖流域作為“一帶一路”沿線尤為重要的核心區(qū)域，其水土安全問題關系到國家戰(zhàn)略實施［21］。艾比湖流域具有典型的干旱區(qū)生態(tài)環(huán)境特征，近年來由干旱引發(fā)的湖泊面積萎縮，使湖濱周邊干涸湖底大面積裸露且嚴重鹽堿化［22］。而地下水資源對流域生態(tài)環(huán)境和區(qū)域水資源管理至關重要，提供地下水的穩(wěn)定同位素和水化學組成證據，可以為跨流域調水和流域治理提供理論指導。研究的具體目標是（1）艾比湖流域地下水同位素水化學特征；（2）確定補給源和補給特征；（3）了解艾比湖流域含水層系統(tǒng)的流動系統(tǒng)。

1 研究區(qū)概況

艾比湖流域位于新疆維吾爾自治區(qū)博爾塔拉蒙古自治州精河縣北部，湖泊呈西北—東南走向，地理位置位于44°34′～45°08′N、82°35′～83°16′E 之間（圖1）。流域地勢較低，是一個半閉合的洼地，東邊開口，其他三面被高山環(huán)繞，湖盆是盆地內地表水和地下水的匯集中心。根據博爾塔拉政府網（http://www.xjboz.gov.cn/zjbz.htm）公布的2018 年博州水資源公報可知，全流域地表水開采量從1980年的1.35×108m3增加到2018 年的9.98×108m3，地下水呈嚴重超采狀態(tài)。根據全州19 眼地下水觀測井統(tǒng)計，全州地下水埋深平均下降了0.12 m（較上年增加0.26 m）。

圖1 采樣點區(qū)域示意圖Fig.1 Location of sampling sites in the study area

2 材料與方法

2.1 樣本采集與測試

本研究于2020 年和2021 年7 月對流域地表水和地下水進行采集，采樣點主要取自博河、精河斷面和艾比湖周邊管護站，共采集地下水樣本30個和地表水樣本15 個。所有水樣都收集在150 mL 的聚乙烯瓶中，并在現場用樣品水沖洗瓶子2 次。為避免樣品的擴散和蒸發(fā)損失，密封并冷凍樣品瓶，野外任務結束后立即帶到實驗室進行同位素分析。采樣期間，使用手持全球定位系統(tǒng)接收器記錄了樣本坐標和海拔。

水化學分析在室內25 ℃進行，電導率（Electrical conductance，EC）、溶解性總固體（Total dissolved solids，TDS）和鹽度（Salinity，SAL）采用電導率儀（Multi 3420 Set B，WTW GmbH，Germany）測定，酸堿度（pH）采用離子選擇性電極法測定，取3 次平均值作為最終的結果。水樣的氫氧同位素測試使用全自動真空冷凝抽提系統(tǒng)（LI-2100，Automatic water extraction system）和液態(tài)水穩(wěn)定同位素分析（TIWA-45-EP，Los Gatos Research）完成樣本的提取和測試。每個樣本進行6次分析，考慮記憶效應，采用后4 次的分析結果。測得的氫氧穩(wěn)定同位素含量為維也納標準平均大洋水（V-SMOW）的千分偏差，計算公式為：

式中：Rsample為樣本；Rstandard為標樣。測試結果以相對V-SMOW 千分偏差表示（δ，‰），測試精度：δ2O為±0.33‰，δ18H為±0.5‰。

2.2 研究方法

2.2.1 線性回歸方程的擬合最小二乘法（又稱最小平方法）是一種數學優(yōu)化技術。它通過最小化誤差（真實目標對象與擬合目標對象的差）的平方和尋找數據的最佳函數匹配［23］。最小二乘法可用于曲線擬合，利用最小二乘法建立不同區(qū)域地下水δ2H與δ18O之間的線性回歸方程，設擬合直線的公式為：

式中：y為δ2H 值；x為δ18O 值；b為方程截距；擬合直線的斜率為；計算出斜率后，根據和已經確定的斜率k，利用待定系數法求出截距b。

2.2.2 地下水補給率的計算根據線性回歸方程的擬合結果，利用同位素守恒規(guī)律，假設地下水樣本的同位素組成是通過混合2 個端元組分得出的，即降水和地表水，使用雙端元混合模型估算流域地下水 的 補 給 率［7,24］。因 為δ18O 水 轉 化 率 精 度 高 于δ2H［25］，因此公式可表示為：

式中：Qp、Qg、Qs分別為降水量、地下水量、河水量；δ18Op、δ18Og、δ18Os分別為降水量、地下水量、河水量的δ18O值。

2.2.3 瑞利分餾方程瑞利分餾模型本源于描述相反應過程中混合在一起的兩種不同溶液的蒸餾過程，后被用于描述開放系統(tǒng)中穩(wěn)定同位素的非平衡分餾過程。根據瑞利分餾公式，δ18O存在如下關系［26］：

式中：δ18O 為蒸發(fā)后樣品的同位素值；δ18O0為初始同位素值；ε為富集系數；f為剩余水比例。

3 結果與分析

3.1 地下水氫氧穩(wěn)定同位素空間異質性

3.1.1 不同區(qū)域地下水氫氧同位素特征地下水采樣點主要分布在博河、精河和艾比湖周邊區(qū)域，由于精河上游取樣難度大，只取得中下游地下水。博河、精河區(qū)域井深15～100 m，艾比湖周邊管護站井深30～260 m。由表1均值可知，整個流域δ2H和δ18O最大值位于博河和精河中下游區(qū)域，艾比湖周邊區(qū)域次之，博河上游區(qū)域最小；氘盈余（d-excess）最大值位于艾比湖周邊區(qū)域，博河上游區(qū)域次之，博河和精河中下游區(qū)域最小。地下含水層分布在地表以下，因此地下水氫氧穩(wěn)定同位素的區(qū)域異質性表明流域地下水受到補給源和水巖作用的影響。

表1 不同區(qū)域氫氧同位素值Tab.1 Isotopic values of hydroxide in different regions /‰

3.1.2 地下水氘盈余空間特征氘盈余（d-excess）最早由Dansgaard 定義并量化［27］，d=δ2H-8δ18O，反應了包括空氣濕度、海洋表面溫度和風速的變化，也可反映該地區(qū)水-巖氧同位素交換程度［28］。整個流域d-excess 范 圍 從6.47‰ 到17.45‰，平 均 值 為10.67‰。為進行流域d-excess 參數空間特征分析，將全球大氣降水線及其d=5、10、15 時的特征線繪出。從圖2中可以看出，博河、精河中下游區(qū)域主要位于d=5 和d=10 特征線之間，而艾比湖周邊地下水主要位于d=10 和d=15 特征線之間，表明流域不同區(qū)域地下水存在不同的循環(huán)過程。

圖2 艾比湖流域地下水d-excess特征Fig.2 Groundwater d-excess characteristics in Ebinur Lake Basin

圖3a顯示出整個流域內地下水的d-excess在空間上的變化。水平分布上，博河、精河流域地下水采樣點分布在距河流0～8 km（圖3b）。不同距離下d-excess 表現出聚集特征，一定程度表明其地下水橫向連通性較好。精河流域J1 和J4 與艾比湖距離不同導致的同位素差異特征，與精河地表水同位素特征一致［20］。艾比湖周邊區(qū)域地下水位高（平均深度95 m），距河湖遠，且受外界環(huán)境因素影響較小，氫氧同位素整體顯現出貧化特征。其中ABH6距艾比湖較近（2.97 km），而d-excess相對較低，可能受到巖石含氧化合物的化學組分和含水層的溫度影響。距湖3～6 km內d-excess差異性可能反映了區(qū)域含水層系統(tǒng)的非均質和各向異性導致的有限橫向連通性［7］。垂直分布上（圖3c），除ABH8 和ABH12 極端樣本以外，回歸分析表明擬合關系不存在顯著性意義，相關系數極小，地下水d-excess 沒有表現出深度效應，未來需要更多的同位素指標去分析驗證。

圖3 艾比湖流域地下水d-excess隨河湖距離和深度的變化Fig.3 Changes of groundwater d-excess with distance of rivers and the lake and depth in Ebinur Lake Basin

3.2 地下水補給特征和影響因素

3.2.1 地下水δ2H與δ18O相互關系圖4a為艾比湖流域地下水δ2H 與δ18O 相互關系，其δ2H 與δ18O 有顯著線性關系（R2=0.83，P<0.001），關系式為δ2H=4.79δ18O-24.31。艾比湖地區(qū)處于西風帶，受季風影響很弱［20］，這使區(qū)域地下水同位素值偏離降水線和地表水線。根據Wang 等[29]在天山北坡、Hao 等[18]在艾比湖流域的降水穩(wěn)定同位素統(tǒng)計數據可知，天山北坡的大氣降水線為δ2H=7.51δ18O+1.95，流域大氣降水線為δ2H=6.69δ18O-6.53（圖4a）。干旱區(qū)氣候干燥，空氣濕度小，降水的云下蒸發(fā)強烈，再加上局地循環(huán)水汽的混合導致降水中同位素的動力分餾現象，地下水δ2H 與δ18O 關系線整體位于天山北坡大氣降水線和流域大氣降水線的上方，斜率和截距均小于二者，且具有負截距，表明地下水接受降水補給的同時也經歷了一定程度的蒸發(fā)富集，這與干旱區(qū)石羊河流域的研究一致［30］。其中博河地下水基本位于流域大氣降水線上，表明地下水主要來源于降水，精河地下水位于流域大氣降水線上方，表明該區(qū)域降水補給期間的蒸發(fā)分餾作用與博河不同。博河和精河地下水位于流域地表水線附近（圖4b），表明受到地表水補給的影響，博河和精河地下水主要補給源是地表水和降水；艾比湖周邊地下水位于流域大氣降水線上方，δ18O 較低，表現出貧化特征，且部分地下水處在流域地表水線的延伸線上，表明地下水主要來源于冰雪融水和降水，部分地下水受地表水補給。結合Tan 等［31］學者的研究發(fā)現，蒸發(fā)對同位素的主要影響集中在上層土壤層，對地下水的影響較弱。因此，流域地下水的同位素變化主要受補給源的影響。

圖4 艾比湖流域地下水δ2H與δ18O相關關系Fig.4 Correlation between groundwater δ2H and δ18O in Ebinur Lake Basin

3.2.2 地下水影響因素分析基于地表水交換區(qū)δ18O 的平均值及式4 對地下水補給率進行計算（博河、精河中下游地下水和地表水平均值為-10.31‰、-11.84‰，河湖交匯區(qū)地下水和地表水平均值為-11.39‰、-11.84‰），參考艾比湖流域降水δ18O 平均值-4.38‰［17］，得出博河和精河中下游地表水對地下水的補給率為79.7%，降水補給率為20.3%。河湖交匯區(qū)地表水對地下水的補給率為93.9%，降水補給率為6.1%。該結果相較郝帥等[16]計算的中下游河水和地下水之間交換比例偏高，主要是季節(jié)灌溉回流補給作用大，也可能是參考降水δ18O 與實際采樣時間差異導致的。從地下水TDS與δ18O 關系圖可知，地下水同位素與TDS 的相關性較低，表明地表水和降水的補給對TDS 含量的影響較?。▓D5）。已知地下水最富集樣本δ18O 為-9.81‰，最貧化樣本δ18O 為-11.01‰，參考艾比湖流域富集系數為-83.33‰［18］，根據瑞利分餾公式，計算得到剩余水比例為98%。再根據質量平衡原理，假設蒸發(fā)是控制TDS 的主要因素，地下水TDS 含量應為（C0對應地下水最小TDS 含量）。這與地下水實際TDS 含量變化相差較大（圖5），因此必然存在其他因素影響地下水的TDS 變化。水中TDS 主要由水中的HCO3-、Ca2+的濃度決定，受采樣區(qū)范圍內的巖石風化作用的控制［32］，因此需要結合水位和水質數據進一步評估。

圖5 艾比湖流域地下水TDS與δ18O關系Fig.5 Relationship between groundwater TDS and δ18O in Ebinur Lake Basin

3.2.3 地下水氘盈余沿程變化圖6a～b 顯示的是博河和精河流域d-excess 從上游到下游的空間變化趨勢。博河上游地下水d-excess 較高，中下游區(qū)域較為穩(wěn)定，下游區(qū)域存在波動。精河中下游區(qū)域地下水d-excess 沿程逐漸降低，但整體比博河中下游高。博河上游區(qū)域B1樣點d-excess較高，且δ18O與郝帥等［16］在博河上游山谷冬季雪水氧同位素相近（均值-18.63‰），反映上游靠近山區(qū)，主要補給源是冰川融水，氣溫低，蒸發(fā)弱。中下游區(qū)域d-excess 總體較低，表明補給地下水存在一定蒸發(fā)富集。根據地下水補給率的計算，可知存在蒸發(fā)富集的地表水對地下水補給頻繁。B5 到B7 位于中段區(qū)域，該區(qū)域的特點是城市化程度高，工農業(yè)發(fā)達，水利灌溉設施密集，這與埃及尼羅河流域密集農業(yè)措施影響地下水穩(wěn)定同位素比率；水面積和灌溉面積的增加導致石羊河流域年蒸發(fā)量的增加研究類似［33-34］，灌溉回流對地下水的補給可能是地下水同位素特征蒸發(fā)富集的一種解釋。下游B9和B10地下水d-excess向上波動，可能由于井較深（85 m），與地表水交換相對較少，蒸發(fā)分餾作用弱。B12非常接近艾比湖，湖水的交換作用可能導致同位素值偏高。J3 與J4 位于精河下游區(qū)域，與地表水轉換頻繁，且靠近艾比湖鹽區(qū)，d-excess富集特征明顯。

圖6 博河和精河流域地下水d-excess沿程變化Fig.6 Groundwater d-excess variation in Bortala and Jing River Basin along the flow path

3.3 地下水流動系統(tǒng)

3.3.1 不同區(qū)域地下水水化學特征及沿程變化除博河B9（pH=6.39）和B10（pH=6.78）樣點外，整個流域地下水pH 范圍為7.21～9.23，屬于弱堿性；除鄰近艾比湖的ABH12樣點外，流域地下水含鹽量接近于1 dS·m-1。由均值可知，艾比湖周邊區(qū)域地下水各水化學指標都大于博河和精河流域；由最小和最大值可知，艾比湖周邊區(qū)域地下水水化學參數變化范圍大于博河和精河流域地下水（表2）。

表2 艾比湖流域水化學參數特征Tab.2 Characteristics of water chemistry parameters in Ebinur Lake Basin

從水化學參數的沿程變化（圖7a～b）可知，博河、精河中下游和博河上游地下水水化學參數差異明顯，上游區(qū)域EC 均值小于200 μS·cm-1。中下游EC 均值大于200 μS·cm-1。艾比湖周邊地下水EC變化范圍最強，博河次之，精河最弱。結合氫氧同位素特征，中下游區(qū)域和河湖交匯區(qū)地表水與地下水交換密切，同時考慮周邊農田灌溉等人類活動影響，這些區(qū)域是地下水防控和治理的重點區(qū)域。

圖7 艾比湖流域地下水水化學特征沿程變化Fig.7 Variation of hydrochemical characteristics of groundwater in Ebinur Lake Basin

3.3.2 不同區(qū)域地下水流動特征結合朱世丹和雷米等［20,35］的研究發(fā)現，除個別樣點，精河、博河地表水的δ2H 與δ18O 從上游到下游逐漸偏正，表明地下水與地表水的流向基本一致。根據δ2H、δ18O 和d-excess，結合水化學指標的變化范圍可將流域分為2 個不同的流動系統(tǒng)（表3）。從EC 變化特征來看，流動系統(tǒng)Ⅰ的離子含量可能要低于流動系統(tǒng)Ⅱ，說明2 個系統(tǒng)的地球化學環(huán)境不同。從同位素特征看，流動系統(tǒng)Ⅰ的同位素d-excess 范圍比流動系統(tǒng)Ⅱ更小。從井深來看，流動系統(tǒng)Ⅰ地下水深度均在15～100 m 之間，而流動系統(tǒng)Ⅱ地下水深度在30～260 m 之間，所以這2 個系統(tǒng)可能分屬于水力聯(lián)系不同的流動系統(tǒng)。

表3 地下水流動系統(tǒng)的氫氧同位素特征Tab.3 Isotopic characteristics of groundwater flow systems

4 結論

本文結合線性回歸、雙端元混合模型和GIS 空間分析等方法，分析了艾比湖流域地下水氫氧同位素和水化學的空間異質性，探討了艾比湖流域地下水補給特征以及影響補給的因素，揭示了艾比湖流域含水層的流動特征。

（1）艾比湖流域不同區(qū)域地下水氫氧同位素存在空間異質性。總體來看，氫氧同位素值最大位于博河和精河中下游區(qū)域，艾比湖周邊區(qū)域次之，博河上游區(qū)域最小，流域地下水主要受到補給源和水巖作用的影響。水平分布上，博河、精河流域地下水d-excess 表現出聚集特征，而艾比湖周邊地下水表現出分異特征。垂直分布上，d-excess 沒有表現出深度效應。

（2）艾比湖流域不同區(qū)域地下水存在不同的補給機制和補給特征。地下水δ2H 與δ18O 關系線的斜率和截距均小于天山北坡大氣降水線和流域大氣降水線，表明地下水受到一定程度的蒸發(fā)分餾。結合不同區(qū)域d-excess 特征可知，博河上游區(qū)域地下水主要受冰川積雪融水補給；博河和精河中下游地下水主要來源為地表水和降水，同時受巖層性質、農田開發(fā)和灌溉措施影響較大；艾比湖周邊地下水主要來源于冰雪融水和降水，部分地下水受地表水補給。結合EC 變化特征可知，精河、博河中下游區(qū)域和河湖交匯區(qū)地下水是防控和治理的重點區(qū)域。

（3）不同區(qū)域地下水水化學特征沿程變化明顯。結合氫氧穩(wěn)定同位素差異性，判斷流域地下水存在2 個不同的流動系統(tǒng)。流動系統(tǒng)ⅠEC 在210.00～2500.00 μS·cm-1之 間，d-excess 在6.47‰～9.70‰之間，而流動系統(tǒng)ⅡEC 在141.60～5260.00 μS·cm-1之間，d-excess 在9.61‰～17.45‰之間，表明含水層存在不同的水力聯(lián)系。

本文根據已有數據很好的揭示了艾比湖流域地下水特征，但是為了進一步理清地下水多源補給區(qū)和補給方式、垂直分異規(guī)律，在如此大規(guī)模的含水層系統(tǒng)中，需要水力計算進一步驗證我們的結果。未來還要重復訪問這些樣點，增加樣本點和利用多種同位素示蹤，以理清地下水同位素水化學年內、年際分異特征，以期為干旱半干旱地區(qū)跨流域調水、水權、入湖水量分配和流域治理等提供理論支撐。