黑河流域水循环过程中地下水同位素特征及补给效应

第20卷第5期2005年5月地球科学进展A DVANCE S I N E AR TH S C I ENC EV o l.20　N o.5M a y.，2005文章编号：1001-8166（2005）05-0511-09黑河流域水循环过程中地下水同位素特征及补给效应*张光辉1，聂振龙1，王金哲1，程旭学2（1.中国地质科学院水文地质环境地质研究所，河北　石家庄　050061；2.甘肃省地勘局水文地质工程地质勘察院，甘肃　张掖　734000）摘　要：通过环境同位素及其T a m e r s、I AE A模型应用研究表明，黑河流域水循环过程中地下水同位素特征与补给源属性和数量密切相关，具有非均一性；东部以山区降水通过出山地表径流补给为主，西部冰川雪融水和山区基岩裂隙水是主要补给源，下游区依赖中游区河水下泄状况，蒸发特征明显。

东部同位素较新且地下水更新较快，西部同位素较老且地下水更新较慢；祁连山前戈壁带地下水同位素与山区河水相近，细土平原带地下水补给河水；高台一带受酒泉低氚值地下水补给影响而河水和地下水氚值都偏低；近河道带地下水年龄较新，远离河道则较老。

因此，充分利用地下水与地表水之间转化规律，联合优化调控，有利于该区地下水资源可持续利用。

关　键　词：黑河流域；地下水；转化过程；同位素特征；非均一性中图分类号：P641.2 文献标识码：A 西北内陆黑河流域平原是典型的干旱地区，其地下水主要依赖祁连山区出山地表径流补给，包括冰川雪融水、降水和基岩裂隙水（基流）补给。

自祁连山区至额济纳盆地，地下水同位素特征反映了它与地表水之间相互转化和补给非均一性。

这一研究对该区水资源可持续利用具有重要意义。

丁永建等［1］、张杰等［2］阐明了近40年以来黑河流域降水时空变化特征。

陈仁升等［3］和蓝永超等［4］阐述了黑河流域中游区地下水和出山地表径流量变化规律。

王根绪等［5］揭示了近50年以来黑河流域水文变化与生态环境之间的关系。

张光辉等［6，7］开展了黑河流域水循环过程与地下水形成模式研究。

武选民［8］等应用环境同位素阐述了黑河流域下游区地下水补给问题。

前人研究结果显示［8］，祁连山山前平原浅层地下水70％～80％来自山区地表径流补给，下游段细土平原65％～90％的地表水是山前平原地下水通过溢出带泉水排泄形成。

但是，补给源的组成特征及其时空变化规律仍然是一个前沿课题［6～9］。

祁连山区各种水源成因及其在黑河流域时空再分配，受地面高程、气温和多源混合作用及流程衰变时效性等影响，各水源原固有的同位素特征在径流途径中发生变化，水的同位素变化真实地记录了它们过去的经历，包括水中放射性同位素氚的衰变［10］。

由于水的同位素直接参与整个水循环过程，以致其成为示踪地表水—地下水间转化过程的较理想标记。

在过去20年，同位素示踪技术广泛应用于研究水的起源、年龄和流动途径，并在利用各种测年技术确定水的年龄方面取得新进展。

对于干旱区水资源问题，国际原子能机构出版了《利用同位素评价缺水地区地下水的更新性》（I AE A，2001），详细介绍了在干旱区利用同位素研究水循环更新的方法和可行性［10］。

氚是氢元素的一种放射性同位素，氚原子生成*　收稿日期：2004-04-19；修回日期：2004-09-28.*基金项目：国土资源部重点基础研究项目“西北内流盆地水循环规律与地下水资源形成演化模式”（编号：200010301）；国家自然科学基金项目“人类活动对干旱区地下水循环变异影响阈识别”（编号：40472126）资助．　作者简介：张光辉（1959-），男，辽宁沈阳人，研究员，长期从事区域水循环演化规律和地下水可持续利用问题研究．E-m a i l：h u a n j i ng ＠h e i n f o. n et后即同大气中的氧原子化合生成 H TO 水分子，成为天然水的一部分，参与水循环，成为追踪各种水文过程的一种理想示踪剂，而且氚的放射性具有计时功能，以致成为一种测年技术手段。

氚的半衰期为12.34 年。

20世纪50年代开始的人工核试验，为研究水循环演化提供了区域性标记层，1963 年降水中氚含量可达6000 T U 。

核爆过后，呈指数衰减，包括纬度效应、高程效应、季节效应和雨量效应等。

黑河流域南湿北干、北低南高的气候和地势条件，为应用同位素技术识别地表水与地下水之间转化过程提供了较好条件。

1　自然环境与补给条件1.1自然环境黑河流域南以祁连山为界，北与蒙古国接壤，东、西分别与石羊河和疏勒河流域相邻，地理坐标为37°45′～42°40′ N 、97°05′～102°00′ E ，流域面积14.3 ×10 4km 2，其中平原区5×10 4km 2，近60％的区域为基岩山地、戈壁及沙漠覆盖区（图1）。

黑河流域的上游为祁连山区，是指黑河出山口图1　黑河流域研究区及采样点布置图F i g.1 D i s t r i b u ti on o f rese a rc h r e g i on a nd s a m p l e p l a c e i n H e i he R i v e r B a s i n1.基岩山区；2.河流；3.沙漠；4.同位素动态监测站；5.采样剖面线；6.深层水采样点；7.采样点编号；8.浅层水采样点；9.河水采样点；10.地表水与地下水采样点；11.冰雪融水采样点；12.地下水分层采样点；13.库水采样点；14泉水采样点215 地球科学进展 第20卷莺落峡以上基岩山区，海拔1700～5564m，年降水量300～600m m，融水量约4亿m3/a，是黑河流域的主要补给源区。

中游区位于莺落峡至正义峡之间，主要由张掖盆地和酒泉盆地构成，海拔高程1352～1700m，年降水量50～200m m，年蒸发量大于2050m m；该区人口、耕地和国内生产总值分别占流域总量的90.6％、94.5％和88.7％。

下游区包括金塔—鼎新盆地和额济纳盆地，海拔高程为912～1249m，除河流沿岸和居延三角洲外，大部为荒漠戈壁，年降水量小于50m m，最小年份17m m，额济纳盆地的年蒸发量大于3700m m，是严重缺水和生态环境脆弱区［11，12］。

1.2　流域水循环特征由黑河干流和北大河串联上游祁连山区、中游区的张掖盆地和酒泉盆地，以及下游区的金塔—鼎新盆地和额济纳盆地（图1），形成了黑河流域尺度的“河流—地下水”水循环系统，地表水与地下水之间至少存在3次完整转化过程［6］，彼此转化的重复量占径流量的80％以上。

1.3　补给条件黑河流域中游平原区地下水系统剖面如图2所示，自盆地上游段至下游段，依次分布单层结构冲洪积砂砾石戈壁带、双层结构亚粘土—亚砂土—砂砾石互层过渡带和多层结构粘性土与砂互层细土平原图2　黑河流域中游平原区典型水文地质剖面图F i g.2　H yd r og e o l og i c al sec ti on i n t he m i d d l e r e a c h e s o f H e i h e R i v e r B a s i n1.砂砾石；2.亚砂土；3.砂；4.花岗岩；5.砂岩；6.砂质泥岩；7.断层；8.钻孔编号及孔深（m）；9.地下水水位带。

下游区地下水系统剖面特征与图2类似，只是第四系厚度明显变薄，小于400m，基底变缓。

作为黑河流域平原地下水主要补给源的较大出山河流（流量大于107m3/a）曾有26条，目前还有17条，多年平均径流量37.9亿m3/a，其中70％～80％在山前平原单层结构砂砾石戈壁带（图2）入渗补给地下水。

近50年以来黑河干流最大径流量23.1亿m3/a（1989年），最小径流量11.1亿m3/a （1973年）。

2　研究方法与数据来源在2000—2003年期间，作者在黑河流域建立了包括山区与平原降水、冰川雪融水、河水、泉水和不同埋深地下水的同位素信息采集及长期监测网络（图1），并全面地采集了各种信息和连续的月动态监测，获取氢氧同位素（18O、D和3H）数据258组和碳同位素（14C和13C）数据44组。

氢氧同位素样品采集1L、玻璃瓶中密封保存，碳同位素样品采集120L、加入N a O H和B a C l2形成B aC O3沉淀，现场测试气温与水温、pH和碱度。

18O/16O是利用C O2平衡方法，D/H是利用锌还原方法，质镨测定，以V SM O W标准表示，分析精度δ18O 为±0.1‰和δ18D为±1.0‰。

3H值通过电解富集，然后利用低本底液体闪烁仪测定，单位TU，分析误差±3T U。

14C值是将样品转化为苯，然后由低本底液闪烁仪测定，以现代碳百分数（p m c）表示，分析误差±0.3p m c。

13C值通过质谱测定的，表示为P D B，分析误差±0.2‰。

在上述基础上，利用相关环境同位素理论和T a m e r s［11］等同位素测年分析模型研究黑河流域地下水补给效应及更新性。

3　同位素及水化学分布特征沿黑河干流至额济纳盆地，潜水δ18O和δD逐315第5期 张光辉等：黑河流域水循环过程中地下水同位素特征及补给效应 渐变富。

在黑河流域祁连山前戈壁带及溢出带以下的细土平原，潜水的δ18O和δD值位于大气降水线上，与山区河水相近（图3），氚值高（表1），反映山区现代降水或冰川雪融水通过出山地表径流补给的特征，交替更新较快。

取自下游的潜水和中下游地表水库的δ18O和δD值位于降水线的右上方，并向右偏移（图3），氚值高，为现代河水和灌溉回归水补给。

在鼎新灌区和额济纳荒漠区，潜水δ18O和δD 较富。

从图1中剖面I V-V I’走向自祁连山区，经中游区和下游鼎新盆地，至额济纳盆地，δ18O值逐渐增大，分别为－9.2‰、－7.9‰、－7.5‰和－5.8‰，化学组分M g2＋、N a＋、SO2－4、C l－含量和T D S都呈现增加趋势（图4和表1），蒸发效应明显。

3.1　张掖盆地地下水同位素特征在张掖盆地的山前戈壁入渗带，潜水的氚值51.2～69.7T U，均值62T U。

自张掖市经高台至正义峡一带的细土平原，氚值16.3～165.2T U，均值70T U，反图3　黑河流域地下水及河水的δ18O-δD关系F i g.3　R e l a ti o n s h i p b e t w ee nδ18O andδD of g r ou n dw a t e r a n d r i v e r i n H e i he r i v e r b a s i n表1　黑河流域地下水同位素及水化学特征值T a b l e1　I s o t op i c c h a r a c t er i s ti c and c h e m i c a l c om p o s iti on o f g r ou n dw a t e r i n H e i he r i v e r b a s i n指 标祁连山区张掖盆地酒泉盆地金塔—鼎新额济纳盆地入渗带溢出带以下细土平原入渗带溢出带以下细土平原潜水潜水承压水潜水潜水承压水金塔潜水鼎新潜水潜水承压水δD（‰）－47－53－52－56－50－55－62－54－42－46－57δ18O（‰）－9.2－8.4－7.9－9.6－9.1－9.2－9.8－9.2－7.5－5.8－7.6 H3（TU）33.46270294965252828614C（p m c）68.899.384.778.084.893.438.0655.7125.367.730.4 p H值7.97.87.58.227.827.498.357.487.67.787.84 T D S（m g /L）356.80542.521440.76384.18716.32949.3539.451231.152224.001340.961004.45 C l－（m g /L）9.2018.8074.7244.8047.34102.4533.68140.40260.23181.86170.18 S O2－4（m g/L）69.20100.40546.5860.70245.92223.35166.43518.25740.73441.56318.52H C O－3（m g/L）190.40266.33397.48158.64214.90358.75183.68232.45564.60303.00204.42 C a2＋（m g /L）46.5065.32152.8625.8858.2034.337.5585.35117.5767.6560.98 M g2＋（m g/L）24.1033.3099.8024.261.1080.0038.53109.90160.7079.2051.58 N a＋（m g /L）7.6026.10102.7446.9248.64119.0054.35120.35305.60222.96175.48 K＋（m g /L） 1.303.0213.83.545.849.754.358.9520.6310.525.83S i O2（m g/L） 5.289.5818.775.6011.9519.6814.3313.0518.2413.3013.96映地下水中含有核爆氚（近40年以来的事件）。