大气降水氚恢复序列在塔里木盆地平原区适用性讨论

刘 军

(水利部新疆维吾尔自治区水利水电勘测设计研究院，新疆 乌鲁木齐 830000)

氚(3H)是氢的一种放射性同位素，半衰期为 12.32年[1]。大气降水中的氚入地下水以后，参与地下水循环，作为一种环境示踪剂和测年技术手段，在地下水年龄[2-4]、更新能力与更新速率[5-8]等已取得了广泛的应用。

我国的大气氚浓度背景值监测工作起步较晚，已有实测资料不能满足实际应用要求[9]，而氚法的应用关键在于对大气降水中氚浓度值的确定。因此，需要使用数学方法对大气降水的氚浓度进行恢复；对于所恢复的研究区大气降水氚序列的准确性以及具体适用性需要结合实际情况进行充分讨论。同时，对于人类活动集中的河流绿洲带，其地表水、地下水所反映出的氚同位素特征需要同时考虑自然因素和人为因素才能客观反映其结果。

本文主要以塔里木盆地平原区为研究对象，选取塔里木盆地南部皮山河、玉龙喀什河所流经的河流绿洲带，并结合全球大气降水同位素网络 GNIP( Global Network of Isotopes In Precipitation)监测数据[10]和前人的研究成果进行分析讨论，探讨大气降水氚浓度恢复及在该区域适用性，并对绿洲带地表水、地下水氚值特征及其影响因素进行讨论。

1 研究区概况

塔里木盆地为全封闭型的大型内陆盆地，除东面有较低的风口外，其余三面高山环绕，使得湿润的海洋气流难以进入，为典型的温带大陆性干旱型气候[11]。研究区内大气降水氚浓度监测资料匮乏，且受20世纪60、70年代大气层核试验的影响，在大气中产生了大量的氚，大气降水氚浓度的恢复难度较大[12]。同时，塔里木盆地周边分布着大大小小主要形成于山区而散失于平原的众多河流，河流的径流量季节变化不大，年内分布极不均匀，补给源主要为大气降水与冰雪融水[13]。广泛分布河流孕育着绿洲，是人们生产生活的重要集中地，是极具代表性的人类活动区域，受人类活动影响显著[14]。

皮山河属冰雪消融、降水混合补给型河流，全年水量74%以上集中在夏季，由发源于中昆仑山西段北坡的克里阳河布琼河、两大支流汇集而成[11]。由南向北，皮山河在流经克里阳时注入雅普泉水库，而后在流经皮山县灌区消失于塔克拉玛干大沙漠[15]。

玉龙喀什河发源于昆仑山西段的主峰昆仑峰区北坡山区，是一条以冰雪融水为补给为主的河流，径流年际变化不大；但年内分配极不均匀，冰雪消融水量占全年水量的66.3%，7、8月水量占年水量的67.1%，6—9月来水量占年水量的88.6%[11]。

2 资料来源

研究区大气降水氚数据来自全球大气降水同位素网络 GNIP监测数据[10]和前人的研究成果。玉龙喀什河、皮山河地表水与地下水氚样于2016年7、11月采集，样品分析测试送至核工业北京地质研究院分析测试研究中心和国土资源部地下水矿泉水及环境监测中心(中国地质科学院水文地质环境地质研究所)进行，样品经过蒸馏、电解富集后，通过超低本底液体闪烁谱仪(Quantulus1220)来测试，分析精度为±1.0TU。

3 大气降水氚序列恢复及讨论

3.1 常用恢复方法分析

目前，用于恢复历年大气降水氚浓度的方法主要有关秉钧法[16-17]、插值法[18]、人工神经网络法[19]、趋势面分析法[20]、多元线性回归法[21]、因子分析法[22-23]等，为提高恢复结果的可靠性，部分学者采用多种方法进行比较[24-25]，相关方法的详细操作过程可参见有关文献。

在这些常用的方法中，个别方法只能相对有效恢复某一时间段数据，如关秉钧法、多元线性统计法等；有些方法可以恢复较长时间序列的数据，但限于参考监测站点数据之间的同步性，只能恢复某一时间段段数据，如插值法、趋势面分析法等。通常，对于这些恢复出的某一时间段数据与具有长时间监测站点同时期的数据进行相关分析，以期获得长时间序列的大气降水氚恢复数据[18，24]。使用因子分析法时需要20世纪60年代具有全球普遍特征的“氚峰”数据。因子分析法相对于其它常用方法而言，在实际应用上较为简单，而且从恢复结果上来看，其具有更长时间和更大空间的适用性[24]。

3.2 研究区已有研究成果分析

林瑞芬测定新疆托木尔峰地区琼台兰冰川剖面氚含量；焦鹏程采用插值法恢复罗布泊地区1969—1976年降水氚含量，并与渥太华站的资料进行相关分析，确定出罗布泊地1952—1996年的大气降水氚含量[25]；赵振华采用因子分析法，恢复了塔里木盆地东北部1960—2009年大气降水氚浓度值[12]。

通常大气降水的氚含量峰值应在1963年，林瑞芬测定的剖面氚含量记录表明新疆某些地区由于受当地核试验的影响，大气降水氚含量过程线中不仅有1963年的峰值，而且在1967年和1969年亦出现峰值[28-29]。赵振华在采用因子分析法恢复塔里木盆地东北部大气降水氚序列的过程中，限于资料的缺乏，建模时大气降水氚数据分时间段，分别采用前人已有研究成果和GNIP站点数据，模型本身无法兼顾我国核试验影响因素。

同时，对于不同研究区，方法的选用是否合理，恢复所采用的基础数据在整个恢复序列时间段中是否具有整体的代表性，恢复结果是否准确，很难做出客观、真实的判定。

3.3 大气降水氚恢复数据适用性讨论

为了对研究区大气降水氚恢复序列有较为直观的认识，结合研究区实际情况并借鉴赵振华的模型计算值，总结整理研究区1952—2009年大气降水氚浓度值进行分析，如图1所示。

图1 1952—2009年塔里木盆地大气降水氚恢复序列

其中，1952—1959年数据引用了焦鹏程2004年发表的数据[7]；1960—1974年数据借鉴林瑞芬研究成果[26-27]；1975—2005年数据借鉴赵振华校正后的模型计算值，2005—2009年数据借鉴赵振华野外实际采样后换算的年均值[28]。

由图1看出，大气降水氚序列所体现出的特征与其它地区所建立的序列类似，具有20世纪60年代全球特征的“氚峰”，到20世纪70年代后，大气降水氚浓度大幅降低。自然状态下，氚浓度的变化除了放射性衰变，还与其他因素有关，纬度效应和海洋-陆地效应是主要控制因素。如果单纯依靠放射性衰变，从氚浓度高峰减少天然水平，大约需10个半衰期，实际上只需要3半衰期[28]。

将1975年后的大气降水氚恢复数据进一步分析，可以看出1975年后大气降水氚浓度整体呈明显的下降趋势，但波动显著，说明大气降水氚浓度的变化受多种因素控制。同时，可以看出1980—1995这15年间，大气降水氚浓度基本在同一范围波动，15年数据无法反映出大气降水氚浓度整体下降的趋势，对整体而言不具有代表性。

具有长时间序列的大气降水监测数据较少，一般多为短期数据。为进一步对短时期降水数据进行比较分析，选用GNIP在北半球具有代表性的香港站、渥太华站和位于新疆内乌鲁木齐站、和田站，对这4各站点都具有的同一时期数据与研究渠大气降水氚恢复序列进行比较分析，如图2所示。

由图2可以看出，对于1988—1992年监测数据，4个站点在这一相同时期监测数据无论数值大小，均具有明显的波动性，但该段数据对于各站点所在区域中是否具有整体的代表性，无法做出准确判断。对于2001—2009年数据，香港站、渥太华站相对于各自1988—1992年数据波动不大、趋于平缓，2站点所在区域大气降水氚值基本恢复到了自然水平值。同时可以看出，对于2001—2009年数据，香港站、渥太华站与塔里木盆地降水恢复的这一时期的数据相比仍具有相同的波动变趋势，只是后者波范围较大。

图2 同一时期不同站点大气降水氚数据比较

对于塔塔里木盆地大气降水氚恢复序列而言，2000—2009年数据与1998—1992段类似，仍具有明显的波动性，但整体趋势下降。

整体而言，同1988—1992年数据相比，2000—2009年数据整体数值变小，塔里木盆地大气降水氚浓度值依旧高于渥太华站、香港站。两站在后段已逐渐趋于稳定，以此推知，塔里木盆地大气降水氚浓度也应逐渐趋于稳定，只不过氚值较高，波动相对较大。为了验证这一点，将监测数据较全的渥太华站、香港站1975年之后的大气降水产监测数据与塔里木盆地大气降水氚恢复数据对比分析，如图3所示。

由图3可以看出3处地点整体变化趋势相同，渥太华站点与塔里木盆地数据较为相似。同时，可以看出1995年之后，香港站和渥太华站虽还有小波动，但基本处于平稳，由此可见在此之后，大气降水氚浓度基本恢复到自然状态。同理，塔里木盆地大气降水氚浓度也应具有同样的变化趋势。

一般认为大气降水氚的自然背景值在10TU左右，由图3还可以看出，塔里木盆地大气降水氚背景值约在30TU左右，其值远高于国内其它地方。这是由于其所在区域背景值较高，塔里木盆地正处于以张掖为高值中心的“中纬度高氚带”，是巨大的海洋-陆地作用、内陆干旱气候和邻近当年核试验场多种因素复合作用的结果[28]。

图3 塔里木盆地、渥太华站、香港站1975年以后对大气降水氚数据

4 地表水、地下水氚同位素特征分析

4.1 检测结果分析

在玉龙喀什河、皮山河进行水样采集，取样检测结果见表1。

皮山河、玉龙喀什河主要接受大气降水和冰雪融水补给，根据取样检测结果显示，无论是皮山河水样还是玉龙喀什河水样，其检测氚值多数处于30TU以下，这也验证了前文分析的合理性。水样Q5检测值处于30TU左右，结合取样位置分析发现水样Q5取自河流出山口地下水溢出带，地下水径流条件好，较早接受山区水源补给，因此检测值较高；水样C2氚检测值在1TU左右，这是由于取自绿洲地深层地下水，径流时间长，更新速度慢。同时可以发现，除去Q5、C2点外，无论是同时期还是不同时期的各水体，其值差异不大，无规律。

4.2 影响因素分析

盆地周边的河流主要为雪冰融水和降水混合补给型河流，其补给源主要形成于山区[11]。在上游山区段，峡谷深切，支流众多，水量充盈[29]。形成于山区的降水，以多年积雪、冰川与夏季暴雨洪流形式体现，补给河流，孕育绿洲。河流的补给源存在多样性、变化性、累积性和滞后性[14]。因此，绿洲带各水体在进入绿洲带前即已包含不同时期的大气降水氚特征，已在自然状态下发生混合。根据前文分析，塔里木盆地大气降水氚已恢复到自然状态，约30TU左右，因此，绿洲带各水体氚值处于30TU以内。

同时，河流绿洲带是塔里木盆地周边人们从事生产生活主要聚集地，绿洲带各水体受人为活动影响显著。由于水资源相对短缺，使得大部分绿洲生态环境十分脆弱，农业生产主要依靠人工灌溉，形成了独特的“灌溉农业，荒漠绿洲”生态环境和社会经济体系[30]。为达到对有限水资源的充分合理利用，自出山口始，人为修建了大量的水利工程。地表水到达下游平原灌区后，渠系河道交织并存，机井广布，抽取地下水进行灌溉，使各水体发生不同程度的混合，引发地下水氚分布随时间和三维空间发生改变。因此，无论是同时期还是不同时期各水体，其氚值规律性不明显。

5 结论

(1)塔里木盆地大气降水氚浓度在2010前后已逐渐接近30TU的自然水平状态。

(2)在河流绿洲带，各水体氚值差异不大，没有明显的区分，绿洲带水体体现出混合水体的特征。

(3)氚法的优势正在逐渐丧失，以氚值为基础所体现出的各水体特征的可靠性需要进一步验证。