張 琛，段 磊，劉明明，李 瑛,3，宋 浩

(1.長安大學環(huán)境科學與工程學院,陜西 西安 710061；2.教育部旱區(qū)地下水與生態(tài)效應(yīng)教育部重點實驗室/長安大學,陜西，西安 710061；3.中國地質(zhì)調(diào)查局西安地質(zhì)調(diào)查中心,陜西，西安 710054)

自然界中河流與地下水之間存在著密切的水力聯(lián)系和頻繁的轉(zhuǎn)化關(guān)系，尤其在干旱及半干旱地區(qū)，河水滲漏是地下水的主要補給來源[1]。近幾十年來,受自然因素和人類活動的影響，河流與地下水之間的轉(zhuǎn)化關(guān)系趨于復雜化，誘發(fā)了一系列生態(tài)環(huán)境負效益，使水資源開發(fā)利用及生態(tài)問題突顯。很多學者通過數(shù)值仿真模擬、水化學和環(huán)境同位素示蹤等方法，深入研究了地表水與地下水的演化關(guān)系及影響因素。王文科[2]等在對河流與地下水轉(zhuǎn)化關(guān)系類型劃分的基礎(chǔ)上，分析了各類型的滲流特征和影響河流與地下水關(guān)系演化的因素，為定量模擬和評價河流與地下水的演化關(guān)系提供了科學依據(jù)。劉睿翀[3]、段東偉[4]等利用Modflow與Swat軟件，通過建立數(shù)值仿真模型分析了河流與地表水轉(zhuǎn)換關(guān)系。Chen Wenfu[5]等通過溫度示蹤的方法確定一次洪水過程中，脫節(jié)性河流的河床入滲率的變化，結(jié)果表明由洪水帶來的顆粒很快阻塞了河床空隙導致滲透率降低，但是河床濕周的增大在一定程度上導致入滲量增加。但是，由于地表—地下水轉(zhuǎn)換關(guān)系的復雜性，受到數(shù)據(jù)條件、模擬計算量、不同水文尺度融合和多參數(shù)率定、模型結(jié)構(gòu)的不確定性等諸多問題影響，其可靠性與模擬精度很難保證[6-7]。由于地表水與地下水的水質(zhì)與水量的交換，使兩者相互轉(zhuǎn)化過程中水體陰陽離子、同位素呈現(xiàn)出一定的規(guī)律性，使得水化學與同位素成為解決地下水與地表水相互作用過程中一種有效的技術(shù)手段[8-10]。很多學者對此進行了研究和討論，如蘇小四[11]等通過對馬蓮河流域水化學與18O、D、T等同位素分析了馬蓮河河水與地下水的轉(zhuǎn)換關(guān)系，研究表明馬蓮河河水主要接受地下水補給，僅在中游個別河段與地下水的水力聯(lián)系較弱。聶振龍[12]在分析黑河干流地表水與地下水水化學特征的基礎(chǔ)上，分析了黑河干流不同地帶地表水與地下水的補排關(guān)系：南部盆地在山前戈壁帶出山，河水入滲轉(zhuǎn)化為地下水；溢出帶地下水以泉的形式轉(zhuǎn)化為地表水；進入細土平原后，汛期河水補給地下水，非汛期地下水補給河水。王雨山[13]在西北內(nèi)陸馬蓮河流域下游開展氡同位素示蹤，利用河水222Rn 通量模型評價了地下水沿河排泄強度。結(jié)果表明馬蓮河下游均為白堊系環(huán)河組地下水排泄補給河水，累計排泄量4.5 m3/s，占河流流量的73.2%，排泄強度存在空間變異，上段及下段為地下水強排泄區(qū)，中段作用強度較低。宋獻方[14]、孫從建[15]等研究了河水與地下水中的同位素的演化與特征，得出不同含水層與河水的水力聯(lián)系以及地下水的補給來源、以及查明不同地點與豐枯季對轉(zhuǎn)換關(guān)系具有影響。張應(yīng)華[16]等應(yīng)用氧的穩(wěn)定同位素研究旱區(qū)黑河中游灌溉水影響下的地下水對河水的補給，結(jié)果表明農(nóng)田灌溉改變了地下水和地表水之間的轉(zhuǎn)化方式和轉(zhuǎn)化量,農(nóng)田灌溉使得地下水對河流的徑流量貢獻量超過50%。

伊犁河谷地區(qū)作為“一帶一路”經(jīng)濟戰(zhàn)略的核心地帶，水資源開發(fā)利用與管理是該區(qū)社會經(jīng)濟發(fā)展的重要制約因素。由于受該地區(qū)地形地貌和水文條件等因素影響，河流與地下水轉(zhuǎn)換頻繁。本文以伊犁河典型支流—大西溝河為研究區(qū)，在野外調(diào)查和河流流量測定的基礎(chǔ)上，結(jié)合水化學和環(huán)境同位素技術(shù)，定量研究河水與地下水的轉(zhuǎn)換關(guān)系與轉(zhuǎn)換強度，為該區(qū)域地下水資源評價與水資源優(yōu)化配置提供技術(shù)支撐。

1 研究區(qū)概況

大西溝河位于伊犁州霍城縣境內(nèi)，起源于北部中高山區(qū)，是伊犁河北山水系中較大的一條支流，河流全長約80 km，其流量季節(jié)變化明顯，每年6—8月為豐水期，12月—次年2月為枯水期。河流自南向北依次流經(jīng)山前沖洪積礫質(zhì)平原區(qū)、細土平原區(qū)、風成沙漠區(qū)等地貌單元(圖1)。研究區(qū)平均氣溫為9.3 ℃，多年平均降水量和蒸發(fā)量分別為218.9 mm和1 404.3 mm，隨著地表高程的增加氣溫降低、降水量增大、融雪期增長，有明顯的垂直分帶現(xiàn)象。

圖1 研究區(qū)地貌圖及采樣點分布圖Fig.1 Landform and location of the sampling pointsin the study area

平原區(qū)含水層為第四系松散巖類孔隙含水層。從霍爾果斯北部、伊車嘎善錫伯鄉(xiāng)至果子溝一帶，含水層巖性主要為砂礫石和卵礫石，形成單一結(jié)構(gòu)的孔隙潛水含水層，其厚度較大，滲透性能較好。由北向南隨著地面坡降的變緩，在清水河鎮(zhèn)以南地區(qū)，含水層頂板埋深開始逐漸加大，含水層結(jié)構(gòu)由單一結(jié)構(gòu)變?yōu)槎鄬咏Y(jié)構(gòu)；其巖性主要為粗砂、砂礫石并出現(xiàn)不連續(xù)的黏土夾層，滲透性能變差，地下水力坡度變緩，深部第四系含水層承壓性逐漸顯現(xiàn)，表現(xiàn)為平原區(qū)西南大部分區(qū)域上覆潛水含水層和下伏承壓含水層的多層結(jié)構(gòu)(圖2)。同時本地區(qū)含水層受到地質(zhì)結(jié)構(gòu)的控制作用，地層的隆起導致砂質(zhì)黏土層抬升(圖3)，從而改變了地下水動力學條件，對河流和地下水轉(zhuǎn)換關(guān)系、地下水循環(huán)模式具有控制作用。

圖2 研究區(qū)綜合水文地質(zhì)圖Fig.2 Comprehensive hydrogeological mapof the study area

圖3 南北向地質(zhì)結(jié)構(gòu)剖面Fig.3 North-South geological structure profile

2 數(shù)據(jù)及方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

由于河流與地下水轉(zhuǎn)換關(guān)系頻繁且具有明顯的分段性，故本次研究在不同地貌單元上均布置水樣采集點，水化學和同位素數(shù)據(jù)來自項目組2016—2018年7—8月份豐水季野外水文調(diào)查中所取水樣及之前研究工作收集的部分水樣，采樣過程嚴格按照《水質(zhì)采樣技術(shù)規(guī)程(SL187—96)》進行。水樣主要采自于機井、民井、勘探鉆孔等地下水體以及沿大西溝河所采取的河水，采集樣品共計29組，其中山前礫質(zhì)傾斜平原區(qū)共采集潛水8組，河水2組；細土平原區(qū)獲取河水樣品2組，潛水樣品3組，承壓水樣品5組；風成沙漠區(qū)獲取河水樣品3組，潛水樣品4組，承壓水樣品2組，水樣點位置見圖1。

2.2 研究方法

2.2.1樣品檢測方法

2.2.2水化學分析方法

將河水和地下水中的主要離子成分進行比較分析，采用舒卡列夫分類法對河水和地下水化學類型進行分類，利用 Piper 三線圖判斷水體的化學組成特征及水化學類型；依據(jù)地下水混合作用和蒸發(fā)濃縮作用等原理，分析沿程河水和地下水水化學指標變化規(guī)律，指示河流與地下水相互作用關(guān)系。

2.2.3河水-地下水轉(zhuǎn)換強度計算

穩(wěn)定氫氧同位素示蹤方法可以分析河流徑流來源、河流基流量的劃分以及河水和地下水轉(zhuǎn)換等[18]。根據(jù)穩(wěn)定同位素質(zhì)量守恒原理確定不同水體的混合比例：

δsample=XδA+(1-X)δB

(1)

式中：X——A型水與B型水的混合比例；

δsample——混合后樣品的同位素δ18O、δD值；

δA——A型水的同位素δ18O、δD值；

δB——B型水的同位素δ18O、δD值。

3 結(jié)果與討論

3.1 河水與地下水的水化學和環(huán)境同位素特征

河水ρ(TDS)變化范圍為162 ～330 mg/L，均值為246 mg/L，潛水TDS濃度范圍在184.5 ～778 mg/L之間，均值為451.2 mg/L，承壓水ρ(TDS)均值為301.14 mg/L，范圍從212.2 ～363.8 mg/L之間，大多數(shù)采樣點為小于0.5 g/L的低礦化度水，表明研究區(qū)地下水徑流條件較好。同時河水ρ(Cl-)變化范圍從7.53 ～18.08 mg/L，均值為11.45 mg/L，潛水ρ(Cl-)濃度變化范圍從10.6～60.6 mg/L，均值為33.5 mg/L，承壓水ρ(Cl-)范圍為7.1～14.2 mg/L，均值為10.22 mg/L。其中TDS和Cl-濃度分布特征在地下水和河水中具有規(guī)律性，表現(xiàn)為河水與承壓水中濃度相近，河水和大部分的承壓水濃度值在潛水濃度范圍內(nèi)，這表明承壓水與河水具有相同的補給來源。

圖4 河水和地下水水化學Piper圖Fig.4 Piper diagram of the river water andgroundwater hydrochemistry

河水δ18O和δD平均值為-11.57‰與-77.91‰，淺層潛水δ18O和δD平均值為-11.37‰與-77.77‰，承壓水δ18O和δD平均值為-11.80‰和-80.99‰，整體上承壓水δ18O和δD均低于河水與潛水，而潛水與河水δ18O和δD值較為接近，表明潛水與河水之間具有水力聯(lián)系。從圖5知，山前傾斜礫質(zhì)平原區(qū)與細土平原區(qū)河段河水δ18O與δD均處在當?shù)卮髿饨涤昃€的上方，而風成沙漠區(qū)河水點位于大氣降水線下方，其同位素組成較為集中，且大致位于一條直線上。穩(wěn)定同位素組成最富集的區(qū)域分布于圖5的右上方黃色實線圓內(nèi)，E1W02、E1W01、D3W01、D15W02等點處因受到蒸發(fā)作用導致同位素較為富集。黃色虛線圓圈處所包含的區(qū)域同位素組成最為貧化，水樣點以深層承壓水為主，僅細土平原區(qū)有兩個潛水樣品點同位素也較為貧化，表明該區(qū)域未受到明顯的蒸發(fā)濃縮作用。而由于山前礫傾斜質(zhì)平原區(qū)潛水與沙漠區(qū)承壓水地下水位埋深大，受到蒸發(fā)作用較弱，反應(yīng)在圖5中即為中間紫色圓內(nèi)樣品點，δ18O與δD值較小。

圖5 不同水體δ18O-δD關(guān)系圖Fig.5 Plot ofδ18O-δD of different water bodies

研究區(qū)河水氚濃度均值為19.35TU；潛水氚均值為18.6TU，其變化范圍12.2～28.9TU；承壓水氚濃度均值為3.5TU，變化范圍1～6.1TU；大氣降雨氚值為23.8TU。其中承壓水氚濃度最低，且氚濃度值沿程較為穩(wěn)定。河水氚濃度值19.35TU處于潛水氚濃度變化范圍間，低于大氣降雨氚值，且兩者均值較為接近，水體氚值反映出河水與潛水具有密切的水力聯(lián)系。

3.2 大西溝河水與地下水的轉(zhuǎn)化關(guān)系

在礫質(zhì)傾斜平原區(qū)(圖6)，河流上游自出山口處ρ(Cl-)沿程變化不大，且低于地下水中氯離子濃度，這與ρ(TDS)具有相同的變化趨勢。而潛水中ρ(Cl-)逐漸減小，反映出該段河流滲漏補給地下水導致TDS與Cl-濃度降低。

表1 研究區(qū)氚同位素證據(jù)

在細土平原區(qū)河流中段D1R03至D3R03處，由于地下水水力坡度變緩，地下水徑流速度變慢，環(huán)境的蒸發(fā)濃縮作用以及徑流過程中礦物質(zhì)的溶解，導致河水與潛水中TDS以及Cl-濃度的升高。承壓水的Cl-與TDS濃度均低于潛水，與河水濃度相接近。受到該處地層結(jié)構(gòu)隆起抬升作用控制，地下水位升高，根據(jù)該處zk4鉆孔揭露出的水位信息顯示下層承壓水位靜止水位埋深為0，上次潛水靜止水位埋深為10.7 m，具備承壓水越流補給潛水的動力學條件，該處承壓水越流補給潛水后，混合水體一同溢出補給河水，可認為河水與承壓水存在間接的水力聯(lián)系，這與該處河水位和潛水位實測數(shù)據(jù)相吻合，同時河流測流結(jié)果顯示該河段在豐水期的泉流量為0.8 m3/s，因此依據(jù)該地段地質(zhì)、水文地質(zhì)條件和同位素測試資料，推斷該處承壓水越流補給潛水。

在風成沙漠區(qū)河流下游，河水、潛水與承壓水中Cl-和TDS濃度沿程逐漸降低，潛水中Cl-和TDS濃度變化較大。一般而言，從地下水的補給區(qū)到排泄區(qū)，地下水中的Cl-和TDS濃度呈現(xiàn)增加的趨勢。而在大西溝下游的風成沙漠區(qū)，地下水中的Cl-和TDS濃度反而降低，與河水的Cl-與TDS濃度變化趨勢相同，這充分反映該段地下水再次接受河水滲漏補給。此水文現(xiàn)象與測流結(jié)果一致，該河段在豐水期的河流單寬滲漏量為0.15 cm3/s。

表2 大西溝河水與兩岸地下水水化學數(shù)據(jù)

圖6 大西溝河水Cl-與TDS沿程變化Fig.6 Change of Cl-and TDS along the Daxigou River

3.3 大西溝河水與地下水δ18O與δD特征

3.3.1河水與地下水轉(zhuǎn)化關(guān)系的環(huán)境同位素指示

如圖7所示，在礫質(zhì)傾斜平原區(qū)該段河水的δD與δ18O沿程富集，且河水δD與δ18O值均大于潛水，由于河水的滲漏補給使得潛水的δD與δ18O值逐漸上升。在E1W02至H1W04處，潛水與河水δD與δ18O值同步降低，表明該段河流與地下水轉(zhuǎn)換關(guān)系發(fā)生了變化。潛水溢出補給河水導致河水δD與δ18O的降低；在E1W02至H1W04段，承壓水的δD與δ18O值接近潛水，表明該段承壓水和潛水關(guān)系密切，二者排泄補給河水，與該段水化學分析結(jié)果相對應(yīng)。

從點H1W04到風成沙漠區(qū)采樣點D15W02，受到蒸發(fā)作用的影響，河水δD值逐漸富集，而該處地下水δD值同步富集，表現(xiàn)出相同的趨勢，表明該段地下水接受河水的滲漏補給。

圖7 大西溝河水與地下水δD與δ18O沿程變化Fig.7 Variations inδD andδ18O along the Daxigou River water and groundwater

表3 大西溝河水與兩岸地下水氫氧同位素數(shù)據(jù)

3.3.2河水-地下水轉(zhuǎn)換強度與轉(zhuǎn)化模式

根據(jù)式(1)計算可得，在礫質(zhì)傾斜平原河水對潛水的滲漏補給量占潛水資源量的54%，表明河流沿程入滲補給是該區(qū)段地下水的主要來源。在細土平原區(qū)，含水層結(jié)構(gòu)由單層過渡到多層結(jié)構(gòu)，地下水埋深變淺，受地層擠壓隆起影響，地下水溢出補給河水。依據(jù)環(huán)境同位素質(zhì)量守恒原理計算地下水溢出補給河流水量，其中潛水和承壓水溢出量分別占該段河流徑流量的20.4%和58.8%。而在風成沙漠區(qū)，該段河水除了蒸發(fā)，河水全部入滲補給地下水，大西溝對伊犁河幾乎沒有補給。

根據(jù)野外實地調(diào)查、河流流量測定與水化學、環(huán)境同位素信息的分析，綜合研究區(qū)地形地貌、水文地質(zhì)和水文條件，繪制了大西溝河與地下水的轉(zhuǎn)換模式圖，見圖8，即山前粗顆粒地帶出山河水入滲轉(zhuǎn)化為地下水；中游細土平原區(qū)由于地下水流動受阻溢出補給河水，風成沙漠區(qū)河水入滲補給地下水[13]，與其他學者對于河流與地下水轉(zhuǎn)換關(guān)系研究基本相同[13,24]。大西溝河相較于伊犁河、海河、松花江等大型河流，河水深度較淺，最深處約1.5 m，河流流量較小，河床坡度大，河水與地下水的轉(zhuǎn)化強度存在較大的差異。同時受地質(zhì)條件、含水層結(jié)構(gòu)的影響其水循環(huán)方式也存在一定的差異，如李志紅[18]研究發(fā)現(xiàn)，銀川斷裂的發(fā)育及其對潛水及承壓含水層的貫通作用是控制該區(qū)地下水循環(huán)與徑流的一個重要因素。因此本文依據(jù)大西溝河水位和潛水埋藏深度實測數(shù)據(jù)、鉆孔揭露該處承壓水位與潛水水位信息，水文地質(zhì)條件和氚同位素測試資料，推斷該處承壓水越流補給潛水。通過計算發(fā)現(xiàn)，大西溝承壓水越流補給潛水比例占潛水徑流量的24.4%，與其他學者在交換方式與交換量上研究均存在差異性。如張兵[19]在第二松花江流域上游研究發(fā)現(xiàn)，山區(qū)深層地下水接受江水和潛水的補給，潛水補給比例約占50%，河水對地下水的補給比例小于50%；蘇小四[20]等人根據(jù)氚質(zhì)量均衡原理,計算出包頭平原區(qū)承壓水中潛水的混入比例為13.58%～76.09%。本研究區(qū)承壓水補給河水達到58.4%，在該研究區(qū)進行水資源開發(fā)利用時，可以適當考慮該段承壓水的開發(fā)利用，以減小河流徑流途中的無效蒸發(fā)量。

圖8 大西溝河河水與地下水轉(zhuǎn)化模式Fig.8 Conversion model for the Daxigou Riverwater and groundwater

4 結(jié)論

(1)研究區(qū)內(nèi)河水與地下水的水化學類型主要以HCO3—Ca型水為主，向南部水化學類型逐漸出現(xiàn)HCO3·SO4—Na·Mg·Ca型水，且河水與地下水水化學類型空間分布一致；河水樣點和地下水樣點分布在大氣降水線附近，其值空間變化具有明顯的相關(guān)性。

(2)通過對大西溝河水化學與環(huán)境同位素特征與分布比較研究，發(fā)現(xiàn)研究區(qū)河流與地下水之間補給排泄關(guān)系具有明顯的分段性，相互轉(zhuǎn)換頻繁，同時水化學與同位素對河流與地下水轉(zhuǎn)換關(guān)系具有較好的指示特征，并確定河流與地下水不同轉(zhuǎn)換關(guān)系與轉(zhuǎn)換地段。

(3)利用氫氧同位素通過端元法計算了河流與地下水的轉(zhuǎn)換比例，山前傾斜礫質(zhì)平原區(qū)河水入滲補給地下水，占該段潛水徑流量的56%；細土平原區(qū)地下水排泄補給河水，其中潛水和承壓水補給河水比例分別占該段河水徑流量的20.4%與58.4%；風成沙漠區(qū)河水沿途滲漏補給地下水直至斷流。