利用水化学和环境同位素数据分析浑善达克沙地地下水的补给.docx

利用水化学和环境同位素数据分析浑善达 克沙地地下水的补给 (内蒙古地质环境监测院，内蒙古 呼和浩特 010000) 摘 要：文章对利用水化学和环境同位素数据分析浑善 达 克沙地地下水的补给做了介绍，并说明了该分析的意义 所在。 关键词：水化学；环境同位数；地下水补给；浑善达 克沙地；内蒙古 中图分类号：P641.8(226) 文献标识码：A 文章编 号： 10076921(XX)17000902 1 地下水环境同位素特征及意义 为了分析研究内蒙古浑善达克沙地地下水的补给，在 本次施工的两个钻孔中采集了地下水( 潜水) D(2H)、18O 同位素三组，3H(氚)同位素样品 2 个。D-18O 样品由国土资 源 部同位素实验室测试，分析方法为平衡法(CO2)和锌法， 质谱计型号 MAT 253 EM，采用的 国际标准为 SMOW，分析 精度0.2。3H 样品由中国地震局地质研究所地震动力学 国家重 点实验室测试，测试仪器为 Quantulus-1 220(LKB) ，氚探测效率为 22.09%，本底为 1. 085cpm， 测试结果用 Bq/L 表示(1Bq/L8.453TU)。样品测试结果如 表 1(为便于理解，将 Bq/ L 转换为 TU 表示)。 740)this.width=740“ border=undefined 在 D-18O 关系图上(图 1)，样点均位于全球大气水 线附近，说明地下水是大气降水 补给形成的，而且没有受 到明显的蒸发影响。两个钻孔地下水均含一定两氚，说明 现代降水 (近几十年之内)的补给作用是主要的。 740)this.width=740“ border=undefined 2 利用 Cl 离子含量估算降水入渗系数 地下水几乎是浑善达克沙地地区惟一可以开发利用的 水资源。在该地区实施“围封转移”战 略，保护生态环境， 促进经济发展，合理开发利用地下水资源是最重要的保障 条件。 浑善达克沙地下水资源的丰富程度主要取决于大气降 水入渗补给量。大气降水入渗补给量的 计算是地下水资源 评价中最重要，也是最困难的问题。由于浑善达克沙地地 区水文、气象和 地下水的长期监测资料基本上是空白，很 难用常规的水量均衡计算方法估算地下水补给量。 因此， 下面利用水化学资料对降水入渗补给进行分析，估算地下 水补给量。 2.1 基本原理 从元素的化学性质可以知道，Cl 是最保守的 (conservative)组分，在自然界中主要是以 Cl-离子的形式 (氯盐)存在，很少与其他元素结合在一起或参与化学反应 产生变化。由于氯 盐的溶解度都很高，在自然界的水土环 境中，除特殊条件(如在盐湖和地下水位埋藏非常浅 的地 区，由于强烈蒸发形成氯盐沉积)，Cl-离子一般都存在于 水溶液中，地层中氯盐的含 量很少，由于蒸发暂时驻留在 地层中的氯盐也会被后期的降水溶解带走或进入地下水中。 因 此，从形成大气降水到入渗转变为地下水的水循环阶段， 绝大部分 Cl-离子存在于水中， 水中 Cl-离子的增加或减 少主要受蒸发沉淀和稀释溶解作用控制。利用 Cl-离子的这 一特 性，我们就可以根据大气降水和地下水中 Cl-离子含 量大致估算大气降水入渗系数。 对浑善达克沙地来说，地形相对较平坦，入渗条件好， 大气降水很难形成较大规模的地表径 流。从图 2(利用表 3 数据)可以看出，该地区地下水的 Cl-离子含量与潜水位埋 深没有关系 ，说明地层中氯盐含量很少。因此，利用 Cl- 离子含量的变化估算大气降水入渗系数的条 件比较有利。 2.2 样品检查与选择 利用 Cl-离子含量的变化估算大气降水入渗系数应该知 道大气降水(包括不同规模的代表性 雨、雪等)和地下水 (不同位置、埋深)的化学组成。为此，XX 年在浑善达克沙 地地区采集地下水化学分析样品 68 个；受工期限制，仅采 集到了一个雪 样，没能采集到降水样品。 利用 Cl-离子估算大气降水入渗系数之前，首先对样品 进行检查和选择。 根据国家地下水质量标准(GB/T 14848-93)和地表水环 境质量标准(GHZB1-1999)，硝酸盐含 量(以 N 计)超过 20mg/L 就说明已受到明显污染(III 类水)。从表 2 可以看 出，部分地下水样品 的 NO3-离子含量很高，许多已超过 100mg/L，说明地下水(浅层)已受到人为污染，推测 该地 区主要是牲畜粪便的影响。利用受到污染的样品进行分析 是不可靠的，为此，将 NO3 -离子含量超过 50mg/L(大致相 当于以 N 计的 10mg/L)的样品剔除。 740)this.width=740“ border=undefined 对浑善达克沙地来说，如果浅表层地下水的 TDS 高于 1g/L，说明地下水受到后期蒸发，不宜 用作补给分析。 本次工作施工的钻孔较深，在其中采集的水样是大厚 度含水层中的混合样品。由于对浑善达 克沙地区的地下水 积极循环深度和区域地下水水流系统没有进行深入研究， 这些样品可能是 更长历史时期内地下水混合的结果。鉴于 这些样品数量有限，且样点分布范围较小，不宜与 浅表层 样品一并考虑。 通过上述检查和剔除，用于分析的样品见表 2，从这些 样品的分布看，基本代表了浑善达克 沙地浅表层未受污染 和明显蒸发的地下水。 2.3 降水入渗补给系数估算 从表 2 可知，雪水的 Cl-离子含量为 3.55mg/L，浅表 层地下水的 Cl-离子含量变化较大， 在 7105mg/L 之间， 均值为 30.19mg/L。地下水中 Cl-离子含量的增加可以看做 是降水中 Cl-离子浓缩的结果。也就是说，虽然降水并没有 全部入渗补给地下水，但其中包含的所有 C l-离子被部分 有效入渗补给量全部携带进入了地下水中，全部降水量与 有效入渗补给量的 比值就是 Cl-离子增加的倍数，反过来 就是降水入渗补给系数。 为此，利用雪水样品大致估算浑善达克沙地的平均降 水入渗系数(x)为： 740)this.width=740“ border=undefined 由于雪水的 Cl-离子含量可能较雨水低，且只有一个样 品，因此上面估算的降水入渗系数 偏低。 虽然没有采集到雨水样品，但是从 Cl-离子含量最低的 地下水样品(D167，Cl-离子含量 7 .09mg/L) 740)this.width=740“ border=undefined 可以大致推断雨水中 Cl-离子含量平均值不超过 7mg/L，为此可以估算出降水入渗系数最大 (max)为： 740)this.width=740“ border=undefined 在浑善达克沙地地区，年降雨量约占全年降水量的 80%，降雨是地下水的主要补给源。综合 考虑上述估算结 果，可以得出浑善达克沙地的降水入渗补给系数()为： =x0.2+max0.80.90.19 式中，0.9 为降雨中氯离子含量修正系数。 3 浑善达克沙地地下水补给量估算与开发利用建议 浑善达克沙地地区的年降水量约 317.17mm，工作区面 积约 6 320km2，降水入渗系数取 0.19 ，则可计算出地下 水的年补给量约(Qr)为： Qr=63201000 0000.317170.19 3.8108m3/a 从当地自然条件和地表入渗条件看，降水对浑善达克 沙地地下水的补给应该是较为均匀的。 从保护生态环境出 发，以分散形式开采地下水是合理的开发方式。 根据上述降水入渗系数，可以计算出单位面积(1km2) 的地下水补给量为 7.2104m3/a 。如果人工种植牧草的亩 均灌溉定额为 300m3/a，则每平方公里的地下水资源可供 16hm2 牧草灌溉利用。这一结果可供当地实施“围封转移” 战略参考。 4 浑善达克沙地地下水的补给机理讨论 根据降水入渗补给系数的估算可知，只有不到 20%的降 水入渗补给地下水。按常理，地下水 的 D、18O 值应 表现出明显的蒸发效应。但在 D18O 关系图中(图 1)，三 个 地下水样品并没有表现出受到明显的蒸发影响，说明降 水入渗补给地下水的过程中没有受到 强烈蒸发。由此，可 以推测，次数较少但强度大的暴雨是浑善达克沙地