黑河流域水循环过程中地下水同位素特征及补给效应

通过环境同位素及其Tamers、IAEA模型应用研究表明,黑河流域水循环过程中地下水同位素特征与补给源属性和数量密切相关,具有非均一性;东部以山区降水通过出山地表径流补给为主,西部冰川雪融水和山区基岩裂隙水是主要补给源,下游区依赖中游区河水下泄状况,蒸发特征明显。东部同位素较新且地下水更新较快,西部同位素较老且地下水更新较慢;祁连山前戈壁带地下水同位素与山区河水相近,细土平原带地下水补给河水;高台一带受酒泉低氚值地下水补给影响而河水和地下水氚值都偏低;近河道带地下水年龄较新,远离河道则较老。因此,充分利用地下水与地表水之间转化规律,联合优化调控,有利于该区地下水资源可持续利用。     

甘肃西部平原区地下水同位素特征及更新性

大量同位素资料研究表明，甘肃西部黑河流域南部平原区地下水补给和更新的特征是，具有非均一性和有限性；潜水较年轻又更新快，承压水较老又更新慢；东部地下水更新较快，西部更新较慢；祁连山前戈壁带地下水更新较快，细土平原更新较慢；近河道带地下水更新速率大，远离河道则小。上述特征与出山地表径流量及其补给源属性密切相关。因此，结合地下水更新特征，充分利用祁连山前戈壁带较强的入渗条件和调蓄功能，与地表水联合优化调控，有利于该区水资源可持续利用。     

黑河流域地下水同位素年龄及可更新能力研究

通过对黑河流域地下水的放射性同位素如氚(T)和¹⁴C的测定, 对该流域浅层和深层地下水的年龄以及其更新速率进行了估算. 结果表明: 整体上看, 从黑河流域的上游、中游至下游, 浅层和深层地下水年龄逐渐增加, 地下水更新速率也逐渐增大. 其中, 黑河上游浅层和深层地下水平均更新速率分别为1.96%·a^-1和1.76%·a^-1, 可更新能力最强; 中游浅层和深层地下水平均更新速率为1.25%·a^-1和0.68%·a^-1, 可更新能力次之; 下游浅层和深层地下水平均更新速率分别为0.74%·a^-1和0.18%·a^-1, 可更新能力最差. 黑河流域不同地带地下水由于循环条件的不同, 浅层和深层地下水年龄存在较大的差异. 其中, 中游山前平原补给条件较好, 浅层和深层地下水年龄较小; 中、下游远离河道地区浅层和深层地下水补给条件差, 显示了更老的年龄. 黑河流域埋深40 m以上的浅层地下水平均更新速率(1.13%·a^-1)高于埋深40~100 m之间的中层地下水(0.65%·a^-1)以及埋深100 m以下深层地下水(0.55%·a^-1). 因此, 在黑河流域地下水开发过程中要合理开发浅层地下水, 适当缩减开发深层地下水.     

从黑河流域地下水年龄论其资源属性

地下水资源的可持续性是当前干旱区流域水资源管理的首要问题之一 ,我国西北内陆干旱区地下水的可持续开发必须首先要了解地下水系统的更新能力 ,地下水的放射性同位素测年可以提供系统循环时间和更新能力的重要信息。本文利用地下水中放射性氚 (3H )和碳 (1 4C)测年方法 ,计算黑河流域地下水的年龄 ,进而讨论地下水的更新性。结果表明 :潜水年龄多数小于 5 0 a,具有可再生的资源的属性 ,其中山前戈壁带和张掖盆地细土平原潜水地下水年龄小于 4 0 a,为 196 3年以来补给。酒泉东盆地排泄区承压含水层中地下水的年龄为 2 338～5 5 6 9a,额济纳附近的深层承压含水层中 ,地下水的年龄为 5 4 86～ 86 30 a,地下水资源更新性较差。但是张掖盆地河流附近深层承压地下水年龄小于 5 0 a,具有一定的更新性。上述认识不仅对黑河流域水资源管理和生态环境建设具有重要意义 ,而且对西北类似的内流盆地的地下水系统的研究有着借鉴意义     

氚同位素在黑河流域水循环研究中的应用

通过对黑河流域不同水体如降水、河水、深井（>80m） 、浅井（<80m）及泉水的氚（T）含量的测定,结合文献资料和国际原子能机构数据,对流域不同水体氚（T）含量的空间分布特征进行了分析,并对黑河流域浅层和深层地下水的补给来源、年龄及其更新时间进行了研究。结果表明：1）黑河上游、中游及下游河水T含量分别为50.0TU,33.3TU及20.9TU,呈逐渐降低趋势;上游和中游降水T含量变化也呈相似的规律,说明黑河流域河水来自黑河源区降水,且河水从上游到下游流动过程中与地下水进行转换。尤其是在临泽到正义峡段,河水的平均T含量为31.9TU,说明张掖和临泽灌溉抽提的地下水对河水有补给作用。2）黑河上游和中游山前平原的深层地下水T含量大于30.0TU,补给年龄小于50a;中游盆地及下游深层地下水T含量低于10.0TU,地下水年龄在50a以上,为次现代水,更新速度慢。3）黑河上游地下水和河道附近区域的浅层地下水的T含量高于30.0TU,补给年龄低于50a;远离河道浅层地下水T含量低于10.0TU,补给年龄大于50a。说明黑河源区降水是上游地下水的补给源,出山径流是黑河干流附近浅层地下水的主要补给源,地下水补给年龄低于50a,更新期短;远离河道区域的浅层地下水T含量低于10.0TU,为次现代水,更新速度慢。本研究结果对合理科学地利用黑河流域水资源具有借鉴意义。     

黑河流域地下水研究进展综述

本文在分析和总结前人研究成果的基础上,综述了地下水研究的主要技术手段与方法,详细介绍了黑河流域地下水研究的主要内容与现状,包括地下水特征及成因分析、地下水资源变化储量、地下水与地表水之间的转化关系、地下水变化对生态环境的影响、地下水模拟方面的研究进展.最后,概述了此方面研究存在的主要问题,并展望了今后的研究方向.     

黑河流域地下水利用现状及对策

本文分析了黑河流域水文地质条件和地下水资源的特点，开发现状，阐述了地下水开发利用中存在的主要问题，提出了黑河流域地下水开发的对策与建议。     

黑河流域走廊平原地下水补给源组成及其变化

通过环境同位素、水文分割法和相关分析研究表明,祁连山区降水、冰川雪融水和基岩裂隙水通过出山口地表径流补给构成黑河流域走廊平原地下水主要补给源,具有年际和年内丰枯动态变化规律,与祁连山区降水量和气温的关联度分别为0.97和0.79,与平原张掖站降水量和气温的关联度分别为0.43和0.60。在自然径流条件下,祁连山区降水量变化是改变走廊平原地下水补给的主导因素,约占91%权重;气温变化是重要影响因素,约占9%权重。20世纪80年代以来祁连山区各补给源处于偏丰期。因此,近年来走廊平原地下水补给量相对50年代减少27.1%,人类活动是重要影响因素,急需加强科学调控。     

黑河流域地表水与地下水转换关系的几点质疑

张掖、高台和临泽沿着黑河一带泉水总量在（10-13）×108m3/a之间，泉水对张掖地区的农业生长、生态环境、工业和人民生活极为重要，近年来虽然泉水量在减少，但基本保持稳定状态。对于泉水的补给来源基本被认为是由黑河等地表径流转换而来的，认为河流在山区排泄地下径流，进入山前平原以后，变成河水补给地下水，而在适当条件下地下水以泉的形式溢出地面，因此构成地表水与地下水相互转换的复杂过程。很多人认识这种过程是水循环的一个组成部分，其表现形式为河水渗漏-溢出-再渗漏-再溢出等，是一种反复转化过程，并称此过程为水资源相互转化多巡回性。笔者结合同位素分析对这种地表水-地下水-泉水-地下水-泉水的多次转换模式产生一定质疑。     

黑河流域地下水氘过量参数特征

利用δ(18O)和δ(D)资料对黑河流域的冰雪融水、地表水、地下水的氘过量参数(d值)特征的研究结果表明:①黑河流域源区祁连山区冰雪融水的d值特别偏正,为16.0‰～24.8‰;②张掖盆地细土平原浅层地下水的d值(9.0‰～12.0‰)与深层地下水的d值(16.6‰～21.8‰)表现出明显的差异性,指示着不同的补给来源,浅层地下水主要由大气补给,深层地下水反映出冰雪融水补给的特点;酒泉盆地浅层和深层地下水的d值接近(介于15.8‰～19.6‰间),主要以山区冰雪融水和基岩裂隙水补给为主;③额济纳盆地大部分浅层地下水的d值介于2.6‰～8.8‰间,受到了一定程度的蒸发作用,这是干旱地区地下水的特殊特征;④古日乃地区地下水的d值特别偏负,达-30‰左右,这种现象在全球极为罕见;⑤东居延海地区附近的深层承压水的d值(-2.4‰～-1.0‰)也表现出了一定的特殊性,表明该区地下水是在较寒冷的气候条件下形成的;⑥东居延海地表水和天鹅湖湖水的δ(18O)和δ(D)均为正,远大于了海水的氧氘值,而且d值异常偏负,达-55.2‰～ -35.8‰,这可能是极度干旱的环境下地表水过度蒸发的结果.研究揭示了流域水循环转化过程中和大气降水、冰雪融水、地表水、地下水之间的相互关系及其作用,为流域水资源管理和生态环境保护提供了有意义的信息.     

黑河流域水资源转化特征及其变化规律

黑河流域水资源主要以冰雪水资源、 地表水资源与地下水资源的形式存在.上游祁连山区分布有现代冰川428条, 发育大小河流共计29条, 多年平均出山径流量37.83×10⁸m³·a^-1; 中下游走廊平原由松散沉积的第四系盆地组成, 接受出山河水及引灌河水的入渗补给, 是地表水资源的重复表现形式, 地下水补给量为25.637×10⁸m³·a^-1.受构造-地貌条件的制约, 自南部山区至北部盆地, 地下水与河水之间经过5个不同地带有规律的、 大数量的、 重复的转化过程, 形成完整统一的"山区地下水-出山地表水-中游盆地地下水-中游盆地地表水(泉水)-下游盆地地下水"水资源循环转化系统.     

黑河流域地下水与地表水转化研究进展

地处我国干旱内陆区的黑河流域,其地表水与地下水在不同的地貌单元发生着大数量的、有规律的、重复的转化过程,极大地提高了水资源的利用率.早在20世纪80年代,甘肃省地矿局等单位率先开展了有关黑河流域地表水与地下水转化过程研究的国家"七五"、"八五"科技攻关项目,取得了丰富的勘查研究成果,促进了这一地区有限水资源的合理开发利用.进入21世纪以来,随着勘查研究理论的丰富和环境同位素技术的广泛应用,黑河流域地表水与地下水资源及其循环转化引起了学术界的广泛关注,并相继完成并发表了一批具有较高水平和学术价值的科研成果,进一步提高了干旱区水资源的开发与保护.但仍存在着水资源转化关系和转化规律还缺乏流域系统研究、中下游盆地深层地下水的补给来源尚不能确定等方面的不足,不利于协调社会经济发展与生态环境保护之间的用水矛盾.     

黑河流域水文特性

介绍了黑河流域基本概况,依据黑河流域多年水文资料,分析了黑河流域降水、蒸发、径流的年内分配、年际变化和地域分布。黑河流域降水稀少,蒸发量大,水资源短缺,植被稀疏,水土流失严重,生态环境极为脆弱。     

利用GRACE重力卫星数据反演黑河流域地下水变化

干旱区地表水资源有限, 地下水资源被超采利用, 黑河流域是西北干旱区典型内陆河流域, 有同样的地下水资源利用问题. 然而由于监测地下水变化的测井数目有限且分布不均, 难以从流域尺度上把握地下水资源的时空变化. 利用GRACE重力测量卫星数据反演黑河流域2003-2008年间的地下水时空变化, 为合理分配利用水资源提供科学依据, 为掌握无资料区域地下水水资源及其变化趋势提供了计算方法. 为验证GRACE反演结果的可靠性, 首先将计算出的黑河中上游地下水的变化, 与该区域实测地下水变化数据进行对比分析, 结果显示二者之间相关性较好, 在一定程度上表明GRACE数据具备反演整个黑河流域水储量变化及其各个组分的能力. 此后, 利用GRACE数据反演了全黑河流域的地下水变化, 对其时空变化进行了分析和讨论. 结果表明: 黑河流域2003-2004年间地下水减少的幅度越来越少, 2005年夏季期间地下水资源量增加量最多, 自此地下水增加幅度逐渐减少, 至2008年趋于平衡. 空间上流域局部变化波动较大, 2003-2004年间黑河上游地下水资源量处于减少状态, 2005年相对于6 a地下水平均含量有轻微增加趋势, 2006年处于6 a平均值状态, 2007-2008年有稍微上升趋势; 中游在2005年有略微的上升, 之后3 a下降; 下游地下水含量在6 a中整体呈上升趋势.     

Groundwater Recharge and Mixing in Arid and Semiarid Regions: Heihe River Basin, Northwest China

A sound understanding of groundwater recharged from various sources occurring at different time scales is crucial for water management in arid and semi-arid river basins. Groundwater recharge sources and their geochemical evolution are investigated for the Heihe River Basin(HRB) in northwest China on the basis of a comprehensive compilation of geochemical and isotopic data. Geochemical massbalance modeling indicates that mountain-block recharge accounts for a small fraction(generally less than 5%) of the shallow and deep groundwater sustaining the oasis, whereas infiltration of rivers and irrigation water contribute most of the groundwater recharge. Dedolomitization is the primary process responsible for the changes in groundwater chemical and carbon isotope compositions from the piedmont to the groundwater discharge zone, where the dedolomitization is very likely enhanced by modern agricultural activities affecting the shallow groundwater quality. Analysis of radioactive isotopes suggests that these primary recharge sources occur at two different time scales. Radiocarbon-derived groundwater age profiles indicate a recharge rate of approximately 12 mm/year, which probably occurred during 2000–7000 years B.P., corresponding to the mid-Holocene humid period. The recharge of young groundwater on the tritium-dated time scale is much higher, about 360 mm/year in the oasis region. Infiltration from irrigation canals and irrigation return flow are the primary contributors to the increased young groundwater recharge. This study suggests that groundwater chemistry in the HRB has been influenced by the complex interaction between natural and human-induced geochemical processes and that anthropogenic effects have played a more significant role in terms of both groundwater quantity and quality.     

格尔木河流域平原区地下水同位素及水化学特征

通过对格尔木河流域天然水中H、O同位素的系统分析,根据地球水化学组分循环演化规律所对应流域不同类型水体的同位素组成的研究,结果表明流域地下水化学组分随流程增加溶滤作用增强,地下水中HCO3-逐渐减少,Cl-则增加。运用δD、δ18O和3H值建立了流域大气降水线方程,确定了山区河水非当年降水补给,河水以地下水补给为主、其次是冰雪融水和大气降水补给。山区降水δD、δ18O均值低于平原区,表明平原区降水受蒸发作用影响水中富重同位素。平原区地下水中的δD、δ18O值与河水基本一致,说明平原区地下水主要受河水出山后入渗补给。承压自流水δD和δ18O值与潜水基本一致,根据地下水的3H值确定早于潜水年龄,且随埋深增加δD、δ18O值减少的趋势,其年龄亦由新变老。     

黑河流域土地利用与覆被变化特征

在土地类型划分的基础上, 利用黑河流域1987年和2000年两期TM遥感数据, 从土地利用与覆被变化幅度、变化速率及动态度等角度, 定量分析了流域上、中、下游及全流域总体土地利用与覆被变化的特征并进行了对比.结果表明: 在变化幅度上, 全流域各类土地利用与覆被变化均十分强烈, 中游地区最为显著, 综合土地利用与覆被变化指数达到7.6%, 耕地、城镇建设用地、水域和草地等是全流域变化最为剧烈的利用类型; 在变化速度方面, 流域上游地区的耕地、城镇居民用地和沙漠化土地年平均递增速度最高, 中游地区明显小于上游和下游地区, 但沙漠化除外, 为全流域水平的4.7倍, 下游耕地、城镇用地、水域面积和其它难利用土地变化较快, 说明上、下游生态系统极不稳定, 变化剧烈. 对中游动态度的分析表明, 耕地、城镇居民用地和较难利用土地较稳定, 其它土地类型的利用与覆被动态变化都很活跃, 说明中游地区土地利用与覆被变化复杂而强烈, 具有变化的多向性和互动性, 从而为流域合理调整土地利用方式和环境改善提供了一定的科学依据.     

海河流域平原地下水同位素年龄及其水化学区域分布特征

本文从海河流域平原区第四系地下淡水同位素年龄和水化学的区域分布特征的相似性入手 ,初步探讨了地下水形成年龄与其化学组分通过水循环演化过程而建立的关联机制 ,得出地下水1 4 C校正年龄或其水化学组分的区域分布特征中蕴涵着量化描述一个地区地下水循环演化进程和水动学条件信息的新认识。