利用環(huán)境同位素識(shí)別共和盆地地下水補(bǔ)給特征及其環(huán)境指示意義

劉春雷，楊會(huì)峰，曹文庚

(1.中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)研究所，河北 石家莊 050061；2.自然資源部地下水科學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 石家莊 050061)

共和盆地位于黃河流域上游，地下水是盆地內(nèi)重要的供水水源，是維系盆地生態(tài)系統(tǒng)安全的重要影響因素，水資源短缺與不合理利用是區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會(huì)和可持續(xù)發(fā)展面臨的嚴(yán)峻問題(崔亞莉等，2001；湯奇成，2001；王曉瑋，2020)。目前，部分地區(qū)地下水與地表水之間的轉(zhuǎn)化關(guān)系不清，潛水與承壓水之間的相互轉(zhuǎn)化關(guān)系不明，制約著地下水資源評(píng)價(jià)和水資源可持續(xù)利用(沈振榮，1992)。1950年，在共和盆地開展了1∶20萬綜合地質(zhì)-水文地質(zhì)普查及農(nóng)業(yè)區(qū)1∶10萬農(nóng)田供水水文地質(zhì)勘查；1980年，進(jìn)行了1∶20萬水文地質(zhì)普查，在重點(diǎn)礦區(qū)進(jìn)行了多次物探和化探工作；開展了共和盆地南緣山前平原地下水資源研究；采用斷面徑流量法和補(bǔ)給量總和法計(jì)算了研究區(qū)地下水天然資源量(權(quán)國(guó)蒼，2015)；運(yùn)用地下水化學(xué)同位素方法研究地下熱水水文地球化學(xué)特征及地?zé)岢梢蚍治?李永革，2016；侯兆云，2019；馬月花等，2020；朱貴麟等，2021)。以往工作通過傳統(tǒng)水文地質(zhì)調(diào)查的手段，形成對(duì)共和盆地地質(zhì)、水文地質(zhì)條件的基本認(rèn)識(shí)，但無法滿足黃河流域生態(tài)保護(hù)的需求?，F(xiàn)階段生態(tài)保護(hù)的首要任務(wù)是降低水資源開發(fā)利用強(qiáng)度；控制社會(huì)水循環(huán)對(duì)自然水循環(huán)的干擾；查明盆地區(qū)域水循環(huán)特征對(duì)維持盆地生態(tài)系統(tǒng)安全至關(guān)重要。

環(huán)境同位素可以用來有效地示蹤水循環(huán)、指示水來源和不同環(huán)境狀況下水的運(yùn)移狀態(tài)(Mahlknech，2004；黃小琴，2014)。目前，環(huán)境同位素方法已被廣泛用來研究地下水補(bǔ)給來源(Duzgoren.et al.，2002)、年齡(Mokrik.et al.，2009；Gillon.et al.，2009)、地下水系統(tǒng)演化及地下水與地表水之間的相互作用等。共和盆地尚未開展地下水環(huán)境同位素的相關(guān)研究(張宗祜等，2000；甄志磊等，2014)。針對(duì)研究程度低的盆地，運(yùn)用易于采集、易于儲(chǔ)存、易于測(cè)試的地下水氫、氧同位素及14C同位素研究方法，分析研究盆地地下水補(bǔ)給與更新能力，為深入認(rèn)識(shí)水資源的形成、運(yùn)動(dòng)及其成分變化機(jī)制提供重要依據(jù)，為合理利用和有效保護(hù)水資源提供正確的理論導(dǎo)向。

1 研究區(qū)概況

共和盆地位于青藏高原的東部，處于祁連及昆侖復(fù)合山系與秦嶺山脈的交匯處(圖1)；盆地南北分布高山，中部呈菱形凹地，盆地西部西鄰茶卡盆地，兩盆地?zé)o明顯天然邊界，東部為龍羊峽水庫(kù)；斷陷盆地內(nèi)部主要為沖洪積平原。多年平均降水量為310.5 mm，5～9月降水占全年降水量的88%。降水量除了年際間的正常波動(dòng)外，近年來呈現(xiàn)出略有增加之勢(shì)。盆地地表水主要由南部、北部山區(qū)河流、盆地西部的茶卡鹽湖和盆地中部的沙珠玉河內(nèi)陸水系構(gòu)成，盆地東緣為黃河外流水系。盆地南部山區(qū)河流主要有哇洪河、切吉河、直亥實(shí)河和叉叉河等；盆地北部河流主要有大水河、曲合爾河、溝后河和大東河等。山區(qū)河水在山前滲入補(bǔ)給后經(jīng)地下徑流最終在黃河排泄。

A.取樣點(diǎn)位置圖；B.共和盆地區(qū)域位置圖

盆地內(nèi)第四系分布廣、厚度大。下更新統(tǒng)主要為沖湖積相地層，巖性為亞砂、亞黏土夾砂礫石層。中更新統(tǒng)廣泛出露于盆地山前傾斜平原、南戈灘，巖性為冰期冰磧物和間冰期洪積物，以砂礫石為主。上更新統(tǒng)不發(fā)育，主要為冰期冰磧物，分布于山區(qū)溝谷、山前傾斜平原及山間斷陷盆地；間冰期的洪積物，分布于山前傾斜平原的低平原及山區(qū)溝谷中。全新統(tǒng)成因類型較復(fù)雜，山區(qū)有冰緣堆積，溝谷中有洪積物堆積，盆地中央有沖洪積、沼澤堆積和化學(xué)沉積；沙珠玉河谷內(nèi)有沖積物堆積，沙珠玉河下游浪娘和沙立崗折玉一帶有風(fēng)積沙丘堆積。河谷沉積物具有二元結(jié)構(gòu)，表層為細(xì)粒亞砂土，下部為粗砂含礫石。

盆地內(nèi)地下水類型主要有潛水、半承壓水、潛水-承壓水雙層含水層及基巖裂隙水(圖1)。地下水主要補(bǔ)給來源為南、北部山區(qū)降水及基巖裂隙水。山前含水層為單層結(jié)構(gòu)潛水，盆地中心具有連續(xù)性較好的隔水層，為潛水-承壓水雙層結(jié)構(gòu)。山前潛水單一結(jié)構(gòu)區(qū)至盆地中心潛水-承壓水雙層結(jié)構(gòu)區(qū)之間存在一個(gè)過渡帶，該地區(qū)存在連續(xù)性較差的隔水層，地下水局部承壓，承壓水和潛水具有明顯的水力聯(lián)系，統(tǒng)稱為半承壓水。盆地部分地下水以泉的形式排泄，形成內(nèi)陸河——沙珠玉河，后再入滲到東部徑流，最終以泉的形式排泄于黃河上游龍羊峽水庫(kù)。盆地地下水資源開發(fā)利用量較小，但地下水開發(fā)利用相對(duì)集中，主要分布在恰卜恰河谷、沙珠玉鄉(xiāng)、貴南縣和茶卡鎮(zhèn)等人口聚集和農(nóng)業(yè)區(qū)，其他地區(qū)地下水極少。

2 試驗(yàn)方法與材料

2.1 樣品采集

據(jù)研究區(qū)承壓水井(孔)的分布特點(diǎn)，結(jié)合多條水文地質(zhì)剖面布置采樣點(diǎn)，在補(bǔ)給、徑流和排泄區(qū)都有采樣。共采集地下水樣品32件，其中潛水10件，承壓水18件，泉水4件；地表河水樣品5件(圖1)。補(bǔ)給區(qū)取樣點(diǎn)分布于盆地內(nèi)流量較大的大水河、哇洪河山前沖洪積扇；徑流區(qū)取樣點(diǎn)分布于盆地中心沙珠玉地區(qū)；排泄區(qū)取樣點(diǎn)分布于恰卜恰河谷和龍羊峽水庫(kù)。地下水樣品直接從井采集，采樣前先抽1～3 min的水，δ18O、δD、3H測(cè)試樣品共31件，每個(gè)樣品采集100 mL。18件承壓水和1個(gè)泉水樣品測(cè)試了14C同位素。利用沉淀罐制備樣品，在水樣中分別加入氯化鋇、硫酸亞鐵和飽和氫氧化鈉，制備充足的CaCO3沉淀，采用聚乙烯瓶保存。所有水樣測(cè)試前在4 ℃冷藏。用便攜式測(cè)試儀現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定水的pH值、溶解氧濃度、電導(dǎo)率和水溫。

2.2 同位素測(cè)試

氫、氧同位素水樣由自然資源部地下水科學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室分析測(cè)試。18O/16O及2H/1H采用MAT253型質(zhì)譜儀測(cè)定，其值用δ值表示，以維也納標(biāo)準(zhǔn)平均海洋水(VSMOW)為標(biāo)準(zhǔn)。δD和δ18O的精度分別為±1.0‰和±1.0‰。3H樣品電解富集后利用超低本底液閃儀測(cè)定(Q1220)，分析誤差一般為±1TU。14C采用PE1220 QUANTULUS型超低本底液體閃爍譜儀測(cè)定，以現(xiàn)代碳百分(pmc)表示，分析誤差為0.3 pmc。測(cè)試結(jié)果見表1和表2。

表1 研究區(qū)水樣氫、氧同位素結(jié)果表

表2 研究區(qū)水樣14C結(jié)果表

2.3 穩(wěn)定同位素對(duì)地下水補(bǔ)給指示原理

大氣降水中δD和δ18O值之間存在密切相關(guān)的線性關(guān)系，被稱為大氣降水線，各地大氣降水氫、氧同位素組成的線性關(guān)系因各地自然環(huán)境及氣候條件的差異而表現(xiàn)出不同的斜率和截距(Craig，1961)。在不同的地質(zhì)環(huán)境中，地下水中穩(wěn)定同位素會(huì)發(fā)生質(zhì)量分餾效應(yīng)，由此可反映地下水成因及補(bǔ)徑排條件(馬洪云等，2019)。水體年齡是評(píng)價(jià)其更新能力的一項(xiàng)重要指標(biāo)。一般年齡越小，更新速度就越快，再生性也越好(文冬光，2002)。放射性同位素3H則可用于識(shí)別核爆前后補(bǔ)給的地下水，14C方法測(cè)年只適用于較古老的地下水，其測(cè)年上限為35～40 ka，下限為500～1 000 a(顧慰祖，2001；衛(wèi)文等，2011)，通過3H和14C對(duì)水體年齡進(jìn)行測(cè)試，評(píng)估地下水更新能力。

3 結(jié)果與分析

3.1 氫、氧同位素特征及其地下水補(bǔ)給識(shí)別

共和盆地缺乏降雨氫、氧同位素監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，筆者采用共和盆地北部青海湖流域降雨δD-δ18O曲線為本地降雨線(LMWL)(吳華武等，2014)。降水輸入3H參考盆地北部鄰近的青海湖地區(qū)3H的分布特征(黃麒等，1989)。

本次研究地表河水樣品中的δD值介于-65‰～-50‰，平均值為-60‰；δ18O值介于-10.1‰～-7.9‰，平均值為-9.06‰。地下水中的δD值介于-79‰～-52‰，平均值為-64.8‰；δ18O值介于-11.4‰～-6.9‰，平均值為-9.27‰。地下水δD值和δ18O值兩者之間的關(guān)系特征為(圖2)：水樣基本分布于大氣降水線附近，盆地的潛水氫、氧同位素相對(duì)深層承壓水偏正?？臻g分布上大沙河沖洪積扇地下水同位素最偏正，其次為切吉河-直亥買河沖洪積扇，哇洪河沖洪積扇。該地區(qū)地下水主要為盆地南北山區(qū)河流及降雨入滲補(bǔ)給，同位素的差異可能受補(bǔ)給時(shí)期的季節(jié)效應(yīng)影響或受到一定程度的蒸發(fā)作用；盆地東部恰卜恰河谷、龍羊峽泉水及深層承壓水的δD、δ18O貧化特征明顯，δ18O值平均比現(xiàn)在低10%左右，顯示為非近期降雨入滲補(bǔ)給。

盆地周邊山區(qū)出山口河水的3H值介于22.4～37.6TU，接近于目前降水3H含量；潛水的3H值介于1.1～66.1TU(表1)，表明盆地潛水均為現(xiàn)代水，地下水更新性較好。由河水樣品δ18O和δD值與當(dāng)?shù)亟邓€的對(duì)比可以看出，δ18O和δD值分布于本地降雨線左上側(cè)(圖2)，哇洪河河水富集輕同位素，切吉河-直亥買河次之，大水橋相對(duì)富集重同位素。

盆地山前沖洪積扇頂部巖性以砂礫石為主，大部分河水迅速下滲補(bǔ)給潛水，沖洪積扇潛水δD-δ18O值落在本地降雨線(LMWL)左上方(圖2)，與山前河水的同位素分布相近。結(jié)合水文地質(zhì)條件可知，盆地地下水主要來源于河流出山口入滲補(bǔ)給。沖洪積扇扇頂、扇中及扇前緣軸部潛水(H02、H03、H05)3H值為22.8～46.9TU，3H值與山區(qū)河流的3H值濃度接近，為1952年以后降雨入滲補(bǔ)給。沖洪積扇前緣右翼潛水(H08)3H值接近天然3H的本底值，推斷應(yīng)為1952年之前降雨入滲補(bǔ)給。大水河沖洪積扇扇中及前緣3H值均低于大氣降水。沖洪積扇前緣和沙珠玉河上游承壓水δD-δ18O值在本地降雨線左上側(cè)(圖2)，與河流δD-δ18O值相近，表明承壓水主要接收山前河流入滲補(bǔ)給。盆地西部邊界加什科一帶(H04)的δD、δ18O貧化特征明顯。

圖2 共和盆地不同水體δD-δ18O曲線圖

沙珠玉河中游河水(H12)δD、δ18O值落在大水河和哇洪河沖洪積扇值之間，但其值落在本地降雨線(LMWL)右下側(cè)(圖2)，反映河水補(bǔ)給來源于大水河和哇洪河沖洪積扇，在徑流過程中可能發(fā)生同位素分餾作用，導(dǎo)致δD、δ18O偏離當(dāng)?shù)亟涤昃€。沙珠玉河中游河水3H值為(27.9±1.5)TU，明顯低于近期大氣降水的3H值，結(jié)合水文地質(zhì)條件可知，河水源于周邊潛水溢出和承壓水自流的補(bǔ)給，并混合了部分近期降水所致。盆地中心沙珠玉河河谷平原中下游潛水(H13)δD、δ18O值明顯高于中游河水，且偏離當(dāng)?shù)亟涤昃€較遠(yuǎn)，3H值為(66.1±2.2)TU，反映河谷平原潛水主要來源于近期大氣降水補(bǔ)給，且降雨入滲補(bǔ)給潛水的過程中經(jīng)過了較強(qiáng)的同位素分餾作用。沙珠玉河下游承壓水(H14)δD、δ18O值靠近本地降雨線，3H值為(6.3±1.0)TU，承壓水主要來自四周半承壓的側(cè)向補(bǔ)給，且承壓水與潛水有一定水力聯(lián)系，同時(shí)接受潛水補(bǔ)給。

恰卜恰河谷(H19、H21)和阿乙亥溝潛水(H28)δD-δO落在本地降雨線(LMWL)右下側(cè)(圖2)，靠近本地降雨線，與山前河水或泉水的同位素分布相近。河谷潛水3H值為15.6～36.3TU，反映補(bǔ)給源于山前河流入滲，且補(bǔ)給過程中發(fā)生了同位素分餾作用，徑流路徑較短，地下水循環(huán)交替較快。河谷中下游潛水(H27)3H值為(1.7±0.8)TU，恰卜恰下游河谷潛水受人工揭露承壓自流水的越流補(bǔ)給。

河谷承壓水(H17、H20、H23、H24、H27、H30)δD、δ18O值明顯偏離本地降雨線較遠(yuǎn)，重同位素含量較低，遠(yuǎn)低于盆地地下水補(bǔ)給區(qū)δD與δ18O值，同位素貧化特征明顯(圖2)。從水文地質(zhì)條件分析，河谷承壓水主要源自塔拉臺(tái)地半承壓-承壓水的側(cè)向補(bǔ)給；龍羊峽水庫(kù)西側(cè)泉水(H25)δD-δ18O顯著遠(yuǎn)離本地降雨線(LMWL)(圖2)，重同位素富集，表明河谷中下游及龍羊峽庫(kù)區(qū)泉水源自盆地西部承壓水補(bǔ)給；地下水年齡普遍很老，反映出地下水徑流路徑長(zhǎng)，徑流速度緩慢，更新能力很差。恰卜恰河谷中游上塔買三社(H18)和阿乙亥二社(H29)，取樣井深在130～190 m，δD-δ18O特征明顯與本區(qū)深層承壓水不同，與本地降雨線同位素組成相近，富集重同位素，承壓水3H值<(3.8±0.9)TU，補(bǔ)給主要來源于周圍塔拉臺(tái)地降雨入滲補(bǔ)給。

3.2 14C同位素特征及其地下水補(bǔ)給識(shí)別

14C年齡采用較適宜干旱-半干旱地區(qū)的Tamers模型進(jìn)行校正(Tamers，1975)，承壓水14C校正年齡為2 817.3～19 384.7 a，總體由盆地西北至東南承壓水年齡呈增大趨勢(shì)，表明盆地承壓水總體流向是由盆地西部徑流至東部，承壓水循環(huán)較慢，更新性較差。僅沙珠玉河下游、下塔買三社及阿乙亥溝下游承壓水14C校正年齡限時(shí)承壓水年齡小于1 000 a。

山前沖洪積扇前緣及沙珠玉河上游地下水14C校正年齡明顯大于盆地中部承壓水，為14.836 ka；地下水的補(bǔ)給環(huán)境與現(xiàn)代氣候條件有較大不同，補(bǔ)給溫度遠(yuǎn)低于現(xiàn)代氣溫，且地下水交換更替速度較慢，反映出共和盆地與西部茶卡盆地之間不存在明顯的水力聯(lián)系，盆地西部邊界地下水基本處于滯留狀態(tài)，推斷該處為冰期時(shí)形成的古水(圖3)。沙珠玉河下游承壓水14C校正年齡為2.82 ka，承壓水主要來自四周半承壓的側(cè)向補(bǔ)給，且承壓水與潛水有一定水力聯(lián)系，同時(shí)接受潛水補(bǔ)給。

圖3 哇洪河沖洪積扇-大水河沖洪積扇(Ⅰ-Ⅰ′)地下水年齡分布圖

恰卜恰河谷承壓水14C校正年齡為11.23～17.88 ka，地下水年齡普遍較老(圖4、圖5)。中部塔拉臺(tái)地年齡為5.0～6.0 ka，從水文地質(zhì)條件分析，河谷承壓水主要源自塔拉臺(tái)地半承壓-承壓水的側(cè)向補(bǔ)給。恰卜恰河谷中游上塔買三社(H18)和阿乙亥二社(H29)，取樣井深在130～190 m，14C校正年齡小于1 000 a，補(bǔ)給主要來源于周圍塔拉臺(tái)地降雨入滲補(bǔ)給。

圖4 恰卜恰河谷中上游(Ⅱ-Ⅱ′)地下水年齡分布圖

圖5 恰卜恰河谷中下游(Ⅲ-Ⅲ′)地下水年齡分布圖

3.3 基于區(qū)域地下水補(bǔ)給的環(huán)境同位素指示意義

(1)沖洪積扇扇頂、扇中及扇前緣軸部潛水δD、δ18O和3H含量接近現(xiàn)代降雨，表明該區(qū)域地下水更新性較好；沖洪積扇前緣承壓水δD、δ18O貧化特征明顯，δ18O值平均比現(xiàn)在低10%左右，地下水年齡為14.836 ka，地下水補(bǔ)給來源應(yīng)為距今10 000～60 000 a的最后一次冰期內(nèi)形成的古水(Ozanskik,1985；崔亞莉等，2015)，地下水循環(huán)更替速度較慢。共和盆地和茶卡盆地之間不具有明顯的地表分水嶺，淺層地下水等水位線顯示該地區(qū)存在一個(gè)天然的分水嶺。但針對(duì)盆地之間深層承壓水流場(chǎng)研究尚屬空白，盆地深層承壓含水層之間是否存在明顯的水力聯(lián)系尚不明確。筆者運(yùn)用環(huán)境同位素研究表明，盆地西部深層承壓水與盆地中東部深層承壓水無明顯水力聯(lián)系，進(jìn)一步證明共和盆地下水補(bǔ)給主要來自盆地南部哇洪山和北部青海南山降雨入滲補(bǔ)給。

(2)沙珠玉河上游為地下水排泄區(qū)。河流受山前河流、沖洪積扇前緣潛水補(bǔ)給和深層承壓水補(bǔ)給；沙珠玉河中下游潛水(H13)δD、δ18O值明顯高于中游河水，3H值為(66.1±2.2)TU，反映河谷平原潛水主要來源于近期大氣降水補(bǔ)給；承壓水(H14)δD、δ18O值靠近本地降雨線，3H值為(6.3±1.0)TU，14C校正年齡為2.82 ka，承壓水主要來自四周半承壓的側(cè)向補(bǔ)給，且承壓水與潛水有一定水力聯(lián)系，同時(shí)接受潛水補(bǔ)給。

(3)盆地東部恰卜恰河谷和龍羊峽泉水、深層承壓水δD、δ18O貧化特征明顯，δ18O值平均比現(xiàn)在低10%左右，顯示為非近期降雨入滲補(bǔ)給，表明該位置地下水的補(bǔ)給環(huán)境與現(xiàn)代氣候條件有較大不同，補(bǔ)給溫度遠(yuǎn)低于現(xiàn)代氣溫。承壓水14C校正年齡為11.23～17.88 ka，地下水補(bǔ)給來源應(yīng)為距今10 000～60 000 a的最后一次冰期內(nèi)形成的古水，地下水循環(huán)更替速度較慢。恰卜恰河谷是盆地地下水集中開采區(qū)，以開采深層承壓水為主，開采強(qiáng)度存在不同程度的超采現(xiàn)象，地下水的超采影響上游補(bǔ)給區(qū)地下水位，對(duì)盆地脆弱的生態(tài)系統(tǒng)安全構(gòu)成威脅。同時(shí)，深層承壓水超采導(dǎo)致盆地對(duì)黃河上游龍羊峽水庫(kù)天然排泄量減少，對(duì)黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展產(chǎn)生不利影響。

4 結(jié)論

(1)共和盆地地下水補(bǔ)給源自盆地南部和北部山區(qū)，由山前向盆地中心徑流，部分地下水以泉的形式排泄形成沙珠玉河。盆地潛水主要接受現(xiàn)代降雨入滲補(bǔ)給，地下水循環(huán)交替速度較快。承壓水補(bǔ)給主要來自盆地南部哇洪山和青海南山降雨入滲補(bǔ)給；盆地中部地表水不發(fā)育，地下水由西向東徑流，至盆地東部恰卜恰河谷及龍羊峽水庫(kù)，以泉的形式排泄，地下水循環(huán)交替速度較慢。

(2)共和盆地西部邊界地下水補(bǔ)給環(huán)境與現(xiàn)代氣候條件差異較大，補(bǔ)給溫度遠(yuǎn)低于現(xiàn)代氣溫，且地下水14C年齡達(dá)14.836 ka，基本處于滯留狀態(tài)，推斷該處地下水為冰期降雨入滲補(bǔ)給成因，進(jìn)一步證明共和盆地與西部茶卡盆地之間存在天然邊界。

(3)恰卜恰河谷中上游地區(qū)潛水補(bǔ)給主要源自山前恰卜恰河河水入滲補(bǔ)給，恰卜恰河谷中下游潛水受人工揭露深層承壓水自流入滲補(bǔ)給。恰卜恰河谷含水層埋深在130～190 m的承壓水補(bǔ)給主要源自周圍塔拉臺(tái)地降雨入滲補(bǔ)給；含水層埋深大于190 m的承壓水及龍羊峽水庫(kù)西側(cè)泉水補(bǔ)給來源主要為盆地西部山前冰期時(shí)降雨入滲補(bǔ)給，與上層潛水無水力聯(lián)系；在恰卜恰河谷及龍羊峽水庫(kù)以泉或人工開采的形式排泄。