渾善達(dá)克水化學(xué)同位素分析.doc

利用水化學(xué)和環(huán)境同位素數(shù)據(jù)分析渾善達(dá)克沙地下水的補(bǔ)給1、 地下水環(huán)境同位素特征及意義為分析研究渾善達(dá)克沙地地下水的補(bǔ)給，在本次施工的兩個鉆孔中采集了地下水（潛水）D（2H）、18O同位素三組，3H（氚）同位素樣品2個。D-18O樣品由國土資源部同位素實(shí)驗(yàn)室測試，分析方法為平衡法（CO2）和鋅法，質(zhì)譜計型號MAT 253 EM，采用的國際標(biāo)準(zhǔn)為SMOW，分析精度0.2。3H樣品由中國地震局地質(zhì)研究所地震動力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室測試，測試儀器為Quantulus-1220(LKB)，氚探測效率為22.09%，本底為1.085cpm，測試結(jié)果用Bq/L表示（1Bq/L8.453TU）。樣品測試結(jié)果如表1（為便于理解，將Bq/L轉(zhuǎn)換為TU表示）。表1 渾善達(dá)克沙地地下水同位素樣品測試結(jié)果樣品編號dDV-SMOW ()d 18OV-SMOW （）3H（TU）ZK1-81-11.17.403.0ZK6-1-70-9.722.43.1ZK6-2-69-9.7在dD-d 18O關(guān)系圖上（圖1），樣點(diǎn)均位于全球大氣水線附近，說明地下水是大氣降水補(bǔ)給形成的，而且沒有受到明顯的蒸發(fā)影響。兩個鉆孔地下水均含一定兩氚，說明現(xiàn)代降水（近幾十年之內(nèi)）的補(bǔ)給作用是主要的。2、 利用Cl離子含量估算降水入滲系數(shù)地下水幾乎是渾善達(dá)克沙地地區(qū)唯一可以開發(fā)利用的水資源。在該地區(qū)實(shí)施“圍封轉(zhuǎn)移”戰(zhàn)略，保護(hù)生態(tài)環(huán)境，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，合理開發(fā)利用地下水資源是最重要的保障條件。渾善達(dá)克沙地下水資源的豐富程度主要取決于大氣降水入滲補(bǔ)給量。大氣降水入滲補(bǔ)給量的計算是地下水資源評價中最重要、也是最困難的問題。由于渾善達(dá)克沙地地區(qū)水文、氣象和地下水的長期監(jiān)測資料基本上是空白，很難用常規(guī)的水量均衡計算方法估算地下水補(bǔ)給量。因此，下面利用水化學(xué)資料對降水入滲補(bǔ)給進(jìn)行分析，估算地下水補(bǔ)給量。（1）基本原理從元素的化學(xué)性質(zhì)可以知道，Cl是最保守的（conservative）組分，在自然界中主要是以Cl離子的形式（氯鹽）存在，很少與其他元素結(jié)合在一起或參與化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生變化。由于氯鹽的溶解度都很高，在自然界的水土環(huán)境中，除特殊條件（如在鹽湖和地下水位埋藏非常淺的地區(qū)，由于強(qiáng)烈蒸發(fā)形成氯鹽沉積），Cl離子一般都存在于水溶液中，地層中氯鹽的含量很少，由于蒸發(fā)暫時駐留在地層中的氯鹽也會被后期的降水溶解帶走或進(jìn)入地下水中。因此，從形成大氣降水到入滲轉(zhuǎn)變?yōu)榈叵滤乃h(huán)階段，絕大部分Cl離子存在于水中，水中Cl離子的增加或減少主要受蒸發(fā)沉淀和稀釋溶解作用控制。利用Cl離子的這一特性，我們就可以根據(jù)大氣降水和地下水中Cl離子含量大致估算大氣降水入滲系數(shù)。對渾善達(dá)克沙地來說，地形相對較平坦，入滲條件好，大氣降水很難形成較大規(guī)模的地表徑流。從圖2（利用表3數(shù)據(jù)）可以看出，該地區(qū)地下水的Cl離子含量與潛水位埋深沒有關(guān)系，說明地層中氯鹽含量很少。因此，利用Cl離子含量的變化估算大氣降水入滲系數(shù)的條件比較有利。（2）樣品檢查與選擇利用Cl離子含量的變化估算大氣降水入滲系數(shù)應(yīng)該知道大氣降水（包括不同規(guī)模的代表性雨、雪等）和地下水（不同位置、埋深）的化學(xué)組成。為此，2005年在渾善達(dá)克沙地地區(qū)采集地下水化學(xué)分析樣品（？）個；受工期限制，僅采集到了一個雪樣，沒能采集到降水樣品。樣品由內(nèi)蒙古地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測院實(shí)驗(yàn)室測試，測試結(jié)果見表2（順寶補(bǔ)上該表）。利用Cl離子估算大氣降水入滲系數(shù)之前，首先對樣品進(jìn)行檢查和選擇。根據(jù)國家地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（GB/T 14848-93）和地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（GHZB1-1999），硝酸鹽含量（以N計）超過20mg/L就說明已受到明顯污染（III類水）。從表2可以看出，部分地下水樣品的NO3離子含量很高，許多已超過100mg/L，說明地下水（淺層）已受到人為污染，推測該地區(qū)主要是牲畜糞便的影響。利用受到污染的樣品進(jìn)行分析是不可靠的，為此，將NO3離子含量超過50mg/L（大致相當(dāng)于以N計的10mg/L）的樣品剔除。對渾善達(dá)克沙地來說，如果淺表層地下水的TDS高于1g/L，說明地下水受到后期蒸發(fā)，不宜用作補(bǔ)給分析。本次工作施工的鉆孔較深，在其中采集的水樣是大厚度含水層中的混合樣品。由于對渾善達(dá)克沙地區(qū)的地下水積極循環(huán)深度和區(qū)域地下水水流系統(tǒng)沒有進(jìn)行深入研究，這些樣品可能是更長歷史時期內(nèi)地下水混合的結(jié)果。鑒于這些樣品數(shù)量有限，且樣點(diǎn)分布范圍較小，不宜與淺表層樣品一并考慮。通過上述檢查和剔除，用于分析的樣品如表3，樣品位置如圖3（順寶補(bǔ)上該圖），從這些樣品的分布看，基本代表了渾善達(dá)克沙地淺表層未受污染和明顯蒸發(fā)的地下水。（3）降水入滲補(bǔ)給系數(shù)估算從表3可知，雪水的Cl離子含量為3.55mg/L，淺表層地下水的Cl離子含量變化較大，在7-105mg/L之間，均值為30.19mg/L。地下水中Cl離子含量的增加可以看作是降水中Cl離子濃縮的結(jié)果。也就是說，雖然降水并沒有全部入滲補(bǔ)給地下水，但其中包含的所有Cl離子被部分有效入滲補(bǔ)給量全部攜帶進(jìn)入了地下水中，全部降水量與有效入滲補(bǔ)給量的比值就是Cl離子增加的倍數(shù)，反過來就是降水入滲補(bǔ)給系數(shù)。為此，利用雪水樣品大致估算渾善達(dá)克沙地的平均降水入滲系數(shù)（ax）為：由于雪水的Cl離子含量可能較雨水低，且只有一個樣品，因此上面估算的降水入滲系數(shù)偏低。雖然沒有采集到雨水樣品，但是從Cl離子含量最低的地下水樣品（D167，Cl離子含量7.09mg/L）可以大致推斷雨水中Cl離子含量平均值不超過7 mg/L，為此可以估算出降水入滲系數(shù)最大（amax）為：在渾善達(dá)克沙地地區(qū)，年降雨量約占全年降水量的80%，降雨是地下水的主要補(bǔ)給源。綜合考慮上述估算結(jié)果，可以得出渾善達(dá)克沙地的降水入滲補(bǔ)給系數(shù)（a）為：式中，0.9為降雨中氯離子含量修正系數(shù)。3、渾善達(dá)克沙地地下水補(bǔ)給量估算與開發(fā)利用建議渾善達(dá)克沙地地區(qū)的年降水量約400mm，工作區(qū)面積約6000km2，降水入滲系數(shù)取0.19，則可計算出地下水的年補(bǔ)給量約（Qr）為從當(dāng)?shù)刈匀粭l件和地表入滲條件看，降水對渾善達(dá)克沙地地下水的補(bǔ)給應(yīng)該是較為均勻的。從保護(hù)生態(tài)環(huán)境出發(fā)，以分散形式開采地下水是合理的開發(fā)方式。根據(jù)上述降水入滲系數(shù)，可以計算出單位面積（1km2）的地下水補(bǔ)給量為7.2104m3/a。如果人工種植牧草的畝均灌溉定額為300m3/a，則每平方公里的地下水資源可供240畝牧草灌溉利用。這一結(jié)果可供當(dāng)?shù)貙?shí)施“圍封轉(zhuǎn)移”戰(zhàn)略參考。4、渾善達(dá)克沙地地下水的補(bǔ)給機(jī)理討論根據(jù)降水入滲補(bǔ)給系數(shù)的估算可知，只有不到20%的降水入滲補(bǔ)給地下水。按常理，地下水的dD、d18O值應(yīng)表現(xiàn)出明顯的蒸發(fā)效應(yīng)。但在D18O關(guān)系圖中（圖1），三個地下水樣品并沒有表現(xiàn)出受到明顯的蒸發(fā)影響，說明降水入滲補(bǔ)給地下水的過程中沒有受到強(qiáng)烈蒸發(fā)。由此，可以推測，次數(shù)較少但強(qiáng)度大的暴雨是渾善達(dá)克沙地地下水的主要補(bǔ)給來源；強(qiáng)度小的降雨或者降雪對地下水的補(bǔ)給十分有限。強(qiáng)度小的降雨或者降雪在入滲到地下水面之前就被蒸發(fā)掉或消耗在包氣帶內(nèi)，其攜帶的各種化學(xué)組分（主要是氯化物鹽、硫酸鹽和碳酸鹽等）暫時駐留在地層中；后期強(qiáng)度較大的降雨在快速入滲過程中，溶解并攜帶著這些鹽分進(jìn)入地下水。這就是地下水的dD、d18O值沒有表現(xiàn)明顯蒸發(fā)效應(yīng)的原因。上述文字中的紅色數(shù)字或加注問號的地方，請順寶核實(shí)改正。如果06年繼續(xù)開展工作，請順寶注意：（1） 盡可能采集各次降雨的水樣