应用环境同位素识别银川盆地潜水的补给源、年龄和可更新性

【摘要】

正确理解地下水循环模式及其可更新能力对地下水资源的评估、合理开发和利用至关重要。在干旱或半干旱地区地下水补给量少且变异性高，因此难以估算。同位素研究和混合模型相结合可以直接估计含水层的可更新性。本文利用环境同位素方法研究了中国西北半干旱地区—银川盆地的潜水循环模式以及更新能力，主要研究了不同水体的同位素特征，潜水同位素年龄，水循环模式以及更新速率。结果表明，银川盆地主要有两个补给源，即局部大气降水（占13%）和黄河（占87%）。银川盆地潜水的平均滞留时间是48年，平均更新速率是3.38%/a。潜水具有较强的更新能力，更新速率与同位素年龄一致。

【研究区域】

位于中国西北地区的银川平原。

图1 银川盆地位置图

【样品收集和测量】

收集了来自全球大气降水监测数据和国际原子能机构的30组降水数据，并收集了11个黄河水样品，47个潜水样品。利用LGR的液态水同位素分析仪测量所有水体的δ¹⁸O，δD和δT以分析其同位素特征。

【结果：地下水补给来源的确定】

根据1988到2000的降水观测，地区大气降水线（LMWL）为δD = 7.22δ¹⁸O + 5.50（图2）。降水δD和δ¹⁸O加权平均值分别为-45.59‰和-6.93‰。δ¹⁸O变异性范围为-19.97‰~3.86‰，δD变异性范围为-147.70‰~5.10‰。LMWL的斜率为7.22，略低于全球平均值8（δD = 8δ¹⁸O + 10，全球大气降水线【GMWL】）。银川盆地属于半干旱区，降水少且密集，降落到地球表面前经历了一定程度的蒸发。黄河水的线性相关方程为δD = 3.73δ¹⁸O -36.70（图3）。黄河蒸发线（红色虚线）明显偏离GMWL和LMWL，其斜率远小于GMWL（8）和LMWL（7.22）。潜水δ¹⁸O范围为-11.43‰~-8.19‰，δD范围为-88.89‰~-61.51‰，样品点位于LWML以下（图4）。潜水的线性相关方程为δD = 3.88δ¹⁸O -38.76，斜率位于LMWL和黄河水之间，表明潜水主要由黄河水和当地降水补给。潜水蒸发线几乎平行于黄河水；因此，可以推断最主要的补给来源是黄河水。同时也发现浅层地下水和黄河的平均值是相似的（D为-70.48‰和-72.45‰，¹⁸O为-9.42‰和-9.56‰）。表明黄河对浅层地下水补给的贡献更大。两端混合模型计算发现黄河和降水补给分别占总补给量的87%和13%。

图2 地区大气降水线

图3 黄河水样品δD和δ¹⁸O关系分布图

图4 浅层地下水样品δD和δ¹⁸O关系分布图

【结果：地下水滞留时间】

根据大气降水的输入浓度C_in（t-t'）和一系列平均滞留时间（t_t），获得不同t_t条件下³H输出浓度C_out（t）（图5）。然后，找到与测得的样品³H值相对应的拟合点。本文利用³H的平均值拟合了银川盆地潜水的平均滞留时间。潜水³H的平均值为15.19 TU（红线），所以最佳拟合点为t_t=48a。

图5 ³H输出浓度曲线 

 图6 更新速率和³H浓度关系曲线

【结果：地下水更新速率】

银川盆地潜水更新速率范围为0.1~50%/a，平均值为3.38%/a。不同地区的潜水受到不同外部地理环境的影响，所以他们的更新能力也是不同的。模型结果表明潜水具有强烈的更新能力，且更新速率分布与同位素年龄基本一致。

【结论】

本文研究了三个水体的同位素特征，以定量估计其水循环模式并确定其可更新性。基于以上讨论，结果发现：（1）银川盆地潜水由降水和黄河水补给，分别占13%和87%。黄河水是银川盆地地下水的主要补给源；（2）潜水样品的同位素年龄超过50a，占总样品的42%。平均滞留时间（t_t）为48年，意味着所有的潜水全部更新需要花费48年。（3）潜水的平均更新速率为3.38%/a，变异性范围为0.1~50%/a，表明潜水有较强的更新能力。更新速率分布与同位素年龄基本一致。然而，由于数据缺乏，本研究尚未涉及深层地下水，因为浅层地下水与深层地下水之间存在紧密的水力联系。因此，我们鼓励其他的研究者在未来可以进一步的研究深层地下水的更新能力。

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