基于锶、铀同位素的干旱区地下水补给来源研究—以疏勒河流域为例

Determination of groundwater recharge sources is an important scientific issue in hydrogeology, and it is also an essential prerequisite for the sustainable utilization of groundwater resources. It is difficult to apply the traditional methods, such as water balance, Darcy method and so on, to identify the recharge sources because the recharge amount is too small in arid regions. Because mass differences between isotopes of strontium and uranium isotopes are small compared to the overall mass of each element allowing ratios to remain unfractionated despite high rates of evaporation and transpiration present at arid regions, the combaination of Sr, U, H, O isotopic compositions and hydrogeochemical characteristics in waters has the potential to provide a particularly powerful tool for identifying and quantifying recharge sources of groundwater. As a typical arid region, the Shule River Basin, located in the northwest of China, was chosen as the study area in the project. First, hydrogeochemical, hydrogen and oxygen isotopic characteristics of waters such as precipitation, surface water and groundwater are analyzed for further information on the groundwater evolution in the study area. Second, the combaination of Sr, U, H and O isotopic compositions is used to identify the recharge sources of groundwater. Finally, the end-element mixed model was used to quantify the recharge sources of groundwater. The expected results will contribute to the sustainable utilization of groundwater resources in Shule River Basin. Moreover, the combination of multi-isotopes in this project can be applied in similar studies, such as groundwater provenance in the other arid area in northwest China.

地下水补给来源直接关系到地下水资源的可持续利用，是水文地质学中重要的基础科学问题。但在补给微弱的干旱区，难以应用传统水量评价等方法识别地下水补给来源。锶铀同位素不易分馏的特点使其得以在气候条件特殊的干旱区成为示踪水体循环的一种重要手段，将其与水化学、氢氧同位素联合应用，能够显著降低追踪地下水补给来源时的不确定性。本项目选取我国西北典型干旱区疏勒河流域为研究区，首先分析降水、河水及地下水等不同水体的水化学与氢氧同位素特征，建立区域地下水化学场，阐明地下水从补给到排泄过程的演化规律；其次引入锶、铀同位素，联合氢氧同位素准确识别地下水补给来源，建立不同水体多同位素典型端元值；最后利用端元混合模型计算地下水各补给来源的贡献比例。研究成果不仅为疏勒河流域地下水可持续开发利用提供了科学依据，多同位素联用的研究方法对于在西北干旱区其它内陆盆地开展类似研究也具有借鉴和指导意义。

水资源是制约我国西北干旱区社会经济发展、影响生态安全的关键要素。由于降水稀少、蒸发强烈，地表水资源的稀缺性与不确定性更加凸显了地下水资源的重要性。然而由于地下水的补给具有高度的时空非均质性，加之干旱的气候条件限制了绝大部分水文地质调查方法的应用，导致识别与量化地下水的补给显得十分困难。因此本研究以河西走廊最西端的疏勒河流域为例，针对地下水补给来源所存在的争议，以多元同位素与水文地球化学手段，首先系统性地阐明研究区内不同水体的化学特征，建立地下水化学场变化过程，掌握地下水循环过程中的演化规律，为判别补给来源奠定基础；其次对比不同水体氢氧同位素特征，结合水文地质条件定性判断地下水补给来源；最后联合锶铀同位素方法建立疏勒河流域地下水从补给到排泄的水文地质概念模型。研究发现：祁连山山区丰沛的降水在山区转化为地下水，在地形的控制下向河西走廊平原区径流，昌马盆地地下水与玉门冲洪积扇内地下水存在紧密水力联系且前者是后者的补给来源；瓜州盆地地下水则主要受疏勒河河水渗漏补给；河西走廊平原区的大气降水对地下水的补给作用可忽略不计。总体上看，从祁连山山区到河西走廊平原区，它们是一个完整的地下水系统，包括了从补给到排泄的全过程。近几十年来疏勒河流域积极开展调水工程与移民工程，天然河道衬砌与地下水资源的大量开采，造成天然的地下水地表水转换模式逐渐发生变化。当地制定水资源开发模式与水资源量计算时，需将地表水与地下水作为一个统一整体进行统筹考虑，避免出现石羊河或黑河流域已出现的水资源不合理利用而出现的严重生态环境问题。