阿克苏河流域地表水与地下水转化关系研究

余斌 李升 王友年

摘要：  为查明新疆阿克苏河流域地表水与地下水转化关系，于 2018年7～8月采集了研究区内具有代表性的71组地表水和地下水水样，进行了水化学特征、同位素特征分析，并对地表水与地下水之间的转化关系和转化量进行了讨论和计算。结果表明：在研究区内，从冲洪积倾斜平原至细土颗粒平原，各水体之间联系密切，地表水与地下水经历了多次转化，主要可划分为3个区段，各区段的转化比例依次为56.25%，64.39%，68.24%。

关 键 词： 地表水; 地下水; 同位素; 水化学特征; 大氣降水线; 阿克苏河流域

中图法分类号：  P333;P641

文献标志码：  A

DOI： 10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.08.009

0 引 言

水资源评价的核心就是地表水和地下水转化关系的问题，其转化的过程必然伴随着物质的交换，而同位素和水化学离子作为水体的组成部分，可以敏锐地记录水体的演化过程。近年来，环境同位素技术和水化学技术已经逐渐成为解决地表水地下水转化问题[1-4]的重要手段。Craig[5]提出了大气降水中δD、δ18O呈线性关系的全球大气降水线方程δD=8δ18O+10;Yurtsever[6]发现不同地区的降水线存在差异，并提出区域降水线（LMWL）的概念;郑淑慧[7]等采集全国各地的降水样，得出我国的大气降水线方程;王福刚[8]等通过对黄河下游同位素的时间和空间上的特征进行研究，总结了黄河下游段地下水循环规律;陈宗宇[9]等利用同位素方法判断了松嫩平原西南部地下水的补给来源;Gu等[10]通过环境同位素特征判别了大气降水、地表水地下水转化关系。然而，在已有的研究中，对西北旱区河流流域的研究较少，阿克苏河便是其中之一。阿克苏河位于塔里木盆地西北缘，是阿克苏地区农工业和居民生活用水的主要来源。近年来，社会经济不断发展，全球气候持续变暖，阿克苏河流域耕地面积不断扩大[11]，导致了阿克苏河流域水资源供需矛盾日益突出[12]。因此，阿克苏河流域两水转化关系的研究刻不容缓。本文在前人的研究基础上，以稳定同位素和水化学指标作为示踪剂，旨在查清阿克苏河流域地表水与地下水转化关系，以为流域水资源评价、水资源合理开发利用和生态环境保护提供技术支持。

1 研究区域概况

阿克苏河是塔里木盆地北缘典型的大河之一，上游有两大支流：西侧的托什干河支流和北侧的库玛拉河支流，两河均起源于天山的西南部，由此向南流动，在阿克苏市西北部交汇形成阿克苏河。阿克苏河是冰川融雪水和降水混合补给型河流[13]。本次的研究区位于阿克苏流域绿洲带内，研究区地理坐标范围为东经79°38′～81°00′，北纬41°20′～41°32′，南北长约99 km，东西宽约69 km，面积6 831 km2，其中重点围绕阿克苏河流域开展研究工作（见图1）。

阿克苏河位于西北干旱区内，独特的地理环境造成阿克苏流域内干旱少雨的气候条件[14]。河水主要接受高海拔山区降水和冰雪融水的补给，但转化关系因年份、季节的不同各有差异，需结合每年气候变化进行分析。研究区选自阿克苏河流域绿洲带，自北向南的地貌单元分别为冲洪积倾斜平原和细土颗粒平原，由北向南岩性由粗变细，由砂砾石转变为中粗砂、粉细砂和亚砂土（见图2）。在冲洪积倾斜平原内，含水层为单一结构的第四系潜水：而在细土颗粒平原上地层发生变化，开始出现隔水层，河流下游含水层变为稳定的潜水、承压水双层结构。

2 样品的采集与测试

水样采集于2018年7～8月完成，根据研究区水文地质条件的差异在有代表性的地段采取了地表水和地下水样，采样过程严格按照SL187-96《水质采样技术规程》中的要求。共取水样72组，其中同位素样（D、18O）31组，水化学简分析水样41组，具体取样位置见图3。采集的水样送至美国BETA实验室和新疆第一区域地质大队进行测定。

3 结果与分析

3.1 同位素特征分析

3.1.1 研究区各水体同位素特征

降水是水循环中重要的一环，研究地表水地下水转化时，大气降水同位素研究是必不可少的一部分[15-17]。国际原子能机构IAEA与世界气象 组织WMO合作，建 立GNIP监测站点，在全球范围内对大气降水中稳定同位素成分进行连续检测。由于此次研究 区域内无GNIP监测站点，与研究区同在西北干旱区的站点为和田站、乌鲁木齐站和张掖站，研究区位于其中，其观测数据在一定程度上能够代表研究区的降水同位素特征。本文选取和田站、乌鲁木齐站以及张掖站大气降水数据，并结合相关学者近年在研究区开展类似的研究成果进行分析，建立研究区大气降水线。

降水量的大小对降水同位素值影响较大，故将各站点每月的降水同位素作降水量加权平均处理，得到了研究区各月的大气降水加权平均值，以用来分析研究区降水的季节性差异。由表1可以看出：研究区内的降水中δD、δ18O随季节有明显的变化，均表现出冬低夏高的特点，明显的季节变化差异表示在不同的季节存在不同性质的水汽来源。

通过和田、张掖和乌鲁木齐3个站点的月降水同位素数据，采用最小二乘法得到了研究区δD和δ18O的相关关系方程为：δD= 7.24δ18O+1.96（R2=0.95）（见图4）。该方程斜率略小于全球大气降水线斜率，说明研究区远离海洋，气候较干旱，水汽受到一定蒸发作用影响，与实际基本相符。同时查阅了研究区附近近几年的降水同位素数据，发现数据分布规律相似，所以建立的大气降水线在该研究区适用。

由图5可以看出：此次研究区内的所有水样同位素数据变化趋势都与全年大气降水同位素数据变化趋势相同，说明研究区内的各个水体来源相同，都是来源于大气降水。所有数据处于夏半年与冬半年数据交汇处，说明虽然来源是大气降水，但并不是纯粹的降雨入渗补给。阿克苏上游分支库玛拉河起源于北部的天山汗腾格里峰，随着高度增高，气温下降、降水增多，高海拔地区的山峰终年积雪，为中高山严寒气候区[18]（海拔3 000～4 000 m），多年降水多以积雪和冰川形式保存下来。夏季随着气温的升高，冰雪融水大量补给到河流和山区地下水，补给源具有不同季节降水和冰雪融水的特点，绝大部分水样位于冬夏半年降水数据交汇处，为全年降水和冰雪融水的混合。根据孙从建等[19]对天山山区典型内陆河流域径流组分特征分析可知，河流的径流由冰川融水、融雪水及降水混合构成，冰、雪水融水和降水补给地表水后入渗补给地下水。

本次在研究区内共取31组同位素水样，其中河水8组，潜水15组，承压水8组，具体检测结果如表2所列。

研究区内河水δD、δ18O整体最大，潜水次之，承压水最小。河水δD、δ18O变化范围较大，δD的变化范围为-85.54‰～-52.18‰，δ18O的变化范围为-12.7‰～-8.15‰。区内地下水体因受自然环境、循环条件和人为因素影响，稳定同位素的分布存在一定的差异，潜水δD、δ18O的变化范围分布为-84.54‰～-58‰，-12.7‰～-9.17‰，承壓水的变化范围分别为-90.4‰～-74.2‰，-12.9‰～-11‰。

由图6可以看出：地表水、地下水的数据基本位于当地区域大气降水线附近，说明地表水、地下水的来源相同;数据多分布在区域降水线左上方，说明降水可能来源于当地地下水或地表水的二次蒸发[20];地表水、潜水、承压水的数据相互交错，说明在一些地段地表水、地下水发生了转化或者地表水、地下水发生了混合。

3.1.2 典型剖面地表水-地下水同位素特征

阿克苏河流域面积大，范围广，为更好了解阿克苏河流域地表水-地下水的转化关系，采用典型剖面取样分析，尽可能最大程度反映研究区实际情况。沿河选取了典型剖面Ⅰ-Ⅰ′上的地表水、潜水同位素数据进行分析，结果如图7所示。由于δD和δ18O的变化趋势相同，故本文仅对δ18O变化进行分析。

在研究区北缘至温宿县北界，地表水同位素值增大，表明地表水没有受到较贫重同位素水源补给，而是受到了上游贫重同位素的冰雪融水补给。地下水同位素值较为稳定，说明地下水有着较为稳定的补给来源，接受上游地下水的侧向径流补给。

在温宿县附近δ18O出现峰值，并从此处开始减小，说明地表水、地下水的转化关系发生了转变。温宿县至阿克苏南城段，地表水稳定同位素处于高值区，且有降低趋势，说明有较贫重同位素水体的混合。结合地质剖面图（见图2），温宿县附近的基底隆起，导致含水层在此处变薄，地表水接受了贫重同位素的地下水溢出补给。

阿克苏南城至研究区南界，地表水变化幅度较大，地下水δ18O在地表水的变化幅度内变化，说明该区域内两水转化关系多次发生变化。调查资料表明，此段区域为大面积农耕区，人为的开挖、打井、灌溉影响了地表水与地下水的相互作用，使得地下水、地表水的水力联系紧密。而随着水流路径的增长，地表水δ18O在接近研究区南界时越来越大，说明河流作用对水体的影响越来越小，蒸发作用影响越来越大。

3.2 水化学特征分析

本次在研究区内共取水化学样品41组，其中地表水12组，潜水20组，承压水9组。通过舒卡列夫分类原则将各水体的水化学类型分类，具体信息见表3。

3.2.1 研究区Ⅰ-Ⅰ′剖面水化学特征

图8为研究区Ⅰ-Ⅰ′剖面各水体TDS变化趋势。

由图8可以看出：① 由于河水流动性强，所处环境开放，受到河流作用强，河水的TDS较小且变化不大，基于均小于200 mg/L;② 潜水径流相对缓慢，与地表接触，容易受各种因素影响，TDS变化最大;③ 承压水径流最为缓慢，所处环境相对封闭，不易于外界物质发生作用，TDS小于潜水。

（1） 点MJCO62～MJA090之间处于地下水径流区，河水TDS小于200 mg/L，水化学类型以HCO3·SO4-Ca·Mg型为主。地下水类型为单一结构的第四系潜水，TDS稍大于河水，地下水类型为HCO3·SO4-Ca·Mg型，处于地下水径流区，地下水主要受到溶滤作用影响，以侧向径流为排泄方式。

（2） 点MJA090～JJC037之间处于地下水径流-排泄区，第四系沉积物颗粒逐渐变细，地下水含水层由单一潜水含水层系统过渡为潜水、承压水的双层结构。随着径流路径增长，潜水TDS变大，水化学类型变为SO4·Cl-Na·Mg或Cl·SO4-Na·Mg型，承压水TDS为500 mg/L左右，水化学类型主要为SO4·HCO3·Cl-Ca·Na·Mg型。部分地下水开始发生阳离子交换作用，地下水主要接受上游单一潜水的侧向径流补给，并向下游径流排泄。

（3） 点JJC037～TJ051之间处于地下水排泄区，地形坡降变化小，地下水埋深浅，人类农牧业活动频繁，地下水主要发生蒸发浓缩作用，地表水、地下水的TDS均增大，大面积出现TDS大于10 g/L的地下水，水化学类型主要以Cl·SO4-Na、Cl-Na型为主。地下水主要的排泄方式为蒸发和人工开采，主要补给来源为上游的侧向补给。

3.2.2 研究区Ⅱ-Ⅱ′剖面水化学特征

剖面Ⅱ-Ⅱ′为阿热勒镇至五团，位于冲洪积倾斜平原上，含水层为单一潜水含水层。由图9中可以看出，自西向东河水TDS均较低，地下水TDS变化趋势与河水相同，说明两者联系密切，地下水受河水的影响程度较大。佳木镇以东，地表水、潜水的TDS都有明显增大，说明此处有其他因素影响地下水化学作用，结合调查资料，佳木镇至五团为大面积的农业灌溉区和荒漠区，人为活动较大程度上影响了地表水地下水的相互作用。

3.2.3 研究区Ⅲ-Ⅲ′剖面水化学特征

剖面Ⅲ-Ⅲ′位于细土颗粒平原上，含水层为潜水、承压水双层结构。离河流河道近处的潜水TDS较低，离河道远的潜水TDS增大（见图10），说明河流作用存在一定范围的影响带，越靠近河流，地下水TDS越低，河水入渗补给地下水;东西两边潜水TDS是随着离河道的距离的增加而急剧增加，表明远离主河道处的地段受河水影响较小，受蒸发及人类活动影响较大;承压水TDS较低且变化不明显，说明隔水层较稳定，受到上层水的影响小。

3.3 两水转化关系讨论及转化量计算

3.3.1 两水转化关系讨论

通过水化学、同位素的特征分析，可以得出研究区内的地表水、地下水之间的转化关系如图11所示。

（1） Ⅰ区。该段位于阿克苏河上游山前冲洪积平原处，为单一潜水含水层，埋深大，为地下水的径流区。地表水TDS较小，小于200 mg/L，水化学类型以HCO3·SO4-Ca·Mg型为主。地下水TDS稍大于地表水，在500 mg/L左右，地下水类型为HCO3·SO4-Ca·Mg型;地表水、地下水δD、δ18O均较小且相近，说明地表水地下水同源，均接受了较贫重同位素水源的补给;地表水、地下水TDS均较小，说明径流路径较短，蒸发作用较弱，溶滤作用显著。地表水、地下水的补给关系为冰雪融水及大气降水补充河水后再入渗补给地下水。

（2） Ⅱ区。该段位于冲洪积倾斜平原区，由于温宿附近的地层隆起，导致温宿县附近的地质、水文地质条件有明显差异，水化学及同位素特征也有明显变化。其中：地表水TDS变化程度较小，地下水矿化度逐渐增大，水化学类型为SO4·Cl-Na·Mg或Cl·SO4-Na·Mg型，水化学形成受溶滤作用和阳离子交替作用影响。此段内，地表水δD为-85.54‰～58.67‰，δ18O为～12.7‰-9.43‰。地下水δD为-74.7‰～72.38‰，δ18O为-11.2‰～10.82‰。地表水同位素值变化大，且沿河流方向为减小趋势，说明地表水接受较贫同位素的地下水补给，地下水值相对稳定，说明除上游地下水侧向径流外无其他补给源。

（3） Ⅲ区。该段从阿克苏市南城附近至研究区南界，含水层由单一潜水含水层结构转为潜水-承压水双层结构，为地下水的排泄区。随着地形坡降变小，地下水径流变缓，岩性由砂砾石和中细砂变为粉细砂和黏土，地下水溶滤作用逐渐减弱。地表水TDS大于400 mg/L，地下水TDS在5.8～27.0 g/L之间，大面积出现矿化度大于10g/L的地下水。水化学类型主要以Cl·SO4-Na、Cl-Na型为主，水化学形成主要受蒸发浓缩作用和人为农牧业活动的影响。地表水δD为-76.49‰～52.18‰，δ18O为-11.45‰～8.15‰，潜水δD为-76.5‰～71.9‰，δ18O为-10.33‰～11‰。地表水、潜水同位素值交织在一起，说明两水体的水力联系紧密。同时，从Ⅲ-Ⅲ′剖面可以看出，河流作用也影响着地表水、地下水的转化关系，河流两岸既有河流作用影响下的地表水补给地下水，也有因机民井抽出地下水后顺着人工渠道汇入河中的地下水补给地表水。远离河道的区域多为荒地和农牧业发展区，人工渠系交错，灌溉活动频繁，蒸发作用强烈，该段主要为蒸发作用和人类活动共同影响下的地下水补给地表水。

3.3.2 各区段转化量计算

根据稳定同位素δ18O质量守恒原理[21-23]，可以估算出地表水与地下水之间的转化量，其质量守恒方程如下所示。

（1） 地表水补给地下水段。

CeQe=CfQf+Cd（Qe-Qf） （1）

（2） 地下水补给地表水段。

CsQs=CgQg+Cb（Qs-Qg） （2）

式中：Ce（Cs）为取样点地下水（河水中）中的δ18O值;Cf（Cg）为取样点河水（地下水）中δ18O值;Cd（Cb）为地下水（河流）上游来水中δ18O值;Qe为取样点地下水径流量;Qf为河水补给量;Qs为取样点河水流量;Qg为地下水排泄量。则有公式可以推导出，各转化段地表水、地下水补给的百分比。

（3） 地表水补给地下水。

fs= Qf Qe ×100%= Ce-Cd Cf-Cd ×100%  （3）

（4） 地下水补给地表水。

fg= Qg Qs ×100%= Cs-Cb Cg-Cb ×100% （4）

根据公式（3）、（4）计算转化量，研究区各转化区段两米转化比例如表4所列。

4 结 论

（1） 利用和田、乌鲁木齐、张掖3个GNIP站点的月大气降水同位素监测数据，基于最小二乘法建立了阿克苏河流域大气降水方程δD= 7.24δ18O+1.96（R2=0.95）。

（2） 阿克苏河流域内，各水体之间联系密切，地表水与地下水经历了多次转化，主要可划分为3个区段，各区段的转化比例依次为56.25%，64.39%，68.24%。

（3） 阿克苏河流域内地表水与地下水的转化格局由自身地质、地貌因素控制，而人类活动和自然因素使地表水與地下水之间的转化关系变得复杂，地表水与地下水的相互作用是受当下自然因素和人类活动双重影响的具体体现。

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（编辑：刘 媛）

引用本文：

余斌，李升，王友年.

阿克苏河流域地表水与地下水转化关系研究

[J].人民长江，2021，52（8）：56-62，70.

Transformation of surface water and groundwater in Aksu River Basin

YU Bin，LI Sheng，WANG Younian

（ School of Geology and Mining Engineering，Xinjiang University，Urumqi 830046，China ）

Abstract：

To identify the transformation relationship between surface water and groundwater in the Aksu River Basin in Xinjiang Uygur Autonomous Region，we collected 71 representative water samples including surface water samples and groundwater samples in July to August，2018，and analyzed the water chemical characteristics and isotope characteristics of the samples.The transformation relationship and transformation quantity between surface water and groundwater were discussed and calculated.The results showed that in the study area，from alluvial sloping plain to fine soil grain plain，the water bodies were closely related，and the surface water and groundwater underwent many transformations，which could be divided into three sections，with the transformation ratio of 56.25%，64.39% and 68.24% respectively in each section.

Key words：

surface water;groundwater;isotope;water chemical characteristics;atmospheric precipitation line;Aksu River Basin