基于氧同位素(δ18O)的塔里木河下游河水向地下水的轉(zhuǎn)化研究

王希義， 徐海量， 閆俊杰， 凌紅波， 趙新風(fēng)

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)， 新疆 烏魯木齊 830052； 2.中國(guó)科學(xué)院 新疆生態(tài)與地理研究所， 新疆 烏魯木齊 830011)

1 研究背景

中國(guó)西北內(nèi)陸河地區(qū)氣候干旱，河流形成于山區(qū)，下游逐漸干涸或流入內(nèi)陸湖。當(dāng)河水從源頭進(jìn)入盆地或是平原區(qū)時(shí)，流速減緩，河水與地下水間轉(zhuǎn)換十分頻繁[1-2]。研究地表水與地下水相互作用的途徑、方式、轉(zhuǎn)化量等具有重要價(jià)值，對(duì)水資源合理利用以及水資源變化預(yù)測(cè)具有重要意義。在干旱區(qū)，河水是重要的地表水資源。因此，干旱區(qū)地表水與地下水間轉(zhuǎn)化的研究重點(diǎn)集中在河水與地下水之間。目前，河水與地下水之間轉(zhuǎn)換關(guān)系的研究主要有4種方法：解析解法、數(shù)值解法、野外測(cè)試與水化學(xué)分析法[3-4]，其中數(shù)值解法與水化學(xué)分析相結(jié)合是定量研究河水與地下水轉(zhuǎn)化的最有效方法[5]。在河水與地下水轉(zhuǎn)化的研究中，同位素技術(shù)的應(yīng)用越來越廣泛[6-7]。在常溫狀態(tài)下，以水分子形式存在的D和18O的性質(zhì)非常穩(wěn)定，不易與其接觸到的物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，同位素含量也不會(huì)發(fā)生變化[8-9]。因此在同位素技術(shù)的研究中，D和18O的研究倍受關(guān)注。

在國(guó)外，Reberski等[10]利用氫氧同位素技術(shù)對(duì)地表水和地下水之間的關(guān)系進(jìn)行了分析，Brenot等[11]運(yùn)用氫氧同位素技術(shù)研究了沖擊含水層區(qū)域地表水與地下水的相互作用，其他一些學(xué)者也利用穩(wěn)定同位素技術(shù)探討了地表水與地下水之間的轉(zhuǎn)換問題[12-13]。在國(guó)內(nèi)，同位素技術(shù)被應(yīng)用到不同水樣之間的轉(zhuǎn)化關(guān)系方面。曾巧等[14]利用同位素技術(shù)研究了植物的水分來源，Li Peiyue等[15]研究了渭河流域華縣段石堤河的地下水與地表水轉(zhuǎn)換，楊玉忠等[16]研究了北麓河流域降水與河水的同位素特征。在新疆塔里木河流域，周天河等[17]運(yùn)用同位素對(duì)塔里木河上游胡楊、檉柳的水分來源進(jìn)行了研究，孫從建[18]應(yīng)用同位素技術(shù)結(jié)合水化學(xué)特性定量分析了各源流區(qū)的徑流組成及貢獻(xiàn)率，徐夢(mèng)辰等[19]在利用環(huán)境同位素技術(shù)與多年徑流量數(shù)據(jù)分析塔里木河中游的水文過程基礎(chǔ)上，采用聚集度指標(biāo)與種群結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)量化法研究了胡楊種群結(jié)構(gòu)與時(shí)空變化特征。然而，有關(guān)地表水與地下水之間關(guān)系的研究大都集中在濕潤(rùn)地區(qū)，針對(duì)塔里木河流域地表水與地下水相互作用的研究較為少見。

塔里木河下游從1972年起持續(xù)斷流，地下水位不斷下降，以胡楊、檉柳為代表的兩岸植被幾近消亡[20]。從2000年5月起至2016年底，由水利部會(huì)同新疆維吾爾自治區(qū)人民政府及新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)等部門共進(jìn)行了17次間歇性的應(yīng)急生態(tài)輸水，旨在搶救下游瀕危植被，以實(shí)現(xiàn)區(qū)域經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和生態(tài)的協(xié)調(diào)發(fā)展。本文的目的是在分析塔里木河下游水文地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上，對(duì)河水與地下水進(jìn)行取樣，然后在室內(nèi)對(duì)δ18O同位素進(jìn)行分析測(cè)定，之后依據(jù)質(zhì)量守恒原理，確定塔里木河下游生態(tài)輸水過程中河水對(duì)地下水的轉(zhuǎn)化比率，以便為生態(tài)輸水的效益評(píng)估提供研究基礎(chǔ)和理論依據(jù)。

2 研究區(qū)概況

塔里木河下游是指從大西海子水庫到臺(tái)特瑪湖之間的區(qū)域(圖1)，西依塔克拉瑪干沙漠，東連庫魯克沙漠，屬溫帶大陸性干旱荒漠氣候，年降水量?jī)H為17.4～42.0 mm，而潛在年均蒸發(fā)量卻高達(dá)2 500～3 000 mm[21]。自2000年開展生態(tài)輸水以來，大量死亡或?yàn)l臨死亡的植被又開始復(fù)蘇，蓋度和多樣性有所回升[22]。

圖1 塔里木河下游各取樣斷面及取樣點(diǎn)示意圖

塔里木河下游為寬約10～20 km的沖積平原，海拔位于780～840 m之間。地形總體上由西北向東南傾斜，最低點(diǎn)位于臺(tái)特瑪湖。塔里木河下游河道寬30～50 m，河床下切2～7 m，兩岸分布有胡楊、檉柳、駱駝刺、鹽生草、花花柴等喬灌木以及固定、半固定沙丘，并在低洼地帶有鹽土和鹽殼分布[23]。在構(gòu)造上，塔里木河下游是一個(gè)長(zhǎng)時(shí)期的緩慢沉積帶，具有較厚的第四系松散堆積層。在漫長(zhǎng)的地質(zhì)時(shí)期，河流改道頻繁，河水?dāng)y帶的大量泥沙經(jīng)過沉積或淤積形成了以細(xì)砂和粉砂為主的帶狀沖積湖積層，這十分有利于地下水的儲(chǔ)存和運(yùn)動(dòng)。塔里木河下游含水層巖性單一，主要為河湖相細(xì)砂和粉細(xì)砂，屬于典型的孔隙含水層。按地下水埋藏條件，含水層可分為潛水含水層和承壓含水層。其中潛層地下水與河水聯(lián)系密切，對(duì)于河道兩側(cè)植被維持生命活動(dòng)具有重要作用，也是本文研究的重點(diǎn)。

塔里木河下游干旱少雨，但蒸發(fā)強(qiáng)烈，少量的大氣降水很容易蒸發(fā)殆盡。因此，大氣降水對(duì)地下水補(bǔ)給幾乎無作用，區(qū)域內(nèi)地下水主要受到河水的補(bǔ)給。地下水徑流從徑流特性方面可以分為縱向與橫向兩種形式。在縱向上，影響地下水徑流的因素主要是地形，地下水徑流在縱向上與河流的流向基本相同。由于水力坡度小，含水層的透水性較差，導(dǎo)致地下水徑流速度小。因此，在縱向上，地下水徑流不明顯，有些區(qū)域甚至處于停滯狀態(tài)。在橫向上，即垂直于河道方向上，地下水徑流受河水水位的影響十分顯著。在生態(tài)輸水的過程中，地下水位低于河水位，這導(dǎo)致河水向河道兩側(cè)滲透，因此橫向徑流較為活躍。

3 數(shù)據(jù)來源與研究方法

3.1 δ18O的現(xiàn)場(chǎng)采樣與室內(nèi)測(cè)量

依據(jù)塔里木河下游所設(shè)立的5個(gè)斷面，取斷面上的河水樣，在主流河水面30 cm以下取地表水樣，用待取水樣將水樣瓶清洗3次后再取樣。塔里木河下游自大西海子水庫以下分為兩條支流，一條為其文闊爾河，另一條現(xiàn)稱為老塔里木河，兩河在阿拉干處匯合后流至臺(tái)特瑪湖。在本次研究中，于河流匯合點(diǎn)上游，沿著其文闊爾河所布設(shè)的監(jiān)測(cè)井取地下水樣，取樣井點(diǎn)如表1所示。

表1 生態(tài)輸水工程區(qū)各斷面監(jiān)測(cè)井分布

注：圖表中每一生態(tài)監(jiān)測(cè)斷面上排為遙測(cè)站編號(hào)，下排數(shù)據(jù)為遙測(cè)站至近側(cè)河道河岸的距離。

除英蘇斷面只有5口監(jiān)測(cè)井以外，其他每一個(gè)斷面的監(jiān)測(cè)井均分布在離河道50 、150 、300 、500 、750 、1050 m的位置上。對(duì)于每一個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，采取每一口監(jiān)測(cè)井的水樣。然而，喀爾達(dá)依斷面G6井由于設(shè)備損壞而沒有取到地下水樣，庫爾干J4、J5、J6井中沒有地下水，也許因?yàn)榈叵滤贿^低或是無地下水補(bǔ)給而致。其余的監(jiān)測(cè)井中均可取到水樣。取得河水與地下水樣品后，立即密封樣品瓶，避免樣品與空氣之間進(jìn)行同位素交換以及樣品因蒸發(fā)而導(dǎo)致的同位素分餾。每一個(gè)斷面的監(jiān)測(cè)井水樣δ18O的平均值記為該斷面地下水的δ18O值。另外，依據(jù)計(jì)算的需要，需要在監(jiān)測(cè)斷面的上游取水樣，依據(jù)張應(yīng)華等[24]的研究方法，上游取水樣約距離監(jiān)測(cè)斷面15～30 km，因此在英蘇斷面上游15 km處取一次水樣；研究區(qū)相鄰兩個(gè)斷面間距離在30～40 km之間，因此在每?jī)蓚€(gè)相鄰斷面中間的位置取一次河水水樣(圖1)。

水樣中δ18O的室內(nèi)分析是在中國(guó)科學(xué)院新疆生態(tài)與地理研究所荒漠與綠洲國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，用MAT-252氣體質(zhì)譜儀分析，測(cè)得的氧同位素比率的結(jié)果為與“標(biāo)準(zhǔn)平均海洋水(SMOW)”的千分差δ18O，測(cè)量精度在±0.2‰之內(nèi)。

3.2 研究方法

3.2.1 δ18O的特性 在氧的同位素當(dāng)中，以16O和18O的豐度較高，彼此間的質(zhì)量差也較大，因此在地學(xué)中大都使用18O/16O比值，通常用δ18O來表示:

(1)

式中：m為樣品； s為標(biāo)準(zhǔn)樣，其國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)樣品是“標(biāo)準(zhǔn)平均海水”代號(hào)為SMOW(Standard Mean Ocean Water)。

3.2.2 δ18O在水體轉(zhuǎn)化中的質(zhì)量守恒方程 質(zhì)量守恒方程為：

CsQs=CgQg+Cb(Qs-Qg)

(2)

式中：Cs為取樣點(diǎn)河水的δ18O值；Cg為取樣點(diǎn)地下水的δ18O值；Cb為取樣點(diǎn)上游來水中δ18O值；Qs為取樣點(diǎn)的河水流量；Qg為向地下水的排泄量。則由公式(2)可以導(dǎo)出，河水向地下水的排泄量占河水流量的百分比：

(3)

當(dāng)僅靠一種示蹤劑無法計(jì)算出其中一種混合來源的百分比時(shí)，必須還要借助另外一種示蹤劑，即分析水中另外一種同位素或水化學(xué)離子等。本研究借助氫同位素(δD)按照三相混合來計(jì)算[25]，將公式(2)擴(kuò)展成三相混合質(zhì)量均衡方程：

CsQs=CgQg+CaQa+Cc(Qs-Qg-Qa)

(4)

4 結(jié)果與分析

4.1 各取樣點(diǎn)δ18O值(‰)測(cè)定結(jié)果

經(jīng)過實(shí)驗(yàn)室的處理與分析，得出了所采取水樣中河水與地下水的δ18O值(表2)。

表2地下水和河水的δ18O值(‰)測(cè)定結(jié)果

取樣點(diǎn)河水δ18O值地下水δ18O值上游河水δ18O值英蘇 -8．40489-8．070884-8．71251喀爾達(dá)依 -7．84908-7．301915-8．27423阿拉干 -7．72468-7．817403-7．92755依干不及麻-7．51640-7．244601-7．71298庫爾干 -7．27435-6．929014-7．49425

4.2 各斷面河水對(duì)地下水的轉(zhuǎn)化比例

依據(jù)公式(2)和(3)，以Cs表示取樣點(diǎn)地表水δ18O值、Cg表示取樣點(diǎn)地下水δ18O值、Cb表示取樣點(diǎn)上游河水δ18O值，可以得出各測(cè)點(diǎn)上河水對(duì)地下水的貢獻(xiàn)百分比(表3)。

表3 塔里木河下游各斷面河水對(duì)地下水的轉(zhuǎn)化率

可見，阿拉干斷面上河水對(duì)地下水的轉(zhuǎn)化率最高。從圖1中可以看出，阿拉干斷面為兩條支流的匯合處，但是依據(jù)公式(3)僅考慮了其文闊爾河一條支流。本研究中，阿拉干斷面河水對(duì)地下水的轉(zhuǎn)化率高達(dá)54.29%，這是因?yàn)榘⒗蓴嗝媸瞧湮拈煚柡优c老塔里木河的交匯點(diǎn)，而本研究在計(jì)算河水對(duì)地下水的轉(zhuǎn)化率時(shí)，僅考慮其文闊爾河河水對(duì)地下水的轉(zhuǎn)化率，將老塔里木河的河水當(dāng)成地下水進(jìn)行計(jì)算。然而僅靠一種示蹤劑無法計(jì)算出其中一種混合來源的百分比，必須還要借助另外一種示蹤劑，即分析水中另外一種同位素或水化學(xué)離子等。本研究利用公式(4)，借助氫同位素(δD)按照三相混合來計(jì)算。在公式(4)中，Cs、Cg和Qs、Qg與式(2)中意義相同，Ca表示阿拉干斷面上游其文闊爾河水樣中氫同位素值，Cc表示斷面上游老塔里木河水樣中氫同位素值。將氫同位素值代入公式(4)得出阿拉干斷面實(shí)際地表水對(duì)地下水的轉(zhuǎn)化率為44.28%，明顯小于按兩項(xiàng)混合計(jì)算的54.29%。因此可以得出，在整個(gè)塔里木河下游地區(qū)，河水對(duì)地下水的平均轉(zhuǎn)化比例為43.36%，即河水對(duì)地下水的補(bǔ)給量占總量的近一半。

5 討 論

塔里木河的自然漫溢孕育了植被，而一定的地下水位維持了植被的生存。因此，長(zhǎng)期輸水后植被的恢復(fù)程度及范圍與地下水特征具有很大的相關(guān)性，而河水對(duì)地下水的轉(zhuǎn)化特征在很大程度上決定著河畔植被的種類及分布梯度。在實(shí)施生態(tài)輸水的過程中，沿河道向下游，河水流量逐漸減少，水位降低，河水對(duì)河床的壓強(qiáng)也降低，對(duì)地下水的轉(zhuǎn)化率也有所減少，這與本研究的結(jié)果基本一致。另外，在兩個(gè)支流交匯處，如果只分析一條支流對(duì)地下水的轉(zhuǎn)化率，結(jié)果明顯偏高；然而利用另一種同位素示蹤，借鑒三相混合質(zhì)量均衡方程，得出的結(jié)果比較接近正常范圍[24]，這也與本研究的結(jié)果相吻合，證明本研究的方法合理，結(jié)果可信。

在干旱地區(qū)，天然植被生長(zhǎng)和繁育更新所需水分主要依靠地表水轉(zhuǎn)換成地下水進(jìn)行補(bǔ)給。塔里木河下游生態(tài)輸水工程已經(jīng)實(shí)施了近17年，隨著輸水的進(jìn)行，河水對(duì)地下水的補(bǔ)給十分顯著，河道兩側(cè)的地下水位處在不斷的恢復(fù)之中[26]。通常情況下，河水水面蒸發(fā)一般不足滲漏損失的5%，另有一部分存儲(chǔ)于包氣帶中，還有一部分通過土壤蒸發(fā)和植物蒸騰而消耗，很大一部分補(bǔ)給地下水[27]，這正與本研究的結(jié)果相一致。在本研究中，河水對(duì)地下水的轉(zhuǎn)化量約占河水總水量的1/2。楊鵬年等[28]運(yùn)用Modflow模型模擬的塔里木河下游河水對(duì)地下水的轉(zhuǎn)化率平均為42.19%；鄧銘江等[29]綜合2000-2013年輸水資料，指出河水對(duì)地下水的轉(zhuǎn)化率平均為46.2%，這都與本研究的結(jié)果接近，造成微小差異的原因也許與研究的時(shí)間長(zhǎng)度不同以及輸水特征不同有關(guān)，需要進(jìn)一步的討論。

在塔里木河下游地區(qū)，為了擴(kuò)大生態(tài)輸水效應(yīng)，從第5次輸水開始，實(shí)施其文闊爾河和老塔里木河雙河道輸水。這種輸水方式擴(kuò)大了植被受水面積，但是同時(shí)也加大了河水的蒸發(fā)消耗量。目前，國(guó)內(nèi)有關(guān)河道水損失量的研究很少，首先，塔里木河下游斷流河道輸水損失量有待深入探討。另外，隨著輸水后地下水位的不斷抬升，潛水蒸發(fā)量逐漸增多，輸水對(duì)地下水的補(bǔ)給作用逐漸減弱并趨于動(dòng)態(tài)穩(wěn)定。再者，輸水量和持續(xù)時(shí)間是決定生態(tài)輸水效益大小的關(guān)鍵因素。為擴(kuò)大生態(tài)輸水的效益，應(yīng)堅(jiān)持采用雙河道輸水和地表漫溢的方式，并在可能的區(qū)域?qū)嵤┒嗪拥垒斔?。最后，充分利用其文闊爾河在塔里木河下游形成的天然湖泊進(jìn)行集中生態(tài)供水，對(duì)更加科學(xué)高效用水、促進(jìn)生態(tài)恢復(fù)進(jìn)行積極探索。

6 結(jié) 論

(1)在塔里木河下游地區(qū)，從上游到下游，地表水向地下水的轉(zhuǎn)化比例呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)。英蘇斷面地表水對(duì)地下水的轉(zhuǎn)化率最高為47.94%，其次為阿拉干斷面44.28%，最小的為庫爾干斷面38.9%。在生態(tài)輸水過程中，英蘇斷面的過水量最大，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，阿拉干斷面次之；庫爾干斷面過水量小，持續(xù)時(shí)間短。因此，河道的水量越大，持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)，則河水對(duì)地下水的轉(zhuǎn)化率越高。今后，應(yīng)加強(qiáng)河水對(duì)地下水轉(zhuǎn)化率與過水量、過水持續(xù)時(shí)間之間關(guān)系的研究。

(2)在整個(gè)塔里木河下游地區(qū)，河水對(duì)地下水的轉(zhuǎn)化率約為43.36%，即河水對(duì)地下水的轉(zhuǎn)化比率近1/2。在生態(tài)輸水的過程中，大量的河水轉(zhuǎn)化為地下水，使得河道附近的植被得以存活并生長(zhǎng)。植被具有調(diào)節(jié)氣候、涵養(yǎng)水源、維持生物多樣性等生態(tài)功能。因此，開展生態(tài)輸水工程，保持河水向地下水的轉(zhuǎn)化，可以促進(jìn)沿岸植被的生長(zhǎng)，對(duì)于區(qū)域內(nèi)的環(huán)境保護(hù)和經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展具有重要作用。

(3)本研究重點(diǎn)討論了河水對(duì)地下水的轉(zhuǎn)化特征，但是河水轉(zhuǎn)化為地下水以后，地下水又有一部分轉(zhuǎn)化為土壤水供植物吸收。因此，在以后的研究中，應(yīng)開展地下水對(duì)土壤水的轉(zhuǎn)化研究。另外，植物體內(nèi)也含有水分，主要來自于土壤水和地下水。因此，開展植物水分的來源及轉(zhuǎn)化比例也十分必要，這對(duì)于區(qū)域內(nèi)水資源的合理開發(fā)利用、生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)以及水環(huán)境預(yù)測(cè)等具有重要意義。

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