乌兰布和沙漠地下水补给研究

李玲　魏国孝　岳宁　阚飞　丁林凯

摘要：利用放射性同位素（ 14C）测年和氯质量平衡理论，研究乌兰布和沙漠地下水年龄以及地下水补给速率。结果表明：通过14C测年并修正后得出的研究区饱和带地下水年龄为22 000 a-现代，利用氯质量平衡理论推算出非饱和带5.5 m深处地下水年龄为2 645 a：研究区非饱和带地下水的补给速率为0.19 - 2.55 mm/a，均值为1.12 mm/a，故包气带直接补给潜水和承压水的水量微乎其微。

关键词：14C测年;氯质量平衡理论;补给速率;乌兰布和沙漠

中图分类号：P641.74

文献标志码：A

doi： 10.3969/j.issn. 1000-1379.2019.04.011

研究表明，约1/3的人类用水是由地下水资源供给的，包括20亿人的饮用水和全球40%的耕地灌溉[1]。干旱地区生态环境极其脆弱，当地水资源总量非常有限[2]，降水量微乎其微、分布不均且蒸发量大[3]，故沙漠地区地下水是极其重要的，在地下水研究中，降水补给浅层地下水的多少是重要且颇有争议的问题之一[4]。运用水量平衡法和达西流分析方法估算干旱半干旱地区地下水补给速率存在较大误差，人工示踪剂法则无法在短期内得出有用的结果，而环境示踪剂法在估算包气带中地下水补给速率是合理的[4]，故运用Cl-数据，基于氯质量平衡理论估算非饱和带地下水的补给速率是较为可靠的。

有学者对我国沙漠地区的地下水补给速率和地下水年龄进行了研究，如Ma J.等[5]、J.B.Gates等[6]利用环境示踪剂对巴丹吉林沙漠的地下水补给速率和地下水年龄进行了估算。地下水年龄是评价地下水系统可更新能力的重要指标[7]，地下水测年的方法有水动力学法、水化学动力学法和环境同位素法[8]，其中3H、32Si、37Ar、85 Kr和222 Rri主要用于探测较年轻的地下水，而14C、36Cl、39Ar和81 Kr用于探测古地下水年龄[9]，氚和14C为直接估算干旱半干旱区浅层地下水系统的更新速率提供了独特的方法[10-11]。

笔者将乌兰布和沙漠作为研究区，以氯质量平衡理论、14C测年为基础，对其地下水的C1一累积年龄、14C年龄和包气带水补给速率进行研究，以期为当地地下水资源的开发利用和管理提供参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

乌兰布和沙漠是我国八大沙漠之一，位于东经105°59′一106°41′、北纬39°41′ —40°31′，北起狼山，南至贺兰山麓，东北与河套平原相邻，东与黄河相邻，西至吉兰泰盐湖[12]，海拔1 028～1 054 m.面积约为1.1万km2。多年平均降水量110 mm，主要集中在7—8月：多年平均水面蒸发量为2 866 mm，是多年平均降水量的26倍。

研究区的水文地质条件十分复杂，乌兰布和沙漠东南部的贺兰山北段为补给区，西南部的吉兰泰盐湖为径流区（排泄区）;西北部的巴彦乌拉山基岩由古生代变质岩系以及燕山期侵入岩组成，山前含水层主要富集了基岩裂隙水。乌兰布和沙漠是补给区，直接接受降水补给（见图1）[13]。

1.2 水样采集与处理

野外实地采集10个地下水样（见图2），包括7个浅层地下水（埋深5 -52 m）水样（WIO、WI1、W12、W14、W15、W17、W18）、1个中层地下水（52 - 115 m）水样（ W16）和2个深层地下水（115 m以下）水样（W13、W19）。采用手工沙漠钻，从地表往下逐次钻取3个包气带岩芯W5（深5.5 m）、W6（深13.25 m）和W7（深14.0 m）。大部分的深层井水样用潜水泵采集得到，采样时现场记录井深、经纬度、地下水埋深等。采集到水样后，先利用滤膜孔径为0.45 μm的过滤器将水样过滤，再装到用净水润洗过3次以上的聚乙烯采样瓶中。

样品中的碳同位素在澳大利亚阿德莱德市的联邦科学与工业研究组织（ CSRIO）土地与水资源实验室测得，溶解无机碳（ DIC）通过常规的磷酸平衡法测量，将样品加入85%的磷酸进行反应产生C02，将得到的CO，送到澳大利亚国立大学实验室，采用加速质谱仪（ AMS）测量14C;土壤含水量采用烘干法测定;Cl-的预处理采用离心方法，然后送到兰州大学西部环境教育部重点实验室，用美国DIONES公司生产的ISN-2500离子色谱仪测定Cl-浓度。

1.3 研究方法

1.3.1 地下水14C测年

通过研究放射性同位素估算地下水年龄是一种行之有效且应用广泛的方法。利用放射性同位素14C测定区域含水层年龄是应用最为广泛的一种技术，以地下水中的溶解无机碳（ DIC）作为示踪剂，以14C测定地下水中溶解无机碳的年龄[14]。测年计算公式为

t=8 267ln（Ao/A）

（1）式中：t为水样14C年龄;A0为初始14C含量，为100 pmc（现代碳的百分比）;A为衰变后的14C含量[9.14-15]。

1.3.2 氯质量平衡理论

1969年.E.Eriksson等[16]提出利用地下水中氯化物的浓度来估算地下水的补给速率。氯质量平衡理论基于以下假设：大气中的Cl-浓度以降雨中的Cl-浓度来表征，可用较长时间的加权平均值来代替;Cl-在循环过程中不参与任何地球化学反应：土壤水分运移可假设为活塞式向下垂直一维流[17]。

根据质量守恒原理，假设大气是Cl-的唯一来源，补给速率R计算公式为[18]

2 结果与分析

2.1 饱和带地下水测年

地下水中的C大多来自渗流带土壤中的CO，，但高含量的14C通常在地下水补给和运移过程中被低含量的14C矿物溶解物所稀释[14].同一时代不同物质标本的14C放射性是不同的，利用其计算得到的物質年龄会有一定的差异，因此通过14C测得的地下水年龄需要校正。校正14C测年的结果常用的几种模型有Vogel[7]、Tamers、Fontes - Garnier、Pearson、Evans [20]、Eichinger - Gonfiantini[14-15]。本文通过Tamers、Pearson、Fontes - Garnier模型校正的A0值较为相近，分别为52.4+1.8、51.8+1.7、48.1+19.1 pmc，而Evans、Eichinger- Gonfiantini模型校正的Ao值偏低，分别为36.0+3.4、37.2+4.6 pmc。表1是通过Netpath软件模拟得出的，表中年龄均指距今的年龄（负值是指现代水）。

由表1可知：813 C值變化范围为- 14. 31%。 --6.35%。（平均值为-9.82%0）;Vogel模型校正得到的地下水年龄最大;基于Pearson、Fontes - Gamier、Evans3个模型校正后得到的地下水年龄较为相近，在（2 a，888 a）这一区间变化，基于这3个模型校正后的乌兰布和沙漠饱和带地下水年龄为22 000 a-现代，地质年代为第四纪。校正后地下水年龄出现负值现象，原因可能是：①这些样点代表的是现代水，地下水年龄较小，而14C的半衰期较长[8-9].故应选取半衰期较短的同位素;②样品取自井中，受到降水等外界环境的影响。

2.2 非饱和带地下水补给速率和年龄

研究区钻孔取样剖面非饱和带含水量与深度关系见图3（a）：W5钻孔深5.5 m，剖面含水量随着深度的增大而增大，变化范围为0 - 15%，含水量较大的原因是该钻孔最终出水：W6钻孔深13.25 m.剖面含水量随着深度增大呈增大趋势，0-2.25 m区间含水量先增大后减小，2. 25 - 10. 25 m区间含水量波动较大，10.25 - 13.25 m区间含水量先减小后增大，变化范围为0 - 3.5%：W7钻孔深14 m.剖面含水量呈先减小后增大趋势，但趋势不明显，变化范围为1.5% -3.0%。钻孔剖面Cl-浓度与深度关系见图3（b）：W5的Cl-浓

度在深3-4 m之间时出现最大值，约为1 750 mg/L;W6的Cl-浓度在2-3 m之间达到最大值，约为1 125mg/L，之后迅速减小并表现为小幅度波动，其中在8.5m深时浓度最小，这可能是采样或试验过程中人为因素所造成的：W7的Cl-浓度在4-5 m之间达到最大值，约为275 mg/L，较前两个钻孔的极大值埋深大，原因可能是该钻孔所处位置降水量较大，降水下渗补给地下水的速度快，且位于迎风坡，新沙的沉积作用更明显[17]。

W5、W6的多年平均降水量是根据吉兰泰镇气象站1955-1999年的降水资料计算的，为103.4 mm/a;W7多年平均降水量是根据乌海市气象站1956-1999年的降水资料计算的，为143.5 mm/a。鉴于研究区的气候与巴丹吉林沙漠相近，[ Clv]参考前人关于巴丹吉林沙漠的研究成果[5.22-23]，计算出多年大气降水中Cl-加权平均浓度为1.5 mg/L。依据氯质量平衡理论估算的地下水补给情况见表2.可以看出，地下水补给速率为0. 19 -2.55 mm/a（均值为1.12 mm/a），相当于0. 18% -1.80%的多年平均降水量，因此降水对于包气带的补给是微乎其微的。根据氯质量平衡理论推断Cl-累积年龄，即包气带剖面上的地下水年龄，W5（钻孔最终出水）在5.5 m深处为2 645 a，W6在13.25 m深处为604 a，W7在14 m处为201 a。W5的地下水年龄较W6、W7大很多，原因可能是该钻孔处于巴彦乌拉山山脚，距离吉兰泰盐湖区较近。表2利用氯质量平衡理论估算年平均地下水补给情况

综上所述，根据14C测年得出的饱和带地下水年龄为22 000 a-现代，根据氯质量平衡理论估算出的非饱和带地下水年龄为2 645 a：而Cl-的变化范围饱和带与非饱和带基本相同，都在1 800 mg/L以内（见图4）。

3 结语

（1）通过Netpath软件模拟得到的乌兰布和沙漠地下水的14C校正年龄约为22 000 a-现代（在地质年代上属第四纪时期）.与Wei G.等[24]对于吉兰泰盆地地下水14C测年为15 000 a～现代的结论基本一致：通过氯质量平衡理论得出的乌兰布和沙漠包气带水年龄为2 600 a，与Huang T.等[4]得出的鄂尔多斯盆地包气带Cl-累积年龄为2 500 a的结论基本一致。而Ma J.Z.等[25]根据氯质量平衡理论得出的中国西北部干旱区Cl-累积年龄要小一些，原因可能是取样点位置不同。

（2）根据氯质量平衡理论得出非饱和带地下水的补给速率为0.19 - 2.55 mm/a，均值为1.12 mm/a.说明降水对于包气带水的补给作用极小，而一些学者[4，25-26]研究得出，巴丹吉林沙漠地下水的补给速率在3 mm/a以下：另有学者[27]通过建立数值模型，得出巴丹吉林沙漠非饱和带地下水的补给速率为11- 30mm/a，这一差异产生的原因可能是采用的方法不同。研究区地下水的更新速率非常缓慢，开发需谨慎。

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