魏世博 聶振龍 申建梅 崔亞莉 王哲 孟令群 劉學(xué)全

摘要：為研究巴丹吉林沙漠南緣水源地的地下水補給機制，分析了采自淺井、深井及湖泊的35個水樣的Cl-濃度、TDS含量和氫氧同位素特征。根據(jù)巴丹吉林水源地及周邊水化學(xué)水平分布特征，結(jié)合研究區(qū)氣象和水文條件、水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)、地下水流場發(fā)現(xiàn)，戈壁區(qū)地下水對沙漠區(qū)地下水無明顯補給作用，但是沙漠區(qū)、戈壁區(qū)及山區(qū)地下水穩(wěn)定同位素關(guān)系表明，沙漠區(qū)地下水來源于南部山區(qū)及戈壁區(qū)的地下水或降水。通過野外調(diào)查發(fā)現(xiàn)，沙漠邊緣分布大量洪積黏土，認為沙漠外圍山區(qū)、山前戈壁帶降水在季節(jié)性河道形成的脈沖式洪流是沙漠區(qū)地下水的重要補給來源之一，這一認識不僅解釋了采用水化學(xué)和同位素技術(shù)進行分析而獲得不同結(jié)論的原因，而且有利于地下水資源評價。

關(guān)鍵詞：地下水;補給機制;水化學(xué);穩(wěn)定同位素;洪水;巴丹吉林沙漠

中圖分類號：P641.3

文獻標志碼：A

doi：10.3969/j .issn. 1000-1379.2019.02.018

地下水在循環(huán)過程中與含水層介質(zhì)相互作用，水化學(xué)成分不斷變化，水化學(xué)成分在循環(huán)過程中的變化可以反映地下水的循環(huán)模式。利用水化學(xué)資料可以研究地下水的賦存環(huán)境、徑流途徑與能量質(zhì)量交換等，從而揭示地下水的循環(huán)規(guī)律[1-5]。

巴丹吉林沙漠位于阿拉善右旗，因其沙山與湖泊并存的奇特景觀而聞名于世[6].高大沙山之間點綴著100多個湖泊，其中常年有水的湖泊超過70個[7]。阿拉善右旗作為嚴重缺水地區(qū)，深受水資源短缺問題困擾，為此建立了巴丹吉林水源地，為了論證巴丹吉林水源地開采對周圍湖泊的影響以及能否可持續(xù)開采，需要了解水源地所在沙漠東南緣地下水的補給機制。關(guān)于巴丹吉林沙漠南緣地下水補給機制，前人對當?shù)亟邓苯尤霛B補給地下水的認識較為一致，總體認為當?shù)亟邓霛B是存在的，但不是主要補給來源[8-17]。野外調(diào)查發(fā)現(xiàn)，由于水源地位于沙漠區(qū)，降水量小，地下水埋深大于30 m.包氣帶巖性為沖一洪積砂礫石層夾多層厚5～40 cm的鈣質(zhì)膠結(jié)細砂層，因此當?shù)亟邓藵B補給量可能很小。張競等[10-11]畫出了巴丹吉林沙漠區(qū)域流場圖，提出了與馬妮娜等[13-14]研究結(jié)果大致相同的地下水循環(huán)方式，但由于缺乏鉆探資料，且地下水循環(huán)的載體是三維地質(zhì)體，僅通過二維等水位線圖來研究地下水循環(huán)不夠全面，因此通過鉆探獲取了地層資料，建立了南北向地質(zhì)剖面，厘清了地質(zhì)結(jié)構(gòu)，進而通過水化學(xué)與同位素技術(shù)研究地下水的補給機制。從水系分布特征、沙漠邊緣有大量洪積黏土和粉砂質(zhì)黏土出露來看，巴丹吉林沙漠南緣表現(xiàn)出洪水人滲的跡象。已有研究成果[8，18-19]和巴丹吉林沙漠南緣野外調(diào)查結(jié)果表明，洪水可能是水源地的重要補給來源之一，但是關(guān)于研究區(qū)洪水人滲補給缺乏定性討論，即沙漠區(qū)是否有洪水補給尚缺乏證據(jù)。本次研究結(jié)合水源地位置劃分出具有水文地質(zhì)意義的研究范圍，并在整理以往研究成果和進行野外地質(zhì)調(diào)查的基礎(chǔ)上，大量采集水樣，研究區(qū)內(nèi)水文地球化學(xué)分帶規(guī)律及不同地貌區(qū)水樣的氫氧穩(wěn)定同位素關(guān)系，定性探討巴丹吉林沙漠南緣水源地地下水補給機制。

1 區(qū)域概況

研究區(qū)位于內(nèi)蒙古自治區(qū)阿拉善右旗巴丹吉林沙漠南緣，南側(cè)為北大山，東南側(cè)為雅布賴山，北側(cè)為巴丹吉林沙漠，地勢總體南高北低，區(qū)內(nèi)植被稀疏，生態(tài)環(huán)境脆弱，為禁牧區(qū)。研究區(qū)屬于溫帶大陸性荒漠草原氣候區(qū)，干旱少雨，風(fēng)大沙多，夏季炎熱，晝夜溫差大，年平均氣溫8～9℃，年均降水量110 mm，年均水面蒸發(fā)量3100 mm，降水量由東向西、由南向北遞減，即山區(qū)降水量最大，戈壁區(qū)降水量次之，沙漠區(qū)降水量最小，蒸發(fā)量則相反。降水季節(jié)分配不均，7-9月降水量占全年降水量的68%，極易引發(fā)暴雨洪澇災(zāi)害[20]。該區(qū)洪水具有突發(fā)性和瞬時性的特點，據(jù)不完全統(tǒng)計，有記載的洪水有20次，較大洪水的發(fā)生年份為1964年、1978年、1984年、1987年、1994年、1998年、2004年、2006年、2007年、2012年、2015年[21]。研究區(qū)范圍及取樣點分布見圖1。

巴丹吉林水源地位于沙漠南緣，2016年8月建成，12月開始運行，共4眼水井，設(shè)計年開采量25萬m。巴丹吉林沙漠南緣外圍山前戈壁帶被上更新統(tǒng)沖一洪積砂礫石所覆蓋，局部出露花崗巖、砂巖、砂礫巖，第四系覆蓋整體較淺，第四系沖一洪積砂礫石層與下伏花崗巖、白堊系砂巖風(fēng)化殼構(gòu)成具有統(tǒng)一水力聯(lián)系的潛水含水層，地下水埋深3～5 m，含水層厚5～ 15m，第四系下伏未風(fēng)化白堊系泥質(zhì)膠結(jié)砂巖、砂礫巖較密實，為隔水層。戈壁區(qū)與沙漠區(qū)的分界可能為一斷層，巴丹吉林沙漠南緣位于巴丹吉林凹陷盆地內(nèi)，區(qū)內(nèi)主要被第四系風(fēng)積砂所覆蓋，局部出露第四系沖一洪積砂礫石層，風(fēng)積砂透水而不含水，厚度較大。據(jù)內(nèi)蒙古阿拉善右旗巴丹吉林鎮(zhèn)新水源地研究報告[22]，風(fēng)積砂下伏的第四系沖一洪積砂礫石層和基巖風(fēng)化殼為主要潛水含水層，含水層厚度大于100 m，地下水埋深0—30 m，湖泊周邊地下水出露。沖一洪積砂礫石層以下未風(fēng)化的白堊系泥巖、泥質(zhì)砂巖、砂礫巖及局部的花崗巖構(gòu)成隔水層。研究區(qū)地質(zhì)剖面見圖2（地質(zhì)剖面平面位置見圖1中剖面Ⅱ一Ⅱ），根據(jù)地質(zhì)剖面，研究區(qū)含水層為具有統(tǒng)一水力聯(lián)系的潛水含水層。

研究區(qū)范圍的確定充分利用地下水系統(tǒng)要素的相關(guān)性，根據(jù)地質(zhì)背景和流場圖勾畫地下水系統(tǒng)的輪廓（見圖1）。研究區(qū)南側(cè)以北大山一雅布賴山分水嶺為界：西側(cè)以色林敖包正南至北大山分水嶺為界，該邊界為地表水分水嶺，兩側(cè)大面積出露花崗巖，為隔水邊界：東側(cè)以區(qū)域地下水分水嶺為界，依據(jù)是在大量野外調(diào)查基礎(chǔ)上發(fā)現(xiàn)該邊界附近基巖埋深較淺，局部出露風(fēng)化強烈的砂巖、砂礫巖、泥巖，富水性差，含水層厚度受基巖控制，總體較薄，含水層呈淺碟狀;北側(cè)以伊克力敖包與色林敖包連線為界，該邊界局部出露的砂巖普遍含有較多泥質(zhì)，風(fēng)化物滲透性較差，從地下水流場圖上看，在伊克力敖包與色林敖包之間有部分地下水可能流人北部沙漠腹地，但考慮到伊克力敖包對研究區(qū)地下水循環(huán)起著重要的控制作用，故以此為研究區(qū)北部邊界;研究區(qū)底部邊界為白堊系泥巖、泥質(zhì)砂巖、砂礫巖，局部為花崗巖，根據(jù)野外調(diào)查及鉆孔資料定為隔水邊界。采用Real-time kinematic（RTK）載波相位差分技術(shù)測量研究區(qū)地下水水位，繪制了研究區(qū)等水位線，見圖3，圖3中取樣點即地下水水位測量點，地下水宏觀流向為自南向北。

2 取樣點分布及樣品采集測試結(jié)果

根據(jù)研究區(qū)地下水流場圖、地表河道分布及地下水埋深布置取樣點，野外取樣工作于2014年9-11月進行，共采集水樣35個（包括地下水樣品33個、湖泊水樣品2個）.取樣點位置見圖1，其中坑探點及水源地水井為新建，其余水井為已有。

樣品采集與測試分別按照《水質(zhì)采樣技術(shù)規(guī)程》（SL 187-96）、《水質(zhì)分析方法標準》（GB 7466～7494-87）進行。測試項目包括K+、Na+、Ca2+、Mg2+、Cl、SO2-、HC03，其中HC03屬于不穩(wěn)定離子，一般情況需要現(xiàn)場測定，本次取樣未進行現(xiàn)場測定，故代表性不強.HC03并非本研究分析的重點，測試結(jié)果僅供參考。根據(jù)離子平衡原理進行誤差分析，分析誤差均小于5%，樣品的測試結(jié)果見表1，其中S2、S4樣品測試結(jié)果來源于文獻[22]。

3 結(jié)果與討論

（1）結(jié)合研究區(qū)等水位線圖，選取與水源地地下水有水力聯(lián)系的上游戈壁、季節(jié)性河道典型水樣及水源地水樣（見表2）對Cl-濃度及TDS值進行對比，定性分析季節(jié)性河道潛流量。

位于季節(jié)性河道內(nèi)取樣點的Cl-含量均低于戈壁區(qū)取樣點Cl-含量。分析認為季節(jié)性河道內(nèi)取樣點水位埋深與戈壁區(qū)取樣點水位埋深差別較小，受蒸發(fā)影響均較大，但河道內(nèi)地下水在汛期可接受洪水補給，河道內(nèi)地下水循環(huán)條件好。由于戈壁區(qū)地勢高于河床，河道內(nèi)條帶狀含水層厚度小，對戈壁區(qū)的側(cè)向補給量小，戈壁區(qū)地下水循環(huán)條件差，受到的蒸發(fā)作用更為明顯，因此戈壁區(qū)地下水Cl-含量普遍高于干涸河道內(nèi)地下水的。

由表2可知，季節(jié)性河道典型水樣的Cl-含量大部分低于水源地典型水樣的，雖然這一現(xiàn)象符合沿徑流路徑Cl-含量逐漸升高的規(guī)律，但是調(diào)查發(fā)現(xiàn)河床內(nèi)沖一洪積砂礫石層厚度普遍偏小，為1～5 m，飽水帶厚0.3～ 0.7 m，砂礫石層下伏花崗巖及白堊系泥巖、砂巖、砂礫巖，因風(fēng)化強烈構(gòu)成隔水底板，故與河道分布范圍一致的條帶狀薄層淡水含水層的分布范圍相對于整個山前戈壁帶而言很小，季節(jié)性洪水在河道內(nèi)沿途人滲量不大，即戈壁區(qū)河床潛流對地下水補給量很小。

（2）沿季節(jié)性河道進行調(diào)查發(fā)現(xiàn)，河谷內(nèi)分布條帶狀沖一洪積砂礫石層，除研究區(qū)最西側(cè)河道外，其他河道采砂坑均可見風(fēng)化的白堊系泥巖、泥質(zhì)砂巖，研究區(qū)最西側(cè)河道發(fā)育在花崗巖風(fēng)化殼上，長石風(fēng)化呈粉末狀，充填于裂隙中，表明花崗巖體富水性差。調(diào)查發(fā)現(xiàn)一口位于河道內(nèi)深5m的基巖井水量很小，揭露地層為沖一洪積砂礫石及風(fēng)化的白堊系泥巖。根據(jù)繩寶印等[23]的鉆孔資料及本次調(diào)查獲取的最新基巖鉆孔資料（見表3）可知，戈壁區(qū)白堊系砂巖富水性差，TDS值高。綜上，根據(jù)研究區(qū)基巖的富水性、水質(zhì)特征，基巖裂隙水向沙漠區(qū)的側(cè)向徑流量很小。

（3）由上文分析可知，戈壁區(qū)河床潛流對沙漠區(qū)地下水補給量很小，故剔除在河道上采集的水樣點，分析區(qū)域TDS分布規(guī)律及剖面上C1-含量分布規(guī)律。根據(jù)本次研究所獲得的水化學(xué)數(shù)據(jù)，結(jié)合研究區(qū)水文地質(zhì)特點，勾畫了研究區(qū)TDS等值線，見圖4。根據(jù)研究區(qū)等水位線圖，戈壁區(qū)地下水與沙漠區(qū)地下水應(yīng)存在補給關(guān)系，戈壁區(qū)地下水TDS值應(yīng)大于沙漠區(qū)地下水TDS值。從TDS等值線發(fā)現(xiàn)，戈壁區(qū)地下水TDS值較大，沙漠區(qū)存在兩個地下水TDS值小于1g/L的區(qū)域。由于戈壁區(qū)地下水埋深普遍較小，受蒸發(fā)影響強烈，因此TDS值偏大。從TDS等值線看，存在沿地下水徑流路徑TDS值逐漸降低的異?，F(xiàn)象，這與正常的水化學(xué)分帶理論相悖，表明戈壁區(qū)地下水對沙漠區(qū)地下水的側(cè)向徑流補給量比較小。若降水在基巖山區(qū)或山前人滲補給地下水，向沙漠區(qū)徑流，同樣無法解釋這一異常現(xiàn)象。沙漠區(qū)北部存在TDS大于3g/L的區(qū)域，結(jié)合研究區(qū)等水位線分析得知，該區(qū)域為地下水排泄區(qū)，地下水徑流途中不斷溶解各種離子，加之該區(qū)湖泊、干湖集中分布，地下水埋深淺，蒸發(fā)強烈，導(dǎo)致TDS值增大。

Cl-在水中高度溶解和遷移，和水分子非常相似[24]，所以Cl-不會在透水巖層中停留[25]，Cl-濃度變化完全和來源有關(guān)[26].在水文地球化學(xué)分析中可用作參照離子。結(jié)合地下水埋深及等水位線圖選取穿過戈壁區(qū)與沙漠區(qū)的典型剖面研究Cl-濃度在剖面上的變化規(guī)律。

典型水化學(xué)剖面（剖面位置見圖1，0點為剖面起點）上Cl-濃度及地下水埋深關(guān)系見圖5、圖6。戈壁區(qū)地下水Cl-濃度大于水源地周圍地下水Cl-濃度。戈壁區(qū)地下水埋深小，受蒸發(fā)影響Cl-濃度偏高;沙漠區(qū)地下水埋深較大，幾乎不受蒸發(fā)作用的影響。通常Cl-濃度隨著地下水徑流路徑長度的增加而增大，因此戈壁區(qū)地下水對沙漠區(qū)地下水無明顯補給作用。

（4）研究采集穩(wěn)定同位素樣品32個，其中11個位于山區(qū)及戈壁區(qū)、21個位于沙漠區(qū)，所有水樣均取自潛水含水層，與水質(zhì)測試取樣點位置相同。不同區(qū)域水體的氫氧穩(wěn)定同位素關(guān)系見圖7。在資料不足的情況下，與其用不確定性高而又難以判定的地區(qū)大氣降水線，不如就用全球大氣降水線[27]，故以全球大氣降水線為基準進行分析。由圖7可以看出，山區(qū)及戈壁區(qū)地下水均落在全球大氣降水線附近，具有偏負的穩(wěn)定同位素組成，不存在明顯的蒸發(fā)效應(yīng)，說明該區(qū)地下水來源于大氣降水人滲補給，且地下水循環(huán)條件好，受蒸發(fā)影響小，其同位素組成基本反映山區(qū)降水的原始特征。沙漠區(qū)水樣落在全球大氣降水線右下方地下水蒸發(fā)線上，地下水蒸發(fā)線的延長線與全球大氣降水線相交于戈壁及山區(qū)水樣點分布區(qū)域，根據(jù)蒸發(fā)線與全球大氣降水線交點處的同位素含量可以得出地下水初始補給源的同位素組分[28]，即沙漠區(qū)地下水來源于南部山區(qū)及戈壁區(qū)地下水或降水。

（5）上文（1）～（3）從水化學(xué)角度證明戈壁區(qū)地下水對沙漠區(qū)地下水無明顯補給作用，（4）分析了沙漠區(qū)、戈壁區(qū)及山區(qū)地下水氫氧穩(wěn)定同位素關(guān)系，表明沙漠區(qū)地下水來源于南部山區(qū)及戈壁區(qū)地下水或降水。根據(jù)洪積黏土出露范圍（見圖8），結(jié)合研究區(qū)歷史洪水資料[21]，筆者認為沙漠外圍山區(qū)、山前戈壁帶降水在季節(jié)性河道形成的脈沖式洪流可能是沙漠區(qū)地下水的重要補給來源之一。原因是，季節(jié)性河道內(nèi)的洪水通過地表徑流在沙漠邊緣人滲補給沙漠區(qū)地下水，沿途受溶濾作用影響小，可在沙漠區(qū)形成低TDS值和Cl-濃度的地下水，沙漠邊緣分布較厚滲透性差的洪積黏土層，洪水人滲時間可能較長，這一點經(jīng)訪問當?shù)啬撩褚驳玫阶C實，加之洪水多發(fā)生在炎熱的夏季，人滲期間受蒸發(fā)作用影響較強烈，這也證明了沙漠區(qū)埋深較大的地下水為何具有偏正的穩(wěn)定同位素組成。

4 結(jié)論

通過分析研究區(qū)TDS等值線、典型水化學(xué)剖面Cl-濃度及地下水埋深、不同區(qū)域水樣的氫氧穩(wěn)定同位素關(guān)系，結(jié)合鉆孔資料、地表水文網(wǎng)分布特征、洪積黏土層出露位置，認為沙漠外圍山區(qū)、山前戈壁帶降水在季節(jié)性河道形成的脈沖式洪流是沙漠區(qū)地下水的重要補給來源之一，這一認識為水源地地下水資源評價及論證水源地開采對湖泊生態(tài)系統(tǒng)的影響、巴丹吉林沙漠地下水循環(huán)模式研究提供了依據(jù)。

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【責(zé)任編輯呂艷梅】（上接第48頁）

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