干旱區(qū)兩級地下水位分配及補給量計算

干旱區(qū)兩級地下水位分配及補給量計算

0地下水水資源量水化學成分轉化技術中國西北干旱地區(qū)（以下簡稱西北干旱地區(qū)）降水少，蒸發(fā)強烈，水資源空間分布不均。前面的洪水儲水池和后面的山區(qū)盆地已成為主要儲水單元。地下水多來自山前側向補給與大氣降水入滲補給,因降水歷時短、雨量小以及包氣帶厚度較大等原因,大氣降水又可分為直接入滲和山區(qū)洪流間接入滲。第四系儲水量的多少一般取決于沉積物分布規(guī)模及其補給量。研究第四系地下水資源量必須關注三水轉化問題,傳統(tǒng)的三水轉化研究方法主要涉及介質(zhì)場、水動力場、水化學場和溫度場等方面,由于地下水埋藏的隱伏性、賦存的歷史性等特點,傳統(tǒng)的研究方法受到一定的限制。近些年,隨著同位素測試技術的發(fā)展,同位素水文技術在水資源領域的研究內(nèi)容不斷擴大,發(fā)展較為迅速。在水資源評價和管理研究中,同位素水文技術對于確定地下水補給來源、補給量、地下水年齡以及了解地表水和地下水相互轉化規(guī)律、水-巖相互作用、地表水和地下水污染等方面發(fā)揮其獨有的作用,可以獲得常規(guī)方法不能取得的關鍵數(shù)據(jù)并節(jié)省開支。本文結合水文地質(zhì)條件,以新疆庫魯克塔格中段北部山間洼地第四系地下水為研究對象,利用D、18O、3H(T)同位素揭示第四系地下水補給來源、運動特征以及地下水年齡等,判斷降水直接入滲、洪流間接入滲以及山前側向補給在第四系洼地地下水補給中所占的比例。1地形地貌細土帶研究區(qū)位于天山東段,地貌整體呈現(xiàn)東西向山體夾東西向洼地格局,山體之間形成與山體走向一致的洼地。地勢總體上南高北低,洼地由南向北具有上下級關系,洪水出山口后于山前散流形成規(guī)模不等的礫質(zhì)傾斜平原,洼地中心部位形成面積不大的細土帶,最低處有洪溝切穿山體并與較低洼地相通,且有泉水溢出,匯流成溪。各級洼地受山體控制,地下水、地表水多次轉化,上一級儲水洼地的泉水構成下一級洼地的重要補給來源。2采樣點分布及測試方法環(huán)境同位素取樣是根據(jù)水資源徑流路徑,橫向控制,充分考慮各儲水洼地典型樣品。由于鉆孔深度限制,樣品主要代表潛水及出露泉水。采樣點分布如圖1所示。樣品測試由中國地質(zhì)科學院礦產(chǎn)資源研究所和水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)研究所測定。其中,δD(氘)和δ18O分別采用鋅還原法和二氧化碳平衡法用MAT253EM質(zhì)譜計進行測定,分析精度為±2‰。利用Qnantulus1220超低本液體閃爍譜儀測定T(氚)。3地下水中穩(wěn)定的相特征3.1對降雨線d=8.18o+10研究區(qū)地表水和地下水以及降水的δD和δ18O關系如圖2所示。大氣降水線根據(jù)國際原子能機構烏魯木齊資料獲得:δD=7.2263δ18O+4.2825,與全球雨水線δD=8δ18O+10相比,其斜率和截距都偏小,降水點均落在烏魯木齊雨水線左側,斜率更小,本區(qū)降水比烏魯木齊更稀少,蒸發(fā)更強烈。地下水與泉水點則落在降水線附近或蒸發(fā)線上,反映不同地下水單元均來自大氣降水,由于徑流路徑、滯留含水層時間的不同,地下水受到不同強度的蒸發(fā)而偏離大氣降水線,形成一條蒸發(fā)線。3.2地表下滲,降水入滲比例隨立地水資源量變化地下水由南向北徑流,經(jīng)歷了兩級儲水洼地,各儲水洼地既是獨立的地下水單元,又相互具有水力聯(lián)系。山區(qū)降水通過坡面流滲入補給或側向補給洼地地下水,上游洼地地下水則通過泉水排泄補給下游洼地,地下水和地表水反復轉化,使儲水洼地間構成水力聯(lián)系。為計算各級洼地補給資源量所占比例,本次研究挑選典型封閉儲水洼地說明三水轉化特征。研究區(qū)南部一級儲水洼地出口泉水中T含量為51.6TU(TritiumUnit,取樣點3),反映該地下水為現(xiàn)代水,而其氫氧穩(wěn)定同位素δ值高于大氣降水,因此它除了接受大氣降水補給外,還接受了南部山體側向補給。同位素的混合比例公式為:δ樣=XδA+(1-X)δB(1)式中:X為A型水與B型水的混合比例;δ樣為混合后樣品的同位素δD、δ18O值;δA為A型水的同位素δD、δ18O值;δB為B型水的同位素δD、δ18O值。在此處A型水即大氣降水的δ值為δD=-86‰,δ18O=-15.8‰;B型水即南部山區(qū)地下水(取樣點1)的δ值為δD=-56‰,δ18O=-8.2‰;δ樣即一級洼地下游出露泉水(取樣點3)的δ值為δD=-62‰,δ18O=-7.8‰。以δD為例,根據(jù)公式(1)得出:X=δ樣-δBδA-δB=(-62%)-(-56%)(-86%)-(-56%)=0.2117(2)X=δ樣?δBδA?δB=(?62%)?(?56%)(?86%)?(?56%)=0.2117(2)從公式(2)可以得出,降水直接入滲補給量約占21%,以降雪樣品為A型水(δD=-64‰,δ18O=-10.1‰)計算,冰雪融水入滲補給量約占79%,即為山區(qū)洪流入滲補給量。實際一級洼地年降水、洪流入滲比例為60%。根據(jù)剖面圖(圖3),一級洼地泉水下滲成為基巖裂隙水,繼而側向補給二級洼地,考慮到洪水入滲補給,且一級洼地泉水穩(wěn)定同位素值與二級洼地出露泉水的同位素值接近,而二級洼地上游裂隙潛水(取樣點4)同位素值δD=-47‰,δ18O=-6.7‰,以裂隙水看成側向補給并作為B型水根據(jù)公式計算,降水直接入滲比例占38%。1969年丹斯加爾德對格陵蘭北部世紀營長為1390m的冰心進行了氧同位素研究,得到如下結論:8000a以來δ18O值變化不大,說明8000a以來氣候相差不多;距今10000～60000a的最后一次冰期內(nèi),δ18O平均值比現(xiàn)在的低10%左右。我們注意到,二級洼地地下水氚含量小于3TU,并且14C測年顯示其為古水(年齡大于8000a)。說明古降水直接入滲比例達到38%,而現(xiàn)今大氣降水并沒有混入,致使地下水氚含量極低。一級洼地氚含量較高,但14C測年仍高達兩千多年,這似乎有些矛盾。其實不然,一級洼地除了大氣降水的直接、間接補給外,側向補給也占有相當比例,根據(jù)斷面達西公式計算側向補給比例可以達到40%左右,說明泉水中14C來自深層水,而淺層水14C含量則直接受到大氣降水影響。依據(jù)此結論,一級洼地地下水流動系統(tǒng)將深層裂隙水與淺層孔隙水視為兩個地下水流動系統(tǒng)。4值的估算地下水中常見的放射性同位素主要有T和14C,由于T與O形成含氚地下水,成為天然的放射性示蹤劑,為人們研究地下水提供依據(jù)。大氣降水中的氚有兩個主要來源,宇宙射線成因的氚和核爆氚。核爆氚自20世紀50年代快速上升,至1963年達到頂峰,隨后逐年降低,21世紀初已恢復到核爆前水平。由于氚的半衰期較短(12.43a),故利用氚值估算地下水年齡僅能計算百年以內(nèi)尺度。由于研究區(qū)位于新疆中部,距離大氣層核試驗場直線距離約200km,核爆對當?shù)亟邓绊戄^大,至今降水氚含量在本區(qū)仍高達45～65TU。根據(jù)研究區(qū)各水樣點氚值測試值(表1),一級洼地地下水、泉水氚含量均較高,但深層水氚含量明顯降低,二級洼地氚含量極小,因此不受現(xiàn)代大氣降水影響,利用區(qū)域降水氚含量恢復值,估算出一級洼地淺層地下水滯留時間。4.1系統(tǒng)總體響應以大氣降水作為輸入信息,氚隨著大氣降水被輸入到系統(tǒng)中,而輸入與流量Q成正比,則系統(tǒng)輸入信息用公式表示為:C入=α·S·f·P·β·ψ(3)式中:C入為隨降水輸入的氚信息,dpm;α為降水的深入系數(shù);S為接受降水補給面積,km2;f為降水中氚濃度,TU;P為年降雨量,mm;β為1L水中氚計數(shù);ψ為降水量換算因子(將mm換算km)。系統(tǒng)輸出信息用公式表示為:C出=r·Q出·y出·β(4)式中:C出為輸出氚信息,dpm;Q出為泉年平均流量或斷面流量,m3/s;r為時間換算因子(年換成秒),即r=1×365×24×3600;y出為泉水平均氚濃度,TU。當?shù)叵滤到y(tǒng)信息傳輸符合線性規(guī)則,整體上能將其內(nèi)部結構特性概化為一個點參數(shù),用以表示不隨時間變化的系統(tǒng),稱之為線性時不變集中參數(shù)系統(tǒng)。數(shù)學上用褶積公式描述,且考慮整個時間域(0～∞),系統(tǒng)的總響應為各脈沖響應的疊加,并考慮放射性衰變。Q出·C出=∞∫0Q入·C入(t-τ)·e-λτ·g(τ)dτ(5)式中:τ為示蹤劑滯留時間,年;t為日歷時間;g(τ)為系統(tǒng)響應權函數(shù)。穩(wěn)定流條件下,Q出=Q入,將C出公式帶入公式(5)得到:r?Q出(t)?y出(t)?β=∞∫0α?S?β?ψ?Ρ?f?e-λτ?g(τ)dτ(6)y出(t)=3.17×10-5?α?SQ出(t)∞∫0Ρ入(t-τ)·f入(t-τ)·e-λτ·g(τ)dτ(7)式中3.17×10-5為換算系數(shù),其他符號同前式。4.2系統(tǒng)響應函數(shù)根據(jù)權函數(shù)類型不同,可以將模型類型分為活塞流模型和全混合模型?；钊髂Ｐ图俣ǖ叵滤到y(tǒng)的所有相繼輸入之間不發(fā)生混合。在這種模型中,當有一個單位脈沖示蹤劑輸入系統(tǒng)時,從系統(tǒng)中流出的示蹤劑將是一個平均傳輸時間τ的函數(shù),系統(tǒng)的響應函數(shù)為g(τ)=δ(t-τ),δ為狄拉克函數(shù)。示蹤劑的輸入輸出關系為:y出(t)=y入(t-τ)·e-λτ(8)全混合模型又稱指數(shù)模型,其假定系統(tǒng)任何時間不同年齡地下水都均勻混合。系統(tǒng)的響應函數(shù)為:g(τ)=(1/τm)?e-ττm(9)式中τm是示蹤劑平均滯留時間。4.3全混合模型的建立地下水流動系統(tǒng)是指一個地下水系統(tǒng)內(nèi)自補給區(qū)(源)到排泄區(qū)(匯)的徑流過程中具有統(tǒng)一時空演變的地下水流。通過前述分析,本區(qū)一級洼地地下水可視為深層裂隙水與淺層孔隙水兩個流動系統(tǒng)。根據(jù)地下水氚值測試結果可知:一級洼地淺層孔隙水補給來源為大氣降水,氚含量較高;深層裂隙水為山前側向補給,氚含量較低。依據(jù)氚測年尺度,本次研究僅將淺層孔隙水作為子流動系統(tǒng)計算地下水年齡,淺層孔隙水流動系統(tǒng)由于降水的直接或洪流間接補給,將降水入滲作為輸入信號,泉作為輸出信號,分別假定兩種極端情況即活塞流模型與全混合模型計算地下水年齡。活塞流模型為:y出(t)=y入(t-τ)·e-λτ(τ=τm)(10)單輸入單輸出的全混合模型為:y出(t)=3.17×10-5?α?SQ出(t)∞∫0Ρ入(t-τ)·f入(t-τ)·e-λτ·g(τ)dτ(11)y出(t)=3.17×10-5?α?SQ出(t)∞∑τ=0Ρ入(t-τ)·f入(t-τ)·e-λτ·g(τ)(12)將全混合模型權函數(shù)代入公式(12)得到:y出(t)=3.17×10-5?α?SQ出(t)∞∑τ=0Ρ入(t-τ)·f入(t-τ)·e-λτ?1τm?e-ττm(13)設φ=(3.17×10-5·α·S)/Q出(t),因1952年前降水氚濃度很低,經(jīng)過一定時間衰變對地下水系統(tǒng)貢獻已趨于0,故上式簡化為:y出(t)=φτmt-1952∑τ=0Ρ入(t-τ)·f入(t-τ)·exp[-τ(1/τm)+0.05581)](14)2009年對研究區(qū)進行取樣測試,同時收集了多年降水氚值測試成果。焦鵬程等研究了羅布泊鹵水同位素特征,并恢復了1952年以來降水氚值。本次工作將利用其部分數(shù)據(jù)進行補充,研究區(qū)內(nèi)1952年以來降水氚恢復值(表2)。另外測得一級洼地降水補給面積約為85km2,降水入滲系數(shù)為0.2(入滲系數(shù)為降水直接、間接補給共同計算得到),下游泉水流量為1000m3/d,因泉水部分來自深層水,假定地下水為穩(wěn)定流,故此處泉水流量為實測流量減去山前側向補給量。根據(jù)公式(10)和公式(14),利用f、P以及φ計算不同φ/τm條件下的泉流量中y出(2009年)值,繪制y出-τm曲線(圖4,圖5)。根據(jù)泉水樣品氚含量平均值(51.6TU),活塞流模型計算淺層孔隙水平均年齡為32a,全混合模型計算其年齡為60a。活塞流模型和全混合模型是水混合的兩種極端情況,而地下水實際滯留時間介于二者之間,故可以認為一級洼地淺層孔隙水實際年齡為32～60a。5地下水補給量研究區(qū)位于西北干旱區(qū),地貌整體呈現(xiàn)東西向山體夾東西向洼地格局,地下水主要來自大氣降水和山區(qū)側向補給。地下水資源分配不均,靠近山前洼地水量豐富,遠離山區(qū)洼地水量減少,并且各級洼地受山體控制,地下水、地表水反復轉化,上一級儲水洼地的泉水構成下一級洼地的重要補給來源?；谕凰乩碚?判斷地下水補給來源為大氣降水。各級洼地大氣降水直接入滲比例各不相同,一級洼地降水與洪流入滲比例分別約為21%和79%,而山前側向補給占40%。二級洼地地下水氚含量極低而14C年齡較大,降水入滲比例可以達到38%,但為古