利用水化学和环境同位素数据分析浑善达克沙地地下水的补给

(内蒙古地质环境监测院，内蒙古 呼和浩特 010000)
摘 要：文章对利用水化学和环境同位素数据分析浑善达 克沙地地下水的补给做了介绍，并说明了该分析的意义所在。
关键词：水化学；环境同位数；地下水补给；浑善达克沙地；内蒙古
中图分类号：P641.8(226)  文献标识码：A  文章编 号：1007—6921(2008)17—0009—02
1 地下水环境同位素特征及意义

为了分析研究内蒙古浑善达克沙地地下水的补给，在本次施工的两个钻孔中采集了地下水( 潜水) D(²H)、¹⁸O同位素三组，³H(氚)同位素样品2个。D-¹⁸O样品由国土资源 部同位素实验室测试，分析方法为平衡法(CO₂)和锌法，质谱计型号MAT 253 EM，采用的 国际标准为SMOW，分析精度±0.2‰。³H样品由中国地震局地质研究所地震动力学国家重 点实验室测试，测试仪器为Quantulus-1 220(LKB)，氚探测效率为22.09%，本底为1. 085cpm，测试结果用Bq/L表示(1Bq/L≈8.453TU)。样品测试结果如表1(为便于理解，将Bq/ L转换为TU表示)。

在δD-σ¹⁸O关系图上(图1)，样点均位于全球大气水线附近，说明地下水是大气降水 补给形成的，而且没有受到明显的蒸发影响。两个钻孔地下水均含一定两氚，说明现代降水 (近几十年之内)的补给作用是主要的。

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2 利用Cl离子含量估算降水入渗系数

地下水几乎是浑善达克沙地地区惟一可以开发利用的水资源。在该地区实施“围封转移”战 略，保护生态环境，促进经济发展，合理开发利用地下水资源是最重要的保障条件。

浑善达克沙地下水资源的丰富程度主要取决于大气降水入渗补给量。大气降水入渗补给量的 计算是地下水资源评价中最重要，也是最困难的问题。由于浑善达克沙地地区水文、气象和 地下水的长期监测资料基本上是空白，很难用常规的水量均衡计算方法估算地下水补给量。 因此，下面利用水化学资料对降水入渗补给进行分析，估算地下水补给量。
2.1 基本原理

从元素的化学性质可以知道，Cl是最保守的(conservative)组分，在自然界中主要是以Cl^-离子的形式(氯盐)存在，很少与其他元素结合在一起或参与化学反应产生变化。由于氯 盐的溶解度都很高，在自然界的水土环境中，除特殊条件(如在盐湖和地下水位埋藏非常浅 的地区，由于强烈蒸发形成氯盐沉积)，Cl^-离子一般都存在于水溶液中，地层中氯盐的含 量很少，由于蒸发暂时驻留在地层中的氯盐也会被后期的降水溶解带走或进入地下水中。因 此，从形成大气降水到入渗转变为地下水的水循环阶段，绝大部分Cl^-离子存在于水中， 水中Cl^-离子的增加或减少主要受蒸发沉淀和稀释溶解作用控制。利用Cl^-离子的这一特 性，我们就可以根据大气降水和地下水中Cl^-离子含量大致估算大气降水入渗系数。

对浑善达克沙地来说，地形相对较平坦，入渗条件好，大气降水很难形成较大规模的地表径 流。从图2(利用表3数据)可以看出，该地区地下水的Cl^-离子含量与潜水位埋深没有关系 ，说明地层中氯盐含量很少。因此，利用Cl^-离子含量的变化估算大气降水入渗系数的条 件比较有利。
2.2 样品检查与选择

利用Cl^-离子含量的变化估算大气降水入渗系数应该知道大气降水(包括不同规模的代表性 雨、雪等)和地下水(不同位置、埋深)的化学组成。为此，2005年在浑善达克沙地地区采集地下水化学分析样品68个；受工期限制，仅采集到了一个雪 样，没能采集到降水样品。

利用Cl^-离子估算大气降水入渗系数之前，首先对样品进行检查和选择。

根据国家地下水质量标准(GB/T 14848-93)和地表水环境质量标准(GHZB1-1999)，硝酸盐含 量(以N计)超过20mg/L就说明已受到明显污染(III类水)。从表2可以看出，部分地下水样品 的NO₃^-离子含量很高，许多已超过100mg/L，说明地下水(浅层)已受到人为污染，推测 该地区主要是牲畜粪便的影响。利用受到污染的样品进行分析是不可靠的，为此，将NO₃ ^-离子含量超过50mg/L(大致相当于以N计的10mg/L)的样品剔除。

对浑善达克沙地来说，如果浅表层地下水的TDS高于1g/L，说明地下水受到后期蒸发，不宜 用作补给分析。

本次工作施工的钻孔较深，在其中采集的水样是大厚度含水层中的混合样品。由于对浑善达 克沙地区的地下水积极循环深度和区域地下水水流系统没有进行深入研究，这些样品可能是 更长历史时期内地下水混合的结果。鉴于这些样品数量有限，且样点分布范围较小，不宜与 浅表层样品一并考虑。

通过上述检查和剔除，用于分析的样品见表2，从这些样品的分布看，基本代表了浑善达克 沙地浅表层未受污染和明显蒸发的地下水。
2.3 降水入渗补给系数估算

从表2可知，雪水的Cl^-离子含量为3.55mg/L，浅表层地下水的Cl^-离子含量变化较大， 在7～105mg/L之间，均值为30.19mg/L。地下水中Cl^-离子含量的增加可以看做是降水中Cl^-离子浓缩的结果。也就是说，虽然降水并没有全部入渗补给地下水，但其中包含的所有C l^-离子被部分有效入渗补给量全部携带进入了地下水中，全部降水量与有效入渗补给量的 比值就是Cl^-离子增加的倍数，反过来就是降水入渗补给系数。

为此，利用雪水样品大致估算浑善达克沙地的平均降水入渗系数(α_x)为：

由于雪水的Cl^-离子含量可能较雨水低，且只有一个样品，因此上面估算的降水入渗系数 偏低。

虽然没有采集到雨水样品，但是从Cl^-离子含量最低的地下水样品(D167，Cl^-离子含量7 .09mg/L)

可以大致推断雨水中Cl^-离子含量平均值不超过7mg/L，为此可以估算出降水入渗系数最大 (α_max)为：

在浑善达克沙地地区，年降雨量约占全年降水量的80%，降雨是地下水的主要补给源。综合 考虑上述估算结果，可以得出浑善达克沙地的降水入渗补给系数(α)为：

α=α_x×0.2+α_max×0.8×0.9≈0.19

式中，0.9为降雨中氯离子含量修正系数。
3 浑善达克沙地地下水补给量估算与开发利用建议

浑善达克沙地地区的年降水量约317.17mm，工作区面积约6 320km²，降水入渗系数取0.19 ，则可计算出地下水的年补给量约(Q_r)为：

Q_r=6320×1000 000×0.31717×0.19

≈3.8×108m³/a
从当地自然条件和地表入渗条件看，降水对浑善达克沙地地下水的补给应该是较为均匀的。 从保护生态环境出发，以分散形式开采地下水是合理的开发方式。
根据上述降水入渗系数，可以计算出单位面积(1km²)的地下水补给量为7.2×10⁴m³/a 。如果人工种植牧草的亩均灌溉定额为300m³/a，则每平方公里的地下水资源可供16hm² 牧草灌溉利用。这一结果可供当地实施“围封转移”战略参考。
4 浑善达克沙地地下水的补给机理讨论

根据降水入渗补给系数的估算可知，只有不到20%的降水入渗补给地下水。按常理，地下水 的δD、δ¹⁸O值应表现出明显的蒸发效应。但在D—¹⁸O关系图中(图1)，三个 地下水样品并没有表现出受到明显的蒸发影响，说明降水入渗补给地下水的过程中没有受到 强烈蒸发。由此，可以推测，次数较少但强度大的暴雨是浑善达克沙地地下水的主要补给来 源；强度小的降雨或者降雪对地下水的补给十分有限。强度小的降雨或者降雪在入渗到地下 水面之前就被蒸发掉或消耗在包气带内，其携带的各种化学组分(主要是氯化物盐、硫酸盐 和碳酸盐等)暂时驻留在地层中；后期强度较大的降雨在快速入渗过程中，溶解并携带着这 些盐分进入地下水。这就是地下水的δD、δ¹⁸O值没有表现明显蒸发效应的原因。

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