乌梁素海及其周边水体222Rn的时空分布特征及其指示意义

余 楚,吴利杰,张翼龙,王占川,王秀雅,郭 娇

(1.中国地质科学院水文地质环境地质研究所,河北 石家庄 050061;2.自然资源部地下水科学与工程重点实验室,河北 正定 050803;3.河北地质大学水资源与环境学院,河北 石家庄 050031)

乌梁素海是19世纪中叶受地质运动、黄河改道和水利开发影响而形成的河迹湖,是河套灌区水利工程的重要组成部分,肩负着灌区盐碱化调控、黄河水量调蓄、湿地生态环境维护、渔业生产等任务[7-8],是黄河上游地区极为重要的多功能人工控制型草型湖泊[9].受灌溉周期和引黄水量的影响,灌区年内地下水水位动态变化明显、退水量分布不均,乌梁素海水位与水质月度间差异显著[10],表明短期水文过程对乌梁素海的水量调节和水质变化有重要影响.对乌梁素海与地下水的相互作用模式和作用程度尚没有清晰明确的认识,大多研究认为河套灌区的地下水对乌梁素海虽然有补给,但补给量不大,总排干退水才是湖泊的主要补给来源[11-13].侯庆秋等[14]研究表明,乌梁素海接受潜水的侧向径流和承压水的顶托补给,并利用水位观测数据根据达西定律分别估算了潜水和承压水的补给量;朱冬楠[15]利用测压计进行的野外观测发现,乌梁素海向西岸地下水渗漏.本文对乌梁素海及其周边地下水、河渠水的222Rn时空分布特征进行了调查分析,探讨了灌区不同灌溉时段湖泊与地下水的相互作用关系,以为乌梁素海流域水文循环过程及湖泊生态保护研究提供参考.

1 材料与方法

1.1 研究区概况

乌梁素海位于内蒙古自治区巴彦淖尔市乌拉特前旗境内,西部是黄河冲湖积平原,东部是佘太盆地,北部、南部分别是色尔腾山、乌拉山山前冲洪积倾斜平原,断裂活动强烈.区域降水年内分布不均,主要集中6—9月,夏季降水占全年63.2%,且年际变化较大;多年平均降水量174.7 mm,年蒸发量达到1 992～2 351 mm.乌梁素海常年运行水位1 018.8～1 019.2 m,近十年来多年平均运行水位1 019.11 m,大片水域水深0.5～1.5 m,最大水深4 m.

乌梁素海以西的河套灌区每年有3次主要的灌溉活动,即夏灌(5—7月)、秋灌(7—9月)和秋浇(9—11月),秋浇的主要目的是压盐保墒,灌溉时间短、灌溉水量大,一般占全年总灌溉用水量的1/3[16-17],每年灌溉开始的具体时间和灌溉时间的长短视实际情况而有所差异.灌区地下水类型以第四系松散岩类孔隙水为主,水位动态主要受引黄灌溉的影响,地下水位一般在10—11月达到最高.研究区内地势平缓,地下水径流缓慢、水质较差,平原地区没有开采,排泄以蒸发为主;地下水总体上由西部、南部向北部、东部径流.

1.2 样品采集和测试

于2020年10月24—28日(灌溉期)、2021年9月2—8日(非灌溉期)对乌梁素海及其周边水体中的222Rn进行两期采样调查和测试(见图1).测试仪器采用RAD 7型测氡仪和RAD7-H2O水氡配件(美国Durridge公司).湖水采样点在明水区均匀布设,表层湖水进行两期采样,采样深度控制在湖面以下0.5 m;2021年还采集了底层湖水样品,采样深度控制在湖底以上0.5 m.地下水的采样点控制在距湖岸20 km的范围内,采样井均为民用井,井深小于20 m,采样的同时测量水位埋深.2个河渠水采样点位于总排干入湖口和乌毛计闸退水渠,采样同时用浮标法粗略测量流量.地表水体用RAD7-H2O自配的250 mL采样瓶采样,地下水用40 mL采样瓶采样.所有采样点在测试222Rn活度的同时现场测试水温、pH、溶解氧饱和度(HDO)、氧化还原电位(ORP)、电导率以及溶解性总固体(TDS)等指标.

图1 研究区采样点分布示意图

1.3 数据处理方法

因采样时间较长,测试时样品中的222Rn已经产生了一定的衰变,故将测出的222Rn活度校正至采样时段,以得到更为准确的结果.222Rn活度衰变校正计算公式为

A0=A×eλt.

(1)

式中:A0为采样时的222Rn活度;A为测试时的222Rn活度;λ为222Rn的衰变常数,为0.181 d-1;t为采样到测试时历经的时间间隔(d);e为自然常数.

图件绘制利用Arcgis 10.8软件进行;湖水222Rn活度空间分布图插值方法利用反距离权重法;数据的统计分析利用SPSS 24软件.

调查问卷的第一部分，对非英语专业大学生词汇学习观念进行调查。从表1可以看出，学习英语词汇应该死记硬背这个观点最不受欢迎，而另外两种观点被普遍接受。绝大多数的学生都认为词汇学习不应靠死记硬背，而应该在上下文中学习和通过运用来学习。

2 结果与分析

2.1 河渠水的222Rn含量及其指示意义

根据粗略测量的结果,2020年10月下旬采样调查时,河套灌区正逢灌溉期,农田退水量较大,入湖水量较大.总排干入湖流量约为25.64 m3/s;2021年9月上旬灌区处于非灌溉期,总排干水量以城镇生活、工业废污水为主,入湖水量较小,入湖流量为4.28～7.49 m3/s,不足灌溉期的1/3.

灌溉期乌梁素海总排干(R1)和退水渠(R2)的222Rn活度均大于非灌溉期,但不同时期总排干、退水渠222Rn活度的相对大小有所差异(见表1).灌溉期总排干的222Rn活度大于退水渠,总排干的222Rn活度为924.20 Bq/m3,经过衰变和逸散,湖体中的222Rn活度降低,退水渠的222Rn活度减小至678.93 Bq/m3.综合分析马莲河[18]、黄河[19-20]、黑河[21]、奎河[22]及渤海湾沿岸地区[23]的相似研究,在没有地下水补给的河水中222Rn的活度一般较低,大多小于300 Bq/m3(见表1).Green等[24]对南澳洲Mount Lofty Ranges东部地区地下水与地表水系统相互作用的研究表明,地表水中222Rn活度大于1 000 Bq/m3时可以有效指示地下水流的补给.灌溉期总排干流量较大,其222Rn活度接近1 000 Bq/m3,推测此时总排干的222Rn活度很可能受到了地下水的影响.由于地表水体的222Rn容易向大气逸散,汇入总排干的农田退水很可能具有比总排干更高的222Rn活度,表明在河套灌区水文循环系统中地下水与地表水的交互作用十分紧密.

表1 乌梁素海河渠水与其他地区河水222Rn活度对比

非灌溉期总排干的222Rn活度小于退水渠,总排干的222Rn活度为110.72 Bq/m3,退水渠的222Rn活度为277.25 Bq/m3.总排干的流量和222Rn活度均小于灌溉期,推测此时农田退水量较小,总排干222Rn活度受地下水的影响小.由于222Rn的半衰期较短,而湖水的更新周期较长,如果没有其他水源补给,退水渠中的222Rn活度将小于总排干.但测试结果显示,退水渠的222Rn活度大于总排干,表明除了总排干,还有其他222Rn活度较高的水源补给湖水,而降水的222Rn活度很小,对湖体222Rn的补给可忽略不计,这说明地下水对湖水存在一定量的补给.

综上所述,乌梁素海接受地下水的补给,但补给水量不大,在灌溉期总排干入湖水量对湖体水环境起主要的控制作用,而在非灌溉期地下水对湖体水环境的影响程度可能要高于灌溉期.

2.2 地下水的222Rn含量及其指示意义

2.2.1 时间变化特征

乌梁素海周边地下水灌溉期222Rn活度大于非灌溉期(见表2),灌溉期的222Rn活度为3 296.85～20 161.65 Bq/m3,平均值为(10 401.73±5 192.17)Bq/m3;非灌溉期为2 609.91～11 092.02 Bq/m3,平均值为(6 783.44±2 569.41)Bq/m3.相关性分析结果显示,灌溉期地下水的222Rn活度与ORP呈显著正相关,与水温、pH值、HDO、电导率、TDS均没有显著差异;非灌溉期地下水的222Rn活度与各指标均没有显著差异,这验证了222Rn的惰性属性,说明水化学性质不是影响研究区地下水222Rn活度变化的主要因素.

表2 乌梁素海周边地下水的222Rn活度和基本水化学特征

注:*表示在0.05水平上相关性显著.

G16,G14,G13,G11采样点的测试结果显示,灌溉期地下水的222Rn活度大于非灌溉期,而水位埋深小于非灌溉期(见表3).依据N.巴兰诺夫提出的地下水氡富集量计算方法,氡在地下水中的富集程度主要取决于岩石中镭的含量和岩石射气系数[25],水流量较大或水交替较强烈的地带同样也有利于氡的富集.据此推测,灌溉期的灌溉入渗和排水过程改变了地下水水动力条件,加速了区域地下水的循环流动过程,使地下水的222Rn活度升高,所以水动力条件的变化很有可能是影响研究区地下水222Rn活度变化的主要因素.相关研究也表明,水动力条件会通过控制水岩相互作用程度和地下水的运移速度影响222Rn的活度变化[26].N·巴兰诺夫地下水氡富集量计算公式为

表3 地下水采样点的222Rn活度与水位埋深

(2)

式中:Q为水中氡的含量;S1,S2分别为含放射性元素的岩石和不含放射性元素的岩石中通道断面面积;L1,L2分别为含放射性元素的岩石和不含放射性元素的岩石中通道的长度;E为含放射性元素的岩石中每秒钟内自1 cm2通道表面放出的氡量;α为每秒通过1 cm2通道的水量;W为单位面积通过含放射性元素的岩石通道的水流量;λ为氡的衰变常数.

G4采样点紧邻总排干(见图1),其灌溉期的222Rn活度(3 296.85 Bq/m3)小于非灌溉期(7 518.63 Bq/m3).由于灌溉期总排干流量较大,总排干可能渗漏补给地下水,稀释了地下水中的222Rn,使该点222Rn活度减小.此外,依据调查结果,非灌溉期总排干流量和排干水的222Rn活度都大幅度减小,此时渗漏水量及其对地下水222Rn活度的影响也相应减小,造成该点非灌溉期222Rn活度升高.G3采样点灌溉期222Rn活度略小于非灌溉期,两期测量值差值仅占均值的4.46%,其活度变化可能主要受测量误差的影响.

2.2.2 空间分布特征

乌梁素海周边地下水222Rn活度的空间差异性特征显著(见表3).灌溉期地下水平均222Rn活度按从小到大的顺序依次为:西岸(6 526.57 Bq/m3)<东岸(10 224.47 Bq/m3)<北岸(13 626.60 Bq/m3)<东南岸(20 161.65 Bq/m3).G9采样点的222Rn活度最大,该点位于湖东南方向的乌拉山北缘断裂带,该断裂为近东西向的张性正断层,地壳深部的放射性气体通过断裂通道进入地下水[19],可能造成地下水222Rn活度含量较高.西岸的G4,G6采样点222Rn活度较低,不到均值的一半.如前文所述,G4采样点可能受到了排干水渗漏补给的影响,而G6采样点位于古河道旁,地层的渗透系数较大,有利于地表水入渗,可能稀释了地下水的222Rn.东岸的G11与G12采样点距离相近,G11采样点更近邻乌梁素海,该点的222Rn活度偏低,仅占G12采样点活度的38%,推测可能受到了湖水的侧渗补给影响.

非灌溉期地下水的222Rn活度受河渠渗漏补给的影响较小,其区域性差异可能反映了湖水与地下水的相互作用特征.非灌溉期乌梁素海西、东、北岸地下水的222Rn活度均值相近,分别为8 072.46,7 304.85,7 365.18 Bq/m3.西南岸地下水222Rn活度均值最低,代表性采样点G7与G8平均222Rn活度为3 225.37 Bq/m3,仅为区域平均值的48%,表明该地区很可能是湖水渗漏补给地下水,稀释了地下水中的222Rn.

2.3 湖水的222Rn含量及其指示意义

乌梁素海222Rn活度的分布具有明显的时空差异性,灌溉期的222Rn活度大于非灌溉期,与地下水222Rn活度的变化特征相似(见表4、图2).灌溉期的222Rn活度为79.07～707.16 Bq/m3,平均值为(334.52±161.79)Bq/m3;非灌溉期的222Rn活度为39.18～276.35 Bq/m3,平均值为(129.72±65.18)Bq/m3,约为灌溉期的39%.222Rn的母体是镭(226Ra),已有的研究[27]表明水体盐度对226Ra的活度有影响,但226Ra的衰变常数很小,仅为1.37×10-11d-1,因此湖水226Ra活度的年际变化对222Rn活度的影响可以忽略不计.

表4 乌梁素海不同采样调查时期222Rn的活度

(a)灌溉期表层湖水;(b)非灌溉期表层湖水;(c)非灌溉期底层湖水图2 乌梁素海222Rn的空间分布

由图2可见,表层湖水的222Rn活度在总排干入湖区偏大,并且灌溉期湖区中部的222Rn活度明显高于北部、南部;非灌溉期表层湖水222Rn活度的取值范围和平均值都小于底层湖水,这主要归因于水气界面222Rn的逸散.与此同时,表层湖水和底层湖水的222Rn活度均值都大于总排干(110.72 Bq/m3),表明非灌溉期地下水对湖水存在一定的补给,除了湖水226Ra自身的衰变外,总排干退水不再是湖水222Rn的主要来源.

3 讨论

乌梁素海表层湖水在总排干入湖区222Rn活度偏大的主要原因可能有三方面:一是湖水222Rn的主要源项是总排干退水.二是湖区中、北部的大面积芦苇减少了湖水222Rn向大气的逸散.乌梁素海是我国北方干旱区典型的浅水草型湖泊,芦苇区占湖区总面积的51%[28],主要分布在中、北、西部,芦苇增加了下垫面的粗糙度、增强了来流的阻碍作用,导致湖面风速降低[29],造成湖面222Rn的不均匀逸散.此外,植被的降温增湿作用也不利于222Rn在大气中的扩散稀释[30].三是高密度芦苇区阻碍了湖水222Rn的水平向混合.挺水植物芦苇对水流有阻滞作用,乌梁素海芦苇区的水流流速小于航道区域及明水区[31],导致芦苇区湖水中222Rn水平扩散的水动力条件较差,易造成局部湖区222Rn含量较高.

国内外以往的相关研究中,222Rn常被用于分析不同季节的地表水和地下水的相互作用关系.本文的研究发现,222Rn可以指示灌溉活动影响下的水文循环以及地表水与地下水的补排关系.本研究的不足之处在于缺少定量化分析、研究手段略显单一等.为此,在后续工作中应继续开展水体222Rn的连续监测和建模分析,并综合溶解性总固体含量、电导率、氯离子、锶同位素、氢氧同位素等多种技术手段进行相关研究.

4 结论

(1) 灌溉期(2020年10月下旬)乌梁素海湖水、出入湖河渠水、近湖岸地下水的222Rn活度均高于非灌溉期(2021年9月上旬).灌溉入渗、排水过程改变了区域地下水水动力条件,加快了区域地下水的循环流动,使水文循环系统中河渠、湖泊和地下水的222Rn活度增大.

(2) 河湖222Rn活度的空间差异性显著.灌溉期湖水222Rn在总排干入湖区偏大,表明总排干退水是湖水222Rn的主要源项;非灌溉期湖水和退水渠222Rn均大于总排干,表明地下水对湖水存在一定的补给.

(3) 非灌溉期西南岸地下水222Rn活度仅为区域平均值的47.5%,指示该地区存在湖水的侧渗补给,稀释了地下水中的222Rn.总体来看,222Rn能够较好地指示年内不同时期乌梁素海的水文循环过程.