喀什平原区地下水氢氧稳定同位素分布特征及意义

乃尉华，史杰，王文科，王艺星，段磊，李斌

(1.新疆维吾尔自治区地质矿产勘查开发局第三水文工程地质大队，新疆 喀什 844000；2.新疆维吾尔自治区地质矿产勘查开发局第二水文工程地质大队，新疆 昌吉 831100；3.长安大学环境科学与工程学院，陕西 西安 710054）

本文所述喀什平原区涵盖克孜勒河、恰克马克河、盖孜河、库山河及乌鲁阿特小河等流域范围，东部至喀什经济开发区冲积细土平原区。前人对研究区进行了不同程度的研究[1-3]，主要包括地下水动态、资源量特征和评价等，但对区域水文地质、水文地球化学、地下水资源等未进行系统研究和评价。

2012—2015年，新疆地矿局第二水文工程地质大队在喀什平原区开展水文地质勘查工作，对区内地下水含水层特征、富水性分布、补径排条件和水化学特征、地下水动态、资源量等方面取得较宏观的分析和认识❶。本文对区内不同水体样品的D、18O同位素组成进行总结，对喀什平原区地下水的形成条件、地下水与地表水间的转化关系、地下水流动系统的划分、地下水补给高程与补给区估算等问题进行分析研究，为喀什平原区地下水资源开发利用规划与保护管理工作提供地质依据[4-9]。

1 区域水文地质概况

研究区处于塔里木盆地西缘、喀什噶尔河流域上游，东西长94.00 km，南北宽68.00 km，面积6 392.00 km2。据地质调查、物探及钻探资料❶新疆地矿局第二水文工程地质大队.新疆喀什经济开发区水文地质环境地质调查评价报告，2015，该区主要位于山麓斜坡堆积山前冲洪积平原和河流堆积冲积平原，第四系地下水流系统可划分为北部克孜勒河与南部盖孜河两个地下水流系统。从西向东第四系厚100～1 000 m，第四系上更新—全新统、全新统松散层构成本区主要含水岩系。含水层岩性主要为卵石、砾石、砾砂、中粗砂、细砂、粉细砂等，隔水层岩性主要为亚粘土、粘土。300 m钻探深度内第四系地下水类型划分为单一结构潜水与多层结构潜水-承压水，其中第四系多层结构潜水-承压水含水层在90～110 m以浅可概化为潜水，90～210 m可概化为第一层承压水，190～210 m以下含水层可概化为第二层承压水。第四系含水层单井涌水量为5 000～1 000 m3/d，渗透系数7.24～83.50 m/d❶。

北部克孜勒河地下水亚系统地下水中硫酸盐含量大于250 mg/L，由西向东水化学类型从SO4·Cl型水转化为SO4型水，克孜勒河沿岸矿化度小于1 000 mg/L，其余地段矿化度多大于1 000 mg/L。南部盖孜河地下水亚系统地下水中硫酸盐含量多小于250 mg/L，矿化度多小于1 000 mg/L，水化学类型一般为SO4·HCO3型水或HCO3·SO4型水，SO4型水。研究区除周边山区外，地下水位均呈慢速下降型，潜水多年地下水位升降速率小于0.22 m/年，承压水多年地下水头升降速率小于0.15 m/年❶。

2 样品采集测试

乃尉华等在研究区采集地下水和地表河水D、18O同位素样品253组(图1)，其中地表水23组，潜水162组，泉水20组，承压水48组。采样井深80～300 m，水位埋深4～106 m。D、18O同位素值由长安大学旱区地下水文与生态效应教育部重点实验室测试完成，采用气体同位素质谱仪测试，δD值误差为±1‰，δ18O值误差为±0.20‰。

图1 喀什平原区D、18O同位素采集水样点分布图Fig.1 Distribution points of D and18O isotopes in water samples collected in the Kashgar plain

3 D、18O同位素分布特征及意义

3.1 北部克孜勒河地下水流系统D、18O同位素分布特征及意义

据研究区地下水样D、18O同位素值，得出北部克孜勒河地下水流系统潜水及承压水D、18O的关系（图2）。由图2可知，北部克孜勒河地下水流系统山前冲洪积砾质平原地区，所有取样点δD、δ18O值均分布于全球大气降水线和当地大气降水线之间[10]，表明地下水补给主要来自大气降水，部分较低的D、18O组成主要来自山区贫重同位素的冰雪融水及基岩裂隙水的补给。

图2 北部克孜勒河地下水流系统的地下水δD-δ18O关系图Fig.2 The water samples in the Kezile river groundwater flow systemδD-δ18O diagram in the northern study area

在冲积细土平原区中上游地区，随地形坡降的变缓，潜水埋深相对变浅。受蒸发作用影响发生18O相对富集，潜水D、18O组成明显向右下方偏离当地大气降水线。在细土平原区中下游地区，地下水通过溢出带和泉的形式补给河水，部分潜水、河水与泉水样的同位素值相对集中。另随着地下水径流条件变差，承压水出现一定程度的18O漂移，这是地下水在循环过程中与含水层富含的石膏岩类矿物发生水岩作用引起的，漂移程度表明水岩作用的强度，同时也与地下水在含水层中的滞留时间密切相关。

3.2 南部盖孜河地下水流系统D、18O同位素分布特征及意义

据研究区地下水样D、18O同位素值，得出南部盖孜河地下水流系统潜水及承压水D、18O同位素值间的关系（图3）。由图3可知，南部盖孜河地下水流系统的地下水δD和δ18O值均分布于全球大气降水线附近，表明地下水接受大气降水的补给。A区内样点大部分位于库山河流域，少部分位于盖孜河流域细土平原区。盖孜河流域地下水δD和δ18O值整体低于库山河流域地下水δD和δ18O值，这与该处地下水受到具较低δD和δ18O值的乌鲁阿特小河冲洪积平原地下水的侧向补给有一定关系。蒸发作用的影响使地下水从补给区至排泄区D、18O同位素逐渐富集，逐渐偏离全球大气降水线。潜水和承压水δD和δ18O值分布不均，变化范围较大。冲洪积平原中下游地区与过渡带潜水和承压水具较低的δD和δ18O值，东部细土平原区潜水和承压水具较高的δD和δ18O值。泉水的δD和δ18O值变化范围较大，表明泉水与地下水补给排泄关系密切。δD和δ18O同位素值较低的泉水可能来源于山区基岩裂隙水补给的深层地下水。

图3 南部盖孜河地下水流系统的地下水δD-δ18O关系图Fig.3 The water samples in the Gaizi river groundwater flow system δD-δ18O diagram in the southern study area

3.3 地下水补给高程及补给来源区估算

本文采用18O值的高程效应分析地下水含水层补给区大气降水的入渗高度，即补给区海拔高程。补给高程计算采用如下公式：

式中：H为同位素入渗高度（补给区海拔高程，m）；h为取样点（井、泉海拔高程，m）；δs为地下水同位素组成；δp为取样点附近大气降水同位素组成；k为同位素高度梯度（n‰/m）。

同位素高度梯度采用全球平均δ18O高程梯度，即K(δ18O)=-0.25‰/100 m，大气降水同位素组成采用和田地区大气降水同位素加权平均值δD=-41‰，δ18O=-6.4‰[11]。研究区南、北部地下水流系统典型地下水补给高程计算结果见表1。

由表1可知，研究区无论是承压水还是潜水，随补给海拔高程的增加，氢氧稳定同位素趋于贫化，该结果很好地反映了同位素高程效应。研究区山前冲洪积砾质平原潜水和冲积细土平原承压水分属不同地下水流系统，不同深度承压水的补给高程不同，表明补给来源不同。补给高程较低的地下水可能受到上游地下水及大气降水的补给，补给高程较高的地下水可能受到山区冰雪融水、降水及山区河流与沟谷潜流入渗补给。

南部盖孜河地下水流系统的地下水多来源于西昆仑山高山区，细土平原区部分地下水来源于南部中低山丘陵区。研究区北部克孜勒河地下水流系统的地下水来自西南天山。

4 结论

(1)北部克孜勒河地下水流系统，在山前冲洪积砾质平原中上游地区主要为河水补给地下水。下游以东地区局部形成泉水出露和地下水溢出带，主要为地下水补给河水。地下水补给主要来自当地大气降水，部分较低的δD和δ18O值表明地下水来自山区贫重同位素的冰雪融水及基岩裂隙水的补给。

(2)南部盖孜河地下水流系统的地下水主要接受大气降水的补给。盖孜河流

域地下水δD和δ18O值整体低于库山河流域地下水δD和δ18O值，与盖孜河流域地下水受到具较低δD和δ18O值的乌鲁阿特小河冲洪积平原地下水的侧向补给有一定关系。δD和δ18O同位素值较低的泉水可能来自山区基岩裂隙水补给的深层地下水。

表1 研究区地下水补给海拔高程及补给来源区估算结果Table 1 Estimation results of the groundwater recharge elevation and recharge sources area

(3)研究区山前冲洪积砾质平原潜水和冲积细土平原承压水分属不同地下水流系统，不同深度承压水的补给高程不同，表明补给来源不同。

（4）南部盖孜河地下水流系统的地下水多来源于西昆仑山高山区，细土平原区地下水来源于南部中低山丘陵区。研究区北部克孜勒河地下水流系统的地下水来源于西南天山。

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