乌兰木伦河流域地下水水化学同位素特征及补给关系
2023-09-11郭巧玲陈梓楹张肖萌
代 彬, 郭巧玲,2, 陈梓楹, 张肖萌, 于 荣
(1.东华理工大学 水资源与环境工程学院, 江西 南昌 330013; 2.东华理工大学 核资源与环境国家重点实验室, 江西 南昌 330013)
1 研究背景
党的十八大以来,以习近平总书记为核心的党中央将“黄河流域生态保护和高质量发展”上升为国家战略[1-3],使其充分发挥流域的生态屏障作用,推动流域的经济发展[4]。乌兰木伦河是黄河的二级支流,位于半干旱区域,地处神府东胜煤田,河流沿岸分布着大量煤矿。煤矿的大量开采导致采煤塌陷区裂隙发育[5]以及地下水位的下降[6],破坏了地表水及地下水的运移和赋存状态[7],改变了地表水-地下水相互作用的程度及性质,同时造成流域内水环境污染严重[8]和水资源枯竭[9]等相关问题。故对乌兰木伦河流域开展地表水-地下水相互作用关系研究,对流域内水资源保护具有重要意义[10-12]。
目前,国内外很多学者对不同流域地表水和地下水的相互关系进行了研究。Bailey等[13]通过野外实测,利用MODFLOW模型在对美国德克萨斯州地下水流动模拟的基础上,分析了地表水和地下水的相互作用。Boubacar等[14]在尼日尔西南部的半干旱地区,采用等效多孔介质的方法研究地表水和地下水的相互作用,表明地下水与地表水的交换通量是该流域的重要转化过程。在中国,有众多学者用不同的方法对湿地、水库、流域的地表水与地下水的相互转化进行了研究。谭秀翠等[15]通过SWAT模型对地表水与地下水的转化量进行了定量分析。赵博[16]利用累积转化量法分析了太子河辽阳-小林子段葠窝水库影响下的地下水-地表水转化关系。许秀丽等[17]对山西省汾河入黄口湿地水分的补给来源进行了研究,并结合端元混合模型揭示了不同时期的地表水与地下水转化关系。刘芳等[18]在分析祁连山南坡主要河流同位素的基础上,结合端元混合模型,估算了不同水源对河流的补给比例,并进一步探讨了产生补给差异的原因。但目前对于矿区流域地表水与地下水的相互作用的研究较少,故本研究以煤炭矿区乌兰木伦河流域为研究区,在分析降水、河水、地下水(矿井水和生活井水)水化学特征的基础上,通过氢氧稳定同位素和水化学分析方法确定它们之间的相互关系,以期为流域水资源保护与利用提供科学依据。
2 材料与方法
2.1 研究区概况
乌兰木伦河经内蒙古自治区鄂尔多斯市进入陕西省神木市,河流全长为138 km,流域面积为3 065 km2[19]。该流域属于半干旱区,年平均降水量为396.8 mm,年平均蒸发量约1 753.8 mm,多年平均气温约7.2 ℃,7月平均气温约24 ℃。乌兰木伦河流域地形呈波状起伏,总趋势为西北向东南倾斜[19],海拔高度约为1 400 m。流域地处我国著名的神府东胜煤田[20],矿区地表大部分被第四系覆盖,区域地层由老至新分别为:三叠系上统延长组,侏罗系富县组、延安组、直罗组、安定组,白垩系志丹群,新近系保德组,第四系离石组、萨拉乌苏组和风积层及冲积层[21]。乌兰木伦河流域概况见图1。
图1 乌兰木伦河流域概况及水样采样点布设图
2.2 样品的采集与分析
为研究乌兰木伦河矿区流域内河水与地下水的相互作用,在乌兰木伦河沿岸的不同矿区的不同井水点位置进行布设采样。本次样品采集时间为2022年7—8月,共采集46个水样,其中河水水样20个;地下水水样22个(布尔台矿矿井水样3个,祁连塔矿矿井水样4个,乌兰木伦矿矿井水样6个,寸草塔二矿矿井水样4个,大柳塔生活井水样5个);大气降水水样4个。样品的采集严格按照《水质 采样技术指导》(HJ 494—2009)进行。各采样点布设图见图1。
采用电感耦合等离子体光谱仪(ICP-OES)对水样中阳离子进行分析测试;采用离子色谱仪(ICS-1100)对阴离子进行测试,其中,CO32-、HCO3-用酸碱滴定法测试。用便携式多参数水质测定仪(HI98194)对pH等相关参数进行现场测定。氢氧同位素稳定分析由中国地质大学(武汉)地质调查实验中心采用液态水同位素分析仪(IWA-45EP,USA)测定。
2.3 两端元法
稳定的氢氧同位素方法可以用来研究径流来源、河水与地下水之间的转化等[22]。该方法原理基于同位素的质量守恒,不同来源的水体各为一个端元,当来源水体有两个时即为两端元法[23]。本次研究根据两端元法对研究区内地下水接受大气降水和河水的贡献进行计算[24],计算方法如下:
CP=CQ·X+CW·(1-X)
(1)
式中:CP为地下水(矿井水、生活井水)的δD值,‰;CQ为河水的δD值,‰;CW为大气降水的δD值,‰;X为河水端元的混合分数。
3 结果与分析
3.1 水体的水化学特征
通过分析研究区水体的水化学特征,可以进一步明确地表水、地下水与环境之间的相互作用[25]。表1为研究区内河水、矿井水和生活井水的pH、电导率EC、TDS(total dissolved solids)以及主要离子浓度的特征值。由表1可以看出,研究区河水、矿井水和生活井水的pH值均呈现弱碱性,且河水pH值的变化幅度较大;河水和矿井水的TDS值变化范围分别为202.69～1 509.08 mg/L、287.92～937.05 mg/L,而生活井水的TDS值变化幅度相对较小。
表1 研究区河水和地下水主要水质指标及离子浓度特征值
变异系数CV通常被用来表征变量的稳定性。当0
表2为研究区不同水源的水体中主要阳离子和阴离子含量中值的化学比例。由表2可以看出,在河水和矿井水中,阳离子平均质量浓度大小关系为Na+>Ca2+>Mg2+>K+;而生活井水中阳离子的平均质量浓度大小关系为Ca2+>Na+>Mg2+>K+;在所有水样中,阴离子平均质量浓度大小关系均为HCO3->SO42->Cl-。表2清晰地表明了不同水体中阴、阳离子的组成优势,所有水源类型中阴离子组成均以HCO3-为主,河水、矿井水和生活井水中的HCO3-占阴离子总量的比例分别达到66.61%、63.74%和83.88%;河水和矿井水中的Na+在阳离子中占据了绝对优势,分别占阳离子总量的74.55%、88.95%,而生活井水中则是Ca2+占据绝对优势,占阳离子总量的73.28%。因此,在研究区内不同水源的水体中,阳离子以Na+和Ca2+为主,阴离子以HCO3-为主。总之,研究区内所有类型的水样均由可变的阳离子和相似的阴离子构成。
表2 研究区不同水源中主要阳离子和阴离子含量中值的化学比例 %
3.2 水体的水化学类型
Piper三线图是一种根据水体中阴、阳离子的组成而快速确定水化学类型的方法[27]。根据水样点在Piper图上的不同位置,可以对研究区内水样的水化学类型进行区分[28]。
图2为乌兰木伦河流域不同水源水体的水化学Piper三线图。从图2可以看出,大多数河水样品集中于菱形图的中下部分,水化学类型主要以HCO3-Na型和HCO3+SO4-Na型为主。然而,矿井水和生活井水样品在Piper三线图上分散程度较大,矿井水中,水化学类型主要以HCO3-Na型、HCO3+Cl-Na型、HCO3+ SO4-Na型为主;生活井水中,水化学类型主要以HCO3-Ca型为主。
表3为流域各矿区内河水与地下水的水化学类型。从表3可以看出,布尔台矿的河水和矿井水水化学类型均主要为HCO3-Na型,有少量水样为其他水化学类型;祁连塔矿的河水与矿井水水化学类型一致,均为HCO3+SO4-Na型;乌兰木伦矿的河水与矿井水水化学类型一致,均为HCO3-Na和HCO3+SO4-Na型;寸草塔二矿的河水水化学类型为HCO3-Na型和HCO3+SO4-Na型,地下水的水化学类型为HCO3+Cl-Na型和HCO3-Na型;大柳塔矿区的河水水化学类型为HCO3-Na型和HCO3+SO4-Na型,生活井水水化学类型呈多样化,包括HCO3+SO4-Na型、HCO3-Ca型、HCO3-Ca+Mg型,可能是由于大柳塔矿地处城区,周边环境较为复杂,水质受到的影响因素较多。
表3 研究区各矿区内河水与地下水的水化学类型
3.3 水体的氢氧同位素特征
表4为研究区内不同水源水样的氢氧同位素特征值。由表4可知,研究区内大气降水水样的δ18O和δD值变化范围分别为-16.66‰～-3.98‰、-128.89‰～-42.87‰,变化幅值分别为12.68‰、86.02‰,变化幅度较大,这主要是由于研究区内氢氧同位素受到气温和降水量的影响,导致采集的降水水样的氢氧同位素产生差异。
表4 研究区内不同水源水样的氢氧同位素特征值 ‰
图3为研究区内大气降水δD与δ18O值的关系,图3中还给出了Yurtsever等[29]提出的全球大气降水线(global meteoric water line,GMWL):δD=8.17δ18O+10.35和张洪平等[30]得到的中国大气降水线(China meteoric water line,CMWL):δD=7.81δ18O+8.16(下同)。由图3可以看出,研究区内采集的所有大气降水样点均落在全球大气降水线和中国大气降水线的下方,且研究区大气降水样点拟合线的斜率及截距较小,其主要原因是研究区属于半干旱地区,且采样时间在7月份,蒸发作用强烈使得重同位素富集[31]。
图3 研究区内大气降水δD与δ18O值的关系
研究区内河水水样的δ18O和δD值变化范围分别为-9.82‰～-3.84‰、-75.29‰～-39.03‰(表4),变化幅值分别为36.26‰、5.98‰,图4为研究区内河水δD与δ18O值的关系。由图4可知,河水氢氧同位素拟合线斜率小于当地大气降水线斜率,表明河水受到了蒸发作用的影响[32];所有河水样点均位于全球大气降水线和中国大气降水线下方,表明蒸发作用使得河水水体中重同位素富集[31];所有河水水样点均位于当地大气降水线附近,说明在研究区内河水主要接受降水补给。
图4 研究区内河水δD与δ18O值的关系
在研究区内,矿井水水样的δ18O和δD值变化范围分别为-11.71‰～-9.47‰、-87.24‰～-71.10‰;生活井水水样的δ18O和δD值变化范围分别为-9.51‰～-8.23‰、-69.60‰～-62.15‰(表4),图5为研究区内地下水δD与δ18O值的关系。从图5可以看出,研究区地下水样点位于大气降水拟合线和河水拟合线附近,表明大气降水和河水是流域地下水补给的主要来源,三者之间存在一定程度的水力联系;河水、大气降水、地下水的δD与δ18O值拟合线的R2依次减小,即δD与δ18O值的线性关系逐渐变得松散,表明各水体之间存在不同程度的转换[33]。
3.4 基于同位素的河水与地下水关系分析
基于两端元法分析降水、河水对地下水的补给。图6为河水对地下水补给贡献率与地下水井深的关系。从图6可以看出,随着地下水采样点深度的增加,河水对地下水的补给贡献呈下降趋势。在整个研究区,当地下水井深小于135 m时,大多数采样点河水对其贡献率为58.47%～80.94%,河水是地下水的主要补给来源;当地下水井深大于135 m时,河水对其补给贡献率为21.47%～58.69%,且绝大多数采样点河水对地下水的贡献率小于50%。
图7为河水对地下水补给贡献率与地下水采样点距河道距离的关系。从图7可以看出,在地下水采样点距离河道8.8 km范围内,绝大部分采样点河水对地下水的补给贡献率超过45%,最高贡献率达到80.94%,故在地下水采样点距离河道在8.8 km范围内时,河水是地下水的主要补给来源之一;当地下水采样点距离河道距离超过8.8 km时,河水对地下水的补给贡献较低,仅约为20%。
图8综合显示了河水补给地下水的贡献率与地下水采样点井深、距河道距离的关系。从图8可以看出,河水对地下水补给的贡献率低值区主要出现在距离河道较远、井深较深的采样点区域,高值区主要出现在靠近河道、井深较浅的区域。
图8 河水补给地下水的贡献率与地下水井深、距河道距离的关系
4 讨 论
(1)本文以乌兰木伦河流域河水、矿井水和生活井水为研究对象,进行水化学类型分析,结果表明,河水主要以HCO3-Na型和HCO3+SO4-Na型为主,矿井水主要以HCO3-Na型、HCO3+Cl-Na型、HCO3+SO4-Na型为主,生活井水水化学类型呈多样化,主要以HCO3-Ca型为主。河水和矿井水中的阳离子以Na+为主,生活井水中的阳离子以Ca2+为主,这与吕情绪[34]和王昱同等[35]对神东矿区矿井水的研究分析结论一致。水体中阴离子以HCO3-为主,这与刘基等[36]对神府矿区地表水水化学特征的研究结论以及范立民等[37]对神府矿区地下水水化学特征的研究结论一致。
(2)在乌兰木伦河流域祁连塔矿区,河水与地下水的水化学类型一致,而其他矿区河水与地下水的水化学类型相近,这是由于煤矿塌陷区存在大量地表裂隙,使得河水与地下水联系紧密。李倩等[38]通过研究神府东胜煤田的海流兔流域水体补给关系指出,在煤矿开采影响下流域内不同水体的转化关系以地表水下渗补给地下水为主,这与本文的研究结果一致。
(3)乌兰木伦河流域位于西北半干旱地区,区域内的降水及河水强烈蒸发导致水体中同位素富集。曾帝等[39]在对西北干旱区降水的氢氧同位素研究中发现,由于降水受到强蒸发,1—7月氢氧同位素不断富集,在夏季出现最大值,该研究结果证明了本文结论的可靠性。丁洁等[40]对干旱区土壤水中氢氧稳定同位素的研究也得出相似结论。
(4)对采样点水样的分析结果表明,河水对地下水补给贡献率的较高值主要出现在靠近河道和井深较浅的区域;降水对地下水补给贡献率的较高值主要出现在距离河道较远、井深较深的区域。很多学者在黄河流域其他区域对地下水的补给来源也进行了研究,付昌昌等[41]对神府东胜煤田窟野河流域煤矿区的研究结果表明,第四系松散层、白垩系洛河组和侏罗系风化带地下水主要接受现代大气降水的补给,此结论与本文的研究结果一致。
5 结 论
(1)在研究区内,河水和矿井水中的阳离子主要以Na+为主,阴离子主要以HCO3-为主;生活井水中的阳离子主要以Ca2+为主,阴离子主要以HCO3-为主。
(2)研究区河水的水化学类型主要以HCO3-Na型和HCO3+SO4-Na型为主;矿井水的水化学类型主要以HCO3-Na型、HCO3+Cl-Na型、HCO3+ SO4-Na型为主;生活井水的水化学类型主要以HCO3-Ca型为主。矿井水与河水具有相似的水化学特征。
(3)研究区位于西北半干旱地区,降水及河水的强烈蒸发作用导致水体中同位素富集。地下水受到大气降水和河水的共同补给,三者之间存在一定程度的水力联系。
(4)在整个研究区,随着采样点井深的增加、与河道距离的增大,河水对地下水补给的贡献率呈减小趋势。当地下水井深小于135 m时,大多数采样点河水对其补给贡献率为58.47%～80.94%;当地下水井深大于135 m时,河水对地下水的补给减弱,对其贡献率为21.47%～58.69%。地下水在距离河道8.8 km范围内时,绝大部分采样点河水对地下水的补给贡献率超过45%,最高贡献率达到80.94%,河水是地下水的重要补给来源之一;当地下水距离河道超过8.8 km时,河水对其补给贡献率较低。
由于研究资料的限制,本研究基于采样数据,仅对乌兰木伦河流域地下水的补给来源做出定性和定量分析,未对该流域不同时段的河水与地下水的转化过程、演变机理及影响因素进行研究。后续应进一步完善对河水与地下水关系研究的内容与方法,为乌兰木伦河流域水资源保护和利用及水生态的保护提供全面、科学的数据支撑。
