土默川平原黄灌区地下水水化学及氢氧同位素特征分析

王子河 邓腾林 刘伟 赵义平 汪馨竹 杜晓峰

摘 要：2016年冬灌期和2017年春灌期采集了干旱半干旱地区内蒙古土默川平原黄灌区灌渠水、地下水以及雨水，通过测定不同时期水体的水化学成分及氢氧同位素值，分析了水化学类型和同位素的分布特征，探讨了不同时期灌渠水对地下水的影响，判明了地下水的补给来源。研究结果表明：研究区大部分区域地下水补给源为灌渠水，而河森茂村、后荒地村一带主要受降水和侧向补给影响;研究区灌渠水和地下水氢氧同位素组成差异明显，从灌渠水到地下水氢氧同位素呈贫化趋势，但冬灌期、春灌期灌渠水对地下水的影响基本一样;地下水冬灌期、春灌期水化学类型及其分布规律基本一致，主要有HCO3·Cl·SO4-Na·Ca·Mg、SO4·Cl-Na、HCO3·Cl-Na·Mg和Cl-Na型水。

关键词：氢氧同位素;水化学特征;地下水;土默川平原

中图分类号：TV211.1;X523 文献标志码：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2021.08.016

引用格式：王子河，邓腾林，刘伟，等.土默川平原黄灌区地下水水化学及氢氧同位素特征分析[J].人民黄河，2021，43（8）：84-89.

Abstract： Among the irrigation areas of the Yellow River， Tumochuan plain is located in the arid and semi-arid region， northwest of China. Hydrochemical composition and hydrogen， oxygen isotopes were measured by the samples of precipitation， the water in irrigation canal and groundwater were collected during winter irrigation in 2016 and spring irrigation in 2017 and analyzed to the recharge sources of groundwater and the effect of the water in irrigation canal on groundwater. The results show that the water in irrigation canal is the main recharge sources of groundwater in the large area， and precipitation and the lateral seepage water are the sources of the groundwater in the areas of Hesenmao and Houhuangdi villages. Hydrogen and oxygen isotopic characteristics of the water in irrigation canal that effects in the irrigation of winter and spring on groundwater are mostly the same and obviously different from groundwater， and hydrogen and oxygen isotopic compositions are gradually depleted from the water in irrigation canal to groundwater. The hydrochemical types of groundwater in the irrigation of winter and spring are basically similar and the distribution of which is generally the same. The types are mainly HCO3·Cl·SO4-Na·Ca·Mg and SO4·Cl-Na and HCO3·Cl-Na·Mg and Cl-Na.

Key words： hydrogen and oxygen isotopes; hydrochemical characteristics; groundwater; Tumochuan plain

河套平原分為前套平原（土默川平原）和后套平原（巴彦淖尔平原），总面积约21 000 km2[1]。其中土默川平原包括内蒙古省会城市呼和浩特市和重要工业城市包头，是内蒙古政治、经济、文化中心。土默川平原黄灌区作为西北地区典型的引黄灌区之一，农业生产高度依赖于灌溉，受不合理灌溉影响，灌区土壤次生盐渍化急剧发展，大量土地荒弃，作为当地群众唯一生活水源的地下水水质不断恶化，危及当地人民群众饮水安全。

目前，有关河套平原地下水的研究主要集中在后套平原[2-6]，对土默川平原的研究较少[1，7-8]，特别是土默川平原黄灌区地下水演化规律目前尚不清晰。不同来源的水具有不同的同位素组成特征，水在循环过程中的蒸发和扩散作用会引起同位素分馏，氢氧稳定同位素示踪技术和水化学方法已广泛应用于区域地下水来源及水化学演变规律研究[9-16]，但是干旱干半旱地区的研究相对较少。本研究以处于干旱半干旱地区的土默川平原黄灌区为研究区，利用水体氢氧同位素和水化学方法，结合现场调查和室内试验，分析土默川平原黄灌区不同类型水体氢氧同位素和水化学特征，揭示区域地下水的来源。

1 研究区概况

土默川平原黄灌区位于黄河中上游，是我国北方重要的产粮区之一。多年平均降水量为356.6 mm，多年平均蒸发能力为1 989.6 mm。研究区地层为以湖相沉积为主、河流相沉积为辅的沉积层，含水层普遍为细粒的厚层湖相、河流相沉积层，岩性以细砂、粉细砂为主，夹薄层中砂、黏土，一般厚30～60 m，底板埋深60～80 m。地下水水力坡降为 0.018%～0.059%，地下径流极其滞缓，阻碍了水中离子的迁移。该地区民生渠以南地下水矿化度为3.28～31.25 g/L（局部区域矿化度为1.11～2.88 g/L），矿化度由北向南呈增大趋势。该地区水位埋深为2～3 m，随着地下水的蒸发，水质持续恶化，人民群众的饮水安全受到威胁。

研究区自更新世以后，长期断陷下沉，巨厚的以湖相为主的淤泥质不断沉积。以中更新统上段（Q2）为主的湖心相分布于毛岱—明沙淖—黄河边一带，埋藏于89.39 m以下，岩性为灰、灰绿-灰黑色淤泥质黏砂土、砂黏土或黏土与粉砂互层，局部夹芒硝层。芒硝层分布在民生渠以南、二十四顷地—沙海子以北，东部边界可达土左旗善岱、大岱，西部边界可达达拉特旗境内，东西长约70 km，南北宽10～12 km，埋深120～170 m;目前已揭露的深度内可见1～4层，总厚度9.84 m，呈水平状稳定分布。经水溶盐分析，水溶盐总量中纯芒硝（Na2SO4）含量为94.97%～99.58%。湖心相上部为山前冲洪积层与黄河冲积层的交替沉积，岩性主要为黏土、砂质黏土夹粉砂层。

2 数据来源与分析

2016年11—12月和2017年4—5月，分别对土默川平原黄灌区进行野外调查，并采集冬灌、春灌期间地下水、灌渠水和雨水样品共32个，其中地下水24个（第四系松散含水层水）、灌渠水6个、雨水2个。春灌期间地下水、灌渠水和雨水的数量及样点位置与冬灌期一致，样点位置见图1。现场采用便携式HACH多参数水质监测仪测量了地下水和灌渠水的温度、pH值、电导率和溶解氧含量等指标。水样现场经GF/F滤膜过滤后，用于离子分析的样品保存于1 000 mL塑料瓶内，并用Parafilm封口膜密封;用于氢氧同位素分析的样品装于100 mL玻璃瓶中，并用Parafilm封口膜密封。实验室采用ICP测量水体中K+、Na+、Ca2+、Mg2+质量浓度，离子色谱法分析SO2-4、Cl-、HCO-3质量浓度。氢、氧同位素采用MAT-253型气体同位素质谱仪进行分析测试，每个样品重复测量6次，取平均值，其测试精度分别为±1‰和±0.1‰，样品分析结果见表1。

3 结果分析

3.1 水化学时空变化特征

地下水化学参数的数理统计分析结果可以反映研究区一段时间内水化学组分的基本情况，土默川平原黄灌区不同水体水化学分析结果统计见表2。冬灌期地下水TDS含量为1 116.10～20 784.26 mg/L，沿地下水流方向呈增大趋势;西河沿一带和河森茂—后荒地一带矿化度较小，为1 116.10～2 589.50 mg/L;春灌区地下水TDS分布趋势和冬灌期基本一致，为903.00～14 211.60 mg/L，其整体上比冬灌期的小，推测是春季融雪、融冰补给地下水导致的。冬灌期灌渠水TDS含量为828.20～835.68 mg/L，春灌期灌渠水TDS含量为957.76～977.05 mg/L，两个时期灌渠水TDS有所差别可能是黄河水季节性变化导致的。由表2可知，冬灌期地下水中NO-3、SO2-4和Ca2+的变异系数都在0.8以上，其他成分均在0.6左右，而春灌期地下水中SO2-4、Cl-、Ca2+和Mg2+的变异系数都在0.9以上，除HCO-3外，其他成分均在0.8左右，表明两个时期地下水主要离子空间分布变化较大。相比同期的地下水，灌渠水的变异系数都较小，空间分布变化不大。

不同时期不同水体主要离子质量浓度的相对比例分布情况见图2。由Piper图可知，地下水、灌渠水和雨水区别较为明显，雨水偏左，地下水偏右。冬灌期、春灌期地下水水化学类型及其分布基本一致（见图3），主要有HCO3·Cl·SO4-Na·Ca·Mg、SO4·Cl-Na、HCO3·Cl-Na·Mg和Cl-Na型水4种;分布规律为从西北向东南水化学类型由HCO3·Cl·SO4-Na·Ca·Mg型水转为SO4·Cl-Na型水，最终变为Cl-Na型水;中部地区SO2-4含量普遍较高，推测主要受芒硝层溶解的影响。冬灌期灌渠水水化学类型主要为Cl·SO4·HCO3-Na·Mg·Ca型水、春灌期主要为Cl·HCO3-Na·Ca型水，灌渠水主要來源为黄河水，其成分变化主要受黄河水控制。冬灌期、春灌期雨水水化学成分稍有差别，但均为HCO3-Ca型水。

3.2 氢氧同位素变化特征

3.2.1 氢氧同位素关系及影响因素

1967年，Craig根据δD和δ18O的关系建立了全球大气降水线，即δD=8δ18O+10。全球大气降水线为各地区大气降水同位素组成提供了基准，也为推断地下水的来源提供了参照[17]。包头大气降水δD和δ18O来自GNIP，大气降水线方程为δD=6.36δ18O-5.21，确定系数为0.932。该地区大气降水δ18O和δD的平均值分别为-8.16‰和-57.10‰，可作为研究区现代降水氢、氧同位素组成[5]。研究区不同水体、不同时期δD和δ18O特征分布见图4，δD与δ18O的关系见图5。

（1）冬灌期地下水氢、氧同位素组成δD和δ18O分别为-87‰～-67‰和-11.5‰～-8.5‰，平均值分别为-78.0‰和-10.3‰;灌渠水氢、氧同位素组成δD和δ18O分别为-64‰和-8.8‰;雨水氢、氧同位素组成δD和δ18O分别为-75‰和-11.0‰。春灌期地下水氢、氧同位素组成δD和δ18O分别为-87‰～-71‰和-11.4‰～-9.2‰，平均值分别为-77.4‰和-10.3‰;灌渠水氢、氧同位素组成δD和δ18O分别为-63‰～62‰和-8.4‰，平均值分别为-62.5‰和-8.4‰;雨水氢、氧同位素组成δD和δ18O分别为-73‰～-72‰和-10.9‰。

（2）除位于研究区东南的新利村样品点DX11、CX11（该点承压自流区）外，冬灌期、春灌期地下水的δD和δ18O大部分分布在绿色和蓝色椭圆区域内，灌渠水分布在红色椭圆区域内;所有样品均分布在大气降水线以下，说明降水过程中伴随着蒸发作用。

（3）红色椭圆区域内为3个冬灌期灌渠水、3个春灌期灌渠水和1个浅层地下水样品，分别为民生渠渠口、跃进渠中部和民族团结渠末端以及李兴营村农灌井;该区域矿化度较低，为0.93～1.06 g/L;样品点分布较为分散，但高程相近，冬灌期δD为-66‰～-64‰、δ18O为-8.8‰～-8.6‰，春灌期δD为-66‰～-62‰、δ18O为-8.6‰～-8.4‰，样品点稳定同位素组成与大气降水的稳定同位素组成相近，位于全国大气降水线右下方，表明该地区灌渠水在入渗补给地下水前存在蒸发作用，而且李兴营村附近地下水直接接受灌渠水补给。

（4）绿色椭圆区域内为6个冬灌期地下水和6个春灌期地下水样品，分别取自田家圪旦村、五犋牛村、腮乌素村、联合村、金钱铺村和东黑沙图村地下水监测井，分布很分散;区域内地下水矿化度较高，为9.01～15.62 g/L;冬灌期δD为-80‰～-73‰、δ18O为-10.5‰～-9.4‰，春灌期δD为-78‰～-71‰、δ18O为-10.3‰～-9.4‰。与红色椭圆区域相比，该区域氢氧同位素有贫化现象，推测地下水除接受本地降水和灌渠水补给外，还接受北部地势高处不同时期降水形成的径流补给。另外，此6个监测井冬灌期、春灌期地下水氢氧同位素值基本一致，表明冬灌和春灌对其影响是一样的。田家圪旦村、五犋牛村、联合村和东黑沙图村的同位素值非常接近，表明其补给源相同;金钱铺村和腮乌素村同位素值非常接近，表明其补给源相同。联合村同位素值明显低于周围金钱铺村和腮乌素村的，说明其水力联系较差。

（5）蓝色椭圆区域内为3个冬灌期地下水和3个春灌期地下水样品，采样点分别为西河头村、河森茂村和后荒地村;区域内地下水矿化度较低，为0.77～2.58 g/L;冬灌期δD为-80‰、δ18O为-11.2‰～-10.9‰，春灌期δD为-81‰～-80‰、δ18O为-11.2‰～-10.9‰。稳定同位素值远小于其他区域的，更加贫化。西河头村与河森茂村、后荒地村的位置虽然相隔较远，但氢氧同位素值很接近，推测其补给源相同，主要为降水和侧向补给，而且这3个采样点冬灌期、春灌期氢氧同位素值基本一致，表明冬灌和春灌对其影响一样。

不同水体有着不同的δD、δ18O组成，而δD和δ18O作为示踪剂在研究水循环中扮演着重要角色，是判断地下水补给关系的主要方法之一，在分析地下水补给来源方面已得到广泛应用。从氢氧同位素组成可知，区域地下水受灌渠水（主要是黄河水）、降水补给，但降水的δD、δ18O组成相对灌渠水偏重，而地下水的δD、δ18O组成相对偏轻，因此灌渠水（主要是黄河水）是区内地下水的主要补给源。

3.2.2 氢氧同位素组成与水化学组分的相关性分析

土默川平原黄灌区灌渠水冬灌期、春灌期的氢氧同位素组成与其大部分离子质量浓度存在显著相关性（见图6、图7及表3），表明两个时期灌渠水氢氧同位素可能受到了较明显的蒸发作用影响。灌渠水在蒸发过程中存在明显的同位素分馏，使水体离子与其氢氧同位素之间存在相关性。地下水冬灌期、春灌期的氢氧同位素组成与其大部分离子质量浓度的相关性不明显，说明该地区地下水氢氧同位素主要受补给来源的影响，与灌渠水相比，其受蒸发作用的影响相对较小。

4 结 论

（1）土默川平原黄灌区冬灌期地下水的TDS为1 116.10～20 784.26 mg/L，春灌期地下水TDS整体上比冬灌期的小，为903.00～14 211.60 mg/L。相较于地下水，冬灌期灌渠水的TDS小于春灌期的，分别为828.20～835.68 mg/L和957.76～977.05 mg/L。冬灌期和春灌期地下水水化学类型及其分布基本一致，水化学类型主要有HCO3·Cl·SO4-Na·Ca·Mg、SO4·Cl-Na、HCO3·Cl-Na·Mg和Cl-Na型水4种;分布规律为从西北向东南水化学类型由HCO3·Cl·SO4-Na型水转为SO4·Cl- Na型水，最终变为Cl-Na型水;冬灌期灌渠水水化学类型主要为Cl·SO4·HCO3-Na·Mg·Ca型水、春灌期主要为Cl·HCO3-Na·Ca型水。

（2）不同水体氢氧同位素组成差异明显，但不同时期同一水体氢氧同位素差异不大;冬灌期地下水氢、氧同位素分别为-87‰～-67‰和-11.5‰～-8.5‰，春灌期的分别为-87‰～-71‰和-11.4‰～-9.2‰;地下水氢、氧同位素从空间上由东南到西北表现为富集趋势。冬灌期灌渠水氢氧同位素分别为-64‰和-8.8‰，春灌期的分别为-63‰～62‰和-8.4‰。从灌渠水到地下水，氢氧同位素呈贫化趋势。

（3）研究区大部分地区地下水补给源为灌渠水，而田家圪旦村、五犋牛村、腮乌素村、联合村、金钱铺村和东黑沙图村等一带除接受灌渠水和降水补给外，还接受北部地势高处不同时期降水形成的径流补给;河森茂村、后荒地村一带主要受降水和侧向补给。

参考文献：

[1] 刘晓波，董少刚，刘白薇，等.内蒙古土默川平原地下水水文地球化学特征及其成因[J].地球学报，2017，38（6）：919-929.

[2] 郭华明，张波，李媛，等.内蒙古河套平原高砷地下水中稀土元素含量及分异特征[J].地学前缘，2010，17（6）：59-66.

[3] GUO H M， ZHANG Y， XING L， et al. Spatial Variation in Arsenic and Fluoride Concentrations of Shallow Groundwater from the Town of Shahai in the Hetao Basin， Inner Mongolia[J]. Applied Geochemistry， 2012， 27（11）： 2187-2196.

[4] 何薪，马腾，王焰新，等.内蒙古河套平原高砷地下水赋存环境特征[J].中国地质，2010，37（3）：781-788.

[5] 汪敬忠，吴敬禄，曾海鳌，等.内蒙古河套平原水体同位素及水化学特征[J].地球科学与环境学报，2013，35（4）：104-112.

[6] 高存荣，刘文波，冯翠娥，等.内蒙古河套平原地下咸水与高砷水分布特征[J].地球学报，2014，35（2）：139-148.

[7] 馮海波，董少刚，史晓珑，等.内蒙古托克托县潜水与承压水中氟化物的空间分布特征及形成机理[J].现代地质，2016，30（3）：672-679.

[8] 王子河，刘伟，赵义平，等.典型黄灌区地下水水化学演化规律[J].人民黄河，2017，39（增刊1）：63-65.

[9] 顾慰祖，陆家驹，谢民，等.乌兰布和沙漠北部地下水资源的环境同位素探讨[J].水科学进展，2002，13（3）：326-332.

[10] 陈建生，凡哲超，汪集旸，等.巴丹吉林沙漠湖泊及其下游地下水同位素分析[J].地球学报，2003，24（6）：497-504.

[11] 侯光才，苏小四，林学钰，等.鄂尔多斯白垩系地下水盆地天然水体环境同位素组成及其水循环意义[J].吉林大学学报（地球科学版），2007，37（2）：255-260.

[12] 胡春华，周文斌，夏思奇.鄱阳湖流域水化学主离子特征及其来源分析[J].环境化学，2011，30（9）： 1620-1626.

[13] 蒲俊兵.重庆岩溶地下水氢氧稳定同位素地球化学特征[J].地球学报，2013，34（6）：713-722.

[14] SPRENGER M， HERBSTRITT B， WEILER M. Established Methods and New Opportunities for Pore Water Stable Isotope Analysis[J]. Hydrol Process， 2015， 29（25）： 5174-5192.

[15] WANG Y J， SONG X F， MA Y， et al. Characterizing the Hydrogen and Oxygen Isotopic Compositions of Different Waters at Reclaimed Water Irrigated District in Southeast Suburb of Beijing[J]. Geogr. Res.， 2017， 36（2）： 361-372.

[16] ZHANG Z， GUO H M， WANG Z. Differences in Major Ions as Well as Hydrogen and Oxygen Isotopes of Sediment Pore Water and Lake Water[J]. Water Science and Engineering， 2018， 11（2）： 147-156.

[17] CRAIG Harmon. Isotopic Variations in Meteoric Waters[J]. Science， 1961， 133：1702-1703.

【責任编辑 吕艳梅】