基于包气带-饱和带多种环境示踪技术的黄土塬区地下水补给机制研究

Groundwater recharge mechanism is unclear in the semiarid Chinese Loess Plateau, where the unsaturated zone is commonly thick. The controversial issues mainly concern about piston flow or preferential flow for groundwater recharge, groundwater recharge time, and the water chemical and isotopic non-equilibrium between shallow soil water and groundwater. This study will combine the unsaturated with saturated zone and use multiple environmental tracers (2H, 18O, 15N, 3H and water chemistry for soil water; 2H, 18O, 15N, 3H, 13C, 14C and water chemistry for groundwater) and artificial tracer (Blue Brilliant) to study infiltration mode, possible denitrification (causing nitrate loess), and estimate precipitation recharge rate and time (mainly based on chloride mass balance, 3H and nitrate). The water chemical and isotopic comparison between the deep unsaturated zone and saturated zone at water table can contribute to identify the precipitation recharge mechanism. The groundwater recharge pattern in the typical loess plain will be established based on integrated groundwater dating and hydrogeochemistry study for shallow groundwater. This study is of significant importance for future sustainable groundwater utilization in the Loess Plateau, where the groundwater recharge is decreasing due to the afforestation and deep-rooted grass planting project.

针对黄土高原地下水补给研究中存在的关键问题，如包气带水分入渗方式（活塞流和捷径流）、垂向入渗量与地下水相互关系、地下水年龄等，本课题将包气带和饱和带结合起来，以具有独立水文地质单元的黄土塬为例，利用多种环境示踪剂（包气带2H、18O、15N、3H、水化学；地下水2H、18O、15N、3H、13C、14C、水化学）和人工示踪剂亮蓝，研究浅部包气带水分入渗方式，识别硝酸盐反硝化作用，估算降水垂向入渗量及补给周期（基于氯质量平衡，并结合包气带3H和硝酸盐分布）。根据包气带深部与潜水面地下水（其最大程度上代表了垂向入渗水的信息）的水化学、同位素及年龄比较，从宏观上识别黄土塬区降水补给机制（活塞流和捷径流）；并通过地下水定年与水文地球化学研究，建立典型黄土塬区地下水补给模式。目前黄土高原退耕还林还草导致地下水补给减少，地下水补给机制及循环模式的认识将为未来地下水资源可持续利用提供依据。

针对黄土高原地下水补给研究中存在的关键问题，如包气带水分入渗方式（活塞流和捷径流）、垂向入渗量与地下水相互关系、地下水年龄等，本课题以具有独立水文地质单元的西峰黄土塬和正宁黄土塬为例，将包气带剖面打到地下水水位（在西峰54m见水、在正宁46m见水），使包气带和饱和带真正结合起来，并利用多种环境示踪剂，进行塬区地下水补给机制研究。研究结果显示，降水入渗补给量西峰塬为37-41mm/yr、正宁塬为55-71mm/yr；在黄土包气带中仍存在1963年降水的氚峰，反映了土壤水活塞式入渗方式；潜水面地下水不含氚，氯离子含量与包气带深部土壤水接近，从侧面反映出降水通过巨厚包气带以活塞流模式均匀补给地下水；年降水需要几百年时间才能补给到地下水（但并不意味着没有补给），地下水均不含氚，碳14校正年龄在几百年到2万年；人类活动带来的硝酸盐主要累积在包气带浅部，由于包气带、地下水反硝化作用不明显，同样说明土壤水入渗方式是活塞流而非快速捷径流。基于以上多项独立的证据，揭示均匀活塞流入渗是黄土塬区浅层地下水补给的主要方式。这种综合研究方法，可视为一种干旱半干旱地区降水入渗补给地下水机制的确定框架。本课题揭示了黄土塬区土壤水入渗机制（活塞流），其结果显著区别与前人的捷径流模式，这对于重新认识黄土区地下水补给与循环具有重要意义。同时，本课题基于包气带氯质量平衡，建立了一种确定土地利用与覆盖变化对地下水补给影响的方法，并在毛乌素沙地定量评价了典型土地利用与覆盖变化对地下水补给的影响，结果显示该地区生态恢复工程对地下水影响显著。该方法可用于区域水文模型的标定或遥感方法估算补给量的校正。在干旱半干旱地区，包气带的溶质和同位素剖面提供较长时间尺度上的地下水补给信息，本课题强化了包气带在干旱半干旱地区地下水补给研究中的作用，在未来地下水资源评价、地下水污染全过程刻画中应得到重视。