喀什平原区地下水同位素年龄特征及更新速率分析

乃尉华，史杰，王文科，王艺星，段磊，李斌

(1.新疆维吾尔自治区地质矿产勘查开发局第三水文工程地质大队，新疆 喀什 844000；2.新疆维吾尔自治区地质矿产勘查开发局第二水文工程地质大队，新疆 昌吉 831100；3.长安大学环境科学与工程学院，陕西 西安 710054)

喀什平原区涵盖了克孜勒河、恰克马克河、盖孜河、库山河及乌鲁阿特小河等流域，东至喀什经济开发区所在的冲积细土平原区。前人对研究区部分地带进行过不同程度的研究工作[1-3]，涉及的研究内容主要包括地下水动态、资源量评价等。

2012—2015年，新疆地矿局第二水文工程地质大队在研究区进行了系统性的水文地质勘查工作，取得了较全面的勘查成果❶。本文以300 m以浅的井孔中所采集的地下水样品放射性(3H，14C)同位素测试数据为依托，首次对区内地下水年龄及可更新能力等问题进行了深入分析和研究，其结果对地下水流动系统的划分提供了直接证据。

图1 喀什平原区3H、14C同位素采集水样点分布图Fig.1 The radioactive isotope(3H、14C)sampling distribution in Kashgar plain

1 区域水文地质概况

研究区第四系地下水流系统可划分为北部克孜勒河地下水流系统与南部盖孜河地下水流系统(图1)。300 m钻探深度内的第四系地下水类型划分为单一结构的潜水与多层结构的潜水-承压水，其中，第四系多层结构潜水-承压水含水层在90～110 m以浅可概化为潜水，90～210 m可概化为第一层承压水，190～210 m以下可概化为第二层承压水；第四系含水层的单井涌水量为5 000～1 000 m3/d，渗透系数为7.24～83.50 m/d；第四系厚度一般小于1 000 m，第四系上新—全新统、全新统含水层岩性主要为卵石、砾石、砾砂、中粗砂、细砂、粉细砂等，隔水层岩性主要为亚粘土、粘土。

北部克孜勒河地下水亚系统的地下水中硫酸盐含量大于250 mg/L，由西向东水化学类型从SO4·Cl型水转化为SO4型水，克孜勒河沿岸矿化度小于1 000 mg/L，其余地段矿化度多大于1 000 mg/L；南部盖孜河地下水亚系统的地下水中硫酸盐含量多小于250 mg/L，矿化度多小于1 000 mg/L，水化学类型一般为SO4·HCO3型水和HCO3·SO4型水及SO4型水。

2 样品采集和分析方法

乃尉华等先后在研究区采集地下水和地表河水3H同位素样品88组、14C同位素样品32组(图1，表1)。采样井深80～300 m，水位埋深4～106 m。3H，14C同位素值由国土资源部地下水矿泉水及环境监测中心测试完成，采用液体闪烁仪测试，δ3H值误差约为±2.5 TU，δ14C值测试结果的置信概率为95%。

表1 喀什平原区地下水氚年龄及更新速率计算结果Table 1 Tritium ages and renewal rate data of groundwater calculated in the Kashgar plain

3 3H同位素年龄特征及更新速率分析

本文采用全混模型(指数模型)方法，假定系统中不同年龄的水均匀混合，在任一时刻输出的氚浓度都等于该时刻系统中地下水的平均氚浓度[4]。据研究区地下水样品实测氚值即可求得地下水年龄(表1，图2)。采用喀什平原区降水氚恢复浓度作为地下水系统输入氚，给定一系列更新速率可得喀什平原区地下水更新速率曲线，进而可由实测地下水氚浓度求得地下水更新速率。

由表1可见，在研究区南部盖孜河地下水流系统，沿地下水流向，其西侧的乌鲁阿特小河冲洪积平原，地下水氚年龄小于20年；盖孜河和库山河冲洪积平原至东部冲积细土平原区，地下水氚年龄小于50年；盖孜河和库山河东部下游冲积细土平原区，地下水氚年龄大于50年。在研究区北部克孜勒河地下水流系统，沿地下水流向，地下水氚年龄由小于20年至小于50年逐渐变化；在研究区中部，沿库木塔格背斜展布方向，地下水氚年龄大于500年，构成南、北两个地下水流系统的划分边界。

据以上结果分析可见(图3)，南、北两个地下水流系统，地下水更新能力的分布特征基本一致。从冲洪积砾质平原上游至冲积细土平原中部地区，地下水更新速率约为2%～7%，潜水埋深较大，地下水年龄相对较轻，属于积极交替带；冲积细土平原中下游地区，地下水更新速率约为1%～2%，属于较积极交替带；在冲积细土平原下游地区，地下水含水层为多层结构潜水-承压水，地下水更新速率均小于1%，属于弱交替带。

图2 研究区地下水氚年龄分布图Fig.2 The distribution of tritium ages of groundwater in study area

图3 研究区地下水更新速率分布图Fig.3 The distribution of renewal rate of groundwater in study area

4 14C同位素年龄特征分析

14C测定地下水年龄法主要适用于测定开启和半开启地下水系统中近代循环水的年龄，其测年上限为5～6万年。在实际情况中，地下水通过各种水文地球化学作用会从非交换储存库(如碳酸盐矿物)中获取“死碳”，使地下水中的14C浓度稀释降低。因此，实验室所测定的地下水视年龄，需对其进行校正[5]。据实测研究区14C年龄结果，运用两种方法对14C进行地下水年龄的校正(表2)。

Vogel模型是一个纯粹的统计学方法，对地下水渗透过程中发生的化学和同位素反应均不予考虑。其校正年龄相对于经验模型校正年龄偏老，可作为地下水年龄上限。经验模型在我国西北干旱-半干旱地区广泛应用及验证后具较高的可靠度，该模型计算的地下水校正年龄可作为研究区地下水的接受年龄。

从14C年龄计算结果来看，研究区地下水14C校正年龄为2 000～13 000年，反映了地下水补给时段差异较大。垂向上，随着钻探深度的增加，地下水年龄呈逐渐增大的趋势，浅层地下水年龄小于中深层地下水年龄，浅层地下水多为近7 000年以来的补给，而中深层地下水年龄最大超过10 000年；沿地下水流向，地下水年龄呈逐渐增加趋势，平原上游地下水校正年龄多为2 000～5 000年，平原中游地下水校正年龄多为5 000～8 000年，平原下游地下水校正年龄多为8 000～10 000年，研究区东部边界地下水年龄最大超过13 000年。

5 结论

(1)研究区沿地下水流向，南、北两个地下水流系统的地下水氚年龄由平原上游小于20年至平原中游小于50年逐渐变化到平原下游大于50年；在研究区中部，沿库木塔格背斜展布方向，地下水氚年龄大于500年，构成南、北两个地下水流系统的边界。地下水氚年龄对地下水流系统的划分具重要意义。

表2 研究区地下水14C模型校正年龄Table 2 The corrected ages of groundwater based on14C model

(2)研究区南、北两个地下水流系统，其地下水更新能力的分布特征基本一致。从冲洪积砾质平原上游至冲积细土平原中部地区，地下水更新速率约为2%～7%，属于积极交替带；冲积细土平原中下游地区，地下水更新速率约为1%～2%，属于较积极交替带；在冲积细土平原下游地区，地下水更新速率均小于1%，属于弱交替带。

(3)研究区地下水14C校正年龄为2 000～13 000年，反映了地下水补给时段差异较大。垂向上，随着钻探深度的增加，地下水年龄呈逐渐增大的趋势，浅层地下水多为近7 000年以来的补给，而中深层地下水年龄最大超过10 000年；沿地下水流向，地下水年龄呈逐渐增加的趋势，地下水校正年龄多为2 000～10 000年，研究区东部边界地下水年龄最大超过13 000年。