馬寶強，王瀟，湯超

(1.甘肅省生態(tài)環(huán)境科學設計研究院，甘肅 蘭州 730000；2.中國礦業(yè)大學(北京)地球科學與測繪工程學院，北京 100083)

0 引言

地下水是水資源的重要組成部分[1]。地下水補給是指含水層或含水系統(tǒng)從外部獲得水量的過程[2]。補給不僅使地下水獲得水量，而且使地下水的鹽分和能量得到改變，表現(xiàn)為地下水的水位、流量、水化學組分和溫度等物理化學指標發(fā)生變化[3]。地下水補給研究是評價地下水資源多寡的關鍵工作，充足的補給量意味著更多可開發(fā)利用的地下水資源。對地下水補給資源與生態(tài)環(huán)境關系認識不清，盲目超采地下水資源，還會造成地表水體生態(tài)流量減少等生態(tài)環(huán)境惡化的風險[4]，而在干旱半干旱地區(qū)很多地下水開采都是不可持續(xù)的[5]，地下水開發(fā)利用和維持生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定的矛盾非常突出[6]，因此合理評價地下水補給資源確定允許開采量是地下水可持續(xù)開發(fā)利用的基礎。通常大多數(shù)地下水的主要補給來源為大氣降水[3,7]。估算地下水補給量的主要方法包括[8-9]：同位素法、氯離子質量平衡法、水均衡法、達西定律法和包氣帶數(shù)值模擬法等。在干旱半干旱地區(qū)，由于降水量有限，因此通常很難用常規(guī)方法準確估算降水對地下水的補給量。全球有很多干旱半干旱地區(qū)開展過地下水補給研究[5]，估算得到地下水平均補給率在0.2～35mm/a之間，僅占多年平均降水量的0.1%～5%，補給量非常有限。本研究主要介紹氚峰法和氯質量平衡法在估算大氣降水對地下水補給方面的主要應用及其基本原理，這兩種方法都普遍用于干旱半干旱地區(qū)的地下水補給研究，對于準確評價干旱半干旱地區(qū)地下水補給資源具有重要作用。此外，應用氯質量平衡法還可以研究植被覆蓋變化對地下水補給的影響和示蹤地下水的補給歷史及氣候變化。

1 氚峰法

1950年以來，世界各地的核爆試驗活動向大氣中輸入了大量人為形成的氚，到1963年達到了峰值(圖1)，大氣中的氚會隨著降水進入到土壤與地下水中。包氣帶是地球關鍵帶主體，是大氣降水、地表水、土壤水和地下水“四水”轉化的活躍地帶，在干旱、半干旱的巨厚包氣帶地區(qū)，1963年的核爆氚峰可能會仍然保存在包氣帶中，因此可以利用氚峰法估算地下水的補給量。然而，由于氚的半衰期短，全球大部分地區(qū)已經觀測不到氚的峰值，因此氚峰法不再是研究地下水補給的理想方法，而且在降水入滲速率大和包氣帶厚度小的地區(qū)，包氣帶中的氚會很快進入地下水中，導致利用氚峰法計算得到的地下水補給量會偏大。不過在黃土地區(qū)，特別是在黃土高原地區(qū)，由于黃土塬包氣帶的厚度通常較大，通常在幾十米至百余米，而且土壤水的入滲速率較低，入滲方式以活塞流主導，1963年的核爆氚峰至今仍然保留在包氣帶中(圖2)，因此可以利用氚峰法有效的估算地下水補給量。張之淦等[10]早在20世紀90年代初期就發(fā)現(xiàn)山西省平定縣黃土包氣帶中保存有明顯的1963年的氚峰，其下滲深度在6m左右。李晗等[11]在陜西省長武塬鉆取了3個黃土包氣帶剖面，發(fā)現(xiàn)3個剖面的氚峰依然清晰保持在6.6～8.2m的深度。黃天明等[12]最新研究成果表明黃土高原上的最大黃土塬-董志塬包氣帶中1963年的氚峰仍然保存在7.5m的位置，并以氚峰法推斷降水對地下水的補給量為39mm/a。此外，還可以通過投放人工氚的示蹤方法，定期觀測氚峰的下移深度，估算地下水的補給量[8]。李杰彪等[13]采用人工氚示蹤得到甘肅北山地區(qū)地下水的補給量僅為2.56～6.57mm/a，表明該地區(qū)對儲存高放廢物比較有利。利用氚峰法估算地下水補給的計算方法如下：

圖1 大氣降水中氚含量的輸入歷史和衰減曲線[14]

(1)

式中：R為補給量/(mm/a)；h為氚峰的深度/m；t為采樣時間/a；θv為氚峰以上包氣帶剖面的平均體積含水量/%。

圖2 包氣帶剖面及淺部氯累積和1963-3H峰(改自Huang et al.,2019)

2 氯質量平衡法

2.1 估算地下水補給量

氯離子在水中的溶解度很高，會隨著降水進入包氣帶和含水層中(圖2)，是一種理想的環(huán)境示蹤劑。在干旱半干旱地區(qū)，氯離子質量平衡法被認為是一種比較簡單和準確估算地下水補給量的方法，因此被廣泛應用于干旱半干旱地區(qū)地下水補給量的估算[5]。該方法最早是Eriksson和Khunakasem[15]提出，Allison和Hughes[16]在此基礎上進一步提出了利用包氣帶剖面氯離子含量估算地下水補給量的氯質量平衡方法。1980年，Edmunds和Walton[17]對該方法進行了修正和完善，明確指出在以活塞流為主導的地下水補給機制和氯離子沒有額外來源的條件下，氯質量平衡法可以有效地估算干旱半干旱地區(qū)的地下水補給量。但是如果地表存在喜鹽植物對氯離子有大量的吸附作用，則氯質量平衡法就不適于評價地下水的補給量[18]。

黃天明等[12]采用氯質量平衡法得到董志塬每年大氣降水對地下水的補給量為37～41mm/a，該結果與氚峰法得到的結果(39mm/a)基本接近，據此可以估算董志塬黃土潛水每年接受降水補給的資源量為(3.0～3.2)×107m3/a。馬金珠等[19]采用該方法得到巴丹吉林沙漠南部地區(qū)降水對地下水補給量為1.3mm/a，僅占多年平均降水量的1.5%，補給量非常有限，該結果與劉曉艷等[20]在巴丹吉林沙漠東南部區(qū)域采用氯離子得到的補給量基本一致。

氯質量平衡法的應用主要基于以下假設：(1)巨厚包氣帶；(2)水在包氣帶中運移方式是一維活塞流；(3)補給水源為大氣降水；(4)地表徑流為零；(5)大氣氯沉降穩(wěn)定。大氣降水中氯沉降和土壤表層以下(包氣帶)的氯離子含量滿足如下的方程式：

P=R+E

(2)

CP·P+D=R·CS+0·E

(3)

(4)

式中：P為大氣降水量/(mm/a)；R為地下水多年平均補給量/(mm/a)；E為地表的蒸散發(fā)量/(mm/a)；CP為降水中的氯離子含量/(mg/L)，CP·P為氯離子的濕沉降量；D為氯離子的干沉降量；CS是包氣帶土壤水中的平均氯離子含量/(mg/L)，由于近代人類活動導致氯離子在包氣帶淺部有一定累積(圖2)，因此通常采用不受近代人類活動影響的包氣帶深部土壤水氯離子含量的加權平均值，計算公式如下：

(5)

式中：Ci為每個樣品的氯離子含量/(mg/L)；θvi為每個樣品的體積含水量(單位%，θvi=ρg·θg/ρw，ρg，θg，ρw分別為土壤干密度、重量含水量和水的密度)；Z為取樣間隔/m，n=0，1，2…n，為樣品編號。

2.2 研究植被覆蓋變化對地下水補給的影響

影響地下水補給的因素有很多，主要包括人為因素和自然因素，在人類活動逐漸加劇的背景下，人為因素對地下水補給的影響越來越大，其中人工植樹造林的增加或改變種植類型導致地下水補給量變化的研究有待加強。非洲尼日爾地區(qū)1950—1998年間，盡管1970—1998年的年均降雨量比1950—1969年減少了23%，但是由于開墾種田，將大面積自然植被(灌草木)改變?yōu)槿斯しN植的小米，反而導致區(qū)域地下水的補給量[21]由2mm/a增加到了25mm/a。植被覆蓋變化，還會導致地下水補給量的減少。我國北方毛烏素沙漠地區(qū)規(guī)?；矘湓炝钟媱潓β懵渡暗剡M行植被恢復，會導致地下水補給率減少33%～90%以上[22]，使地下水補給率明顯降低。Owuor等[23]也研究表明裸露土地的植被恢復可將地下水補給率從42%減少至6%～12%，而將森林開墾為牧場會導致地下水補給率增加(7.8±12.6)%。從全球來看[24]，各種土地利用類型下地下水的補給率：農田(0.11)>草地(0.08)>林地(0.06)>灌木叢林地(0.05)。因此如何準確評估植被覆蓋變化對地下水補給的影響，特別是干旱-半干旱地區(qū)，對指導土地開發(fā)利用規(guī)劃具有重要意義。氯質量平衡法被認為是一種可以較好估算干旱半干旱地區(qū)植被覆蓋變化對地下水補給的影響，但使用必須符合一個前提條件：包氣帶剖面中的氯含量達到穩(wěn)態(tài)。包氣帶中的高氯含量反映了低的補給率，而低氯含量反映了高的補給率。植被覆蓋變化對地下水補給的影響可以采用下式計算[25]：

(6)

式中：△為植被覆蓋變化引起地下水補給量的變化率/%；Ri、CSi分別為植被覆蓋變化前地下水的補給量/(mm/a)和包氣帶土壤水的加權平均氯含量/(mg/L)；Rn、CSn為植被覆蓋變化后地下水的補給量/(mm/a)和包氣帶土壤水的加權平均氯含量/(mg/L)。

2.3 研究地下水補給歷史及氣候變化

結合包氣帶土壤水的氯離子累積年齡和地下水接受降水的補給率變化，可以研究地下水的補給歷史及氣候變化。馬金珠等[19,26]采用包氣帶氯質量平衡法研究了巴丹吉林沙漠近800年以來古氣候明顯經歷了4個干期(地下水補給率低)和3個濕期(地下水補給率高)。黃天明等[27]采用相似方法揭示了鄂爾多斯西部干旱草原地區(qū)2500年以來的干旱化過程，表明地下水的補給量在不斷減少。鄧林等[28]利用氯質量平衡法研究了陜北沙漠-黃土過渡帶的地下水補給歷史及氣候變化，結果表明1990年以來，隨著氣溫升高和降水減少，地下水的補給量在逐漸降低。包氣帶剖面任意某位置土壤水的累積年齡等于從地表到該位置的氯離子累積質量除以多年平均的氯離子輸入量，即為氯離子累積年齡[22，27]：

(7)

式中：t為包氣帶剖面任意位置土壤水的氯離子累積年齡/a；z為包氣帶剖面的深度/m；θv為包氣帶剖面樣品的體積含水量/%。

3 結論

環(huán)境示蹤劑在地下水補給研究中具有重要作用，本文介紹了兩種常見環(huán)境示蹤劑法氚峰法和氯離子質量平衡法的基本原理及其在地下水補給方面的主要應用。這兩種方法在干旱半干旱地區(qū)都是非常簡單并且可靠的評價地下水補給資源的方法，二者應用的共同前提是地下水補給機制必須為活塞流。氚峰法主要是利用包氣帶中保存的1950年以來人類核爆試驗活動產生的1963年氚峰信息，進而根據氚峰位置和入滲時間估算地下水的入滲速率和補給量。氯質量平衡法主要是利用包氣帶中的氯離子剖面信息，根據氯質量平衡原理估算地下水的補給量。此外，應用氯質量平衡法還可以研究植被覆蓋變化對地下水補給的影響和地下水的補給歷史及氣候變化。