陳建生,陳亞飛,謝　飛,徐　燚,王彥超,江巧寧

(1. 河海大學土木與交通學院,江蘇 南京　210098; 2. 河海大學水電學院,江蘇 南京　210098;3. 河海大學地球科學與工程學院,江蘇 南京　210098)

鄂爾多斯烏海地下水水位上升原因分析

陳建生1,陳亞飛1,謝飛2,徐燚1,王彥超3,江巧寧3

(1. 河海大學土木與交通學院,江蘇 南京210098; 2. 河海大學水電學院,江蘇 南京210098;3. 河海大學地球科學與工程學院,江蘇 南京210098)

摘要：鄂爾多斯盆地西北部最干旱的烏海地區(qū)地下水水位近幾年來持續(xù)上升,地下水溢出地表形成了一些水泡子,部分居民房屋地基遭受到滲水的浸泡。分析烏海地區(qū)滲水、地下水、地表水、降水中的同位素與水化學成分,結(jié)合水量平衡分析與地質(zhì)構(gòu)造特點,對烏海地下水水位上升的原因進行深入研究。結(jié)果表明:烏海地區(qū)降水與地下水的δ18O-δD關(guān)系點分布沒有落在同一條蒸發(fā)線上,當?shù)亟邓畬鹾５貐^(qū)的地下水沒有補給；烏海地區(qū)南北向斷裂帶上地下水的δ18O與δD值比東西向斷裂帶上的富集,溶解總固體(TDS)小于1 g/L,與烏海地區(qū)的涌水一致,由此推測烏海地下水水位上升主要是因為南北向斷裂帶涌水所致；鄂爾多斯地區(qū)地下水的3He/4He與3H分析結(jié)果表明,巖石圈中的高導低速層可能是深循環(huán)地下水的導水構(gòu)造。

關(guān)鍵詞：地下水;水位上升;地下水補給源;高導低速層;同位素特征;烏海;鄂爾多斯盆地

2011年以來,在鄂爾多斯盆地最干旱的烏海市,地下水涌出地表，形成了災害,引起當?shù)卣母叨戎匾?查清地下水水位持續(xù)上升的原因成為首要任務。鄂爾多斯盆地具有豐富的地下水資源已經(jīng)成為共識,盆地的地下水年補給量達到105億m3[1]。但目前對于鄂爾多斯盆地地下水補給源的認識存在兩種不同的觀點。一種觀點認為地下水來自當?shù)亟邓?鄂爾多斯盆地所有的地表水與地下水都來自不同時期當?shù)亟邓难a給,根據(jù)地下水分水嶺將盆地劃分為補給區(qū)與排泄區(qū),地下水的補給源區(qū)是海拔較高的山區(qū)或丘陵,而地勢較低的洼地為排泄區(qū)。地下水存在淺、中、深等3個循環(huán)系統(tǒng)：淺循環(huán)系統(tǒng)在100～250 m,年齡在14～40 a;中循環(huán)系統(tǒng)在500 m左右,循環(huán)周期大約為5 000 a;深循環(huán)系統(tǒng)在500～1 000 m,循環(huán)周期在5 000～20 000 a[2]。另一種觀點則認為,地下水來自外源水,西藏內(nèi)流區(qū)的河流與湖泊的滲漏水經(jīng)過深循環(huán)補給到了鄂爾多斯盆地[3-4]。在烏海地下水水位持續(xù)上升的過程中,當?shù)氐慕邓]有出現(xiàn)明顯的變化,地下水顯然更符合外源水補給的觀點。筆者認為,在補給源問題上存在分歧,主要是觀點一缺少了一些必要的證據(jù),以及某些證據(jù)本身存在缺陷。

圖1　烏海市地下涌水區(qū)域和采樣點分布

a. 缺少降水入滲試驗證據(jù)。在大氣水、地表水、土壤水與地下水的轉(zhuǎn)化過程中,降水要經(jīng)過非飽和土壤才能進入地下水中,地下水來自降水的觀點沒有土壤水運動試驗證據(jù)。

b. 水巖反應過程中不可能產(chǎn)生白云巖。前人在進行反向地球化學模擬中,將白云石作為進行反向水文地球化學模擬的“可能礦物相”,將Mg元素作為約束變量[2，5],這種做法顯然是沒有理論或?qū)嶒炓罁?jù)的,因為白云巖沉淀不可能在常溫情況下形成[6]。

c. 鄂爾多斯盆地采用14C定年不可靠。在鄂爾多斯深部地層中存在CO2、CO、CH4等氣體,這些氣體通過斷裂帶進入地下水中,14C與C比值降低的主要原因不是由于14C的衰變,而是由于混入了其他的C源,所以,通過14C測定的地下水年齡嚴重偏老,不符合實際情況[7]。

1烏海地下水涌出地表形成災害

2011年以來,烏海的地下水水位不斷上升,海南區(qū)等地區(qū)的地下水水位已經(jīng)高出地表,在地表形成了一些泉眼,海南城區(qū)一些房屋的基礎(chǔ)已浸泡在地下水中,地勢較低的房屋地表出現(xiàn)了滲水,滲水量日益嚴重,已經(jīng)影響到居民的生活,形成了地質(zhì)災害。圖1中，居民小區(qū)滲水溢出地表,擋土墻遭到浸泡。從礦坑、基坑、滲水點溢出的總水量已達到1.6×104m3/d,涌水在低洼處匯聚,形成了很多水泡子,見圖1(b)、(d)和(e)。涌水在地表形成泉眼,溶解水中的鐵離子,氧化形成Fe2O3紅色沉積,見圖1(f)。庫布奇沙漠、鄂爾多斯市等地區(qū),雖然地處鄂爾多斯盆地最干旱的地區(qū),但地下水資源十分豐富,存在很多自流井群與泉群,井水自流的時間長達幾十年。烏海位于鄂爾多斯盆地的西北,是鄂爾多斯盆地降水量最小的地區(qū),但在海拔1 668 m的桌子山上存在穩(wěn)定的泉水,流量約5L/s(圖1(c)),成為千里山水庫的主要補給源。

鄂爾多斯盆地屬于獨立的地塊,盆地周邊與內(nèi)部發(fā)育著縫合帶與基底斷裂帶。鄂爾多斯盆地西緣逆沖斷裂帶從南北向穿過烏海,該斷裂帶北起內(nèi)蒙古桌子山,經(jīng)賀蘭山,南抵陜西寶雞附近。多年來,該構(gòu)造帶以其明顯的地貌特征、強烈的地震活動性以及豐富的資源受到許多學者[8-10]的關(guān)注,其東西向則有石嘴山—神木斷裂帶穿過烏海,兩條斷裂帶在烏海的都思兔河流域交匯[11]。鄂爾多斯盆地被黃河、渭河等河流所圍繞,河流割斷了鄂爾多斯盆地與周邊地區(qū)地表水以及潛水的水力聯(lián)系。鄂爾多斯盆地的降水量在150～650 mm,自西北到東南降水量逐漸增加。烏海位于鄂爾多斯盆地的西北,屬于干旱大陸性氣候,平均降水量159 mm,且多集中在7—9月份,平均蒸發(fā)量3 237.2 mm。2010年3月,位于桌子山西邊的駱駝山煤礦發(fā)生了突水事故,超過1.5m3/s的涌水量持續(xù)了將近2個月。突水事故發(fā)生后,烏海市的地下水水位普遍下降,但是造成突水事故的涌水通道被封堵后,地下水水位逐漸恢復到了事故發(fā)生之前的水平,而且還呈現(xiàn)逐年升高的趨勢。

烏海市海南區(qū)滲水點的地表高程在1 161～1 375 m,東邊的黃河水位為1 077 m,水力梯度達到1.3%。地下水在地表涌出的現(xiàn)象,表明地下水的補給量很大,而且地層的滲透性極不均勻,存在阻水構(gòu)造。烏海地區(qū)的生活用水全部取自地下水,年內(nèi)最低水位出現(xiàn)在6—8月份,10月份隨著地下水開采量逐漸減少,水位開始上升,1—3月份為年內(nèi)高水位期。調(diào)查發(fā)現(xiàn),這些年以來,隨著烏海市人口的增加與城市的快速發(fā)展,地下水開采量在逐年增加,但是烏海的地下水水位非但沒有降低，反而逐年升高。地下水水位這種異常上升的現(xiàn)象,暗示著鄂爾多斯盆地等北方地區(qū)的地下水循環(huán)并不遵從區(qū)域水文地質(zhì)理論,地下水以一種特殊的深循環(huán)方式進行補給、徑流與排泄,所以,地下水研究正面臨著巨大的挑戰(zhàn)。

2烏海水同位素與水化學分析

2.1降水、地表水與地下水同位素分析

烏海研究區(qū)采樣點分布參見圖1(a),共采集水樣136個,其中,井水樣71個,泉水樣6個,湖水樣26個,滲水樣33個,進行了氘、氧、TDS分析。鄂爾多斯降水、北方降水、地表滲水、井水、湖水、泉水的δ18O-δD關(guān)系點參見圖2。

圖2　烏海地區(qū)湖水、降水、地下水的δ18O-δD分布

由于烏海地區(qū)沒有降水同位素觀測點,降水同位素的加權(quán)平均值采用了周邊觀測站的數(shù)據(jù),這些觀測站分布在烏海周邊,包括鄂爾多斯[12]、張掖、蘭州、銀川、石家莊、太原、天津、包頭、西安與鄭州[13],這就確保了烏海地區(qū)降水同位素的加權(quán)平均值應該在圖2給出的北方降水范圍之內(nèi)。如果烏海地區(qū)的地表水或地下水是來自當?shù)氐慕邓霛B,那么,無論地表水還是地下水的δ18O-δD關(guān)系點都應該落在降水蒸發(fā)線(EL1)上,如空心圓點所示。但事實上,幾乎所有的地表水與地下水中δ18O-δD關(guān)系點都不在EL1上。同位素數(shù)據(jù)表明,井水、泉水及湖泊都不是降水補給的。

觀察烏海水樣的同位素分布,筆者發(fā)現(xiàn),烏海地區(qū)井水與泉水中的δ18O-δD關(guān)系點分別落在了EL2與EL3兩條蒸發(fā)線上,表明烏海地區(qū)存在兩種不同類型的地下水。將δ18O-δD關(guān)系點沿著EL2和EL3分布的地下水分別命名為Ⅰ型地下水和Ⅱ型地下水。Ⅰ型地下水廣泛分布在烏海地區(qū),上至烏海市最北端,沿著桌子山一直到都思兔河流域,地下水與地表水的δ18O-δD關(guān)系點落在EL2上;而Ⅱ型地下水的δ18O-δD關(guān)系點落在EL3上,分布在都思兔河流域,在都思兔河以北的巴音陶亥地區(qū)Ⅰ型地下水與Ⅱ型的地下水存在重合區(qū),參見圖1(a)。

圖3　 地下水中的δD與TDS值之間的關(guān)系

2.2滲水與地下水化學分析

整理水樣的同位素和水化學數(shù)據(jù),做出δ18O-TDS(total dissolved solids)的關(guān)系圖,見圖3。Ⅰ型地下水樣共有94個,TDS值為0.26～4.53 g/L,其中TDS值≤1 g/L的水樣46個,TDS值>1 g/L的水樣48個;7個泉水樣的TDS值都小于1 g/L;31個滲水樣中TDS值<1 g/L的只有2個,其余的TDS值>1 g/L;56個井水中TDS值<1 g/L的有39個,都是超過60 m的深井,而TDS值>1 g/L的17個井水都位于萬畝灘附近,屬于鹽堿灘,都是一些淺井。從圖3可以看出,Ⅰ型地下水中δD與TDS之間存在相關(guān)性,箭頭所示表明蒸發(fā)造成滲水中的鹽分濃度增高。

Ⅱ型地下水樣16個,TDS值在1.10～4.85 g/L之間,其中井水15個,泉水1個,但所有Ⅱ型地下水的鹽分都較高。Ⅱ型地下水僅出現(xiàn)在都思兔河以南較小的范圍內(nèi)，參見圖1(b)。圖3顯示地下水的鹽分與δD沒有相關(guān)性,深井地下水的TDS值偏高意味著地下水在入滲地下之前就受到了蒸發(fā)作用,Ⅱ型地下水的δ18O-δD關(guān)系點距離GMWL(global meteoric water line)更遠一些,證實地表水入滲地下之前曾經(jīng)受過較強的蒸發(fā),滲漏水可能來自蒸發(fā)強烈的湖泊,湖水在蒸發(fā)過程中鹽度升高。

2.3南北、東西向斷裂帶與地下水來源

對圖1進行對比發(fā)現(xiàn),Ⅰ型地下水沿著南北向基底斷裂帶分布,Ⅰ型地下水存在4個特征:①地下水的δ18O-δD關(guān)系點落在蒸發(fā)線EL2上,水中的δ18O、δD值比降水貧化而比Ⅱ型地下水富集;②δ18O-δD關(guān)系點靠近GMWL,表明其受到蒸發(fā)的程度較低;③大部分水樣的TDS值≤1 g/L,屬于淡水性質(zhì),滲水都屬于Ⅰ型地下水,滲水TDS值>1 g/L的原因是溶解了地層中的鹽分以及受到了蒸發(fā);④屬于承壓水性質(zhì),存在泉水與自流井,駱駝山礦難的涌水都是來自于該斷裂帶;⑤泉水的高程在1 123～1 668 m之間,平均高程為1 326 m,最高的泉眼位于桌子山,靠近南北向的斷裂帶。據(jù)此推斷,Ⅰ型地下水來自于南北向的斷裂帶。

Ⅱ型地下水分布參見圖1(a),其具有如下特征:①地下水的δ18O-δD關(guān)系點落在蒸發(fā)線EL3上,δ18O、δD值較為貧化;②δ18O-δD關(guān)系點距離GMWL較遠,表明地下水在入滲地下之前受到了蒸發(fā);③TDS值>1 g/L,表明補給源區(qū)水的鹽分較高,符合湖泊受到蒸發(fā)鹽分累積的規(guī)律;④屬于承壓水性質(zhì),斷裂帶附近地下水的壓力較大,沿著東西向的斷裂帶上以泉水的形式出溢,匯集到都思兔河中排入黃河,斷裂帶附近有很多自流井;⑤泉水的高程在1 016～1 210 m之間,平均高程為1 079 m。Ⅱ型地下水分布地區(qū)同時有東西向及南北向兩組斷裂帶,Ⅱ型地下水應該來自東西向斷裂帶。

由上述分析可知,桌子山分水嶺阻斷了鄂爾多斯沉積層地下水與烏海的聯(lián)系,鄂爾多斯的地下水只可能繞過桌子山,從烏海南部向黃河排泄,屬于Ⅱ型地下水,不是海南區(qū)涌水的來源。從圖1(a)可以看出,一條南北向斷裂帶穿越了桌子山,在桌子山上海拔1 668 m處有一股泉水,流量穩(wěn)定在約5 L/s,該泉眼位于南北向的斷裂帶附近,泉水的δ18O-δD關(guān)系點落在EL1上,屬于Ⅰ型地下水,表明南北向斷裂帶中承壓水的水頭很高,所以,南北向斷裂帶中地下水水位的升高是造成烏海地表滲水的原因。

3討論

3.1地下水的補給量分析

位于烏海東部的鄂爾多斯的降水量在190～400 mm之間,平均年降水量289 mm,平均年蒸發(fā)量1 963 mm,其北部達拉特旗的年均降水量略高于烏海,為187.2 mm,與烏海具有可比性。3—7月,達拉特旗地下水水位從距地表14.22 m下降到7月的16.43 m,下降幅度2.21 m;8月至次年2月,水位持續(xù)升高至14.23 m[14],達到年內(nèi)地下水水位最高值,見圖4。年內(nèi)最高和最低水位差值為2.21 m,差值表現(xiàn)為地下水的補給能力?？紤]到蒸發(fā)影響,地下水的年補給量應該大于地下水水位的差值,達拉特旗的潛水含水層為沙層,有效孔隙率約為35%,將水位差值2.21 m換算得到達拉特旗地下水的年均補給量大于773.5 mm,該值是當?shù)啬昃邓康?.1倍。顯然地下水不可能來自當?shù)亟邓霛B。

圖4　2005—2014年鄂爾多斯地區(qū)月均降水量、蒸發(fā)量與地下水水位的相對變化

鄂爾多斯盆地有2種典型的沉積地層:黃土和沙漠。在黃土中進行模擬降水試驗,結(jié)果表明130 mm的降雨最大下滲深度僅為80 cm,這些入滲水在下次降水來臨之前基本上被蒸發(fā)掉了,很難形成累積繼而向深部運動[15];黃土介質(zhì)中的垂直節(jié)理對水分入滲幾乎不起作用, 而大孔隙對水分入滲起著顯著的阻滯作用,連續(xù)26 d的390 mm降水試驗的入滲黃土深度僅達到2 m[16]。沙層降水試驗表明,單次59 mm的有效降水入滲沙層的深度為0.46 m[17]。實際上,只有當土壤含水率達到了田間最大持水率,土壤水才能繼續(xù)向下運動。進入土壤的降水被土顆粒吸附,形成薄膜水層,薄膜水層越薄,水分子受到的土顆粒表面電荷的吸引力就越大,只有當外層薄膜水能夠脫離土顆粒電荷的吸引,水分子才能成為自由運動的水分子,在重力作用下繼續(xù)向深部流動。

那么達拉特旗的地下水是否來自于周邊地區(qū)的降水入滲?鄂爾多斯不同地區(qū)地下水水位的差值在0.23～2.21 m,平均差值0.50 m[14],可以算出鄂爾多斯地區(qū)地下水的年平均補給量大于175 mm,占降水量的59.3%以上。侯光才等[2]將鄂爾多斯盆地劃分為補給區(qū)與排泄區(qū)兩部分,補給區(qū)位于地下水分水嶺附近,而排泄區(qū)的地下水水位高于地表高程,具有自流性質(zhì)。如果鄂爾多斯的地下水來自降水,那么地下水都應該來自補給區(qū)的降水入滲,而排泄區(qū)的降水對地下水沒有貢獻。由此可知,要維持目前鄂爾多斯地下水的補給量,補給區(qū)的降水量要達到平均降水量的2倍(2×175 mm)。事實上,鄂爾多斯的平均降水量只有289 mm,即使全部的降水都能入滲地下水,也小于地下水的補給量,因此可排除地下水來自降水補給的可能。

3.2鄂爾多斯地下水的徑流補給與排泄模式

前人曾試圖通過反向地球化學模擬來證實地下水來自降水入滲[2]。具體做法是,將含水層中的斜長石、白云石、方解石、鉀長石、伊利石、石膏、綠泥石、NaCl 和陽離子交換作為進行反向水文地球化學模擬的“可能礦物相”,選擇K、Na、Ca、Mg、C、S 這6種元素作為約束變量[5]。但是,200多年以來白云巖的形成機制始終沒有弄清楚[6]。鄂爾多斯盆地白云巖化的溫度在104～368℃[18]。另外,如果鄂爾多斯的白云巖是在徑流過程中產(chǎn)生的,那么白云巖中的δ13C應該顯示為貧化,但實際上,鄂爾多斯白云巖中的δ13C顯示為富集[17]。也就是說,排泄區(qū)Mg離子的減少表明地下水另有來源。

前人根據(jù)14C定年的結(jié)果將鄂爾多斯盆地的地下徑流劃分為淺、中、深3種模式[19]。由于巖石圈中的CO2等含C化合物混入到地下水中,影響了14C/C比值,從而嚴重影響了14C定年的精度[7]。因為氚在水中屬于多數(shù)物質(zhì),受到的干擾很小,而CFCs是人工合成物質(zhì),自然界中沒有,所以氚與CFCs是理想的定年示蹤劑。CFCs測定的鄂爾多斯地下水年齡主要集中在20～30 a之間,最大為70 a[20]。

研究表明,青藏高原的河流與湖泊存在嚴重的滲漏,納木錯湖的滲漏量為120～190 m3/s[21],每年超過1 000億m3的地下水經(jīng)過深循環(huán)方式補給到內(nèi)蒙古高原、鄂爾多斯、阿拉善、華北平原、東北平原等地區(qū)。1985年以來,青藏高原的降水量呈增加趨勢,由于全球變暖,冰川與凍土的融水量也呈增加趨勢,造成西藏內(nèi)流區(qū)河流與湖泊的滲漏量逐年增加。這些滲漏水自西向東運動。地下水年齡測定結(jié)果顯示,鄂爾多斯、華北平原、東北平原地下水的年齡分別為20a、30a以及40a,年齡分布也暗示著深循環(huán)地下水來自西藏高原[4]。鄂爾多斯盆地有4條主要的分水嶺,分水嶺與降水量之間沒有任何關(guān)系,但分水嶺與基巖斷裂帶高度吻合,根據(jù)地下水的氘氧同位素與西藏內(nèi)流區(qū)降水相同的特征,推斷西藏高原的滲漏水通過導水的基底斷裂帶補給到了鄂爾多斯盆地[3],見圖5(a)。

圖5　鄂爾多斯盆地概況

排除了地下水補給來自降水入滲,則可以推斷鄂爾多斯盆地地下水補給源來自導水的斷裂帶。圖5(b)中給出了鄂爾多斯地下水的徑流補給與排泄示意圖。在烏?！鹊钠拭嬷?四十里粱地下水分水嶺深部基巖中存在著強導水斷裂帶,來自西藏高原的滲漏水從導水斷裂帶中涌入沉積層,在垂直方向上越流補給下層、中層與上層,進入不同層位的承壓水又分別向東、西兩側(cè)排泄,在下層、中層與上層分別形成了水平流。由于分水嶺的東部與西部排泄區(qū)的地表高程相差很大,西部最低的排泄區(qū)為摩林河(1 220 m),東部最低的排泄區(qū)為黃河(850 m),所以,東部地區(qū)地下水的水力梯度遠大于西部,即使東部與西部地區(qū)下層、中層與上層含水層的滲透系數(shù)接近,東部地下水的滲透流速也遠大于西部。滲透流速的不同影響到了含水層水的水化學性質(zhì),滲透系數(shù)大或水力梯度大的地層,地下水的更新速率快,水巖反應產(chǎn)生的離子濃度低,水質(zhì)就好;反之,水質(zhì)較差。地下水的這種循環(huán)方式令人很容易理解鄂爾多斯地區(qū)既存在“上差下好”的含水層,又存在“上好下差”的含水層[22]。在承壓水頭高于地表的地區(qū),地下水溢出地表形成河流、湖泊與沼澤,而大量抽取地下水將造成地下水水位降低,沼澤演變成為鹽沼。

3.3鄂爾多斯深循環(huán)導水構(gòu)造地球物理與水同位素分析

大量的地下水通過深循環(huán)涌入鄂爾多斯盆地,由于水的導電性高,而介質(zhì)的密度低,深循環(huán)導水通道具有高導與低速(地震波傳輸速度)的地球物理特征。大地電磁測深表明,青藏高原到河西走廊、內(nèi)蒙古高原、鄂爾多斯、太行山、大興安嶺一帶的斷裂帶或縫合帶中存在連續(xù)的高導層[23]。在鄂爾多斯與西裂谷中存在2個高導層,中地殼(15～20 km)高導層的電阻率為4～18 Ω·m,上地幔(55～80 km)高導層的電阻率為6～9 Ω·m[24]。當溫度和壓力分別達到374.15℃和22.1MPa時,液態(tài)或氣態(tài)的水都變成超臨界態(tài)水,所以,中地殼與地幔高導層中的流體可能是液態(tài)水或超臨界流體,超臨界流體也具有高導特性[25]。如果中地殼與上地幔高導層中都是超臨界流體,那么中地殼高導層的電阻率應該遠大于地幔高導層,因為超臨界流體的導電性與離子積相關(guān),壓力、溫度越高,離子積越大,導電性能越強[26-27]。但實際上,地幔與地殼高導層的電阻率的差異不是很大,由此可知,至少中地殼高導層中應該是流動的液態(tài)水,因為只有流動的水才能保持低溫的性質(zhì),符合鄂爾多斯地下水低溫的特性。

筆者在鄂爾多斯盆地采集了21個泉水樣與10個井水樣,采樣點分布參見圖5(a)。分析水樣中的δ18O、δD、3H、3He/4He、TDS等,發(fā)現(xiàn)水中的TDS值在134～860 mg/L之間,平均值為386 mg/L,都屬于淡水。由于地殼與地幔的3He與4He的比值R存在很大的差異,大氣中的具有穩(wěn)定的氦比值Ra,所以用R/Ra判定地下水中氦的來源,地幔玄武巖的R值可達8Ra,而地殼中R的典型值為0.25Ra[28]。如果地下水中的R/Ra=1,則表示地下水中的氦來自于大氣降水,沒有遭到地?；虻貧ずさ幕烊?如果地下水的R/Ra<1,則表示地下水遭受到殼源的混染,地下水主要在地殼介質(zhì)中循環(huán);如果R/Ra>1,則表示地下水受到地幔氦的混染,地下水的循環(huán)地層與地幔玄武巖等有關(guān)。

鄂爾多斯盆地大部分地下水的δ18O-δD關(guān)系都落在Ⅰ型地下水范圍內(nèi),參見圖6(a);明顯落在Ⅱ型地下水區(qū)間的只有靠近渭南的1個井水,該點的R/Ra<1,表明地下水徑流發(fā)生在地殼巖石圈。R/Ra>1的點都沿著EL2分布,而且遠離全球雨水線GMWL,表明地下水在入滲地下之前受到了蒸發(fā),地下水的徑流主要發(fā)生在地幔物質(zhì)中,地下水深循環(huán)過程有可能發(fā)生在上地幔高導低速層中。R/Ra>1的范圍僅出現(xiàn)在伊金霍洛旗、烏審旗、榆林所圍地區(qū),參見圖5,這里是窟野河、無定河等河流的源頭,是鄂爾多斯盆地地下水最為豐富的地區(qū),該區(qū)附近的一口自流井的涌水量達到了0.58 m3/s,成為府谷縣主要的水源地[17]。地下水受到了幔源氦的混染,暗示著該地區(qū)地下水深循環(huán)導水通道應該是上地幔中的高導低速層,地層中的白云巖與紅土中的Mg、Fe等物質(zhì)來自地幔,地下水經(jīng)歷了從高溫到低溫的過程[29]。

圖6　鄂爾多斯盆地泉水與井水的同位素關(guān)系

鄂爾多斯盆地泉水與井水的3H-R/Ra關(guān)系參見圖6(b)。R/Ra>1的地下水中的3H值在13.4～27.7 TU之間,均值為20.1 TU。在鄂托克旗深層地下水中曾測量到129 TU與57 TU的高氚水[30]。含氚的地下水顯然來自核試驗以來的降水,高氚值表明地下水的徑流是在一種滲透性強而且均值的導水構(gòu)造中,地幔玄武巖孔洞型含水層比較符合這種導水構(gòu)造[31]。在R/Ra<1的地下水中,氚值范圍在0.1～33.0 TU之間,均值為10.1 TU,低3H水顯然是來自核試驗之前,地下水年齡出現(xiàn)了很大的差異，表明沉積層的滲透性差異很大。

3.4西藏高原滲水量增加造成東部地區(qū)水位上升

西藏高原河流與湖泊的滲漏水通過深循環(huán)形式自西向東補給到北方地區(qū)。1983年青藏高原的降水量最低,然后降水量與冰川凍土融水量逐年增加;1986—1995年平均溫度比1974—1985年平均溫度高約0.7℃,1995—2011年,青藏高原溫度逐年上升,1999—2007年平均溫度為0.5℃,比1986—1995年上升了0.7℃,比1974—1985年上升了1.1℃。1985年以來,降水量與融水量呈增加趨勢,導致了西藏的河流與湖泊水量增加,河流與湖泊的滲漏量也隨著增加[32]。近10年以來,北方干旱區(qū)地下水水位上升事件頻發(fā)。

1990年以來,河西走廊地下水的水位持續(xù)下降,張掖城區(qū)地下水的水位下降的幅度超過了5 m,但是2002年之后,河西走廊地下水水位出現(xiàn)了上升趨勢,張掖城區(qū)的地下水水位也快速上升,到了2005年,城區(qū)最大的上升幅度達到8 m,造成1 000多戶居民被迫搬遷。研究表明,地下水來自冰川融水,通過基底斷裂補給到了河西走廊[33-34]。緊鄰青藏高原北緣的是世界第二大的塔克拉瑪干沙漠,沙漠的東南車爾臣河的下游在20世紀70年代以前還是一個尾閭湖——臺特瑪湖泊群,發(fā)源于昆侖山的車爾臣河最終匯入臺特瑪湖。由于車爾臣河上游用水量增加,補給臺特瑪湖的水量逐年減少, 1972年車爾臣河發(fā)生斷流,下游的臺特瑪湖接近干涸。但是,自2002年起,在車爾臣河仍然處于斷流的情況下,臺特瑪湖得到了地下水的補給,湖泊水面積最大達到了300 km2。2009年8月筆者深入塔克拉瑪干沙漠腹地,對湖泊群及周邊的地表水、地下水進行了深入的考察和取樣,并結(jié)合衛(wèi)星遙感圖像來反演湖泊近幾年的動態(tài)變化特征。研究證實,湖泊群水化學及同位素特征與昆侖山北坡冰雪融水相似,湖泊補給水源主要來自阿爾金山和昆侖山的冰雪融水[35]。2005年3月, 阿拉善左旗巴彥浩特地下水水位上升,地表出現(xiàn)了湖泊,房屋出現(xiàn)了被地下水浸泡的現(xiàn)象[36]。

2010—2011年,鄂爾多斯市伊金霍洛旗的地下水水位埋深從6.86 m突然下降到11.03 m,地下水突降的原因有3種可能:①與駱駝山礦難有關(guān),駱駝山突水事件發(fā)生在2010年3月1日,突水事件發(fā)生后,烏海的地下水水位全線下降;②與鄂爾多斯市當年大量抽取地下水有關(guān);③其他未知原因。無論何種原因,地下水水位在隨后的3年中持續(xù)上升,2012年、2013年與2014年上漲的幅度分別為0.08 m、2.19 m與1.4 m[14](圖7),與烏海的涌水過程相吻合。由于伊金霍洛旗地下水的R/Ra>1,推測地下水來自快速導水構(gòu)造,地下水水位的上升反映了地下水補給量在增加。

圖7　鄂爾多斯市伊金霍洛旗地下水水位埋深變化趨勢

根據(jù)2015年7月31日北京地區(qū)885個地下水水位監(jiān)測點的數(shù)據(jù),全北京市地下水埋深比6月30日上升了15 cm,地下水的儲量在一個月內(nèi)增加了8×107m3,這是1999年以來同期地下水水位的首次回升[32]。通過梳理北方地區(qū)地下水水位上升的時間關(guān)系，可知北方地區(qū)地下水水位上升并非是孤立的水文事件,具有自西向東發(fā)展的趨勢,在未來10年,華北平原與東北平原的地下水水位將會逐年增加,兩地的高水位現(xiàn)象至少分別可持續(xù)30年和40年。

4結(jié)論

a. 烏海地區(qū)滲水、井水、泉水以及大部分湖水的同位素分布接近,卻和當?shù)亟邓耐凰胤植加忻黠@差異,并且降雨入滲試驗也說明了當?shù)亟邓疅o法補給地下水,所以筆者認為烏海的地表滲水來自于外源的地下水補給。

b. 烏海存在兩種同位素分布差異明顯的地下水,地表滲水為Ⅰ型地下水,TDS值<1 g/L,沿著桌子山分布于烏海大部分地區(qū);Ⅱ型地下水的水質(zhì)較差,TDS值>1 g/L,分布在烏海都思兔河流域。兩種類型地下水的分布與南北向和東西向斷裂帶分布吻合,筆者推測地下水分別來自于南北向(Ⅰ型)與東西向(Ⅱ型)斷裂帶組,外源水通過斷裂帶補給烏海地區(qū)的地下水。

c. 從青藏高原到鄂爾多斯地塊的地殼與上地幔中存在著連續(xù)分布的高導低速層,通過對鄂爾多斯—山西裂谷高導層進行電阻率分析,確定至少中地殼的高導層是由于地下水流動而形成的。伊金霍洛旗、烏審旗與榆林一帶的地下水中混染了地幔的氦,表明該區(qū)域的深循環(huán)地下水經(jīng)過了地幔物質(zhì)。

d. 鄂爾多斯盆地地下水分水嶺與基底斷裂帶高度吻合,外源水通過導水的基底斷裂帶越流補給到沉積層中,越流進入分水嶺下層、中層與上層的地下水以水平流方式向兩側(cè)低水位地區(qū)流動,最終排泄到河流與湖泊中,水化學成分與巖性、水力梯度、滲透系數(shù)、滲徑有關(guān)。

e. 西藏高原河流與湖泊的滲漏水通過深循環(huán)形式自西向東補給到北方地區(qū),1985年以來,西藏的降水量與冰川、凍土的融水量增加。2002年以來,青藏高原周邊的河西走廊與塔里木盆地的地下水水位上升,地下水水位自西向東逐漸升高,目前已經(jīng)擴展到了阿拉善、鄂爾多斯、內(nèi)蒙古高原,并逐漸向華北平原與東北平原延伸。

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Analysis of causes of groundwater level rise in Wuhai area of Ordos Basin

CHEN Jiansheng1, CHEN Yafei1, XIE Fei2, XU Yi1, WANG Yanchao3, JIANG Qiaoning3

(1.CollegeofCivilandTransportationEngineering,HohaiUniversity,Nanjing210098,China;2.CollegeofWaterConservancyandHydropowerEngineering,HohaiUniversity,Nanjing210098,China;3.SchoolofEarthScienceandEngineering,HohaiUniversity,Nanjing210098,China)

Abstract：The groundwater level in the Wuhai area, which is the most arid area in the northwestern Ordos Basin, has continuously risen in recent years. The groundwater overflows to the surface and forms small lakes, causing the foundations of the houses of local residents to be immersed by water. Through analysis of the isotopes and hydrochemical compositions in the seepage, groundwater, surface water, and precipitation across the Wuhai area, and based on water balance analysis and geological structural features, the reasons for the groundwater level rise of the study area are examined. The results show that the deuterium and oxygen isotopic compositions of precipitation and groundwater in the Wuhai area are not scattered along the same evaporation line, indicating that the groundwater is not recharged by local precipitation. The groundwater in the north-south trending fault zone(ρ(TDS)<1 g/L) in the Wuhai area is more enriched in deuterium and oxygen isotopes than that in the west-east trending fault zone. These characteristics are in accordance with those of the overflowing water in the Wuhai area, suggesting that the rise of the groundwater level is caused by the overflowing water in the north-south trending fault zone. Analysis of3He/4He and3H in the groundwater of the Ordos Basin shows that the high-conductivity and low-velocity layer in the lithosphere may be the drainage structure of deep-circulating groundwater.

Key words：groundwater; water level rise; groundwater recharge source; high-conductivity and low-velocity layer; isotopic characteristics; Wuhai area; Ordos Basin

DOI：10.3880/j.issn.1004-6933.2016.03.001

基金項目:國家自然科學基金(51578212);科技部“973”項目 (2012CB417005)

作者簡介:陳建生(1955—),男,教授,博士,主要從事地下水深循環(huán)研究。E-mail:jschen@hhu.edu.cn

中圖分類號：P345

文獻標志碼：A

文章編號：1004-6933(2016)03-0001-09

(收稿日期：2015-01-29編輯：彭桃英)