环境科学  2023, Vol. 44 Issue (9): 4863-4873   PDF    
引用本文
裴森森, 段利民, 苗平, 潘浩, 崔彩琪, 张波, 籍健勋, 罗艳云, 刘廷玺. 黄河流域内蒙古段水化学同位素特征及水体转化关系[J]. 环境科学, 2023, 44(9): 4863-4873.
PEI Sen-sen, DUAN Li-min, MIAO Ping, PAN Hao, CUI Cai-qi, ZHANG Bo, JI Jian-xun, LUO Yan-yun, LIU Ting-xi. Water Chemical Isotope Characteristics and Water Transformation Relationship in Mongolian Section of the Yellow River Basin[J]. Environmental Science, 2023, 44(9): 4863-4873.
黄河流域内蒙古段水化学同位素特征及水体转化关系
裴森森1, 段利民1,2,3, 苗平4, 潘浩1, 崔彩琪1, 张波1, 籍健勋1, 罗艳云1,2,3, 刘廷玺1,2,3     
1. 内蒙古农业大学水利与土木建筑工程学院, 呼和浩特 010018;
2. 内蒙古自治区水资源保护与利用重点实验室, 呼和浩特 010018;
3. 黄河流域内蒙段水资源与水环境综合治理协同创新中心, 呼和浩特 010018;
4. 鄂尔多斯市河湖保护中心, 鄂尔多斯 017010
收稿日期: 2022-10-15; 修订日期: 2022-11-30
基金项目: 内蒙古自治区科技重大专项(2020ZD0009)；内蒙古自治区"科技兴蒙"行动重点专项(KJXM-EEDS-2020005)；国家重点研发计划项目(2021YFC3201201)；科技部重点领域创新团队项目(2015DFA00530)；教育部创新团队发展计划项目(IRT_17R60)
作者简介: 裴森森(1996~), 男, 硕士研究生, 主要研究方向为流域水循环, E-mail: pss866@vip.qq.com
通信作者: 段利民, E-mail: duanlimin820116@163.com
摘要: 以黄河流域内蒙古段为研究区，于2021年7月(丰水季)和10月(枯水季)采集降水、黄河干流、黄河支流与季节性河流、乌梁素海、哈素海、岱海、灌区渠系和地下水等水样，测试不同类型水体的水化学组成和氢氧同位素值.综合运用Piper三线图、Gibbs图、离子比例和MixSIAR混合模型等研究方法，分析了黄河流域内蒙古段水化学演变规律，并揭示降水、地表水和地下水的转化关系.结果表明，研究区地下水和地表水均偏弱碱性，水体中优势阴离子为Cl-，优势阳离子为Na+，地表水水化学类型以Cl ·SO4-Na ·Mg和SO4 ·HCO3-Na ·Mg为主，地下水水化学类型以Cl ·SO4-Na ·Mg和SO4 ·HCO3-Na ·Ca.地下水Ca2+和Mg2+主要来源于硅酸盐和蒸发岩的溶解，地表水Ca2+和Mg2+主要源于碳酸盐岩溶解，且水中碳酸和硫酸参与了碳酸盐矿物和硫化矿物溶解的过程，不同水体Na+和Cl-均受人为污染源的影响.受季节效应影响，地表水和地下水δD和δ18 O丰水期较枯水期高，研究表明，地表水在接受大气降水补给后受到了蒸发分馏作用的影响，地下水补给源复杂.MixSIAR模型揭示出，研究区地表水是地下水的主要补给来源，占总补给量的52.4%~62.2%，大气降水是地表水的主要补给来源，占总补给量的85.4%~97.1%.
关键词: 黄河流域      水化学特征      氢氧同位素      MixSIAR模型      地下水     
Water Chemical Isotope Characteristics and Water Transformation Relationship in Mongolian Section of the Yellow River Basin
PEI Sen-sen1 , DUAN Li-min1,2,3 , MIAO Ping4 , PAN Hao1 , CUI Cai-qi1 , ZHANG Bo1 , JI Jian-xun1 , LUO Yan-yun1,2,3 , LIU Ting-xi1,2,3     
1. Water Conservancy and Civil Engineering College, Inner Mongolia Agricultural University, Hohhot 010018, China;
2. Inner Mongolia Key Laboratory of Water Resource Protection and Utilization, Hohhot 010018, China;
3. Collaborative Innovation Center for Integrated Management of Water Resources and Water Environment in Inner Mongolia Section of the Yellow River Basin, Hohhot 010018, China;
4. Ordos River and Lake Protection Center, Ordos 017010, China
Abstract: The Yellow River in Inner Mongolia was selected as the study area in this study. In July (wet season) and October (dry season) of 2021, the acquisition of seasonal rivers, the Yellow River tributaries and precipitation, the Yellow River, Wuliangsuhai, Lake Hasuhai, Lake Daihai, an irrigation canal system, and underground water and sea water samples were collected to test the water chemical composition and hydrogen and oxygen isotopic values of different water types. Using the Piper triplot, Gibbs plot, ion ratio, and MixSIAR model methods, the evolution of water chemistry in the Mongolian section of the Yellow River Basin was analyzed, and the transformation relationship between precipitation, surface water, and groundwater was revealed. The results showed that both groundwater and surface water in the study area were slightly alkaline; the dominant anion in water was Cl-, and the dominant cation was Na+. The main hydrochemical types of surface water were Cl·SO4-Na·Mg and SO4·HCO3-Na·Mg, whereas those of groundwater were Cl·SO4-Na·Mg and SO4·HCO3-Na·Ca. Groundwater Ca2+ and Mg2+ were primarily derived from the dissolution of silicate and evaporite, and surface water Ca2+ and Mg2+ were primarily derived from carbonate karst dissolution and carbonate and sulfuric acid in water participating in the dissolution process of carbonate and sulfide minerals. Na+ and Cl- in different water bodies were all affected by anthropogenic pollution sources. Owing to the seasonal effect, δD and δ18O of surface water and groundwater were higher in the wet season than in the dry season. The results showed that surface water was affected by evaporative fractionation after receiving precipitation recharge, and the groundwater recharge sources were complex. The MixSIAR model revealed that surface water was the main recharge source of groundwater, accounting for 52.4%-62.2% of the total recharge, and atmospheric precipitation was the main recharge source of surface water, accounting for 85.4%-97.1% of the total recharge.
Key words: Yellow River Basin      hydrochemical characteristic      hydrogen and oxygen isotopes      MixSIAR model      groundwater     

水是人类及一切生物赖以生存、不可或缺的重要资源.然而, 随着经济的快速发展和生活方式的巨大变化, 工业、农业和生活用水需求不断增加, 导致全球范围的水危机[1~3].尤其是在干旱半干旱地区, 水资源短缺和水环境污染等问题凸显, 已经成为制约区域经济和社会发展的瓶颈[4, 5].在干旱半干旱地区, 降水、地表水和地下水间的转化是水文循环的重要过程, 是开展流域水资源管理与保护的前提基础[6, 7].

天然水体的水化学组分是水与周围环境长期相互作用的产物, 在一定程度上记录着水体的形成、运移和转化途径[8].氢氧稳定同位素受蒸发分馏、凝结和混合作用影响, 不同成因的水源具有特征性同位素且含量相对稳定的特点[9].因此, 联合应用水化学与氢氧稳定同位素示踪技术是了解复杂水文过程的有效手段[10~12].雷米等[8]分析了新疆博尔塔拉河流域平原区地表水和地下水的水化学和氢氧同位素特征, 揭示了地表水和地下水的相互转化关系; 张荷惠子等[13]分析了黄土丘陵沟壑区小流域不同水体的氢氧同位素特征, 在此基础上, 采用端元混合模型量化了不同水体的转化关系; Yang等[14]测定了西北德令哈地区降水、河水及地下水中的水化学、稳定同位素(D-18O)和放射性同位素(222Rn), 揭示了河水与地下水的补排关系; 刘鑫等[15]分析了汾河流域浅层地下水的水化学和氢氧同位素特征及其影响因素, 阐明了流域水循环和水质的演化过程.

黄河是中华民族的母亲河, 黄河流域生态保护和高质量发展已上升为重大国家战略[16, 17].水资源是黄河流域最关键的基础性资源要素[18], 在气候变化和人类活动的影响下, 黄河上、中、下游面临着不同类型的水资源及环境生态问题[19].黄河流域内蒙古段地处黄河最北端, 具有承上启下的重要作用, 由于受自然资源禀赋和承载能力的制约, 流域水资源严重短缺, 生态环境十分脆弱[20, 21].有研究分析了河套灌区和乌梁素海流域的水化学特征和利用稳定同位素技术所揭示的地下水补给方式和来源[22, 23], 但缺乏对整个黄河流域内蒙古段不同水体的同位素水化学类型和转化关系的研究.因此, 本研究借助实用的水化学与氢氧稳定同位素分析方法, 探究黄河流域内蒙古段水化学特征, 揭示不同水体间复杂的转化关系, 对于流域水资源开发利用、生态保护和修复等具有重要的支撑作用.

1 材料与方法 1.1 研究区概况

黄河流域内蒙古段是黄河“几”字弯的重要地带, 地处东经06°00′~113°00′, 北纬37°30′~42°00′, 从宁夏石嘴山流入内蒙古, 流经阿拉善盟、乌海市和巴彦淖尔市等7个盟市的42个旗县(市、区), 在呼和浩特市清水河县老牛湾出境流入山西省.内蒙古段干流长度843.5 km, 占黄河总长的1/7, 如图 1.研究区属典型的大陆性季风气候区, 多年平均降水量270 mm, 主要集中在7~9月, 占全年降水量的60%, 多年平均蒸发量1 500 mm.本文着眼于流域水体转化关系规律研究, 因此, 黄河内蒙古段空间范围的划定, 南部是以东胜四十里梁分水岭为界, 不包括分水岭南部由北向南径流, 汇入不到黄河干流的地表水和地下水区域.

图 1 研究区不同水体采样点分布示意 Fig. 1 Distribution of sampling sites

1.2 样品采集与数据分析

于2021年7月(丰水期)和10月(枯水期)在整个黄河流域内蒙古段, 布设地下水采样点144个、地表水采样点62个(其中, 干流14个、支流与季节性河流33个、湖泊3个、灌区渠系12个)、降水采样点9个; 共采集样品443组, 包括地下水289组、地表水154组(其中, 干流28组、支流与季节性河流59组、湖泊44组、灌区渠系23组)、降水81组.不同水体采样点位置如图 1所示.

使用便携式电导率仪(DDBJ-350)在野外现场测定水样中的pH值、溶解性总固体(TDS), 采用离子色谱仪(USA, AQ-1200, Thermo Fisher)在实验室测定Na+、K+、Mg2+、Ca2+和F-、Cl-、SO42-、NO3-, 阴阳离子电荷平衡差控制在5%以内.HCO3-离子浓度用盐酸滴定法测定.每个样品做3次重复测试, 平均误差 < 5%, 最终取平均值.应用LGR(USA, LWIA-45-EP)同位素分析仪测定δD和δ18O, 精度分别为±0.1‰和±0.3‰, 均满足测量的精度要求.

氢氧稳定同位素含量为V-SMOW的千分偏差, 表示为：

(1)

式中, δ为水样中δD和δ18O的组成相对于标样的变化方向和程度, ‰; Rsample为水样中2H/1H或18O/16O的比值; Rstandard为标样中D/H或18O/16O的比值.

采用贝叶斯模型识别计算多个源对混合物的贡献[24], 该模型基于狄利克雷分布, 在贝叶斯框架下构建了一个逻辑先验分布.本文利用贝叶斯混合模型(MixSIAR版本3.1.13)[25], MixSIAR包含了与各种同位素组成、多种源和鉴别因子相关的不确定性[26].可表示为：

(2)
(3)
(4)
(5)

式中，Xij为混合物i的j同位素值(i=1, 2, 3, …, N；j=1, 2, 3, …, J)；Pk为源k的贡献率，由该模型粗略计算. Sjk为源k的j同位素值(k=1, 2, 3, …, K)，与平均值μjk和方差ωjk2呈正态分布；Cjk为源k在j同位素上的分馏因子，用平均值λjk和标准差τjk2表示；εij为单个成分额外的非量化差异的残余误差，用平均值0和标准差σj2表示.

2 结果与讨论 2.1 不同水体水化学特征

黄河流域内蒙古段地表水、地下水水化学和氢氧同位素组成见表 1.不同水体的pH、TDS含量变化较大, 其离子组成具有明显的时空特征.其中黄河干流、支流与季节性河流、乌梁素海、哈素海、岱海和灌区渠系等地表水丰水期的pH变化范围为6.99~8.04偏弱碱性, 且大小为：灌区渠系>乌梁素海>哈素海>岱海>支流与季节性河流>黄河干流, TDS变化范围为174.30~11 900 mg·L-1, 且大小为：岱海>乌梁素海>支流与季节性河流>哈素海>黄河干流>灌区渠系; 地表水枯水期pH变化范围为7.07~8.30偏碱性, 且大小为：岱海>灌区渠系>乌梁素海>哈素海>黄河干流>支流与季节性河流, TDS变化范围为141.20~12 550 mg·L-1, 且大小为：岱海>乌梁素海>哈素海>支流与季节性河流>灌区渠系>黄河干流.地下水丰水期的pH和TDS变化范围分别为6.43~8.46和155.50~1 451.0 mg·L-1, 枯水期变化范围分别为6.60~8.61和158.00~8 340 mg·L-1, 整体呈中碱性, 多为低矿化度水.地表水TDS明显高于地下水, 说明地表水的水-岩相互作用强于地下水, 易溶盐含量较高[27].

表 1 研究区丰枯两期不同水体水化学离子及同位素统计特征 Table 1 Statistical characteristics of chemical ions and isotopes in water in two periods of abundance and drought in the study area

图 2为不同水体类型Piper三线图[28].可以发现丰水期不同地表水体和地下水的水化学离子分布在菱形区域较为集中, 说明离子来源较为一致, 联系相对密切.干流、乌梁素海、岱海和地下水的优势阴、阳离子分别为Cl-和Na+, 水化学类型为Cl·SO4-Na·Mg, 这是由于干流中携带了大量泥沙造成的; 支流与季节性河流、哈素海和灌区渠系的优势阴、阳离子分别为SO42-和Na+, 水化学类型为SO4·HCO3-Na·Mg.枯水期地下水水化学离子分布相对分散, 说明地表水和地下水间的联系不密切.干流、支流与季节性河流、灌区渠系和地下水的优势阴、阳离子分别为SO42-和Na+, 水化学类型为SO4·HCO3-Na·Ca, 这可能源于方解石(CaCO3)等碳酸盐的溶解; 乌梁素海、哈素海和岱海的优势阴、阳离子为分别Cl-和Na+, 水化学类型为Cl·SO4-Na.丰、枯水期地表水体多数离子含量呈现出岱海>乌梁素海>哈素海>支流与季节性河流>灌区渠系>干流的规律, 这充分说明了流域内湖泊及河流自然水体水循环的活跃程度[29~31], 湖水的矿化度比河水、地下水高, 这可能是由于湖泊水蒸发作用强烈导致湖泊中盐分含量累积, 并经过钙镁矿物沉淀析出和阳离子置换吸附等作用使得Na+成为水中优势离子.

图 2 研究区丰枯水期不同水体Piper三线图 Fig. 2 Piper triplet diagram of two different water bodies in the study area

2.2 不同水体水化学控制因素及离子来源分析 2.2.1 主控因素识别

Gibbs模型[32]是区分地表水及地下水水化学影响因素的直接方法, 分为大气沉降型、岩石风化型和蒸发浓缩型这3类[33, 34].如图 3所示, 在丰水期, 干流、支流与季节性河流、哈素海、灌区渠系和大部分地下水分布在岩石风化区, 说明其水化学的主控因素为矿物溶解; 乌梁素海、岱海和少部分地下水分布在蒸发浓缩区, 说明其水化学的主控因素为蒸发, 总体来看, 矿物溶解占主导地位.枯水期不同水体较丰水期变化小, 说明地表水、地下水的化学组成、迁移转化和离子来源存在高度一致性.

图 3 研究区丰枯水期不同水体Gibbs图 Fig. 3 Gibbs diagram of different water bodies in two periods of abundance and drought in the study area

由图 4(a)可知, 丰水期黄河干流、支流与季节性河流、乌梁素海、哈素海、灌区渠系和地下水的氯-碱指数CAI均为负值, 而仅有岱海的CAI为正值, 表明正向阳离子交换是丰水期水体中阳离子交换的主要类型, 即含水层水中的Ca2+和Mg2+与介质骨架中的Na+交换, 地下水中Ca2+和Mg2+的含量减少, 而Na+的含量增加, 反应过程为：2NaX+Mg2+/Ca2+2Na++Mg/CaX2.

图 4 研究区丰枯水期不同水体CAI Fig. 4 CAI maps of different water bodies in the study area

由图 4(b)可知, 枯水期黄河干流、哈素海、岱海和灌区渠系的氯-碱指数CAI均为正值, 支流与季节性河流中32.4%和67.6%的样品的CAI值分别为正值和负值, 乌梁素海中66.7%和33.3%的样品的CAI值分别为正值和负值, 地下水中59.6%和40.4%的样品的CAI值分别为正值和负值, 表明反向阳离子交换是枯水期水体中阳离子交换的主要类型, 即含水层中的Na+与介质骨架中的Ca2+和Mg2+交换, 地表水及地下水中Na+含量减少, Ca2+和Mg2+含量增加, 反应过程为：Mg/CaX2+2Na+Mg2+/Ca2++2NaX, 其中X为黏土矿物[35].丰水期相较于枯水期水体中CAI值负值更多, 且绝对值更大, 表明降水可以导致阳离子交换重新定向且交替更强.

2.2.2 离子来源分析

为了进一步分析地表水和地下水主要离子来源及水化学演化过程, 利用Ca2+/Na+与HCO3-/Na+关系判断水循环过程中各离子的来源[36, 37].如图 5(a)所示, 干流、部分支流与季节性河流、乌梁素海、哈素海、岱海、灌区渠系以及大部分地下水分布在蒸发盐岩和硅酸盐岩控制端元之间, 说明其水化学主要是受蒸发盐岩和硅酸盐岩矿物溶解共同控制; 其他取样点分布在硅酸盐岩和碳酸盐岩控制端元之间, 说明其水化学主要是受酸盐岩和碳酸盐岩溶解共同控制.

图 5 研究区不同水体主要离子比值关系 Fig. 5 Relationship diagram of major ion ratios in different water bodies in the study area

Na+和K+一般来源于大气沉降、硅酸盐矿物溶解以及蒸发盐矿物溶解[38], Na+/Cl-(毫克当量浓度比值, 下同)可揭示地下水系统中岩盐的溶解来源[39].岩盐溶解会释放出Na+和Cl-进入水体中, 理论上来说Na+和Cl-浓度相同.如图 5(b)所示, 可以看出丰水期地表水体及地下水Na+/Cl-在1左右, 说明丰水期受人类影响不大, 而枯水期除岱海以外的地表水体和地下水Na+/Cl-远大于1, 说明枯水期地表水和地下水Na+来源不只有大气沉降和岩盐溶解, 还有其他来源, 部分采样点地下水Na+和Cl-含量远高于其他地区, 说明受到周边企业和农业生产的影响.

利用(Ca2++Mg2+)/HCO3-(毫克当量浓度比值, 下同)可以确定Ca2+和Mg2+的来源.由图 5(c)可知, 部分支流与季节性河流、地下水分布在(Ca2++Mg2+)/HCO3-=1∶1比值线以下, 说明Ca2+和Mg2+主要来源于硅酸盐和蒸发岩的溶解.干流、部分支流与季节性河流、乌梁素海、哈素海、岱海、灌区渠系和大部分地下水采样点分布在(Ca2++Mg2+)/HCO3-=1∶1比值线以上, 说明Ca2+和Mg2+主要源于碳酸盐岩溶解.部分采样点(Ca2++Mg2+)/HCO3-远大于1, 说明Ca2+和Mg2+除了来自碳酸盐岩溶解外, 还可能有碳酸、硫酸和硝酸等其他离子参与碳酸盐岩溶解[40].

利用(Ca2++Mg2+)/(HCO3-+SO42-)可以进一步分析碳酸和硫酸参与地表水及地下水碳酸盐岩溶解情况.由图 5(d)可知, 岱海和部分支流与季节性河流、地下水采样点位于(Ca2++Mg2+)/(HCO3-+SO42-)=1∶1比值线之上, 说明SO42-主要来源于碳酸盐岩地层中石膏的溶解.大部分干流、支流与季节性河流、乌梁素海、哈素海、灌区渠系和地下水采样点均分布在(Ca2++Mg2+)/(HCO3-+SO42-)=1∶1比值线以下, 表示(Ca2++Mg2+)浓度值小于(HCO3-+SO42-)浓度值, 结合研究区地球化学背景, SO42-还可能来源于黄河周边黄土层中硫化矿物的溶解[41].

2.3 不同水体氢氧同位素特征及水循环指示意义 2.3.1 降水方程线及特征

降水氢氧同位素组成在一定范围内变化不大, 同一地区的降水线可以用一个方程表示[42].利用实测数据建立了研究区大气降水线LMWL：δD=5.94 δ18O-7.97 (R2=0.76), 全球降水线GMWL采用1961年Craig[43]提出的(δD=8.00 δ18O+10).由图 6可见, LMWL的斜率为5.94, 小于GMWL的斜率8.00, 说明研究区大气降水经历了较强的蒸发, 这与当地干旱、少雨的水汽条件相吻合[44].研究区纬度较高, 降水过程受二次蒸发影响, 氢氧同位素产生显著分馏, 导致水汽18O比D含量更加富集, 造成降水线斜率偏低[45].

图 6 研究区丰枯水期不同水体δD-δ18O关系 Fig. 6 Relationship diagram of δD-δ18O of different water bodies in two periods of abundance and drought in the study area

2.3.2 不同水体氢氧同位素的水循环指示意义

氢氧同位素δD与δ18O关系被证明是一种可靠的水体来源分析手段[46].地表水丰水期δD和δ18O的变化关系为δD=5.89 δ18O-8.23, 枯水期为δD=5.58 δ18O-17.53, 由图 6可知, 两时期地表水线的斜率和截距均小于当地降水线的斜率和截距, 说明地表水在接受降水补给后受到蒸发分馏作用的影响[47].枯水期方程线的斜率和截距均小于丰水期, 说明枯水期地表水的蒸发作用比丰水期更强.结合图 7可知, 丰水期地表水δD的范围为-72.77‰~-0.01‰, 平均值为-51.49‰; 枯水期地表水δD的范围为-78.03‰~1.32‰, 平均值为-54.19‰, 丰水期较枯水期高; 地表水δ18O丰水期也较枯水期高, 且大小为：岱海>哈素海>支流与季节性河流>乌梁素海>干流>灌区渠系.地表水氢氧同位素季节变化特征是由于丰水期气温较高, 地表水受蒸发分馏作用的影响, 使同位素相对富集[48].丰、枯水期干流和灌区渠系数据点均集中分布于LMWL下方, 且较为集中, 表明灌区渠系氢氧同位素受黄河控制, 数值与干流接近, 两种水体有强的水力联系, δD和δ18O略贫化.支流与季节性河流氢氧同位素数值分布不均、变异性大, 这是由于采样点空间分布广, 其特征受所在区域气候及环境条件的影响, 两时期的δD和δ18O关系差异较大, 受蒸发及补给来源影响明显.氢氧同位素在湖泊水中较为富集, 这是由于湖水开阔的环境决定了高强度的水域蒸发[28].其中岱海δD和δ18O丰枯水期差异性不明显, 且偏离于其他水体数据点, 氢氧同位素富集, 说明岱海蒸发能力强, 导致水域面积逐年缩小[49].相比之下, 乌梁素海和哈素海同位素同样受蒸发效应影响, 但富集程度低于岱海, 而乌梁素海受河套灌区排水和引黄补水影响, 其同位素季节差异大、变化复杂.

图 7 研究区不同水体氢氧同位素含量 Fig. 7 Box plots of hydrogen and oxygen isotopes in different water bodies in the study area

地下水丰水期δD和δ18O的变化关系为δD=5.17 δ18O-17.82‰, 枯水期为δD=5.07 δ18O-20.90‰, 由图 6可知, 两时期的斜率和截距均小于当地降水线, 丰水期受降水补给影响大, 更靠近降水线.两时期δD和δ18O关系斜率相差0.10, 截距相差3.08, 且δD和δ18O的变化范围基本相近, 说明研究区地下水丰、枯水期变化不明显.由于图 6中地下水与黄河干流、支流与季节性河流和灌区渠系等地表水体同位素数据点分布接近, 可以看出研究区不同地段地下水与地表水存在明显的水力联系.结合图 7可知, 丰水期地下水的δD的范围为-91.94‰~-55.61‰, 平均值为-71.33‰; 枯水期地下水的δD的范围为-87.69‰~-54.07‰, 平均值为-69.78‰, 枯水期较丰水期高, 地下水δ18O也呈现相同的变化趋势.两时期地下水同位素均值差异较小, 说明研究区地下水更新较慢, 滞留时间长, 季节变化不明显[50].

2.4 不同水体转化关系

同位素示踪剂通常比水化学方法较少受过程的影响, 因此, 同位素数据可以更好地辨别端元, 对混合过程的解释也比较清晰[51].根据氢氧同位素质量守恒原理, 研究各类水体的相互转换关系, 利用贝叶斯混合模型MixSIAR, 将研究区降水、地表水和地下水氢氧同位素数据的平均值和标准差输入模型, 计算各水体间的补给贡献比例.结果发现, 黄河流域内蒙古段丰水期降水和地表水对地下水的贡献率分别为47.6%和52.4%, 枯水期对地下水的贡献率分别为37.8%和62.2%, 如图 8(a); 丰水期地表水中地下水占2.9%, 大气降水占97.1%, 枯水期地表水中地下水占14.6%, 大气降水占85.4%, 如图 8(b).由此可见, 地表水是地下水的主要补给来源, 且枯水期补给比例大于丰水期.大气降水是地表水的主要补给来源, 表现出丰水期补给比例大于枯水期, 这与研究区丰水期降水量大于枯水期是分不开的.

图 8 研究区不同水体转换关系及比例关系 Fig. 8 Conversion and proportion relationships of different water bodies in the study area

3 结论

(1) 黄河流域内蒙古段地下水和地表水均偏弱碱性, 地表水水-岩相互作用较强, 易溶盐含量较高.地表水水化学类型以Cl·SO4-Na·Mg和SO4·HCO3-Na·Mg为主, 地下水以Cl·SO4-Na·Mg和SO4·HCO3-Na·Ca为主.

(2) 地表水Ca2+和Mg2+主要源于碳酸盐岩溶解, 地下水Ca2+和Mg2+主要来源于硅酸盐和蒸发岩的溶解, 不同水体Na+和Cl-均受人为污染源的影响.

(3) 丰水期地表水、地下水δD和δ18O较枯水期高, 且大小为：岱海>哈素海>支流与季节性河流>乌梁素海>干流>灌区渠系.地表水在接受大气降水补给后, 明显受蒸发分馏作用影响, 地下水与地表水存在较强的水力联系.

(4) 通过贝叶斯混合模型MixSIAR分析, 揭示出地表水是地下水的主要来源, 占52.4%~62.2%, 且丰水期补给比例大于枯水期; 大气降水为地表水的主要来源, 占85.4%~97.1%.

参考文献
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