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[摘要]采用同位素技术研究大气降水、地表水、地下水之间、含水系统不同含水层之间的循环转化规律，在此基础上建立白杨河流域地下水环境同位素组成剖面，定性评价地下水的可更新能力。
[关键词]同位素 新疆白杨河地区 地下水循环转化规律
[中图分类号] P641.4+3[文献码] B [文章编号] 1000-405X（2015）-6-48-2
1研究区概况
1.1自然地理
研究区位于新疆准噶尔盆地西北缘白杨河中部谷地区，面积约1500 km2。地处欧亚大陆腹地，远离海洋，气候干燥，属寒温带大陆性干旱气候，具明显的荒漠气候特征[1]。区内均为内陆河流，发源于准噶尔界山区，由于山系阻断了西部潮湿气流的侵入，使山区降水量超过300 mm/a，冬季的降雪厚度可达1～2 m。常年积雪的面积很小，河水主要靠融化的雪水补给，降雨补给则占次要位置。区域内主要河流有白杨河、布尔阔台河、木哈塔依河（图1）。
1.2水文地质条件
白杨河谷谷地内第四系厚度约50 m，部分地段可达50～100 m，岩性为砂砾石、砂卵石，含少量亚砂土、粘性土，具良好的孔隙度。谷地基底为新近系及侏罗系，基底起伏，岩性为砂岩、砂砾岩、砾岩和大厚度泥岩，为谷地第四系地下水的形成创造了良好的渗入条件和储存条件。西北部的吾尔喀夏尔山海拔远高于西南部的扎伊尔山，其冰雪融水及山区大气降水是区内地下水的主要补给源。在近山前地带，平原区地下水接受基岩山区的侧向径流补给、山前带的暴雨洪流入渗补给及河谷潜流补给，河流进入山前冲洪积扇区戈壁砾石带大量渗失殆尽，强烈下渗后补给平原区地下水，形成单一结构的第四系孔隙潜水水。在平原区下游，地形坡度变缓，地下水位因构造隆起水位抬升变浅，水平径流变弱，并构造带前形式成片的溢出带和地下水浅埋区，如泉水溢出带、沼泽带等。
2研究方法
依据同位素水文地质的基本原理，以大气输入同位素的变化作为输入函数，通过改变同位素（2H、3H、13C、18O、14C）的各种物理和化学作用来识别地下水系统的各种信息。其中稳定同位素一般用作地下水起源、流动和蒸发影响的指示剂，放射性同位素用作地下水测年的指示剂[2]。
2.1氢氧稳定同位素应用原理概述
在水文循环过程中，水中的氢氧稳定同位素（δ2H、δ18O）在每一阶段都具有不同的特征，这就为研究水文循环过程提供可靠的信息。对于地下水而言不同地点、不同时期、不同来源补给的地下水以及不同径流途径上和不同排泄条件下的地下水中氢氧稳定同位素组成具有明显的差异特征，它们可指示地下水的补给来源、补给过程以及径流、排泄条件等信息。分析大气降水、地表水、地下水的同位素特征，可以得到地表水、地下水的来源、组成以及蒸发作用的影响等信息，是研究地下水补给、径流、排泄的重要方法。
2.2地下水放射性同位素测年原理
2.2.1放射性3H测年
3H是氢的放射性同位素，它的半衰期为12.32年。由于3H是水分子的组成部分，因此理论上说3H是目前唯一可以直接测定地下水年龄的放射性同位素。但多种信息的叠加和混合，使得对地下水年龄的定量计算很困难，这时，只能做出定性解释。Clark and Fritz（1997）给出一种大陆地区的定性解释方法：
<0.8 TU 1952 年前补给的地下水
0.8-4 TU 1952 年前补给与最近补给的混合水
5-15 TU 现代水（<5～10 年）
15-30 TU 存在核爆3H
>30 TU 60～70 年代补给的地下水
>50 TU 主要为 60 年代补给的地下水
2.2.2 放射性14C 测年
由于人们对过去4万年来气候变化与工业社会以来人类活动对地下水量水质影响的兴趣增加，对地下水在千年尺度上的运动速率、年龄信息的了解变得十分必要。在干旱半干旱地区，识别现代水与古水，将现时正补给含水层的水和起源于数千年前不同水文环境中的“古水”相区别，这对水资源开发规划来说是一个重要的特征。而14C（半衰期为5730年）广泛存在于地下水中的有机碳和无机碳中，是评价该时间尺度内理想的示踪剂。
3研究区氢氧稳定同位素特征
3.1大气降水
大气降水是一个地区水资源的总来源，决定该区水资源的总体状况，所以运用2H和18O来追踪地下水来源时的关键环节便是降水中氢氧稳定同位素的确定。全球大气降水中氢、氧同位素组成δ2H与δ18O有明显的线性关系[2]：
δ2H=8*δ18O + 10 ‰
本次研究在区内中西部170团气象站建立了大气降水采样点。首先确定了区大气降水中δ2H与δ18O特定组成。根据观测站数据，可以得到本地区大气降水线[2]：
δ2H=7.18*δ18O -6.37
降水线的斜率为7.18，小于全球平均值8，反映了降水过程中的微弱的蒸发作用。从观测数据中得出，该地区降水中同位素在中高纬度地区呈现明显的季节效应，即夏季富集、冬季贫化。
3.2地表水
地表水主要取自区内主要的河流（白杨河、木哈塔依河和布尔阔台河）。从河流氢氧同位素分析结果得出，在枯水季（4月份），三个河流的同位素组成接近，δ18O在-15.92‰到-15.09‰、δ2H在-113.9到-108.1‰之间，而这时河流主要成分可能是冰川水。并且河流从上游到下游同位素变化不大。说明河流在快速流动过程中未发生明显蒸发作用。而到丰水季（8-9月份），同位素值明显增大，表示山区夏秋季降水的补给作用。
3.3地下水
地下水样品主要取自勘探孔（TK1-TK24）。另外对其他潜水井及典型泉水进行了取样。潜水的δ18O等值线图见图1。从图中可以看出，δ18O形成以GQ6、TK2-TK12和TK23为中心的3个低值区。从δ18O-δ2关系上可以看出，所有取样点地下水位于降水线附近。白杨河谷地下水同位素分布较集中，且随深度变化不大，δ18O平均值为-15.17‰。第四系潜水3H含量明显地分为两个区，即（1）低于检测线（<0.3 TU或<1.0 TU）、年龄老于60年的水；（2）检测出3H（2.5-12.3 TU）的地下水。氚含量低于检测线的潜水分布远离河流的区域（图2）。第四系潜水14C含量普遍偏高，除4个低于50 pmC的样品外（TK1、TK9、TK22及GQ6）， 其余都大于60 pmC，分布范围为62.4到91.7 pmC，平均值为79.7 pmC。这些14C含量较高的水样分布在170 m以浅。 4研究区放射性同位素（3H、14C）定年
4.1地下水3H年龄
根据本次3H测试的结果，3H小于检测线（0.3 TU 和1.0 TU）的地下水，均认为是1952年之前补给的水。而3H含量在2.5 TU-12.3 TU之间的地下水，则认为是现代水，即1952年之后补给的水。
4.2地下水14C年龄
对于研究区地下水3H含量小于1 TU 的地下水，通常认为是 1952 年以前补给的地下水，这些水的年龄采用14C测年方法来确定。考虑3H的测试结果和对现代水校正的情况，最后确定：对于含3H地下水，为现代水；对于不含3H且地下水校正年龄为负或者小于1000年（14C不能准确校正1000年内的地下水），我们将其结果定义为50-1000年的次现代水。
4.3第四系潜水年龄分布特征
研究区谷地潜水，大多数为现代水（年龄小于60年，为1952年以来补给的）。部分地下水年龄在60-1000年。在远离白杨河的谷地，如TK8/9/10/22的潜水，年龄在2000-8000年。而位于白杨河东部、远离白杨河的GQ6，潜水年龄14000年。从图3潜水年龄分布图可以看出，靠近河道的地下水潜水，年龄为现代水，越远离河道，潜水年龄越老。
5地下水循环转化
5.1地表水地下水相互作用
中高山区大气降水是盆地内水资源的主要给来源，出山河流径流量和河床潜流占盆地水资源总补给量的80%以上[7]，其它水量，如山区侧向补给量（潜流量）、盆地平原区降水量、暂时性洪沟水等在盆地水资源总补给量中所占份额很小。位于区内西部的花岗岩泉水，地下水14C校正年龄为3700年，更新速度十分缓慢。说明山区向盆地内地下水补给十分有限。从第四系潜水年龄分布图（上可以看出，越靠近河流，地下水年龄越小。指示了河流入渗对潜水的补给作用。
5.2地下水补给环境
在不同含水层和不同地段，地下水是由不同时期补给的。白杨河谷地地下水补给年代从晚更新世到全新世都有，但表现出不同的氢氧稳定同位素组成。晚更新世补给的地下水同位素较全新世贫化。晚更新世地下水δ18O平均值为-16.48‰，而全新世（包括现代水）地下水δ18O虽变化较大，但整体较富集，平均值为-15.27‰。
5.3地下水循环模式
研究区西北部的吾尔喀夏尔山海拔远高于西南部的扎伊尔山，其冰雪融水及山区大气降水形成的河流是区内地下水的主要补给源。在近山前地带，平原区地下水接受山前带的暴雨洪流入渗补给及河谷潜流补给，河流进入山前冲洪积扇区戈壁砾石带大量渗失殆尽，强烈下渗后补给平原区地下水，形成单一结构的第四系孔隙潜水和下伏的新近系碎屑岩类裂隙-孔隙水。而基岩山区的侧向径流补给作用十分有限，基岩山区侧向形成的泉水的年龄在3500年以上。
河流入渗是区内地下水主要补给来源。远离河道，地下水补给有限，相应地地下水年龄越老，远离河道最大的潜水年龄可达14，000年，为晚更新世时期补给的。新近系承压含水层主要接受上覆第四系潜水含水层的补给，但循环速率十分缓慢，年龄大多在几千到上万年。
地下水溶解性总固体（TDS）受水岩相互作用控制，水岩相互作用时间越长，TDS越高。现代地下水TDS水中值为192 mg/L，随着地下水年龄的增加，6000-15000年之间的地下水TDS中值为448 mg/L。
6结论
同位素技术是研究地下水资源属性的重要有效工具，在开展区域性地下水资源调查评价工作中要重视同位素技术的应用。通过研究区内多种环境示踪剂（2H、3H、13C、18O、14C）的综合应用，得出了地下水循环转换能力。
白杨河谷地地下水第四系潜水的氢氧稳定同位素组成一个较为独立的地下水系统。区内河流入渗是区内地下水主要补给来源。基岩山区的侧向径流补给作用十分有限，基岩山区侧向形成的泉水的年龄在3500年以上。
潜水含水层主要受河流入渗补给，越远离河道，河流入渗补给越少，相应地地下水年龄越老，远离河道最大的潜水年龄可达14，000年，为晚更新世时期补给的。
研究区是一个典型的内陆干旱封闭盆地，出山径流基本上代表了区内水资源总量。在开发利用地下水时，应考虑对其他用水用户及生态环境的影响，注意保护地质环境。
参考文献
[1]向永， 赵志江， 李强， 等.新疆和什托洛盖煤田白杨河勘查区供水水文地质详查报告. 2013.
[2]庞忠和， 黄天明， 等.新疆和什托洛盖煤田白杨河勘查区供水水文地质详查地下水同位素专题报告. 2013.
[3]王金生， 翟远征， 滕彦国， 等. 试论地下水更新能力与再生能力. 北京师范大学学报（自然科学版）. 2011， 47（3）： 313-316.
[4]陈宗宇， 聂振龙， 张荷生， 等. 从黑河流域地下水年龄论其资源属性. 地质学报. 2004， （4）： 560-567.
[5]文冬光. 用环境同位素论区域地下水资源属性.地球科学-中国地质大学学报. 2002， 27（2）： 141-147.
[6]Clark I， Fritz P. Environmental Isotopes in Hydrology. Lewis， Boca Raton. CRC Press/Lewis Publishers， Boca Raton， 1997.
[7]李文鹏， 郝爱兵， 李鹏， 等. 对我国干旱区地下水资源的几点认识. 水文地质工程地质.1996，（5）： 14-15.
[关键词]同位素 新疆白杨河地区 地下水循环转化规律
[中图分类号] P641.4+3[文献码] B [文章编号] 1000-405X（2015）-6-48-2
1研究区概况
1.1自然地理
研究区位于新疆准噶尔盆地西北缘白杨河中部谷地区，面积约1500 km2。地处欧亚大陆腹地，远离海洋，气候干燥，属寒温带大陆性干旱气候，具明显的荒漠气候特征[1]。区内均为内陆河流，发源于准噶尔界山区，由于山系阻断了西部潮湿气流的侵入，使山区降水量超过300 mm/a，冬季的降雪厚度可达1～2 m。常年积雪的面积很小，河水主要靠融化的雪水补给，降雨补给则占次要位置。区域内主要河流有白杨河、布尔阔台河、木哈塔依河（图1）。
1.2水文地质条件
白杨河谷谷地内第四系厚度约50 m，部分地段可达50～100 m，岩性为砂砾石、砂卵石，含少量亚砂土、粘性土，具良好的孔隙度。谷地基底为新近系及侏罗系，基底起伏，岩性为砂岩、砂砾岩、砾岩和大厚度泥岩，为谷地第四系地下水的形成创造了良好的渗入条件和储存条件。西北部的吾尔喀夏尔山海拔远高于西南部的扎伊尔山，其冰雪融水及山区大气降水是区内地下水的主要补给源。在近山前地带，平原区地下水接受基岩山区的侧向径流补给、山前带的暴雨洪流入渗补给及河谷潜流补给，河流进入山前冲洪积扇区戈壁砾石带大量渗失殆尽，强烈下渗后补给平原区地下水，形成单一结构的第四系孔隙潜水水。在平原区下游，地形坡度变缓，地下水位因构造隆起水位抬升变浅，水平径流变弱，并构造带前形式成片的溢出带和地下水浅埋区，如泉水溢出带、沼泽带等。
2研究方法
依据同位素水文地质的基本原理，以大气输入同位素的变化作为输入函数，通过改变同位素（2H、3H、13C、18O、14C）的各种物理和化学作用来识别地下水系统的各种信息。其中稳定同位素一般用作地下水起源、流动和蒸发影响的指示剂，放射性同位素用作地下水测年的指示剂[2]。
2.1氢氧稳定同位素应用原理概述
在水文循环过程中，水中的氢氧稳定同位素（δ2H、δ18O）在每一阶段都具有不同的特征，这就为研究水文循环过程提供可靠的信息。对于地下水而言不同地点、不同时期、不同来源补给的地下水以及不同径流途径上和不同排泄条件下的地下水中氢氧稳定同位素组成具有明显的差异特征，它们可指示地下水的补给来源、补给过程以及径流、排泄条件等信息。分析大气降水、地表水、地下水的同位素特征，可以得到地表水、地下水的来源、组成以及蒸发作用的影响等信息，是研究地下水补给、径流、排泄的重要方法。
2.2地下水放射性同位素测年原理
2.2.1放射性3H测年
3H是氢的放射性同位素，它的半衰期为12.32年。由于3H是水分子的组成部分，因此理论上说3H是目前唯一可以直接测定地下水年龄的放射性同位素。但多种信息的叠加和混合，使得对地下水年龄的定量计算很困难，这时，只能做出定性解释。Clark and Fritz（1997）给出一种大陆地区的定性解释方法：
<0.8 TU 1952 年前补给的地下水
0.8-4 TU 1952 年前补给与最近补给的混合水
5-15 TU 现代水（<5～10 年）
15-30 TU 存在核爆3H
>30 TU 60～70 年代补给的地下水
>50 TU 主要为 60 年代补给的地下水
2.2.2 放射性14C 测年
由于人们对过去4万年来气候变化与工业社会以来人类活动对地下水量水质影响的兴趣增加，对地下水在千年尺度上的运动速率、年龄信息的了解变得十分必要。在干旱半干旱地区，识别现代水与古水，将现时正补给含水层的水和起源于数千年前不同水文环境中的“古水”相区别，这对水资源开发规划来说是一个重要的特征。而14C（半衰期为5730年）广泛存在于地下水中的有机碳和无机碳中，是评价该时间尺度内理想的示踪剂。
3研究区氢氧稳定同位素特征
3.1大气降水
大气降水是一个地区水资源的总来源，决定该区水资源的总体状况，所以运用2H和18O来追踪地下水来源时的关键环节便是降水中氢氧稳定同位素的确定。全球大气降水中氢、氧同位素组成δ2H与δ18O有明显的线性关系[2]：
δ2H=8*δ18O + 10 ‰
本次研究在区内中西部170团气象站建立了大气降水采样点。首先确定了区大气降水中δ2H与δ18O特定组成。根据观测站数据，可以得到本地区大气降水线[2]：
δ2H=7.18*δ18O -6.37
降水线的斜率为7.18，小于全球平均值8，反映了降水过程中的微弱的蒸发作用。从观测数据中得出，该地区降水中同位素在中高纬度地区呈现明显的季节效应，即夏季富集、冬季贫化。
3.2地表水
地表水主要取自区内主要的河流（白杨河、木哈塔依河和布尔阔台河）。从河流氢氧同位素分析结果得出，在枯水季（4月份），三个河流的同位素组成接近，δ18O在-15.92‰到-15.09‰、δ2H在-113.9到-108.1‰之间，而这时河流主要成分可能是冰川水。并且河流从上游到下游同位素变化不大。说明河流在快速流动过程中未发生明显蒸发作用。而到丰水季（8-9月份），同位素值明显增大，表示山区夏秋季降水的补给作用。
3.3地下水
地下水样品主要取自勘探孔（TK1-TK24）。另外对其他潜水井及典型泉水进行了取样。潜水的δ18O等值线图见图1。从图中可以看出，δ18O形成以GQ6、TK2-TK12和TK23为中心的3个低值区。从δ18O-δ2关系上可以看出，所有取样点地下水位于降水线附近。白杨河谷地下水同位素分布较集中，且随深度变化不大，δ18O平均值为-15.17‰。第四系潜水3H含量明显地分为两个区，即（1）低于检测线（<0.3 TU或<1.0 TU）、年龄老于60年的水；（2）检测出3H（2.5-12.3 TU）的地下水。氚含量低于检测线的潜水分布远离河流的区域（图2）。第四系潜水14C含量普遍偏高，除4个低于50 pmC的样品外（TK1、TK9、TK22及GQ6）， 其余都大于60 pmC，分布范围为62.4到91.7 pmC，平均值为79.7 pmC。这些14C含量较高的水样分布在170 m以浅。 4研究区放射性同位素（3H、14C）定年
4.1地下水3H年龄
根据本次3H测试的结果，3H小于检测线（0.3 TU 和1.0 TU）的地下水，均认为是1952年之前补给的水。而3H含量在2.5 TU-12.3 TU之间的地下水，则认为是现代水，即1952年之后补给的水。
4.2地下水14C年龄
对于研究区地下水3H含量小于1 TU 的地下水，通常认为是 1952 年以前补给的地下水，这些水的年龄采用14C测年方法来确定。考虑3H的测试结果和对现代水校正的情况，最后确定：对于含3H地下水，为现代水；对于不含3H且地下水校正年龄为负或者小于1000年（14C不能准确校正1000年内的地下水），我们将其结果定义为50-1000年的次现代水。
4.3第四系潜水年龄分布特征
研究区谷地潜水，大多数为现代水（年龄小于60年，为1952年以来补给的）。部分地下水年龄在60-1000年。在远离白杨河的谷地，如TK8/9/10/22的潜水，年龄在2000-8000年。而位于白杨河东部、远离白杨河的GQ6，潜水年龄14000年。从图3潜水年龄分布图可以看出，靠近河道的地下水潜水，年龄为现代水，越远离河道，潜水年龄越老。
5地下水循环转化
5.1地表水地下水相互作用
中高山区大气降水是盆地内水资源的主要给来源，出山河流径流量和河床潜流占盆地水资源总补给量的80%以上[7]，其它水量，如山区侧向补给量（潜流量）、盆地平原区降水量、暂时性洪沟水等在盆地水资源总补给量中所占份额很小。位于区内西部的花岗岩泉水，地下水14C校正年龄为3700年，更新速度十分缓慢。说明山区向盆地内地下水补给十分有限。从第四系潜水年龄分布图（上可以看出，越靠近河流，地下水年龄越小。指示了河流入渗对潜水的补给作用。
5.2地下水补给环境
在不同含水层和不同地段，地下水是由不同时期补给的。白杨河谷地地下水补给年代从晚更新世到全新世都有，但表现出不同的氢氧稳定同位素组成。晚更新世补给的地下水同位素较全新世贫化。晚更新世地下水δ18O平均值为-16.48‰，而全新世（包括现代水）地下水δ18O虽变化较大，但整体较富集，平均值为-15.27‰。
5.3地下水循环模式
研究区西北部的吾尔喀夏尔山海拔远高于西南部的扎伊尔山，其冰雪融水及山区大气降水形成的河流是区内地下水的主要补给源。在近山前地带，平原区地下水接受山前带的暴雨洪流入渗补给及河谷潜流补给，河流进入山前冲洪积扇区戈壁砾石带大量渗失殆尽，强烈下渗后补给平原区地下水，形成单一结构的第四系孔隙潜水和下伏的新近系碎屑岩类裂隙-孔隙水。而基岩山区的侧向径流补给作用十分有限，基岩山区侧向形成的泉水的年龄在3500年以上。
河流入渗是区内地下水主要补给来源。远离河道，地下水补给有限，相应地地下水年龄越老，远离河道最大的潜水年龄可达14，000年，为晚更新世时期补给的。新近系承压含水层主要接受上覆第四系潜水含水层的补给，但循环速率十分缓慢，年龄大多在几千到上万年。
地下水溶解性总固体（TDS）受水岩相互作用控制，水岩相互作用时间越长，TDS越高。现代地下水TDS水中值为192 mg/L，随着地下水年龄的增加，6000-15000年之间的地下水TDS中值为448 mg/L。
6结论
同位素技术是研究地下水资源属性的重要有效工具，在开展区域性地下水资源调查评价工作中要重视同位素技术的应用。通过研究区内多种环境示踪剂（2H、3H、13C、18O、14C）的综合应用，得出了地下水循环转换能力。
白杨河谷地地下水第四系潜水的氢氧稳定同位素组成一个较为独立的地下水系统。区内河流入渗是区内地下水主要补给来源。基岩山区的侧向径流补给作用十分有限，基岩山区侧向形成的泉水的年龄在3500年以上。
潜水含水层主要受河流入渗补给，越远离河道，河流入渗补给越少，相应地地下水年龄越老，远离河道最大的潜水年龄可达14，000年，为晚更新世时期补给的。
研究区是一个典型的内陆干旱封闭盆地，出山径流基本上代表了区内水资源总量。在开发利用地下水时，应考虑对其他用水用户及生态环境的影响，注意保护地质环境。
参考文献
[1]向永， 赵志江， 李强， 等.新疆和什托洛盖煤田白杨河勘查区供水水文地质详查报告. 2013.
[2]庞忠和， 黄天明， 等.新疆和什托洛盖煤田白杨河勘查区供水水文地质详查地下水同位素专题报告. 2013.
[3]王金生， 翟远征， 滕彦国， 等. 试论地下水更新能力与再生能力. 北京师范大学学报（自然科学版）. 2011， 47（3）： 313-316.
[4]陈宗宇， 聂振龙， 张荷生， 等. 从黑河流域地下水年龄论其资源属性. 地质学报. 2004， （4）： 560-567.
[5]文冬光. 用环境同位素论区域地下水资源属性.地球科学-中国地质大学学报. 2002， 27（2）： 141-147.
[6]Clark I， Fritz P. Environmental Isotopes in Hydrology. Lewis， Boca Raton. CRC Press/Lewis Publishers， Boca Raton， 1997.
[7]李文鹏， 郝爱兵， 李鹏， 等. 对我国干旱区地下水资源的几点认识. 水文地质工程地质.1996，（5）： 14-15.