干旱区两级地下水位分配及补给量计算

干旱区两级地下水位分配及补给量计算

0地下水水资源量水化学成分转化技术中国西北干旱地区（以下简称西北干旱地区）降水少，蒸发强烈，水资源空间分布不均。前面的洪水储水池和后面的山区盆地已成为主要储水单元。地下水多来自山前侧向补给与大气降水入渗补给,因降水历时短、雨量小以及包气带厚度较大等原因,大气降水又可分为直接入渗和山区洪流间接入渗。第四系储水量的多少一般取决于沉积物分布规模及其补给量。研究第四系地下水资源量必须关注三水转化问题,传统的三水转化研究方法主要涉及介质场、水动力场、水化学场和温度场等方面,由于地下水埋藏的隐伏性、赋存的历史性等特点,传统的研究方法受到一定的限制。近些年,随着同位素测试技术的发展,同位素水文技术在水资源领域的研究内容不断扩大,发展较为迅速。在水资源评价和管理研究中,同位素水文技术对于确定地下水补给来源、补给量、地下水年龄以及了解地表水和地下水相互转化规律、水-岩相互作用、地表水和地下水污染等方面发挥其独有的作用,可以获得常规方法不能取得的关键数据并节省开支。本文结合水文地质条件,以新疆库鲁克塔格中段北部山间洼地第四系地下水为研究对象,利用D、18O、3H(T)同位素揭示第四系地下水补给来源、运动特征以及地下水年龄等,判断降水直接入渗、洪流间接入渗以及山前侧向补给在第四系洼地地下水补给中所占的比例。1地形地貌细土带研究区位于天山东段,地貌整体呈现东西向山体夹东西向洼地格局,山体之间形成与山体走向一致的洼地。地势总体上南高北低,洼地由南向北具有上下级关系,洪水出山口后于山前散流形成规模不等的砾质倾斜平原,洼地中心部位形成面积不大的细土带,最低处有洪沟切穿山体并与较低洼地相通,且有泉水溢出,汇流成溪。各级洼地受山体控制,地下水、地表水多次转化,上一级储水洼地的泉水构成下一级洼地的重要补给来源。2采样点分布及测试方法环境同位素取样是根据水资源径流路径,横向控制,充分考虑各储水洼地典型样品。由于钻孔深度限制,样品主要代表潜水及出露泉水。采样点分布如图1所示。样品测试由中国地质科学院矿产资源研究所和水文地质环境地质研究所测定。其中,δD(氘)和δ18O分别采用锌还原法和二氧化碳平衡法用MAT253EM质谱计进行测定,分析精度为±2‰。利用Qnantulus1220超低本液体闪烁谱仪测定T(氚)。3地下水中稳定的相特征3.1对降雨线d=8.18o+10研究区地表水和地下水以及降水的δD和δ18O关系如图2所示。大气降水线根据国际原子能机构乌鲁木齐资料获得:δD=7.2263δ18O+4.2825,与全球雨水线δD=8δ18O+10相比,其斜率和截距都偏小,降水点均落在乌鲁木齐雨水线左侧,斜率更小,本区降水比乌鲁木齐更稀少,蒸发更强烈。地下水与泉水点则落在降水线附近或蒸发线上,反映不同地下水单元均来自大气降水,由于径流路径、滞留含水层时间的不同,地下水受到不同强度的蒸发而偏离大气降水线,形成一条蒸发线。3.2地表下渗,降水入渗比例随立地水资源量变化地下水由南向北径流,经历了两级储水洼地,各储水洼地既是独立的地下水单元,又相互具有水力联系。山区降水通过坡面流渗入补给或侧向补给洼地地下水,上游洼地地下水则通过泉水排泄补给下游洼地,地下水和地表水反复转化,使储水洼地间构成水力联系。为计算各级洼地补给资源量所占比例,本次研究挑选典型封闭储水洼地说明三水转化特征。研究区南部一级储水洼地出口泉水中T含量为51.6TU(TritiumUnit,取样点3),反映该地下水为现代水,而其氢氧稳定同位素δ值高于大气降水,因此它除了接受大气降水补给外,还接受了南部山体侧向补给。同位素的混合比例公式为:δ样=XδA+(1-X)δB(1)式中:X为A型水与B型水的混合比例;δ样为混合后样品的同位素δD、δ18O值;δA为A型水的同位素δD、δ18O值;δB为B型水的同位素δD、δ18O值。在此处A型水即大气降水的δ值为δD=-86‰,δ18O=-15.8‰;B型水即南部山区地下水(取样点1)的δ值为δD=-56‰,δ18O=-8.2‰;δ样即一级洼地下游出露泉水(取样点3)的δ值为δD=-62‰,δ18O=-7.8‰。以δD为例,根据公式(1)得出:X=δ样-δBδA-δB=(-62%)-(-56%)(-86%)-(-56%)=0.2117(2)X=δ样−δBδA−δB=(−62%)−(−56%)(−86%)−(−56%)=0.2117(2)从公式(2)可以得出,降水直接入渗补给量约占21%,以降雪样品为A型水(δD=-64‰,δ18O=-10.1‰)计算,冰雪融水入渗补给量约占79%,即为山区洪流入渗补给量。实际一级洼地年降水、洪流入渗比例为60%。根据剖面图(图3),一级洼地泉水下渗成为基岩裂隙水,继而侧向补给二级洼地,考虑到洪水入渗补给,且一级洼地泉水稳定同位素值与二级洼地出露泉水的同位素值接近,而二级洼地上游裂隙潜水(取样点4)同位素值δD=-47‰,δ18O=-6.7‰,以裂隙水看成侧向补给并作为B型水根据公式计算,降水直接入渗比例占38%。1969年丹斯加尔德对格陵兰北部世纪营长为1390m的冰心进行了氧同位素研究,得到如下结论:8000a以来δ18O值变化不大,说明8000a以来气候相差不多;距今10000～60000a的最后一次冰期内,δ18O平均值比现在的低10%左右。我们注意到,二级洼地地下水氚含量小于3TU,并且14C测年显示其为古水(年龄大于8000a)。说明古降水直接入渗比例达到38%,而现今大气降水并没有混入,致使地下水氚含量极低。一级洼地氚含量较高,但14C测年仍高达两千多年,这似乎有些矛盾。其实不然,一级洼地除了大气降水的直接、间接补给外,侧向补给也占有相当比例,根据断面达西公式计算侧向补给比例可以达到40%左右,说明泉水中14C来自深层水,而浅层水14C含量则直接受到大气降水影响。依据此结论,一级洼地地下水流动系统将深层裂隙水与浅层孔隙水视为两个地下水流动系统。4值的估算地下水中常见的放射性同位素主要有T和14C,由于T与O形成含氚地下水,成为天然的放射性示踪剂,为人们研究地下水提供依据。大气降水中的氚有两个主要来源,宇宙射线成因的氚和核爆氚。核爆氚自20世纪50年代快速上升,至1963年达到顶峰,随后逐年降低,21世纪初已恢复到核爆前水平。由于氚的半衰期较短(12.43a),故利用氚值估算地下水年龄仅能计算百年以内尺度。由于研究区位于新疆中部,距离大气层核试验场直线距离约200km,核爆对当地降水影响较大,至今降水氚含量在本区仍高达45～65TU。根据研究区各水样点氚值测试值(表1),一级洼地地下水、泉水氚含量均较高,但深层水氚含量明显降低,二级洼地氚含量极小,因此不受现代大气降水影响,利用区域降水氚含量恢复值,估算出一级洼地浅层地下水滞留时间。4.1系统总体响应以大气降水作为输入信息,氚随着大气降水被输入到系统中,而输入与流量Q成正比,则系统输入信息用公式表示为:C入=α·S·f·P·β·ψ(3)式中:C入为随降水输入的氚信息,dpm;α为降水的深入系数;S为接受降水补给面积,km2;f为降水中氚浓度,TU;P为年降雨量,mm;β为1L水中氚计数;ψ为降水量换算因子(将mm换算km)。系统输出信息用公式表示为:C出=r·Q出·y出·β(4)式中:C出为输出氚信息,dpm;Q出为泉年平均流量或断面流量,m3/s;r为时间换算因子(年换成秒),即r=1×365×24×3600;y出为泉水平均氚浓度,TU。当地下水系统信息传输符合线性规则,整体上能将其内部结构特性概化为一个点参数,用以表示不随时间变化的系统,称之为线性时不变集中参数系统。数学上用褶积公式描述,且考虑整个时间域(0～∞),系统的总响应为各脉冲响应的叠加,并考虑放射性衰变。Q出·C出=∞∫0Q入·C入(t-τ)·e-λτ·g(τ)dτ(5)式中:τ为示踪剂滞留时间,年;t为日历时间;g(τ)为系统响应权函数。稳定流条件下,Q出=Q入,将C出公式带入公式(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为换算系数,其他符号同前式。4.2系统响应函数根据权函数类型不同,可以将模型类型分为活塞流模型和全混合模型。活塞流模型假定地下水系统的所有相继输入之间不发生混合。在这种模型中,当有一个单位脉冲示踪剂输入系统时,从系统中流出的示踪剂将是一个平均传输时间τ的函数,系统的响应函数为g(τ)=δ(t-τ),δ为狄拉克函数。示踪剂的输入输出关系为:y出(t)=y入(t-τ)·e-λτ(8)全混合模型又称指数模型,其假定系统任何时间不同年龄地下水都均匀混合。系统的响应函数为:g(τ)=(1/τm)⋅e-ττm(9)式中τm是示踪剂平均滞留时间。4.3全混合模型的建立地下水流动系统是指一个地下水系统内自补给区(源)到排泄区(汇)的径流过程中具有统一时空演变的地下水流。通过前述分析,本区一级洼地地下水可视为深层裂隙水与浅层孔隙水两个流动系统。根据地下水氚值测试结果可知:一级洼地浅层孔隙水补给来源为大气降水,氚含量较高;深层裂隙水为山前侧向补给,氚含量较低。依据氚测年尺度,本次研究仅将浅层孔隙水作为子流动系统计算地下水年龄,浅层孔隙水流动系统由于降水的直接或洪流间接补给,将降水入渗作为输入信号,泉作为输出信号,分别假定两种极端情况即活塞流模型与全混合模型计算地下水年龄。活塞流模型为:y出(t)=y入(t-τ)·e-λτ(τ=τm)(10)单输入单输出的全混合模型为: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)将全混合模型权函数代入公式(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)设φ=(3.17×10-5·α·S)/Q出(t),因1952年前降水氚浓度很低,经过一定时间衰变对地下水系统贡献已趋于0,故上式简化为:y出(t)=φτmt-1952∑τ=0Ρ入(t-τ)·f入(t-τ)·exp[-τ(1/τm)+0.05581)](14)2009年对研究区进行取样测试,同时收集了多年降水氚值测试成果。焦鹏程等研究了罗布泊卤水同位素特征,并恢复了1952年以来降水氚值。本次工作将利用其部分数据进行补充,研究区内1952年以来降水氚恢复值(表2)。另外测得一级洼地降水补给面积约为85km2,降水入渗系数为0.2(入渗系数为降水直接、间接补给共同计算得到),下游泉水流量为1000m3/d,因泉水部分来自深层水,假定地下水为稳定流,故此处泉水流量为实测流量减去山前侧向补给量。根据公式(10)和公式(14),利用f、P以及φ计算不同φ/τm条件下的泉流量中y出(2009年)值,绘制y出-τm曲线(图4,图5)。根据泉水样品氚含量平均值(51.6TU),活塞流模型计算浅层孔隙水平均年龄为32a,全混合模型计算其年龄为60a。活塞流模型和全混合模型是水混合的两种极端情况,而地下水实际滞留时间介于二者之间,故可以认为一级洼地浅层孔隙水实际年龄为32～60a。5地下水补给量研究区位于西北干旱区,地貌整体呈现东西向山体夹东西向洼地格局,地下水主要来自大气降水和山区侧向补给。地下水资源分配不均,靠近山前洼地水量丰富,远离山区洼地水量减少,并且各级洼地受山体控制,地下水、地表水反复转化,上一级储水洼地的泉水构成下一级洼地的重要补给来源。基于同位素理论,判断地下水补给来源为大气降水。各级洼地大气降水直接入渗比例各不相同,一级洼地降水与洪流入渗比例分别约为21%和79%,而山前侧向补给占40%。二级洼地地下水氚含量极低而14C年龄较大,降水入渗比例可以达到38%,但为古