皮山河绿洲带大气降水同位素特征及其应用

2018-10-12邓恩松

中国农村水利水电 2018年9期

郭新，李升，邓恩松，余斌

(新疆大学地质与矿业工程学院，乌鲁木齐 830047)

0 前言

同位素作为自然水体中的重要组成部分，尽管其所占比例很小，却非常敏感地响应着环境的变化，并记载着水循环演化的历史信息[1,2]。进行大气降水中同位素组成分析是研究局部乃至全球水循环的必要前提[3]。来源不同的水体，往往具有不同的D 和18O特征，据此可以确定水循环中部分水体的来源的，解释大气降水、地表水和地下水之间的相互关系[3-6]

随着稳定同位素技术在水文水资源领域应用不断加深，降水同位素的研究越发显现出其价值。1961年，全球大气降水同位素网络GNIP(Global Network of Isotopes In Precipitation)正式启动，目前已为全球提供上百个站点的多年大气降水同位素数据[7]。

国内外的专家学者也对降水同位素及其特征已经进行了广泛的研究，并取得深刻的认识。我国学者在国内也开展了大量的研究，如王晓艳等[3]利用渭南大气降水δD和δ18O实测值及相关的气象观测资料，分析了降水δD 和δ18O 的特征及其变化与水汽来源的关系。李捷等[8]利用北疆4个大气降水观测站的同位素数据，结合HYSPLIT模式，重点分析了北疆大气降水同位素特征。

目前，虽然对降水同位素特征已取得较为深刻的认识，但具体应用还主要是对于各研究区所构建区域降水线和以此为基础的一些笼统性的指示意义，对于降水同位素特征的具体实际应用还远远不够，对类似于塔里木盆地南缘人类活动剧烈的典型中小河流绿洲带，相关研究更是不足。本文选取具有代表性的皮山河绿洲带进行系统的同位素取样和分析，通过分析研究区的大气降水特征，建立研究区大气降水线方程，并具体应用，揭示研究区大气降水、地表水、地下水之间的联系，为处于相似地理环境的地区提供借鉴。

1 研究区概况

研究区主要为皮山河流经的绿洲带(见图1)，处在新疆塔里木盆地南部边缘，是塔里木盆地南缘具有代表性的中小河流绿洲带。

图1 取样点位置分布Fig.1 The study area and sampling sites

皮山河属冰雪消融、降水混合补给型河流，由发源于中昆仑山西段北坡的克里阳河和步琼河2大支流汇集而成，全年水量74%以上集中在夏季6-8月份[9]。由南及北，随着海拔降低，地貌逐渐发生改变，绿洲的类型也发生改变。自山麓向平原在水平方向上，岩性由粗变细，由卵砾石逐渐过渡为砂砾石、中粗砂、粉细砂和亚砂土。流域内主要分布有碎屑岩类孔隙裂隙水及松散岩类孔隙水，分别位于南部的低山丘陵地带和冲洪积扇地带，地下水主要接受南部山区侧向径流补给和区内垂直入渗补给，地下水动态变化主要受昆仑山区降雨及冰雪融化的控制，表现为地下水位的变化随河水流量变化而变化。

2 样品采集与分析

为了得出不同水体同位素的空间特征，于2016年7、11月在研究区进行水样采集。由于研究区所在的河流绿洲带，人为修建的渠系与河道并存相互交错联通，渠水河水混为一体，因此将河水渠水归为一类。其中，2016年7月采集样品包括河渠水样3件、潜水样5件以及承压水样2件，11月采集样品包括河渠水样3件，潜水样1件，样品采集位置及类型见图1。采集的水样送至核工业北京地质研究院分析测试研究中心进行δD和δ18O测定，水样检测结果见表1。

表1 研究区地表水、地下水δD、δ 18O检测结果 %

3 数据分析与讨论

3.1 全年降水同位素变化特征分析

1958年,国际原子能机构IAEA(International Atomic Energy Agency)与世界气象组织WMO(World Meteorological Organization)合作,计划在全球范围内对降水中稳定同位素成分进行连续监测。1961年,全球大气降水同位素网络GNIP正式启动[7]，目前，已为全球提供上百个站点的多年大气降水同位素数据。与本文研究区域最近的站点为和田站，其观测数据在一定程度上能够代表研究区的降水同位素特征。

根据GNIP提供的和田站1988-1992年各月降水δD、δ18O及降水量数据[10]，绘制得到δD、δ18O和降雨量月变化趋势图(见图2)。

图2 和田站δD、δ18O降雨量月变化趋势Fig.2 Monthly variation characteristics of δD and δ 18O of precipitation in Hotan

和田站1988-1992年年平均降雨量为204.6 mm，如图2所示，和田站的主要降水集中在5-8月，占全年降雨量的70%左右,降雨量最大值出现在6月，最小值在10月。全年降水同位素δD、δ18O也有明显的变化,δD、δ18O的最大值出现在8月，最小值出现在2月。不难发现，全年的降水量与降水中的同位素值有着同样的变化趋势，降水中的同位素值变化稍微滞后于降水量的变化。根据GNIP在新疆的另一个观测站点乌鲁木齐站1986-2003年数据[10]绘制δD、δ18O和降雨量月变化趋势图(见图3)，可以看出乌鲁木齐站全年降水同位素δD、δ18O也有明显的变化，与和田站相似。

图3 乌鲁木齐站δD、δ18O降雨量月变化趋势Fig.3 Monthly variation characteristics of δD and δ 18O of precipitation in Urumqi

根据和田站(1988-1992年)降水同位素数据[10]，并结合王圣杰[11]等2012-2013年南疆10个站点大气降水同位素监测值拟合得到南疆地区大气降水线方程为：δD = 8.02 δ18O + 5.88(n=310,R2= 0.967 2)(见图4)，与全球大气降水线方程：δD = 8.0 δ18O + 10相比，斜率稍大、截距较小，表明水汽到达南疆地区降落前经历了一定的蒸发作用。

图4 和田站各月降水δD值～δ18O值关系Fig.4 Plot of δD versus δ 18O for monthly precipitation in Hotan

如图4所示，全年各月降水同位素值大致可分为2部分，区域Ⅰ和Ⅱ。区域Ⅰ包括12-3月，这几个月的降水同位素加权平均值为：δD值=-13.430%、δ18O值= -1.73%，同位素相对贫化。区域Ⅱ包括4-10月，这几个月的降水同位素加权平均值为：δD值=-2.036%、δ18O值=-0.404%，同位素相对富集，降水同位素值具有明显的季节差异性。根据王圣杰在南疆大气降水同位素监测站点的数据(见表2)也可以看出南疆降水同位素值具有明显的季节差异性。

表2 2012-2013年部分南疆站点大气降水δD、δ 18O 加权平均值[11] %

研究区所在的西北干旱区全年有2条水汽路径，分别为西风带输送的大西洋海源水汽以及极地北冰洋地区水汽[12]。夏季受西风带影响降雨量较大，且温度较高蒸发较为强烈，相对于冬季同位素较为富集，因此降水同位素年内会分为2部分。

3.2 地表水、地下水同位素特征分析

结合2次采样检测结果，绘制δD～δ18O关系图(见图5)。如图5所示，无论是7月还是11月采集的各水体水样都集中在当地降水线的同一块区域，说明在降雨量与蒸发存在明显差异的季节里，不同水体之间的联系也较为紧密，降雨量效应不明显，造成这种现象说明不同时期各水体可能持续受到不同季节降水及冰雪融水补给的影响。分别对不同时期的地表水、地下水样品进行δD、δ18O值分析，得出各自的δD～δ18O关系(见图6)。

图5 降水、河渠水、潜水、承压水δD～δ18O关系Fig.5 Relationship between δD and δ18O of precipitation, surface water and groundwater

图6 研究区地表水、地下水δD～δ18O关系Fig.6 Relationship between δD and δ18O of surface water and groundwater

由图6可以看出，无论是地表水还是地下水的氢氧同位素组成均位于当地大气降水线附近，显示它们接受了大气降水补给。同时，如图6所示，各水体交错分布，这一点在地下水上反映明显。根据降雨量得到和田站点δD、δ18O的降雨量加权平均值分别为-0.546%、-3.263%，结合表1的检测结果可知，这与各时期水体的D、18O检测结果基本处于同一变化范围，相差不大，说明不同时期内的各水体之间联系密切，即受到不同季节降水及冰雪融水持续补给的影响。选择各时期数据较多的水体进行δD～δ18O关系拟合分析，各时期主要水体的δD～δ18O关系为：

δD7河= 8.48 δ18O + 9.39 (R2=0.82)

δD11河=11.63 δ18O + 14.88 (R2=0.97)

δD7潜=8.92 δ18O + 8.14 (R2=0.91)

可以看出其斜率均大于当地降水线斜率8.02。由上文分析，12-3月降水同位素较为贫化，斜率变大是由于受到贫同位素水体补给的原因。在干旱地区，高海拔冰川区冰雪融水与降水是内陆河流的重要水源，并且冰雪融水是极其重要的组成部分[13,14]。根据孙从建等[15]2014-2015在天山山区典型内陆河流取样检测结果(见表3)分析，可以看出,冬半年降水较夏半年降水同位素贫化，冰川融水同位素也较为贫化，而融雪水经过一定的蒸发分馏同位素较为富集。

结合前文分析(图2、图4)，4-6月，降雨量逐渐增大，大量的降雨补给河流，同时随着降雨量的增大温度也随之的升高，冰雪融水也大量补给河流。由前文知，皮山河属冰雪消融、降水混合补给型河流，研究区的地下水主要接受来自大气降水和冰雪融水的补给，并且会在同一时期受到不同季节降水及冰雪融水持续补给,因此，如图5所示不同时期的地表水和地下水会分布在相同的区域，表现出相似的特征。为了验证该结论，对处于同一地区，相同地理环境，同为冰雪消融、降水混合补给的玉龙喀什河取样结果进行分析(见图7)，与前文结果相似，不同时期的水体都集中在当地降水线的同一块区域,各水体交错分布，联系紧密。

表3 乌鲁木齐河流域与黄水沟流域不同时期河水、降水、地下水、冰川融水及融雪水稳定同位素均值[14] %

图7 玉龙喀什河降水、河渠水、潜水、承压水δD～δ18O关系Fig.7 Relationship between δD and δ18O of precipitation, surface water and groundwater in Yulong River

由于2个时期的各水体之间的联系密切，反映出相同的特征，因此将7月、11月各水样综合在一起结合大气降水同位素进行分析(见图8)。

图8 大气降水、地表水、地下水δD～δ18O关系Fig.8 Relationship between δD and δ18O of precipitation, surface water and groundwater

如图8所示，地表水、地下水均位于大气降水附近，河水的分布区域较广且δD～δ18O拟合曲线斜率为11.23,远大于地区降水线的斜率8.02，而潜水的δD～δ18O拟合曲线斜率为8.51，也大于地区降水线的斜率，2个承压水样基本位于潜水的拟合线上。无论是降雨量的还是冰雪融水量的变化，河水最先接受其补给，在同一阶段内，接受不同月份降雨和冰雪融水补给，因此河渠水的分布区域较广，斜率差异明显。同时可以看出，部分潜水样位于河水样的趋势线上，河水、潜水、承压水相互交错在一起，再次表明研究区地表水与地下水联系紧密，产生这种现象的主要原因是由于不同时期内的各水体受到不同季节降水及冰雪融水持续补给的影响，其他可能存在的原因是在部分地段地表水与地下水的转化关系发生改变。同时，由前文所述可以思考，对于南疆地区主要接受冰雪消融、降水混合补给的河流，在应用各水体稳定同位素D、18O差异判别地表水地下水转化关系时，需要对由接受补给造成的各水体之间的同位素差异进行充分考虑。