劉 軍

(水利部新疆維吾爾自治區(qū)水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院，新疆 烏魯木齊 830000)

氚(3H)是氫的一種放射性同位素，半衰期為 12.32年[1]。大氣降水中的氚入地下水以后，參與地下水循環(huán)，作為一種環(huán)境示蹤劑和測年技術(shù)手段，在地下水年齡[2-4]、更新能力與更新速率[5-8]等已取得了廣泛的應(yīng)用。

我國的大氣氚濃度背景值監(jiān)測工作起步較晚，已有實(shí)測資料不能滿足實(shí)際應(yīng)用要求[9]，而氚法的應(yīng)用關(guān)鍵在于對大氣降水中氚濃度值的確定。因此，需要使用數(shù)學(xué)方法對大氣降水的氚濃度進(jìn)行恢復(fù)；對于所恢復(fù)的研究區(qū)大氣降水氚序列的準(zhǔn)確性以及具體適用性需要結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行充分討論。同時(shí)，對于人類活動集中的河流綠洲帶，其地表水、地下水所反映出的氚同位素特征需要同時(shí)考慮自然因素和人為因素才能客觀反映其結(jié)果。

本文主要以塔里木盆地平原區(qū)為研究對象，選取塔里木盆地南部皮山河、玉龍喀什河所流經(jīng)的河流綠洲帶，并結(jié)合全球大氣降水同位素網(wǎng)絡(luò) GNIP( Global Network of Isotopes In Precipitation)監(jiān)測數(shù)據(jù)[10]和前人的研究成果進(jìn)行分析討論，探討大氣降水氚濃度恢復(fù)及在該區(qū)域適用性，并對綠洲帶地表水、地下水氚值特征及其影響因素進(jìn)行討論。

1 研究區(qū)概況

塔里木盆地為全封閉型的大型內(nèi)陸盆地，除東面有較低的風(fēng)口外，其余三面高山環(huán)繞，使得濕潤的海洋氣流難以進(jìn)入，為典型的溫帶大陸性干旱型氣候[11]。研究區(qū)內(nèi)大氣降水氚濃度監(jiān)測資料匱乏，且受20世紀(jì)60、70年代大氣層核試驗(yàn)的影響，在大氣中產(chǎn)生了大量的氚，大氣降水氚濃度的恢復(fù)難度較大[12]。同時(shí)，塔里木盆地周邊分布著大大小小主要形成于山區(qū)而散失于平原的眾多河流，河流的徑流量季節(jié)變化不大，年內(nèi)分布極不均勻，補(bǔ)給源主要為大氣降水與冰雪融水[13]。廣泛分布河流孕育著綠洲，是人們生產(chǎn)生活的重要集中地，是極具代表性的人類活動區(qū)域，受人類活動影響顯著[14]。

皮山河屬冰雪消融、降水混合補(bǔ)給型河流，全年水量74%以上集中在夏季，由發(fā)源于中昆侖山西段北坡的克里陽河布瓊河、兩大支流匯集而成[11]。由南向北，皮山河在流經(jīng)克里陽時(shí)注入雅普泉水庫，而后在流經(jīng)皮山縣灌區(qū)消失于塔克拉瑪干大沙漠[15]。

玉龍喀什河發(fā)源于昆侖山西段的主峰昆侖峰區(qū)北坡山區(qū)，是一條以冰雪融水為補(bǔ)給為主的河流，徑流年際變化不大；但年內(nèi)分配極不均勻，冰雪消融水量占全年水量的66.3%，7、8月水量占年水量的67.1%，6—9月來水量占年水量的88.6%[11]。

2 資料來源

研究區(qū)大氣降水氚數(shù)據(jù)來自全球大氣降水同位素網(wǎng)絡(luò) GNIP監(jiān)測數(shù)據(jù)[10]和前人的研究成果。玉龍喀什河、皮山河地表水與地下水氚樣于2016年7、11月采集，樣品分析測試送至核工業(yè)北京地質(zhì)研究院分析測試研究中心和國土資源部地下水礦泉水及環(huán)境監(jiān)測中心(中國地質(zhì)科學(xué)院水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)研究所)進(jìn)行，樣品經(jīng)過蒸餾、電解富集后，通過超低本底液體閃爍譜儀(Quantulus1220)來測試，分析精度為±1.0TU。

3 大氣降水氚序列恢復(fù)及討論

3.1 常用恢復(fù)方法分析

目前，用于恢復(fù)歷年大氣降水氚濃度的方法主要有關(guān)秉鈞法[16-17]、插值法[18]、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法[19]、趨勢面分析法[20]、多元線性回歸法[21]、因子分析法[22-23]等，為提高恢復(fù)結(jié)果的可靠性，部分學(xué)者采用多種方法進(jìn)行比較[24-25]，相關(guān)方法的詳細(xì)操作過程可參見有關(guān)文獻(xiàn)。

在這些常用的方法中，個(gè)別方法只能相對有效恢復(fù)某一時(shí)間段數(shù)據(jù)，如關(guān)秉鈞法、多元線性統(tǒng)計(jì)法等；有些方法可以恢復(fù)較長時(shí)間序列的數(shù)據(jù)，但限于參考監(jiān)測站點(diǎn)數(shù)據(jù)之間的同步性，只能恢復(fù)某一時(shí)間段段數(shù)據(jù)，如插值法、趨勢面分析法等。通常，對于這些恢復(fù)出的某一時(shí)間段數(shù)據(jù)與具有長時(shí)間監(jiān)測站點(diǎn)同時(shí)期的數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)分析，以期獲得長時(shí)間序列的大氣降水氚恢復(fù)數(shù)據(jù)[18，24]。使用因子分析法時(shí)需要20世紀(jì)60年代具有全球普遍特征的“氚峰”數(shù)據(jù)。因子分析法相對于其它常用方法而言，在實(shí)際應(yīng)用上較為簡單，而且從恢復(fù)結(jié)果上來看，其具有更長時(shí)間和更大空間的適用性[24]。

3.2 研究區(qū)已有研究成果分析

林瑞芬測定新疆托木爾峰地區(qū)瓊臺蘭冰川剖面氚含量；焦鵬程采用插值法恢復(fù)羅布泊地區(qū)1969—1976年降水氚含量，并與渥太華站的資料進(jìn)行相關(guān)分析，確定出羅布泊地1952—1996年的大氣降水氚含量[25]；趙振華采用因子分析法，恢復(fù)了塔里木盆地東北部1960—2009年大氣降水氚濃度值[12]。

通常大氣降水的氚含量峰值應(yīng)在1963年，林瑞芬測定的剖面氚含量記錄表明新疆某些地區(qū)由于受當(dāng)?shù)睾嗽囼?yàn)的影響，大氣降水氚含量過程線中不僅有1963年的峰值，而且在1967年和1969年亦出現(xiàn)峰值[28-29]。趙振華在采用因子分析法恢復(fù)塔里木盆地東北部大氣降水氚序列的過程中，限于資料的缺乏，建模時(shí)大氣降水氚數(shù)據(jù)分時(shí)間段，分別采用前人已有研究成果和GNIP站點(diǎn)數(shù)據(jù)，模型本身無法兼顧我國核試驗(yàn)影響因素。

同時(shí)，對于不同研究區(qū)，方法的選用是否合理，恢復(fù)所采用的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)在整個(gè)恢復(fù)序列時(shí)間段中是否具有整體的代表性，恢復(fù)結(jié)果是否準(zhǔn)確，很難做出客觀、真實(shí)的判定。

3.3 大氣降水氚恢復(fù)數(shù)據(jù)適用性討論

為了對研究區(qū)大氣降水氚恢復(fù)序列有較為直觀的認(rèn)識，結(jié)合研究區(qū)實(shí)際情況并借鑒趙振華的模型計(jì)算值，總結(jié)整理研究區(qū)1952—2009年大氣降水氚濃度值進(jìn)行分析，如圖1所示。

圖1 1952—2009年塔里木盆地大氣降水氚恢復(fù)序列

其中，1952—1959年數(shù)據(jù)引用了焦鵬程2004年發(fā)表的數(shù)據(jù)[7]；1960—1974年數(shù)據(jù)借鑒林瑞芬研究成果[26-27]；1975—2005年數(shù)據(jù)借鑒趙振華校正后的模型計(jì)算值，2005—2009年數(shù)據(jù)借鑒趙振華野外實(shí)際采樣后換算的年均值[28]。

由圖1看出，大氣降水氚序列所體現(xiàn)出的特征與其它地區(qū)所建立的序列類似，具有20世紀(jì)60年代全球特征的“氚峰”，到20世紀(jì)70年代后，大氣降水氚濃度大幅降低。自然狀態(tài)下，氚濃度的變化除了放射性衰變，還與其他因素有關(guān)，緯度效應(yīng)和海洋-陸地效應(yīng)是主要控制因素。如果單純依靠放射性衰變，從氚濃度高峰減少天然水平，大約需10個(gè)半衰期，實(shí)際上只需要3半衰期[28]。

將1975年后的大氣降水氚恢復(fù)數(shù)據(jù)進(jìn)一步分析，可以看出1975年后大氣降水氚濃度整體呈明顯的下降趨勢，但波動顯著，說明大氣降水氚濃度的變化受多種因素控制。同時(shí)，可以看出1980—1995這15年間，大氣降水氚濃度基本在同一范圍波動，15年數(shù)據(jù)無法反映出大氣降水氚濃度整體下降的趨勢，對整體而言不具有代表性。

具有長時(shí)間序列的大氣降水監(jiān)測數(shù)據(jù)較少，一般多為短期數(shù)據(jù)。為進(jìn)一步對短時(shí)期降水?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行比較分析，選用GNIP在北半球具有代表性的香港站、渥太華站和位于新疆內(nèi)烏魯木齊站、和田站，對這4各站點(diǎn)都具有的同一時(shí)期數(shù)據(jù)與研究渠大氣降水氚恢復(fù)序列進(jìn)行比較分析，如圖2所示。

由圖2可以看出，對于1988—1992年監(jiān)測數(shù)據(jù)，4個(gè)站點(diǎn)在這一相同時(shí)期監(jiān)測數(shù)據(jù)無論數(shù)值大小，均具有明顯的波動性，但該段數(shù)據(jù)對于各站點(diǎn)所在區(qū)域中是否具有整體的代表性，無法做出準(zhǔn)確判斷。對于2001—2009年數(shù)據(jù)，香港站、渥太華站相對于各自1988—1992年數(shù)據(jù)波動不大、趨于平緩，2站點(diǎn)所在區(qū)域大氣降水氚值基本恢復(fù)到了自然水平值。同時(shí)可以看出，對于2001—2009年數(shù)據(jù)，香港站、渥太華站與塔里木盆地降水恢復(fù)的這一時(shí)期的數(shù)據(jù)相比仍具有相同的波動變趨勢，只是后者波范圍較大。

圖2 同一時(shí)期不同站點(diǎn)大氣降水氚數(shù)據(jù)比較

對于塔塔里木盆地大氣降水氚恢復(fù)序列而言，2000—2009年數(shù)據(jù)與1998—1992段類似，仍具有明顯的波動性，但整體趨勢下降。

整體而言，同1988—1992年數(shù)據(jù)相比，2000—2009年數(shù)據(jù)整體數(shù)值變小，塔里木盆地大氣降水氚濃度值依舊高于渥太華站、香港站。兩站在后段已逐漸趨于穩(wěn)定，以此推知，塔里木盆地大氣降水氚濃度也應(yīng)逐漸趨于穩(wěn)定，只不過氚值較高，波動相對較大。為了驗(yàn)證這一點(diǎn)，將監(jiān)測數(shù)據(jù)較全的渥太華站、香港站1975年之后的大氣降水產(chǎn)監(jiān)測數(shù)據(jù)與塔里木盆地大氣降水氚恢復(fù)數(shù)據(jù)對比分析，如圖3所示。

由圖3可以看出3處地點(diǎn)整體變化趨勢相同，渥太華站點(diǎn)與塔里木盆地?cái)?shù)據(jù)較為相似。同時(shí)，可以看出1995年之后，香港站和渥太華站雖還有小波動，但基本處于平穩(wěn)，由此可見在此之后，大氣降水氚濃度基本恢復(fù)到自然狀態(tài)。同理，塔里木盆地大氣降水氚濃度也應(yīng)具有同樣的變化趨勢。

一般認(rèn)為大氣降水氚的自然背景值在10TU左右，由圖3還可以看出，塔里木盆地大氣降水氚背景值約在30TU左右，其值遠(yuǎn)高于國內(nèi)其它地方。這是由于其所在區(qū)域背景值較高，塔里木盆地正處于以張掖為高值中心的“中緯度高氚帶”，是巨大的海洋-陸地作用、內(nèi)陸干旱氣候和鄰近當(dāng)年核試驗(yàn)場多種因素復(fù)合作用的結(jié)果[28]。

圖3 塔里木盆地、渥太華站、香港站1975年以后對大氣降水氚數(shù)據(jù)

4 地表水、地下水氚同位素特征分析

4.1 檢測結(jié)果分析

在玉龍喀什河、皮山河進(jìn)行水樣采集，取樣檢測結(jié)果見表1。

皮山河、玉龍喀什河主要接受大氣降水和冰雪融水補(bǔ)給，根據(jù)取樣檢測結(jié)果顯示，無論是皮山河水樣還是玉龍喀什河水樣，其檢測氚值多數(shù)處于30TU以下，這也驗(yàn)證了前文分析的合理性。水樣Q5檢測值處于30TU左右，結(jié)合取樣位置分析發(fā)現(xiàn)水樣Q5取自河流出山口地下水溢出帶，地下水徑流條件好，較早接受山區(qū)水源補(bǔ)給，因此檢測值較高；水樣C2氚檢測值在1TU左右，這是由于取自綠洲地深層地下水，徑流時(shí)間長，更新速度慢。同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)，除去Q5、C2點(diǎn)外，無論是同時(shí)期還是不同時(shí)期的各水體，其值差異不大，無規(guī)律。

4.2 影響因素分析

盆地周邊的河流主要為雪冰融水和降水混合補(bǔ)給型河流，其補(bǔ)給源主要形成于山區(qū)[11]。在上游山區(qū)段，峽谷深切，支流眾多，水量充盈[29]。形成于山區(qū)的降水，以多年積雪、冰川與夏季暴雨洪流形式體現(xiàn)，補(bǔ)給河流，孕育綠洲。河流的補(bǔ)給源存在多樣性、變化性、累積性和滯后性[14]。因此，綠洲帶各水體在進(jìn)入綠洲帶前即已包含不同時(shí)期的大氣降水氚特征，已在自然狀態(tài)下發(fā)生混合。根據(jù)前文分析，塔里木盆地大氣降水氚已恢復(fù)到自然狀態(tài)，約30TU左右，因此，綠洲帶各水體氚值處于30TU以內(nèi)。

同時(shí)，河流綠洲帶是塔里木盆地周邊人們從事生產(chǎn)生活主要聚集地，綠洲帶各水體受人為活動影響顯著。由于水資源相對短缺，使得大部分綠洲生態(tài)環(huán)境十分脆弱，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)主要依靠人工灌溉，形成了獨(dú)特的“灌溉農(nóng)業(yè)，荒漠綠洲”生態(tài)環(huán)境和社會經(jīng)濟(jì)體系[30]。為達(dá)到對有限水資源的充分合理利用，自出山口始，人為修建了大量的水利工程。地表水到達(dá)下游平原灌區(qū)后，渠系河道交織并存，機(jī)井廣布，抽取地下水進(jìn)行灌溉，使各水體發(fā)生不同程度的混合，引發(fā)地下水氚分布隨時(shí)間和三維空間發(fā)生改變。因此，無論是同時(shí)期還是不同時(shí)期各水體，其氚值規(guī)律性不明顯。

5 結(jié)論

(1)塔里木盆地大氣降水氚濃度在2010前后已逐漸接近30TU的自然水平狀態(tài)。

(2)在河流綠洲帶，各水體氚值差異不大，沒有明顯的區(qū)分，綠洲帶水體體現(xiàn)出混合水體的特征。

(3)氚法的優(yōu)勢正在逐漸喪失，以氚值為基礎(chǔ)所體現(xiàn)出的各水體特征的可靠性需要進(jìn)一步驗(yàn)證。