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水是人类生存和生活中不可或缺的必需物质,尤其是在干旱内陆河地区,水资源问题已成为流域可持续发展过程中水与生态之间矛盾的焦点。研究黑河流域局地大气降水、河水和地下水之间的转化关系以及水化学形成机理等水循环研究,对于黑河流域生态环境建设、缓解全流域水资源供需矛盾,制定合理的水资源政策以及可持续发展具有重要的现实意义。
本研究在分析黑河流域降水、河水和地下水的δD和δ18O特征以及水化学变化规律的基础上,揭示了黑河流域的水循环规律；利用饱和指数法、离子比例组合和反向水文地球化学模拟技术对地下水化学形成作用进行了分析,对比Vogel等7种传统模型和NETFATH软件对地下水的14C年龄的校正,揭示了黑河流域地下水δD和δ18O特征、水化学演化规律和形成机理等水循环规律。得出以下结论:
黑河流域地表水的δ18O和δD值沿着河道出现富集现象,但蒸发效应不明显。上游各水体的δ18O和δD值沿着大气降水线和局地降水线周围分布,反映了上游各水体为大气降水补给成因。中游深层地下水的δ18O和δD值具有明显的分层特征,表明其地下水补给来源复杂,受到农业灌溉回水的影响。根据氘值结果,在绿洲区,其浅层地下水为现代水补给,局地也出现大于50年的古水,而深层地下水为古水补给,局地混有现代水的成分。由于数据有限,同时使用多种模型进行校正,尽可能的进行对比。对于张掖盆地地下水年龄的校正,传统统计模型法的校正结果有很大差异,出现负值为校正过量；采用NETFATH反向路径模拟法得到的地下水14C年龄地下水从起点石岗墩张掖南到清泉镇十号村终点路径的传输时间为832.9～1042.4a。下游浅层地下水的补给源复杂。①河水与降水的混合补给；②浅层地下水的蒸发特征明显；③深层地下水的越流补给。浅层地下水与河水的δD和δ18O特征表明,其浅层地下水与河水的水力联系比与深层地下水的密切。下游深层地下水的T值、14C、δD和δ18O都反应了古水特征。下游深层地下水14C的年龄特征结果,经过各种模型校正后(一般是以Pearson和Fontes-Garnier模型结果应用得较多),苏泊淖尔与居延海之间的深层地下水的年龄最为古老,大约为6000a。下游地下水的年龄表明,深层地下水一般都是为古水,而对于50m以上的浅层地下水都是为次现代水或现代水,这说明人为划分的井深界限(50m)是合理的。下游深层地下水的δ18O和δD值普遍低于浅层地下水δ18O和δD的特征,可以推算其形成气候环境较浅层地下水形成环境偏冷。深层地下水形成的平均气温比浅层地下水低3.046℃。
PHREEQC水文地球化学模拟的水循环规律:张掖附近的两条路径“上寨十六庄-碱滩堡”、“明水乡用济村-平原堡”所发生的水化学反应基本一致,说明它们之间有密切的水力联系。但是高台附近南华镇-高台合黎乡这条路径,它们的饱和度指数与张掖附近的差异很大,说明它们之间的水力联系不大。洒泉盆地地下水与金塔盆地地下水之间无一定的水力联系。酒泉盆地地下水沿地下水水流方向自西向东水化学类型由HCO3-SO4-Ca-Mg向SO4-Mg型过渡,TDS含量也逐渐增加。金塔境内地下水化学特征和演化规律两个盆地内非常相似。其两个盆地境内的饱和度指数差异较大。经历的水循环转换过程为:酒泉西部的地下水在酒泉东部转化为地表水,此地表水流向金塔境内转换为地下水。“狼心山-老西庙-建国营-西居延海”和“狼心山-额济纳旗-东居延海”这两条路径的PHREEQC水文地球化学模拟结果显示,由较低的Na+、Cl-和较高HCO3-含量向较高的Na+、Cl-含量和较低HCO3-含量过渡的水质变化趋势,反映了补给区-排泄区的特征。这符合额济纳盆地地下水的南北流向特征。
同位素3H和14C揭示了黑河流域水循环的尺度问题,中游张掖盆地的浅层地下水一般为小于50年的现代水,深层地下水为古水,但是在绿洲区内深层地下水有现代水的混入。下游浅层地下水一般为现代水和次现代水,深层地下水为2000-4000a的古水,苏泊淖尔与居延海之间为6000a左右的最古老的水,额济纳盆地南部浅层地下水的循环速率低于张掖盆地的循环速率。水文地球化学模拟揭示了空间尺度上补给区到排泄区的化学反应以及水岩作用过程中矿物质转移的量,反映出张掖盆地张掖绿洲与高台之间,酒泉盆地与金塔盆地,额济纳与居延海之间的水力联系不大。狼心山-东、西居延海路径反映出下游地下水的补-排关系。