典型西北山地-绿洲系统不同水体水化学特征及其水力关系分析

引用本文

王诗语, 孙从建, 陈伟, 周思捷, 张鑫. 典型西北山地-绿洲系统不同水体水化学特征及其水力关系分析[J]. 环境科学, 2023, 44(3): 1416-1428.

WANG Shi-yu, SUN Cong-jian, CHEN Wei, ZHOU Si-jie, ZHANG Xin. Analysis of Water Chemistry Characteristics and Hydraulic Relationships of Different Water Bodies in Typical Mountain-oasis Systems in the Northwest Inland Area[J]. Environmental Science, 2023, 44(3): 1416-1428.

典型西北山地-绿洲系统不同水体水化学特征及其水力关系分析

王诗语^1,2, 孙从建^1,2, 陈伟^1,2, 周思捷^1,2, 张鑫^1,2

1. 山西师范大学地理科学学院, 太原 030031;
2. 山西师范大学黄河中游生态环境研究中心, 太原 030031

收稿日期: 2022-05-06; 修订日期: 2022-06-07

基金项目: 国家自然科学基金项目（41901022）

作者简介: 王诗语(1999~), 女, 硕士研究生, 主要研究方向为地表水地下水转化, E-mail: wangshiyuzuibang@sina.com

通信作者: 孙从建, E-mail: suncongjian@sina.com

摘要: 开都河流域是西北内陆区典型的山地绿洲系统，其水化学信息对了解区域水文过程和优化水资源配置具有重要意义.基于2020年内不同季节山区、绿洲区多种水体样品的采集及测试，分析了该区域水化学特征及其水力联系.结果表明：①研究区水体整体呈微碱性，pH和TDS值呈现绿洲区高、山区低的分布特征；HCO₃^-和Ca²⁺为主要的阴阳离子，区域水化学类型多为HCO₃^--Ca²⁺型，绿洲区地下水水化学类型较之山区更复杂；区域水化学特征受岩石风化和人类活动影响较为明显.②河水δ¹⁸O和δD值呈现夏季贫化、春季富集的季节变化特征，而地下水为冬春贫化，秋季富集；降水和冰川水年内变化不显著；河水及地下水的δ¹⁸O和δD值则表现为绿洲区富集、山区贫化的空间分布特征.③研究区地表水和地下水的相互关系密切，且在夏季转化频繁；绿洲区地表水与地下水的转化特征呈显著的时空差异性.研究结果对于我国西北内陆区水资源的优化配置具有重要意义.

关键词: 水化学稳定同位素地下水地表水时空变化

Analysis of Water Chemistry Characteristics and Hydraulic Relationships of Different Water Bodies in Typical Mountain-oasis Systems in the Northwest Inland Area

WANG Shi-yu^1,2 , SUN Cong-jian^1,2 , CHEN Wei^1,2 , ZHOU Si-jie^1,2 , ZHANG Xin^1,2

1. School of Geographical Science, Shanxi Normal University, Taiyuan 030031, China;
2. Research Center of Ecological Environment in the Middle Reaches of the Yellow River, Shanxi Normal University, Taiyuan 030031, China

Abstract: Kaidu River basin is a typical mountain oasis ecosystem in the northwest inland. Its hydrochemical environment information is of great significance to understand the regional hydrological process and optimize the allocation of water resources. Based on the collection of samples of various water bodies in mountainous and oasis areas in different seasons in 2020, this study analyzed the water chemical characteristics and hydraulic links in this region. The results showed that: ① the water body in the study area was slightly alkaline as a whole, and the pH and TDS values showed the spatial changes of low in the oasis area and high in the mountain area; HCO₃^- and Ca²⁺ were the main anions and cations. The regional hydrochemical type was mostly HCO₃^--Ca²⁺, and the hydrochemical type of groundwater in the oasis area was more complex than that in the mountainous area. Regional hydrochemical changes were mainly controlled by rock weathering and human disturbance. ② The δ¹⁸O and δD values of the river water showed the seasonal changes of dilution in summer and enrichment in spring, whereas groundwater was depleted in winter and spring and enriched in autumn. Precipitation and glacial water did not change significantly within a year. In space, the δ¹⁸O and δD values of river water and groundwater showed the law of enrichment in the oasis area and dilution in the mountainous area. ③ The relationship between surface water and groundwater in the study area was close, and the transformation was frequent in summer. The relationship between surface water and groundwater in the oasis area was closer than that in the mountainous area. Groundwater in the oasis area was recharged by groundwater in the previous period, river water, and precipitation, and the recharge rate was usually groundwater in the previous period>river water>precipitation.

Key words: hydrochemistry stable isotopes groundwater surface water temporal and spatial change

水资源作为区域重要的战略资源, 对于区域的农业、工业和人类生活都具有重要的意义^[1].然而, 随着全球气候变化和人口快速增长, 区域水体环境发生急剧的变化, 这严重影响了生态水文过程, 进一步加剧了水资源的供需矛盾^[2], 因此迫切需要系统地分析区域水环境变化情况^[3].分析天然水体的水化学组成及其成因对于查明区域水环境变化具有十分重要的意义^[4].部分学者通过对区域水化学组成的监测, 先后对海河源区^[5]、拉萨河流域^[6]、松花江流域^[7]和衢江流域^[8]等区域的水体环境进行了定量评估, 丰富了对区域水文过程的认识.水化学和稳定同位素联用方法是目前研究区域水文过程最为有效的方法之一^[9]; 应用此方法, 部分学者先后在流域径流组分^[2]、离子来源^[10]、地表水与地下水关系^[11]和地下水补给^[12]等方面开展研究, 取得了一系列的研究成果, 推动了区域水文学的研究进程.

西北内陆区环境恶劣, 降水稀少, 蒸发强烈, 对气候变化响应明显, 因此水资源时空分布不均, 区域水资源的供需矛盾十分尖锐^[13].加之近年来人口快速增长、绿洲扩张和耕地面积增加带来的水资源的无序开发, 导致西北内陆区生态水文过程日益复杂化^[14].已有研究对黑河^[15]、塔里木河^[16]和伊犁河^[17]等西北内陆区的水化学特征开展了相关分析, 并发现西北内陆区水体中Ca²⁺和HCO₃^-对不同水体的水化学组成影响显著, 碳酸岩风化作用及人类活动是区域水化学特征变化的重要驱动因素.然而现有的研究多聚焦于绿洲或山区, 对比分析山地绿洲系统的水化学特征研究鲜有开展, 在西北水资源供需矛盾日益加剧的背景下, 亟须加强对山地绿洲系统水化学特征的深入认识.

山地和绿洲是西北内陆区的基本地理景观, 其组成的山地绿洲系统(MOS)^[18]对区域气候条件、生态系统模式和人类活动影响深远^[19].作为MOS的重要限制性资源和变异驱动因子, 水环境的变化对MOS系统影响深远.近年来, 受气候变化及不合理的人类活动影响, 西北内陆区MOS的水环境变化显著, 地表水与地下水的转化关系日益复杂, 成为威胁MOS生态环境安全和经济社会可持续发展的重要因素^{[20, 21]}.然而, 目前涉及西北内陆区山地绿洲系统的研究相对匮乏, 尤其是对于两种差异显著的地理景观下的水化学特征的认识有待进一步提高.因此, 本文选取了西北内陆区典型的山地绿洲系统——开都河流域作为研究区, 通过全流域不同季节多种水体样本采集及测试, 系统地分析区域不同水体水化学特征及其相关关系, 探讨控制区域不同水体水化学特征的控制因素, 并进一步提升对西北内陆区MOS水文过程的认识, 以期为区域资源的有效管理和合理利用提供理论支撑.

1 研究区概况

开都河流域位于中天山南坡、塔里木盆地北部、新疆巴音郭楞蒙古自治州境内, 地理位置80°52′~86°55′E、41°47′~43°21′N, 地势西北高东南低^[22], 海拔在1 050~4 800 m之间(图 1).研究区分为山区和绿洲区两部分, 山区海拔为2 400~4 800 m, 属于高寒气候, 夏季最高温为30℃, 冬季最低温度低至-40℃, 而绿洲区海拔较低, 属于温带大陆性气候, 夏季最高温高达38℃, 冬季最低温为-18℃, 山区与绿洲区的多年平均降水量差异显著, 山区多年平均降水量约为300 mm, 而绿洲区仅为70 mm^[23]. 研究区主要河流与湖泊为开都河、黄水沟河和清水河以及尾闾湖博斯腾湖, 均起源于天山中部, 高山降水、基岩地下水和冰雪融水是其主要补给^[24].开都河流域外露的岩性主要为粘胶岩、泥质砂岩、泥岩和黏土, 富含碳酸盐和硫酸盐^[24].研究区山区草地以及冰川广布, 而绿洲区是新疆人口、工业和灌溉农业的重要聚集区, 人类活动影响显著^[25].近年来, 随着区域人口的快速增长、水土资源的不合理利用和区域气候变化造成的不利影响, 研究区生态环境日益脆弱, 水环境变化显著, 地表水与地下水转换关系复杂^[26].

图 1 研究区位置和采样点分布示意 Fig. 1 Location of study area and sampling sites

2 材料与方法 2.1 样品采集

本研究于2020年1月(表示冬季)、2020年4月(表示春季)、2020年7月(表示夏季)和2020年9月(表示秋季)在研究区山区及绿洲区采集地表水及地下水水样共119份, 其中绿洲区采样点根据位置将其分为3种类型, 即传统绿洲区(表示老绿洲区)、滨湖区(表示博斯腾湖附近新开的绿洲)和过渡带(表示绿洲与山地过渡区), 具体采样点信息如表 1所示.地下水采集自研究区浅层地下水(< 20 m)分布点; 河水采集自研究区流动的自然水面; 降水样品于研究区内水文站采集; 而冰川样品在天山冰川观测站采集, 采集冰川样品时, 选取冰川末端一段, 放入塑封袋中备用.水体同位素样品采样后保存于5 mL玻璃瓶中, 并立即用Parafilm封口膜密封, 以减少蒸发.采集水化学样品时, 先用待采样品清洗100 mL棕色聚乙烯瓶3次, 用封口膜密封并及时冷藏于4℃的冰箱, 在7 d内送到实验室进行检测.

表 1 研究区域采样点信息 Table 1 Sampling information of study area

区域		类型	样品编号	经度(E)/(°)	纬度(N)/(°)	样品数(不同季节)
绿洲区	传统绿洲区	河水	O1	86.55	42.05	4
		地下水	La1	86.65	41.91	4
			La2	86.50	41.97	4
			La3	86.53	42.02	4
			La4	86.62	41.98	4
	滨湖区	河水	O2	86.62	41.98	4
		地下水	Lb1	86.69	41.90	4
		地下水	Lb2	86.65	41.87	4
	过渡带	河水	O3	86.14	42.23	4
		河水	O4	85.97	42.23	4
		地下水	Lc1	86.76	42.29	4
			Lc2	86.16	42.32	4
			Lc3	86.01	42.29	4
			Lc4	86.29	41.99	4
山区		河水	M1	86.24	42.45	4
			M2	86.27	42.65	4
			M3	84.95	43.13	4
			M4	84.95	43.13	4
			M5	84.13	43.01	4
			M6	83.72	42.87	4
			M7	83.75	42.91	3
			M8	83.72	42.86	3
		地下水	MG1	86.30	42.27	4
		地下水	MG2	84.43	43.09	4
		降水	P1	86.27	42.65	7
		降水	P2	84.13	43.01	6
		冰川水	G1	84.41	42.53	12

表 1 研究区域采样点信息 Table 1 Sampling information of study area

2.2 样品测定

水样的δ¹⁸O、δD和主要离子值在中国科学院新疆生态地理研究所沙漠与绿洲生态国家重点实验室进行测定. δ¹⁸O和δD值由液态水同位素分析仪(DLT-100型)测定, 其精度水平分别为0.1‰和0.3‰, 测量结果以维也纳标准平均海水(VSMOW)为标准的千分差[δ(‰)]表示.主要阳离子Ca²⁺、Mg²⁺、Na⁺和K⁺采用电感耦合等离子体发射光谱仪(美国安捷伦735 ICP-OES)进行测定, 阴离子Cl^-和SO₄^2-由离子色谱仪(美国戴安ICS-5000)测定, HCO₃^-和CO₃^2-采用电位滴定法测定.在取样现场测量了所有样品的水温、pH值和总溶解固体(TDS)值.

2.3 水环境特征分析法

采用箱线图^[27]观察水体pH、TDS、主要离子和氢氧稳定同位素值的分布特征, 箱线图矩形盒上下分别为上、下四分位数, 中间横线为中位数, 两端分别为最大值和最小值.用Piper三线图确定水体的水化学类型^[28].用Gibbs图解法分析不同水体的水化学特征的影响因素^[29].

2.4 地表水与地下水转化分析

EMMA(端构件混合分析)方法被广泛用以定性分析不同水体之间的关系^[30], 此外, 多元混合模型被用以定量分析地表水与地下水相互关系^[31], 其方程式如下：

(1)

式中, Q为多种水源补给形成的总径流量; Q_m为第m种径流; C_m^b为径流m的示踪剂b, 其中参数C_m^b在观测期间应为一个稳定的常量, 并且为了避免误差需要选取两种示踪剂, 在本研究中选取δ¹⁸O和TDS作为示踪剂.

3 结果与讨论 3.1 不同水体的水化学特征及其影响因素 3.1.1 pH和TDS

研究区不同水体的pH、TDS和主要离子等参数呈现明显的时空差异性(表 2), 不同地表水的pH值排序为：河水>冰川水>降水.其中, 河水pH值介于7.44~8.03之间, 偏碱性; 冰川水pH值介于6.73~7.68之间, 偏中酸性; 大部分降水样品pH值< 7, 表明该区域降水有酸化特征.整体上, 研究区地表水pH呈现春冬高、夏秋低、绿洲区高山区低的时空规律, 尤其过渡带河水pH较高(图 2).地下水的pH值介于7.70~8.23之间, 偏碱性.地下水pH时空变化与地表水基本一致, 但传统绿洲区地下水pH较高, 这可能与该区域灌溉过程中土壤中碱性物质被淋洗进入地下水系统有关^[32].

表 2 不同季节地表水和地下水水化学变量统计汇总¹⁾ Table 2 Statistical summary of hydrochemical variables of surface water and groundwater in different seasons

项目	类型	春季				夏季				秋季				冬季
项目	类型	河水	地下水	降水	冰川水	河水	地下水	降水	冰川水	河水	地下水	降水	冰川水	河水	地下水
pH	最大值	8.23	8.22	7.38	7.68	8.19	8.10	6.73	6.84	7.99	7.92	6.47	6.91	8.30	8.23
	最小值	7.59	7.77	6.17	7.07	7.44	7.75	5.94	6.73	7.69	7.70	6.40	6.84	7.91	7.97
	平均值	8.01	8.01	6.52	7.38	7.80	7.97	6.18	6.78	7.87	7.81	6.43	6.87	8.16	8.11
TDS	最大值	444.00	771.00	141.40	71.10	353.00	645.00	75.20	95.00	434.00	1049.35	130.10	78.34	798.00	1 077.30
	最小值	255.00	204.00	56.20	62.30	114.80	137.90	18.30	60.00	142.10	149.50	70.60	60.84	64.45	119.58
	平均值	327.62	522.00	88.48	66.70	236.82	451.09	37.72	70.00	273.36	482.76	104.07	67.09	337.88	606.32
Ca²⁺	最大值	68.83	64.60	17.74	7.89	56.77	99.91	11.63	4.44	63.10	81.41	3.88	3.95	67.56	66.05
	最小值	33.32	4.31	10.32	4.12	13.99	18.93	2.85	2.62	31.42	15.21	3.76	3.05	21.41	19.91
	平均值	49.82	35.07	15.36	6.00	38.67	50.45	5.75	3.07	46.45	41.44	3.81	3.36	44.19	44.92
Mg²⁺	最大值	14.33	26.37	1.43	0.40	11.71	31.06	0.55	0.58	16.05	28.34	0.31	0.46	34.76	60.68
	最小值	7.39	2.15	0.39	0.35	1.34	5.43	0.13	0.33	2.91	4.87	0.14	0.34	0.52	2.14
	平均值	10.74	12.91	0.82	0.38	7.35	14.93	0.25	0.42	10.48	13.60	0.21	0.39	11.53	24.22
Na⁺	最大值	16.82	100.48	6.18	2.31	10.94	106.69	1.02	0.58	36.66	219.32	0.89	0.31	17.54	113.62
	最小值	6.74	4.96	1.09	0.76	0.68	6.23	0.09	0.33	5.29	5.37	0.16	0.12	2.52	6.27
	平均值	11.49	49.01	2.64	1.53	5.90	53.37	0.41	0.42	11.80	70.96	0.48	0.22	7.85	55.56
K⁺	最大值	2.45	5.54	2.87	2.38	1.86	5.01	1.27	0.63	3.17	7.57	3.06	0.56	2.35	5.49
	最小值	1.50	0.94	0.76	0.69	0.44	0.69	0.21	0.14	0.80	0.61	0.45	0.32	0.37	1.88
	平均值	2.46	3.01	1.31	1.54	1.23	2.73	0.67	0.29	1.64	2.68	1.59	0.41	1.61	3.62
HCO₃^-	最大值	217.40	305.95	52.00	50.53	188.65	313.89	41.43	35.92	275.44	182.10	63.58	35.66	214.63	314.23
	最小值	78.13	111.87	29.41	31.53	49.61	109.40	11.79	23.95	112.00	110.70	52.59	34.00	49.87	147.47
	平均值	180.83	193.94	37.85	41.03	137.54	189.22	22.66	32.09	170.40	159.57	58.77	34.70	170.83	225.33
Cl^-	最大值	23.62	64.58	17.10	3.16	14.64	101.06	15.47	2.26	20.34	121.91	49.81	1.83	24.29	118.61
	最小值	6.13	2.85	7.13	0.86	0.82	2.74	0.93	1.16	1.74	2.61	6.84	1.28	0.0	9.77
	平均值	11.31	37.36	12.42	2.01	5.44	42.19	5.21	1.51	9.09	50.38	31.01	1.45	16.07	53.12
SO₄^2-	最大值	63.42	174.13	18.94	1.80	54.32	201.72	3.34	3.49	60.50	423.75	11.49	2.52	69.75	207.06
	最小值	15.93	10.99	4.20	1.26	8.98	11.24	1.02	1.27	8.41	12.16	1.68	1.41	7.49	38.63
	平均值	39.16	72.15	7.96	1.53	27.15	82.88	1.81	1.91	36.87	113.73	7.20	1.82	32.82	100.17
δD	最大值	-61.44	-59.60	-38.47	-70.05	-58.35	-53.69	6.22	-60.19	-57.52	-51.29	-13.79	-66.34	-61.41	-60.23
	最小值	-99.36	-94.24	-76.00	-153.40	-71.06	-94.05	-56.90	-67.34	-73.24	-69.63	-61.32	-70.20	-76.14	-75.81
	平均值	-79.49	-69.12	-60.95	-111.72	-63.97	-68.55	-24.15	-63.11	-66.76	-63.86	-40.13	-67.96	-70.69	-68.31
δ¹⁸O	最大值	-9.15	-9.01	-6.02	-9.97	-9.34	-7.85	0.24	-9.65	-9.39	-7.50	-2.70	-10.33	-9.52	-9.53
	最小值	-15.06	-13.86	-11.12	-20.31	-11.01	-13.54	-9.49	-10.57	-10.82	-10.75	-9.13	-10.80	-11.75	-11.70
	平均值	-11.62	-10.43	-8.74	-15.14	-10.00	-10.33	-3.94	-10.04	-10.35	-9.74	-6.74	-10.50	-10.75	-10.38
1)pH无量纲, δD和δ¹⁸O单位为‰, 其余单位为mg·L^-1

表 2 不同季节地表水和地下水水化学变量统计汇总¹⁾ Table 2 Statistical summary of hydrochemical variables of surface water and groundwater in different seasons

图 2 研究区地表水与地下水水化学特征箱线图 Fig. 2 Hydrochemical characteristic box diagram of surface water and groundwater in the study area

不同地表水的TDS值排序为：河水>降水>冰川水, 其中河水TDS值波动较大, 介于64.45~798mg·L^-1之间, 平均值为293.92mg·L^-1, 高于世界河流的平均值(115mg·L^-1)^[33]; 降水和冰川水的TDS值 < 150mg·L^-1.整体上, 地表水TDS值季节变化不明显, 但在空间上, 绿洲区TDS值明显高于山区, 其中滨湖区河水在冬季TDS值异常升高, 这可能是由于冬季湖水水位下降后盐分运移汇聚于河水中所致^[34].地下水TDS值介于64.45~1 049.35 mg·L^-1之间, 平均值(515.54mg·L^-1)高于地表水.山区地下水TDS值季节变化较弱且低于绿洲区, 而滨湖区与过渡带地下水TDS值季节变化相似, 为春冬高、夏秋低, 而传统绿洲区秋季TDS值较高.

3.1.2 不同水体主要离子变化特征

研究区河水离子以Ca²⁺、Na⁺、HCO₃^-和SO₄^2-为主, 其中Ca²⁺为最主要的阳离子, HCO₃^-为最主要的阴离子, 且滨湖区河水的HCO₃^-质量浓度略高于其他地区(图 3), 这是由于滨湖区处于开都河与博斯腾湖交汇处, 携带不同浓度化学离子和营养盐的河水、湖水与地下水交互作用, 使该区域河水离子的质量浓度较其他区域更高^[12].另外, 降水与冰川水的主要阴阳离子也为HCO₃^-和Ca²⁺.地下水中主要离子为Na⁺、Ca²⁺、HCO₃^-、SO₄^2-和Cl^-; 空间上, 过渡带地下水的HCO₃^-质量浓度远高于其他地区, 是因为过渡带处于绿洲与山地的交界, 地表水与地下水之间的相互作用复杂, 离子之间的交换作用显著^[35].

图 3 山区与绿洲区河水、地下水主要离子分布箱线图 Fig. 3 Distribution box diagram of main ions in river water and groundwater in mountainous and oasis areas

整体上看, 研究区水体主要阳离子以Ca²⁺和Na⁺为主, 阴离子以HCO₃^-为主, Mg²⁺和K⁺离子在研究区水体主要离子中占比较小, 离子的季节变化不明显, 在空间上绿洲区各离子质量浓度要明显高于山区.

3.1.3 水化学类型

经阴阳离子平衡后, 将主要离子的毫克当量数(meq, %)点投到Piper图中, 来判断研究区水化学类型^[36](图 4).阳离子图中, 大部分河水样点落在左下角, 表明Ca²⁺在河水中占优势, 而地下水样大部分位于右下角, 说明Na⁺在地下水中占比较大; 从阴离子图中可知, 除春季个别山区河水样点落在SO₄^2-区域外, 其余均落在左下角的HCO₃^-一端, 说明HCO₃^-离子占主要优势, 构成该区水化学类型主要是HCO₃^--Ca²⁺型(图 4), 这与前人在博尔塔流域^[4]和巴尔喀什湖流域^[37]研究结果相似, 表明西北内陆区水化学类型较为相似.此外, 研究区降水和冰川均属于HCO₃^--Ca²⁺型.

图 4 研究区不同季节地表水和地下水主要离子Piper图 Fig. 4 Piper diagram of main ions in surface water and groundwater in the study area in different seasons

在空间上, 山区水体水化学类型单一, 多为HCO₃^--Ca²⁺型, 而绿洲区水化学类型复杂且空间差异显著, 尤其是地下水.传统绿洲区地下水为HCO₃^--Ca²⁺、Na⁺-Cl^-和SO₄^2--Cl^--Na⁺型; 滨湖区地下水多为HCO₃^--Ca²⁺和Na⁺-Cl^-型; 在过渡带, 地下水除了HCO₃^--Ca²⁺型外, 还有其他混合型.绿洲区地下水相对复杂的水化学类型表明该区域地下水补给来源复杂, 比山区地下水更易受外界环境影响^[31].总体上看, 研究区各类水体的水化学类型多为HCO₃^--Ca²⁺型, 且季节变化不明显, 绿洲区水体水化学类型比山区更为复杂, 尤其是地下水.

3.1.4 水化学影响因素

Gibbs图是确定天然水中主要化学成分来源的重要方法^[29], 其可判读降水控制、岩石风化和蒸发浓缩对水化学的影响.如图 5所示, 研究区大部分的水样落在Cl^-/(Cl^-+HCO₃^-)的低值区域, 而TDS值分布在100~1 100 mg·L^-1之间, 说明研究区地表水主要离子来源于岩石风化作用, 这与前人对于塔里木河流域出山径流中水化学特征分析结果一致^[38].

图 5 研究区不同季节地表水与地下水Gibbs图 Fig. 5 Gibbs diagram of surface water and groundwater in the study area in different seasons

Gibbs图显示山区的河水及地下水水化学组成较为相似, 其成分来源无显著的季节差异, 均主要受控于岩石风化作用.在绿洲区, 影响地下水与河水水化学组成的控制因素呈现较为显著的差异性, 其中绿洲区河水与山区河水较为相似主要受控于岩石风化作用, 而绿洲区地下水的水化学组成的控制因素呈显著的时空差异性, 绿洲地区的一些地下水样点(主要为滨湖区地下水和传统绿洲区地下水)落在3个典型的控制区之外, 这些样品的Na⁺/(Na⁺+Ca²⁺)的比值大于0.5, 根据前人研究表明这一现象是由于人类活动的干扰引起的^[21], 绿洲区广泛分布的灌溉农业可能是其主要原因.在Gibbs图的人为干扰区域中, 绿洲区和滨湖区地下水样本明显多于过渡带, 说明传统绿洲区和滨湖区地下水环境受到人类活动的干扰更显著.

3.2 不同水体稳定同位素变化特征

研究区河水δD值变化范围为-99.36‰~-61.44‰, 平均值为-70.39‰, δ¹⁸O值变化范围为-15.06‰~-9.15‰, 平均值为-10.70‰.河水δ¹⁸O和δD值呈现明显的季节变化：夏季贫化、春季富集, 这可能是由于春季气候干旱、降水稀少、蒸发旺盛, 导致河水稳定同位素富集; 而夏季降水较多, 大量冰雪融水(同位素较低)补给河水稀释了河水稳定同位素^{[4, 7]}.在空间上, 山区河水稳定同位素较为贫化, 而绿洲区较为富集, 过渡带河水的δ¹⁸O及δD均值又明显高于其他地区(图 2).另外, 降水样品的δD值范围为-76.00‰~6.22‰, 平均值为-41.74‰, δ¹⁸O值为-11.12‰~0.24‰, 平均值为-6.47‰.冰川水样品的δD值范围为-153.40‰~-60.19‰, 平均值为-80.93‰, δ¹⁸O值变化范围为-120.31‰~-9.65‰, 平均值为-11.89‰.降水和冰川水年内变化不显著.

地下水δD值变化范围为-51.29‰~-94.24‰, 平均值为-67.29‰, δ¹⁸O值变化范围为-7.85‰~-13.86‰, 平均值为-10.19‰.地下水稳定同位素的季节变化与河水不同, 其呈现冬春季节相对贫化, 秋季相对富集的规律.地下水δ¹⁸O和δD值在夏季变化范围较大, 这表明研究区地下水在夏季受地表水的影响显著, 而冬季相对稳定, 说明在冬季地表水和地下水的转化较弱.研究区地下水δ¹⁸O和δD值空间分布规律与河水一致, 呈现绿洲区富集, 山区贫化的规律, 但滨湖区地下水δ¹⁸O和δD值明显高于其他地区.

3.3 不同水体相互关系

δ¹⁸O和δD关系被证明是一种可靠的水体来源分析手段, 通过判读不同水体与全球大气降水线(GMWL)的位置关系可以解析不同水体间的相互关系^[12].由研究区地表水和地下水δ¹⁸O及δD值关系图可知, 除山区地下水在春夏两季远离全球大气降水线(GMWL)外, 其余各样点基本集聚于GMWL左侧附近(图 6), 在春夏两季地表河水、地下水的点较为聚集, 而这一时期降水的样点位于GMWL线的右上角, 表明这一时期降水受到较为强烈的蒸发作用.在秋冬季, 地表水与地下水的样点分布较为离散.整体上, 研究区不同水体的样点呈现出秋冬离散, 春夏集聚的分布特征, 且在夏季尤为集聚, 这表明研究区地表水和地下水之间的转化在夏季更为频繁; 而冬季水体样点δ¹⁸O及δD的取值范围尽管都较小, 但地表水与地下水样点重合得并不明显, 这与冬季水体之间的转换不明显有密切联系.

图 6 研究区不同季节地表水、地下水δD和δ¹⁸O关系 Fig. 6 Relationship of δD and δ¹⁸O of surface water and groundwater in different seasons in the study area

为了进一步揭示区域水力联系, EMMA(end nember mixing analysis)图解法^[39]被用以判读研究区地下水和地表水相互关系, 图 7所示, 由于冬季水力联系较弱, 仅对春夏秋三季讨论.总体来看, 研究区的地下水主要受到冰川水、大气降水和河水的补给, 这与前人对西北内陆区各大流域地下水补给源的分析结果一致^[40].其中, 绿洲区的地下水与地表水之间的联系更密切(三角形区域越小, 水力联系越紧密), 而山区地下水样多位于三角区域(由地下水、河水和降水的TDS和δ¹⁸O示踪剂平均值构成)外, 说明山区地下水与地表水之间的水力联系并不十分显著.

图 7 研究区不同季节地表水与地下水TDS和δ¹⁸O的关系 Fig. 7 Relationship of TDS and δ¹⁸O of surface water and groundwater in different seasons in the study area

基于多元混合模型, 对绿洲区地下水补给源的定量分割的结果表明, 整体上, 绿洲区地下水主要受到前一期地下水、河水以及降水的补给, 补给率的大小通常为：前一期地下水>河水>降水.春季绿洲区河水对地下水的平均补给率为39.5%, 降水对地下水的补给率为3.1%; 夏季河水对地下水的平均补给率为21.9%, 降水对地下水的补给率为3.4%; 秋季河水对地下水的平均补给率为14.9%, 降水对地下水的补给率为12.2%.地下水在春季受到河水补给最大(39.5%), 在秋季受到降水补给最大(12.2%).由不同季节绿洲区地下水补给比例可知(图 8), 滨湖区地下水在春季受到河水的补给最大, 其补给率高达78.9%; 在夏季, 降水对地下水补给较低(1.7%); 而过渡带地下水在春季受到降水(4.9%)的补给大于河水(3.2%); 传统绿洲区地下水在夏季几乎没有接受到降水补给, 而在秋季接受了16.4%的降水补给, 远超过河水对地下水的补给率(0.6%).

图 8 绿洲区不同季节地表水与地下水补给比例 Fig. 8 Recharge ratio of surface water and groundwater in oasis area in different seasons

为了更好地揭示研究区与邻近区域水体环境的异同, 基于前人的研究^[40], 将本研究结果分别与河西走廊(包括石羊河流域、黑河流域等)、塔里木河流域和新疆北部内陆河流域(乌鲁木齐河流域、伊犁河流域等)等西北内陆区流域进行对比, 发现研究区与上述地区的水化学特征较为相似：即水体多为碱性, Ca²⁺和HCO₃^-为其主要的阳离子和阴离子, 地下水TDS值高于地表水; 岩石风化和人类活动对区域水化学特征具有重要影响.

在水力联系方面, 研究区及西北干旱区地下水均受到前一期地下水、河水、降水和冰雪融水等共同影响; 而研究区河水与地下水之间转化频繁, 转化率较高, 这与新疆北部的研究结果较为相似^[41], 新疆北部大部分内陆河流域对地下水补给依赖性较强, 地下水对河流流量有重要的贡献.在春季, 研究区地下水受到冰雪融水的影响较为显著, 这与塔里木流域源流区较为相似, 在塔里木河流域源流区, 冰川融水和雪融水对河流径流的贡献约为41.5%, 是区域地表水资源的重要组成部分^{[40, 42, 43]}.在秋季, 传统绿洲区降水对地下水的补给率显著高于河水对地下水的补给率, 这又与河西走廊黑河流域的地表水-地下水转换关系较为相似^{[44, 45]}.较为复杂的区域地表水地下水转化关系迫切要求在区域水资源开发利用过程中需统筹配置地表水地下水, 减少对水环境的干扰, 以达到区域水资源的可持续利用.

4 结论

(1) 研究区河水与地下水都呈碱性, 降水有酸化趋势, 地表水与地下水pH值、TDS值都呈现冬春高、夏秋低, 绿洲区、高山区低的时空变化.水体主要阳离子以Ca²⁺和Na⁺为主, 阴离子以HCO₃^-为主, 绿洲区各离子质量浓度要明显高于山区.区域水化学类型为HCO₃^--Ca²⁺型, 绿洲区水化学类型较之山区更复杂.区域水化学变化主要受岩石风化和人为干扰控制.

(2) 河水δ¹⁸O和δD值呈现夏季贫化, 春季富集的变化趋势, 而地下水δ¹⁸O和δD值呈现冬春季节相对贫化, 秋季富集的特征.降水和冰川水年内变化不显著.在空间上, 河水及地下水δ¹⁸O和δD值都呈现绿洲区富集、山区贫化的规律, 在绿洲区内部, 过渡带河水与滨湖区地下水的δ¹⁸O和δD值都明显高于其他地区.

(3) 研究区地表水与地下水的相互关系密切, 且在夏季转化频繁.绿洲区地表水和地下水之间的联系较山区更密切.绿洲区地下水主要受到前一期地下水、河水和降水的补给, 补给率的大小通常为前一期地下水>河水>降水.而滨湖区地下水在春季受到河水的补给率最大, 其补给率高达78.9%; 传统绿洲区地下水则是在秋季接受了16.4%的降水补给, 远超过河水的贡献(0.6%).

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