内蒙古阿拉善左旗巴彦浩特镇地下水同位素分析

李艳龙 秦冬时 李佳洋

内蒙古自治区地质调查院 呼和浩特 010020

巴彦浩特镇位于贺兰山西麓冲洪积平原，地下水的补给、径流和排泄明显受地质构造、地貌条件、气象等因素的严格控制，取决于大气降水的强度、地下水系统的结构特征、岩性特点以及与地表水体的水量交换关系和人类活动的影响强度。

区内地下水的径流方向、径流途径和强度受岩性、地形地貌与地下水赋存空间等因素的影响和控制。地下水总体上由东部向巴彦浩特镇内径流，补给巴彦浩特镇内地下水。东部边界是区内最主要的侧向径流补给边界，东部贺兰山区基岩裂隙水通过地下径流补给巴彦浩特镇内地下水。与腰坝盆地只有东侧边界的侧向补给不同，格灵布隆盆地地下水还接受一定的西部沙地地下水的侧向补给。受地下水分水岭控制，腰坝盆地和格灵布隆盆地流场特征差异明显，腰坝盆地在本区具独立完整的补给—径流—排泄系统，东部贺兰山区为地下水补给带，山前冲洪积平原为地下水径流带，冲洪积平原前缘巴彦达莱湖地区为地下水的汇集排泄区。受开采影响，在腰坝的农业开采区已经形成较大范围的降落漏斗，使腰坝盆地地下水流场形成了近似“哑铃形”的形态，工作区内水力坡度从东部的2‰左右逐渐变化到中部的0.5‰左右。

除少量的大气降水入渗补给外，地下水主要接受贺兰山区地下水的侧向径流补给。

大气降水是巴彦浩特镇内地下水主要补给来源之一。巴彦浩特镇大部分地区地下水埋深较大,不利于大气降水的入渗补给。大气降水补给区主要分布在巴彦浩特镇西部地下水浅埋区,该区域地下水埋深小于10m,包气带岩性以粉细砂、细砂为主,利于降水渗入。

影响大气降水对地下水补给的因素主要有：降水性质、包气带的岩性、厚度、地形和植被等。

降水量的大小对地下水的补给起着控制作用，工作区位于干旱——半干旱气候带，年降水量200mm左右，降水相对不足、降水量年内分配不均，变率大是本地区大气降水的基本特征。

巴彦浩特镇地区属我国典型干旱区，干旱少雨，风大沙多，冬寒夏热，四季气候特征明显，昼夜温差大。据阿拉善左旗巴彦浩特气象站资料，多年平均降水量203mm。

极端最低气温-36.4℃；极端最高气温41.7℃。无霜期130～165天。降雨多以暴雨形式，集中于6～9四个月（见图1），约占全年降水量的62.7%。多年平均蒸发量2347.4mm；为多年平均降水量的11.5倍。多年平均气温7.4℃。每年3～5月为风季，最大风速34m/s。

区内受地形影响，降水量由东向西逐渐减少。贺兰山顶高山气象站可达426mm；到西部沙漠区递减为146.1mm；蒸发量在平面分布上，与降水量相反，由东向西逐渐增大，从贺兰山区的1，400mm，到西部沙漠区渐增为23，16.5mm。

图1 巴彦浩特镇多年月平均气象要素值

巴彦浩特镇内降水量年际变化较大，根据阿拉善左旗巴彦浩特气象站资料，最大348mm（1977年），最小112mm（1965年）。

根据阿拉善左旗气象站资料，区内大气降水多以暴雨的形式出现，根据前人研究成果，降水强度较大的次降水（暴雨），对地下水的补给具有重要意义。但2009年由于降水偏少（仅130mm），对补给地下水有影响的次降水量＞10mm的降水仅占总降水量的69%。

表1 巴彦浩特镇多年月平均气象要素一览表

区内大气降水的波动规律性较强，年际间降水量较大时，大气降水对地下水的补给强度也较大，反之，则较小。本次工作调查结果，就反映了这种的规律，2009年降水量较2008年降水量小50%左右，对应的地下水位，2010年5月较2009年5月地下水位平均下降0.06m左右（强开采区除外）。

为了研究巴彦浩特镇地下水的形成环境、年龄；地下水的补给、径流、排泄条件；地表水（湖水）与地下水的补排关系，在充分分析已有资料的基础上，在该区共采集同位素样（T、D、18O样）17组，其中大气降水样1组，湖水样1组，地下水样15组，所有样品均同时采集水质全分析样。

同位素测试结果见表2。

表2 同位素测试结果一览表

在水循环的每一阶段，受大气蒸汽源的同位素组成、水汽凝结和蒸发过程中的同位素分馏作用、土壤和地表水的蒸发作用以及不同水体的混合作用等影响，水中的18O和D具有不同的演化规律和组成特征。

1.大气降水与地表水的同位素特征

巴彦浩特镇内没有开展过系统的同位素研究工作，不能建立当地大气降水稳定同位素雨水线方程，仅以邻近本区的银川地区大气降水稳定同位素雨水线方

程作为本地区的参考方程。

δDSMOW=6.48δ18OSMOW-7.069（n=8）

在巴彦浩特镇中部采集了雨水同位素样1件，测试结果为δD-65.78‰，δ18O-9.3‰。结果大致落在银川地区大气降水稳定同位素雨水线上（见图2）。

图2 地下水、雨水及地表水δ18O与δD关系图

在巴彦达莱湖分别采集了一件同位素样，测试结果分布在当地雨水线的右下方，相比于地下水，湖水的重同位素要富集许多,表明湖水受蒸发作用影响强烈。

2.地下水的同位素特征

采集地下水同位素样测试结果表明，其同位素分布范围δD为-45.04‰～-86.03‰、δ18O为-6.123‰～-11.78‰，同时，地下水中δ18O和δD值多位于雨水线的下方，表明地下水主要由东部贺兰山区大气降水、融雪水和基岩裂隙水补给，或者说相对与大气降水，来自贺兰山区的基岩裂隙水的补给量占绝对优势。

在腰坝盆地，沿地下水径流方向,环境同位素逐渐富集,尤其δ18O更为明显,环境同位素含量偏低，而随着径流途径的增加，地下水位埋深逐渐减小，表现出一定的蒸发效应（见图3），环境同位素含量逐渐富积，在农场牧业队以西，还表现出δ18O和δD浓度的背离。而格灵布隆盆地，在取样剖面上，稳定同位素浓度变化不大，可能与取样点水位埋深较大，径流途径较短有关。

在ZK07、ZK10孔中分段采集了同位素样，从测试结果可以看出,下段地下水中D、18O浓度较上段都略有减少，但相差不大，尤其ZK07孔，上下段水D、18O浓度极为接近，而ZK10孔，上下段水D、18O浓度有一定的差异，上段水相对富集，其主要原因是该处地下水埋深较小，上段水受一定的蒸发影响，同时能够接受大气降水的直接补给。

图3 腰坝盆地沿地下水径流方向同位素浓度变化曲线

三、地下水氚年龄

根据地下水是否受到核爆试验期间产生的大量核爆氚的标记，可将地下水形成时间划分为核爆试验前和核爆试验后两个阶段。核爆试验前（1953年前）天然情况下大气降水的氚浓度为10TU，这种含氚的降水入渗进入地下水之后，按照同位素放射性衰变方程，到取样时间时，地下水的氚浓度衰减为0.5TU以下，小于氚的测试本底。因此若地下水的氚浓度小于此数值，一般可认为其年龄大于50年；若地下水的氚浓度大于0.5TU，则表明地下水为核爆试验开始后补给的，其年龄小于50年。

地下水中氚的浓度变化因素受多种因素的影响，不仅与大气降水及地表水输入到地下水中的氚浓度有关，还与含水介质的构造、岩石性质、地下水运动规律等因素有一定的关系。

从本次采集样品测试结果可以看出潜水中的氚值与大气降水中的氚值大多相差较大,除巴彦浩特镇外围扇顶部所采集样品测试结果>10TU,接近于大气降水外,区内地下水测试结果都<5TU,说明大气降水补给直接补给区内地下水较为困难，地下水中氚含量最小为1.03TU，其年龄较大，但也应为核爆试验开始后补给的，其年龄也应小于50年。