張掖盆地的地下水年齡分布特征研究

楊柯敏（中材地質(zhì)工程勘查研究院有限公司，北京 100102）

張掖盆地的地下水年齡分布特征研究

楊柯敏
（中材地質(zhì)工程勘查研究院有限公司，北京 100102）

【摘 要】地下水的年齡是決定地下水是否可更新及能否作為資源被持續(xù)開發(fā)利用的重要指標(biāo)，研究盆地地下水的資源屬性，對區(qū)域地下水的合理可持續(xù)開發(fā)具有重要指導(dǎo)意義。本文利用張掖盆地地下水的測年數(shù)據(jù)，結(jié)合當(dāng)?shù)厮牡刭|(zhì)條件，分析了張掖盆地地下水年齡分布特征。研究表明，盆地淺層地下水年齡較小，屬于可更新地下水；盆地中游地下水受地表水補(bǔ)給的影響，地下水年齡較年輕；隨著盆地深度的增加，地下水年齡變老。

【關(guān)鍵詞】張掖盆地；地下水年齡；分布特征

1　前言

黑河發(fā)源于祁連山脈，流經(jīng)青海、甘肅、內(nèi)蒙古三省(自治區(qū))，干流全長821km。黑河中游的張掖地區(qū)，地處古絲綢之路和今日歐亞大陸橋之要地，享有“金張掖”之美譽(yù)。黑河下游的額濟(jì)納旗有我國重要的國防科研基地——酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心，并且額濟(jì)納綠洲是阻擋風(fēng)沙侵襲、保護(hù)生態(tài)的天然屏障。黑河流域生態(tài)環(huán)境的好壞事關(guān)流域經(jīng)濟(jì)發(fā)展、民族團(tuán)結(jié)、國防穩(wěn)固的大局。隨著人口增長和經(jīng)濟(jì)發(fā)展，對水土資源過度開發(fā)，導(dǎo)致額濟(jì)納旗河湖干涸、林木死亡、草場退化、沙塵暴肆虐等生態(tài)環(huán)境問題進(jìn)一步加劇[1-2]。2001年，國務(wù)院制定了黑河分水方案，要求保證黑河正義峽的泄水量。

干旱和半干旱地區(qū)的地下水資源是十分寶貴的戰(zhàn)略資源，在某些區(qū)域甚至是唯一可用的水資源[3-4]，西北干旱盆地水資源的一個重要特征就是水資源以河流—含水層系統(tǒng)的形式賦存[3,5]，所以要保證黑河在正義峽的下泄量，在正義峽的上游就必須要合理的開發(fā)地下水資源，減少地表水資源的使用量。因此，正確認(rèn)識干旱和半干旱地區(qū)的地下水資源屬性，制定相應(yīng)的地下水開發(fā)方案，對實(shí)現(xiàn)地下水資源可持續(xù)性具有重要意義。

關(guān)于地下水資源年齡和可更新性的研究，前人已有許多研究成果。Margat等[6]給出了可更新水資源和不可更新水資源的定義：①可更新的水資源指河流的多年平均年徑流量或含水層來自降水的多年平均補(bǔ)給量，對于地下水來說即含水層來自降水的補(bǔ)給；②不可更新地下水資源，一般指地下水體(深部含水層)，其補(bǔ)給強(qiáng)度在人類時間尺度上可以忽略，因此可認(rèn)為是不可更新的[7]。

文冬光[8]總結(jié)了大量國外應(yīng)用穩(wěn)定同位素和放射性同位素研究地下水資源屬性的實(shí)例，并從可持續(xù)的角度提出了區(qū)域地下水資源屬性的概念，指出應(yīng)用同位素方法研究地下水資源屬性是最直接、有效的方法。陳宗宇等[9]利用地下水中放射性氚(3H)和碳(14C)測年方法，計算黑河流域地下水的年齡，結(jié)果表明：潛水年齡多數(shù)小于50a，具有可再生的資源屬性，其中山前戈壁帶和張掖盆地細(xì)土平原潛水地下水年齡小于40a。陳宗宇等[7]利用3H和水資源計算的方法評價了華北平原的地下水可更新能力，研究認(rèn)為華北平原第四系含水層系統(tǒng)在山前平原是可更新的，在山前平原與中部平原過渡地區(qū)(承壓水)更新較快，其余地區(qū)更新相對比較緩慢。林學(xué)鈺等[10]研究了地下水資源的屬性和管理問題，探討了地下水資源、地表水資源和礦產(chǎn)資源的異同點(diǎn)。張人權(quán)[11]以華北平原為例，提出了地下水資源評價的一些觀點(diǎn)和注意事項。翟遠(yuǎn)征等[12]分別用更新周期和補(bǔ)給速率作為評價指標(biāo)，評價了北京市平原區(qū)的地下水更新能力，并認(rèn)為補(bǔ)給速率指標(biāo)比更新周期具有更重要的實(shí)際意義。

2　研究區(qū)概況

張掖盆地地處河西走廊中段，西靠臨澤，東至山丹、民樂，南為祁連山，北依龍首山，年降水量＜200mm，年水面蒸發(fā)量＞2050mm，屬寒冷干旱氣候[13]。區(qū)內(nèi)地形地貌平坦，南高北低，地貌上分為祁連山山前沖洪積戈壁平原和盆地中部沖洪積細(xì)土平原以及北部龍首山山前戈壁平原[14]。

祁連山發(fā)育的河流在祁連山前戈壁帶強(qiáng)烈滲漏補(bǔ)給地下水，主要河流有黑河及其支流山丹河、梨園河等。黑河、梨園河出山口后，在山前戈壁帶的粗顆粒礫石河道強(qiáng)烈滲漏補(bǔ)給地下水。黑河干流入滲后在甘州區(qū)靖安鄉(xiāng)以泉水的形式溢出補(bǔ)給地表水，梨園河在臨澤以北以泉水和自流水的形式溢出地表。研究區(qū)交通及取樣位置如圖1。

圖1　研究區(qū)取樣點(diǎn)分布

3　研究方法

地下水中含有14C放射性同位素，在進(jìn)入封閉系統(tǒng)后，就按衰變定律開始減少：

A樣＝A0×e(-λt)

經(jīng)變化后得到：

式中：A0——“現(xiàn)代標(biāo)準(zhǔn)碳”的放射性比度(dmp/g)；

A樣——t時間后樣品中1 4C的放射性比度(dmp/g)；

t——樣品的未校正年齡(年，B·P)；

λ——14C的衰變常數(shù)(λ=ln2/T1/2)。

當(dāng)14C的半衰期T1/2取5730年時，上式可改寫為：

通過上式可以看出，只要確定了A0和樣品的A樣，就能確定地下水的年齡。A樣可以通過測試得到，問題的關(guān)鍵在于A0，即地下水的初始14C含量難以確定。這主要是因為降水或地表水在補(bǔ)給到含水層的過程中，地下水中高含量14C通常被低14C含量的礦物溶解稀釋，包括含水層介質(zhì)碳酸鹽礦物的溶解、碳酸鹽相之間的同位素交換和生物活動等，這些都使A0發(fā)生變化。

為了確定地下水年齡，許多學(xué)者進(jìn)行了大量研究，提出了各種校正方法：統(tǒng)計學(xué)方法[15]、δ13C混合模型[16]、化學(xué)混合模型[17]、同位素混合交換反應(yīng)模型[18]等，這些模型在不同的水文地質(zhì)條件下有不同的適用性。

校正后的地下水年齡如下表。

地下水樣品年齡

4　地下水年齡分布特征

由于取樣深度對地下水中14C的含量影響較大，不同的取樣深度所取到的樣品其代表性不同，所以不進(jìn)行平面的對比，只進(jìn)行垂向的對比。

根據(jù)取樣位置，設(shè)置了兩條垂向剖面：祁連山前剖面和龍首山前剖面。由于這兩條剖面所在區(qū)域其地下水補(bǔ)給來源有明顯差別，所以分別對這兩條剖面的地下水年齡進(jìn)行分析。

圖2為祁連山前剖面的垂向地下水年齡等值線圖，從圖2可以看出，張掖盆地東南方向的14、11取樣點(diǎn)的地下水年齡相對較大，而盆地中游的地下水年齡較輕。10、9取樣點(diǎn)所處位置為黑河干流出山口的下游，由于黑河河道的巖性為漂卵礫石，滲透性極好，河水強(qiáng)烈滲漏，地下水受到年輕的水的補(bǔ)給，整體年齡偏向年輕。同樣，4、3取樣點(diǎn)位于梨園河的下游，由于梨園河河水的入滲補(bǔ)給使地下水年齡變小。14取樣點(diǎn)處的地下水年齡較大，是因為該處位于童子壩河流域的下游，地下水受到上游地下水的側(cè)向補(bǔ)給，地下水在徑流過程中，隨著時間的延續(xù)，14C含量降低，年齡變老，符合地下水年齡變化的一般規(guī)律。從1取樣點(diǎn)的地下水年齡數(shù)據(jù)可以看出，下層地下水年齡較老，說明盆地深部存在深循環(huán)的地下水。處，即盆地上游處地下水年齡較大，中游年輕，下游年齡較大，形成這一現(xiàn)象的原因是其與祁連山前剖面相似。不同之處為12取樣點(diǎn)處地下水較年輕，這是由于受到了來自龍首山?jīng)_洪積扇的補(bǔ)給。8取樣點(diǎn)位于平原堡，屬于黑河干流的溢出帶，受到了上游年輕地下水的補(bǔ)給，導(dǎo)致淺層地下水年齡較為年輕。

圖2　祁連山前剖面地下水年齡等值線圖

圖3　龍首山前剖面地下水年齡等值線圖

從1、6、8、9四個取樣點(diǎn)的不同深度地下水年

圖3為龍首山前剖面地下水年齡等值線圖，從圖3能夠看出，龍首山前剖面與祁連山前剖面有相似之齡可以看出，淺部的地下水年齡要小于深部的地下水年齡，隨著深度的增大，地下水年齡增大。深部地下水年齡通常在5000年以上，說明深部地下水與現(xiàn)代水的關(guān)系不大。

5　結(jié)論

(1)張掖盆地地下水年齡與深度有正相關(guān)性，隨著深度的增加，地下水年齡增大。

(2)隨著地下水向下游的流動，地下水的年齡會變大，在張掖盆地中部，地下水受到黑河、梨園河河水的入滲補(bǔ)給影響，地下水年齡變小。

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【礦產(chǎn)資源】

Research on Distribution Characteristics of Zhangye Basin Groundwater Age

YANG Ke-min
(Sinoma Gedogical Engineering Exploration Academy Co., Ltd., Beijing 100102, China)

Abstract:Groundwater age is an important indicator to determine whether groundwater resources could be developed and utilized sustainably. Study on groundwater resource has important guiding significance to rational and sustainable development of regional groundwater. Combined with local hydrogeological conditions, the author used groundwater age data and analyzed the resource property of Zhangye basin groundwater. Research show that shallow groundwater in Zhangye basin is young; Affected by surface water, groundwater age in midstream of the basin is young; Groundwater age increases with the basin depth.

Key words:Zhangye basin; groundwater age; distribution characteristics

【收稿日期】2015-10-28

【中圖分類號】P641.8

【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A

【文章編號】1007-9386(2015)06-0030-03