應(yīng)用環(huán)境同位素識別銀川盆地潛水的補(bǔ)給源、年齡和可更新性

【摘要】

正確理解地下水循環(huán)模式及其可更新能力對地下水資源的評估、合理開發(fā)和利用至關(guān)重要。在干旱或半干旱地區(qū)地下水補(bǔ)給量少且變異性高，因此難以估算。同位素研究和混合模型相結(jié)合可以直接估計(jì)含水層的可更新性。本文利用環(huán)境同位素方法研究了中國西北半干旱地區(qū)—銀川盆地的潛水循環(huán)模式以及更新能力，主要研究了不同水體的同位素特征，潛水同位素年齡，水循環(huán)模式以及更新速率。結(jié)果表明，銀川盆地主要有兩個(gè)補(bǔ)給源，即局部大氣降水（占13%）和黃河（占87%）。銀川盆地潛水的平均滯留時(shí)間是48年，平均更新速率是3.38%/a。潛水具有較強(qiáng)的更新能力，更新速率與同位素年齡一致。

【研究區(qū)域】

位于中國西北地區(qū)的銀川平原。

圖1?銀川盆地位置圖

【樣品收集和測量】

收集了來自全球大氣降水監(jiān)測數(shù)據(jù)和國際原子能機(jī)構(gòu)的30組降水?dāng)?shù)據(jù)，并收集了11個(gè)黃河水樣品，47個(gè)潛水樣品。利用LGR的液態(tài)水同位素分析儀測量所有水體的δ¹⁸O，δD和δT以分析其同位素特征。

【結(jié)果：地下水補(bǔ)給來源的確定】

根據(jù)1988到2000的降水觀測，地區(qū)大氣降水線（LMWL）為δD = 7.22δ¹⁸O + 5.50（圖2）。降水δD和δ¹⁸O加權(quán)平均值分別為-45.59‰和-6.93‰。δ¹⁸O變異性范圍為-19.97‰~3.86‰，δD變異性范圍為-147.70‰~5.10‰。LMWL的斜率為7.22，略低于全球平均值8（δD = 8δ¹⁸O + 10，全球大氣降水線【GMWL】）。銀川盆地屬于半干旱區(qū)，降水少且密集，降落到地球表面前經(jīng)歷了一定程度的蒸發(fā)。黃河水的線性相關(guān)方程為δD = 3.73δ¹⁸O -36.70（圖3）。黃河蒸發(fā)線（紅色虛線）明顯偏離GMWL和LMWL，其斜率遠(yuǎn)小于GMWL（8）和LMWL（7.22）。潛水δ¹⁸O范圍為-11.43‰~-8.19‰，δD范圍為-88.89‰~-61.51‰，樣品點(diǎn)位于LWML以下（圖4）。潛水的線性相關(guān)方程為δD = 3.88δ¹⁸O -38.76，斜率位于LMWL和黃河水之間，表明潛水主要由黃河水和當(dāng)?shù)亟邓a(bǔ)給。潛水蒸發(fā)線幾乎平行于黃河水；因此，可以推斷最主要的補(bǔ)給來源是黃河水。同時(shí)也發(fā)現(xiàn)淺層地下水和黃河的平均值是相似的（D為-70.48‰和-72.45‰，¹⁸O為-9.42‰和-9.56‰）。表明黃河對淺層地下水補(bǔ)給的貢獻(xiàn)更大。兩端混合模型計(jì)算發(fā)現(xiàn)黃河和降水補(bǔ)給分別占總補(bǔ)給量的87%和13%。

圖2?地區(qū)大氣降水線

圖3?黃河水樣品δD和δ¹⁸O關(guān)系分布圖

圖4?淺層地下水樣品δD和δ¹⁸O關(guān)系分布圖

【結(jié)果：地下水滯留時(shí)間】

根據(jù)大氣降水的輸入濃度C_in（t-t'）和一系列平均滯留時(shí)間（t_t），獲得不同t_t條件下³H輸出濃度C_out（t）（圖5）。然后，找到與測得的樣品³H值相對應(yīng)的擬合點(diǎn)。本文利用³H的平均值擬合了銀川盆地潛水的平均滯留時(shí)間。潛水³H的平均值為15.19 TU（紅線），所以最佳擬合點(diǎn)為t_t=48a。

圖5^?3H輸出濃度曲線?

?圖6?更新速率和³H濃度關(guān)系曲線

【結(jié)果：地下水更新速率】

銀川盆地潛水更新速率范圍為0.1~50%/a，平均值為3.38%/a。不同地區(qū)的潛水受到不同外部地理環(huán)境的影響，所以他們的更新能力也是不同的。模型結(jié)果表明潛水具有強(qiáng)烈的更新能力，且更新速率分布與同位素年齡基本一致。

【結(jié)論】

本文研究了三個(gè)水體的同位素特征，以定量估計(jì)其水循環(huán)模式并確定其可更新性。基于以上討論，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：（1）銀川盆地潛水由降水和黃河水補(bǔ)給，分別占13%和87%。黃河水是銀川盆地地下水的主要補(bǔ)給源；（2）潛水樣品的同位素年齡超過50a，占總樣品的42%。平均滯留時(shí)間（t_t）為48年，意味著所有的潛水全部更新需要花費(fèi)48年。（3）潛水的平均更新速率為3.38%/a，變異性范圍為0.1~50%/a，表明潛水有較強(qiáng)的更新能力。更新速率分布與同位素年齡基本一致。然而，由于數(shù)據(jù)缺乏，本研究尚未涉及深層地下水，因?yàn)闇\層地下水與深層地下水之間存在緊密的水力聯(lián)系。因此，我們鼓勵其他的研究者在未來可以進(jìn)一步的研究深層地下水的更新能力。

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