近年来, 环境同位素技术因为在地下水勘测、地下水动力研究、了解含水层之间相互联系等方面的特殊作用^[1], 在寒区旱区水科学研究中得到广泛的应用^[2]。在黑河流域, 应用环境同位素的研究也取得了一定的进展^[3]。考虑到各类环境同位素的采样条件和地球化学特性, 在黑河流域的研究中大多选用了氘(²H)、氧(¹⁸O)、氚(³H)、碳(¹⁴C)和氡(²²²Rn)等几种环境同位素作为研究对象, 其中²H、¹⁸O属于稳定同位素, ³H、¹⁴C和²²²Rn属于放射性同位素。

降水及蒸发的同位素分馏作用可以导致水体的²H、¹⁸O出现空间变化。通过对比样品中的δ D、δ ¹⁸O值, 及利用²H、¹⁸O的分馏与各种环境因素(例如温度、湿度)之间的关系, 可以判断水体来源并追踪各类水文地质作用^[4]。此外, 也通常利用放射性同位素的衰变原理来确定地下水年龄^[4]。由于³H和¹⁴C半衰期分别为12.43 a和5730 a, 所以常被分别用来测定小于50 a的现代水和介于2 000~20 000 a的古地下水年龄^{[5, 6]}。²²²Rn的半衰期为3.8天, 广泛存在于岩石和土壤, 所以²²²Rn聚集于地下水, 并因为其挥发性, 通常在地表水中的含量很低, 由此可以推测地下水排泄的位置和计算补给率^[7]。表1总结了在黑河流域内所采用的同位素类型及其研究目的。

表1

Table 1

表1(Table 1)

表1 黑河流域的同位素研究及其研究目的 Table 1 Research objectives of using environmental isotopes within the Heihe Basin. 同位素类型 研究目的 2H、18O 流域水汽来源及水源区的确定[8~12] 降水的同位素效应[13~15] 地表径流组成来源分析[11, 16, 17] 不同地区地下水补给规律[17~27] 灌溉对地下水补给的影响[18, 28] 地下水水流系统划分[24, 29] 地表地下水转换规律研究[30, 31] 流域水循环过程与规律分析[32~34] 古气候变化的推测[35] 3H 、14C 地下水补给来源研究[20, 29, 36~44] 地下水地球化学演化规律研究[35, 45] 流域地下水年龄研究[46, 47] 流域地下水水流系统划分[33, 48~51] 222Rn 地下水排泄量以及与地表水的转换关系[7, 52]

表1 黑河流域的同位素研究及其研究目的 Table 1 Research objectives of using environmental isotopes within the Heihe Basin.

图1展示了近年来各研究团队在黑河流域内针对降水、地表水和地下水等各类水体进行采样工作的样点分布。降水样点主要集中在上中游的各个气象站、水文站; 地表水样点的分布主要是沿黑河干流和北大河采集; 地下水样点则主要集中于河西走廊和下游河道附近的区域, 在山区以及冲洪积扇带比较缺乏。此外, 其他水体例如水库、渠系以及冰雪融水等也考虑得较少。虽然采样覆盖范围已经很大, 但仍存在明显的分布不均现象。

图1

Fig.1

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	图1 黑河流域环境同位素取样点分布Fig.1 Spatial distribution of sampling sites of previous environmental isotope studies in the Heihe River Basin

由于祁连山区降水较多, 是黑河流域的主要水源地^[53], 所以关于降水的同位素研究多在上游(图1)。

2002~2009年张应华等^{[8, 9, 13~14, 17]}构建了区域降水δ D-δ ¹⁸O关系线(表2)。黑河流域的降水线相较全球大气降水线(GMWL, δ D=8δ ¹⁸O+10)^[55], 斜率和截距都明显偏低, 与干旱地区特点非常吻合^[4]。主要因为黑河流域蒸发强烈, 并且水汽来源有相当一部分来自局地^[12]。其中, 中游盆地的降水线相比山区斜率和截距都更低, 归结于中游地区湿度更低、温度更高, 更容易产生重同位素的富集^[13]。

表2

Table 1

表2(Table 1)

表2 黑河中上游氘氧降水线关系 Table 1 Regional meteoric water lines in the upper and middle Heihe Basin 研究区域 降水关系线 参考文献 上游山区 【[1][54][54] [54] 上游低山区 上游山区 仵彦卿 [4] 中游盆地 上游山区 [11]区、、、、 张掖地区 [12] 上游山区 [10] 中游盆地

表2 黑河中上游氘氧降水线关系 Table 1 Regional meteoric water lines in the upper and middle Heihe Basin

此外, 氘盈余(d=δ D - 8δ ¹⁸O ^[56])的概念也被用来进一步描述水汽来源不同所造成的同位素时空分布特征。张应华等^[8]提出, 黑河流域的降水d值表现出很强的冬高夏低的季节变化规律。上游山区d值更接近全球平均水平, 说明水汽输送是由山区至中游盆地^[9], 输送过程中局地水汽的不断输入^[10], 使得从上游地区以外来水汽为主^[14]转变为中游的局地水汽高达30%的现象^[9]。

海拔、温度、降水量等因素都能影响到氘氧同位素的动力分馏。其中, 温度效应在黑河流域最为明显^[54], 甚至对海拔、降水量等因素对降水中同位素的影响有一定的掩盖作用^[15], 与δ ¹⁸O之间的相关性一般在0.4~0.6之间^{[10, 13~15]}, 温度越高δ ¹⁸O越高。由于海拔与温度之间的强相关性, 同位素富集也呈现了很强的海拔效应^{[14, 15]}。降水量效应则受到温度、季节、海拔等多种因素的影响, 一般在上游山区的夏季才比较明显^{[3, 15]}。

黑河干流²H、¹⁸O从上游到下游总体呈现富集趋势^[57]。其中山区河水有很强的季节性变化^[32], 主要是因为其同时接受冰雪融水、降水和地下水的补给^{[16, 17, 36]}, 在丰水期时主要受降水控制, 而枯水期则主要以泉水出露为主^[32]。中游地表径流相较山区河流的同位素含量更高, 主要是因为中游降水的同位素含量更高, 并且有因强烈蒸发而产生同位素分馏现象的影响。越接近下游, 分馏越明显, 导致地表水¹⁸O的含量与沿程距离呈现明显的正相关关系^[32]。总的来说, 氘氧同位素的结果表明上游山区降水是黑河河水的主要来源, 此外冰雪融水、地下水也提供了一定的补给来源。

黑河河水自出山口以下由于独特的地质地貌特征, 形成了流域尺度地表— 地下水交互的水循环系统, 二者之间存在多次转换, 尤其在中游盆地。

图3显示了黑河流域沿河流方向上地表-地下水补给关系的变化趋势。张光辉等^[33]发现在张掖、高台、正义峡等处河流的³H变化趋势发生转变(图3)。Wu^[7]以及钱云平等^[52]利用放射性同位素²²²Rn对黑河中游段河流与地下水的交互量进行了研究, 所得的地下水排泄模式与张光辉等大致相同, 并且钱云平等指出张掖到高崖段地下水对河水的补给量比较突出。张应华^[17]、陈宗宇^[22]、杨秋^[20]等应用²H、¹⁸O和水均衡、两端模型等方法对中游地区的地表-地下水交互水量进行计算, 其中陈宗宇^[22]得出出山口— 张掖段河道对地下水补给约占出山径流的27%, 张掖— 正义峡段河道对地下水的补给约占该段河流径流量的69%。秦大军等^[28]研究发现灌溉引用河水因为增加了对地下水的补给并降低河水水位, 也许会改变地表— 地下水的补给关系。仵彦卿等^[31]利用物探、水化学和²H、¹⁸O对下游额济纳盆地进行了研究, 发现鼎新至哨马营段河流与地下水并无直接水力联系, 而是通过垂直下渗补给地下水。

总的来说, 黑河流域地下水对地表水的主要补给区域在中游张掖至正义峡一带, 其他区域内都是以河水补给地下水为主。

图3

Fig.3

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	图3 黑河流域地表-地下水交换方向示意图向上箭头表示地下水补给河水为主; 向下箭头表示河水补给地下水为主Fig.3 A conceptual diagram describing the directions of surface-ground-water exchanges in the Heihe River BasinThe up arrows indicate that groundwater discharges to river water while the down arrows indicate that groundwater is recharged by river water

黑河流域进行的环境同位素研究主要沿黑河干流地区对各类水体进行了采样工作, 针对²H、¹⁸O、³H、¹⁴C和²²²Rn等几类同位素, 分析不同区域内地表、地下水各类同位素的含量, 得到各区域内地表、地下水的补给关系、年龄分布等特征。结果表明, 全流域的水源区在于上游高山区, 途经中游盆地的过程中, 在出山口、冲洪积扇边缘及中下游分界点正义峡等多处发生与地下水补给关系的转换。同时, 中、下游浅层地下水的补给来源也主要来自于上游地下水的侧向补给及以山区降水为来源的河水入渗补给, 更新速率较快, 地下水年龄较小。而深层地下水的补给方式则相对复杂, 在接受河流及山区地下水入渗补给的同时, 酒泉盆地北部、张掖盆地西部、古日乃地区以及居延海等区域深层地下水也被检测到有地质历史时期的老水补给。

未来研究中应重点加强以下三个方面：1)丰富时空尺度上各类水体的采样工作, 其中最为突出的是在黑河流域已有的水文地质剖面上开展的环境同位素研究^[59]。这一部分的缺乏主要由于不同深度含水层采样的困难, 而现有的采样井多为混合井, 因此缺乏对样品所处含水层的精确控制。另外对地表水的采样仍多集中于河水和降水, 而其他种类的样品, 如中游的水库水, 土壤水, 灌溉沟渠水, 以及上游的冰雪融水, 冻土水等, 都鲜有涉及。2)同时应用多种同位素以进行定量分析。目前黑河流域环境同位素的定量研究目前多集中于地下水年龄的分析; 其他方面, 如利用氡镭放射同位素和氘氧稳定同位素定量各种水源的比例研究较少。这个缺乏部分是由于这些环境同位素本身的局限性, 譬如被多种环境参数影响以至于对水源的指示性模湖。所以今后的研究中应更多的结合其他地球化学指标(如阴阳离子, 碱度等)以相互验证定量结果。在时间的角度上, 高分辨率(如分钟, 小时, 天为尺度), 长时期连续检测(譬如连续三年采样分析)的数据非常少, 限制了对黑河盆地随时间的波动性的了解。同时, 有限的数据量也限制了应用统计分析的方法来鉴定黑河时空波动性规律。3)将环境同位素结果应用于流域尺度数学模型的构建和校正：地下水年龄的结果已被广泛采用于数值模型中, 但其他同位素由于不能提供很好的定量结果, 所以对模型的帮助有限。 结合地球化学研究和数学模型构建是进一步全面准确定量化黑河流域水循环的研究思路。