张掖盆地的地下水年龄分布特征研究

杨柯敏（中材地质工程勘查研究院有限公司，北京 100102）

张掖盆地的地下水年龄分布特征研究

杨柯敏
（中材地质工程勘查研究院有限公司，北京 100102）

【摘 要】地下水的年龄是决定地下水是否可更新及能否作为资源被持续开发利用的重要指标，研究盆地地下水的资源属性，对区域地下水的合理可持续开发具有重要指导意义。本文利用张掖盆地地下水的测年数据，结合当地水文地质条件，分析了张掖盆地地下水年龄分布特征。研究表明，盆地浅层地下水年龄较小，属于可更新地下水；盆地中游地下水受地表水补给的影响，地下水年龄较年轻；随着盆地深度的增加，地下水年龄变老。

【关键词】张掖盆地；地下水年龄；分布特征

1　前言

黑河发源于祁连山脉，流经青海、甘肃、内蒙古三省(自治区)，干流全长821km。黑河中游的张掖地区，地处古丝绸之路和今日欧亚大陆桥之要地，享有“金张掖”之美誉。黑河下游的额济纳旗有我国重要的国防科研基地——酒泉卫星发射中心，并且额济纳绿洲是阻挡风沙侵袭、保护生态的天然屏障。黑河流域生态环境的好坏事关流域经济发展、民族团结、国防稳固的大局。随着人口增长和经济发展，对水土资源过度开发，导致额济纳旗河湖干涸、林木死亡、草场退化、沙尘暴肆虐等生态环境问题进一步加剧[1-2]。2001年，国务院制定了黑河分水方案，要求保证黑河正义峡的泄水量。

干旱和半干旱地区的地下水资源是十分宝贵的战略资源，在某些区域甚至是唯一可用的水资源[3-4]，西北干旱盆地水资源的一个重要特征就是水资源以河流—含水层系统的形式赋存[3,5]，所以要保证黑河在正义峡的下泄量，在正义峡的上游就必须要合理的开发地下水资源，减少地表水资源的使用量。因此，正确认识干旱和半干旱地区的地下水资源属性，制定相应的地下水开发方案，对实现地下水资源可持续性具有重要意义。

关于地下水资源年龄和可更新性的研究，前人已有许多研究成果。Margat等[6]给出了可更新水资源和不可更新水资源的定义：①可更新的水资源指河流的多年平均年径流量或含水层来自降水的多年平均补给量，对于地下水来说即含水层来自降水的补给；②不可更新地下水资源，一般指地下水体(深部含水层)，其补给强度在人类时间尺度上可以忽略，因此可认为是不可更新的[7]。

文冬光[8]总结了大量国外应用稳定同位素和放射性同位素研究地下水资源属性的实例，并从可持续的角度提出了区域地下水资源属性的概念，指出应用同位素方法研究地下水资源属性是最直接、有效的方法。陈宗宇等[9]利用地下水中放射性氚(3H)和碳(14C)测年方法，计算黑河流域地下水的年龄，结果表明：潜水年龄多数小于50a，具有可再生的资源属性，其中山前戈壁带和张掖盆地细土平原潜水地下水年龄小于40a。陈宗宇等[7]利用3H和水资源计算的方法评价了华北平原的地下水可更新能力，研究认为华北平原第四系含水层系统在山前平原是可更新的，在山前平原与中部平原过渡地区(承压水)更新较快，其余地区更新相对比较缓慢。林学钰等[10]研究了地下水资源的属性和管理问题，探讨了地下水资源、地表水资源和矿产资源的异同点。张人权[11]以华北平原为例，提出了地下水资源评价的一些观点和注意事项。翟远征等[12]分别用更新周期和补给速率作为评价指标，评价了北京市平原区的地下水更新能力，并认为补给速率指标比更新周期具有更重要的实际意义。

2　研究区概况

张掖盆地地处河西走廊中段，西靠临泽，东至山丹、民乐，南为祁连山，北依龙首山，年降水量＜200mm，年水面蒸发量＞2050mm，属寒冷干旱气候[13]。区内地形地貌平坦，南高北低，地貌上分为祁连山山前冲洪积戈壁平原和盆地中部冲洪积细土平原以及北部龙首山山前戈壁平原[14]。

祁连山发育的河流在祁连山前戈壁带强烈渗漏补给地下水，主要河流有黑河及其支流山丹河、梨园河等。黑河、梨园河出山口后，在山前戈壁带的粗颗粒砾石河道强烈渗漏补给地下水。黑河干流入渗后在甘州区靖安乡以泉水的形式溢出补给地表水，梨园河在临泽以北以泉水和自流水的形式溢出地表。研究区交通及取样位置如图1。

图1　研究区取样点分布

3　研究方法

地下水中含有14C放射性同位素，在进入封闭系统后，就按衰变定律开始减少：

A样＝A0×e(-λt)

经变化后得到：

式中：A0——“现代标准碳”的放射性比度(dmp/g)；

A样——t时间后样品中1 4C的放射性比度(dmp/g)；

t——样品的未校正年龄(年，B·P)；

λ——14C的衰变常数(λ=ln2/T1/2)。

当14C的半衰期T1/2取5730年时，上式可改写为：

通过上式可以看出，只要确定了A0和样品的A样，就能确定地下水的年龄。A样可以通过测试得到，问题的关键在于A0，即地下水的初始14C含量难以确定。这主要是因为降水或地表水在补给到含水层的过程中，地下水中高含量14C通常被低14C含量的矿物溶解稀释，包括含水层介质碳酸盐矿物的溶解、碳酸盐相之间的同位素交换和生物活动等，这些都使A0发生变化。

为了确定地下水年龄，许多学者进行了大量研究，提出了各种校正方法：统计学方法[15]、δ13C混合模型[16]、化学混合模型[17]、同位素混合交换反应模型[18]等，这些模型在不同的水文地质条件下有不同的适用性。

校正后的地下水年龄如下表。

地下水样品年龄

4　地下水年龄分布特征

由于取样深度对地下水中14C的含量影响较大，不同的取样深度所取到的样品其代表性不同，所以不进行平面的对比，只进行垂向的对比。

根据取样位置，设置了两条垂向剖面：祁连山前剖面和龙首山前剖面。由于这两条剖面所在区域其地下水补给来源有明显差别，所以分别对这两条剖面的地下水年龄进行分析。

图2为祁连山前剖面的垂向地下水年龄等值线图，从图2可以看出，张掖盆地东南方向的14、11取样点的地下水年龄相对较大，而盆地中游的地下水年龄较轻。10、9取样点所处位置为黑河干流出山口的下游，由于黑河河道的岩性为漂卵砾石，渗透性极好，河水强烈渗漏，地下水受到年轻的水的补给，整体年龄偏向年轻。同样，4、3取样点位于梨园河的下游，由于梨园河河水的入渗补给使地下水年龄变小。14取样点处的地下水年龄较大，是因为该处位于童子坝河流域的下游，地下水受到上游地下水的侧向补给，地下水在径流过程中，随着时间的延续，14C含量降低，年龄变老，符合地下水年龄变化的一般规律。从1取样点的地下水年龄数据可以看出，下层地下水年龄较老，说明盆地深部存在深循环的地下水。处，即盆地上游处地下水年龄较大，中游年轻，下游年龄较大，形成这一现象的原因是其与祁连山前剖面相似。不同之处为12取样点处地下水较年轻，这是由于受到了来自龙首山冲洪积扇的补给。8取样点位于平原堡，属于黑河干流的溢出带，受到了上游年轻地下水的补给，导致浅层地下水年龄较为年轻。

图2　祁连山前剖面地下水年龄等值线图

图3　龙首山前剖面地下水年龄等值线图

从1、6、8、9四个取样点的不同深度地下水年

图3为龙首山前剖面地下水年龄等值线图，从图3能够看出，龙首山前剖面与祁连山前剖面有相似之龄可以看出，浅部的地下水年龄要小于深部的地下水年龄，随着深度的增大，地下水年龄增大。深部地下水年龄通常在5000年以上，说明深部地下水与现代水的关系不大。

5　结论

(1)张掖盆地地下水年龄与深度有正相关性，随着深度的增加，地下水年龄增大。

(2)随着地下水向下游的流动，地下水的年龄会变大，在张掖盆地中部，地下水受到黑河、梨园河河水的入渗补给影响，地下水年龄变小。

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【矿产资源】

Research on Distribution Characteristics of Zhangye Basin Groundwater Age

YANG Ke-min
(Sinoma Gedogical Engineering Exploration Academy Co., Ltd., Beijing 100102, China)

Abstract:Groundwater age is an important indicator to determine whether groundwater resources could be developed and utilized sustainably. Study on groundwater resource has important guiding significance to rational and sustainable development of regional groundwater. Combined with local hydrogeological conditions, the author used groundwater age data and analyzed the resource property of Zhangye basin groundwater. Research show that shallow groundwater in Zhangye basin is young; Affected by surface water, groundwater age in midstream of the basin is young; Groundwater age increases with the basin depth.

Key words:Zhangye basin; groundwater age; distribution characteristics

【收稿日期】2015-10-28

【中图分类号】P641.8

【文献标识码】A

【文章编号】1007-9386(2015)06-0030-03