伊犁喀什河流域山区水化学与同位素特征及水体补给关系分析

【摘要】：水资源是人类赖以生存的重要基础资源之一,目前水资源和水环境问题已成为当今社会发展面临的严峻问题。利用水化学和稳定氢氧同位素技术可以很好地揭示流域内水文环境和水文循环过程,有利于保护流域水资源平衡和水体质量,合理开发利用流域水资源。伊犁喀什河流域是伊犁河的第二大支流,是该地区的重要水源地,也是伊犁地区经济发展和生态文明建设的重要保障,目前水资源和水环境问题正影响着当地经济发展。本文选择伊犁喀什河流域为研究区,开展不同水体的水化学及稳定氢氧同位素研究,为西北干旱区内陆河的水资源合理开发利用提供科学指导,丰富了内陆河流域的水文循环研究,对保护当地水资源平衡和水环境具有重要意义。本文依据2018年-2020年在伊犁喀什河流域采集的河水、降水、泉水、地下水、融雪水和融冰水样品,通过水体水化学和稳定同位素数据,结合区域气候和地质资料,分析研究了流域山区水化学和稳定氢氧同位素时空变化特征及水体补给关系,得出了以下研究结论:(1)流域不同水体水化学特征差异显著,地下水矿化度最高,泉水次之,河水矿化度最小,三者矿化度平均值分别为831.74mg/L、413.03mg/L、255.92mg/L。流域内河水、地下水、泉水p H均值分别为8.06、8.18、7.84,流域内水体均呈弱碱性。流域内水体主要优势离子为Ca~(2+)和HCO_3~-,因水化学控制因素差异,不同水体的优势离子有差异。按照舒卡列夫分类方法,河水水化学类型为Ca~(2+)-HCO_3~-型,地下水水化学类型为Na~+-Ca~(2+)-HCO_3~--SO_4~(2-)型,泉水水化学类型随海拔升高从Ca~(2+)-Mg~(2+)-Na~+-HCO_3~--SO_4~(2-)型、Ca~(2+)-HCO_3~-型变化到Ca~(2+)-HCO_3~--SO_4~(2-)型。流域山区河水水化学指标季节变化特征表现为冬季高夏季低。地下水理化性质较为稳定,其水化学指标的时间变化较小。河水和泉水水化学指标具有随海拔升高而降低的空间变化特征,河水的水化学指标因水利设施影响容易出现异常空间变化现象。流域河水和泉水水化学组成主要控制因素为岩石风化水解,地下水水化学组成受到蒸发浓缩作用和岩石风化作用共同控制。流域内岩石风化过程主要为碳酸盐类矿物风化水解,此外,河水水化学组成受到黄铁矿(Fe S_2)氧化影响,地下水水化学组成受到硫化矿物以及蒸发盐矿物风化影响,泉水水化学组成受到硫化矿物风化水解影响。(2)流域内降水稳定同位素具有冬春季贫化,夏秋季富集的季节变化特征,其氘盈余具有冷季高暖季低的变化特征,降水稳定同位素在季节尺度下温度效应显著,降水量效应被削弱。当地大气降水线为δD=7.24δ~(18)O+8.23(R~2=0.94),表明降水过程中经历了不同程度的蒸发分馏作用。河水稳定同位素在秋冬季富集,春夏季贫化,其氘盈余春夏季高,秋冬季低。河水稳定同位素随海拔升高逐渐贫化,其海拔变化受水利设施影响出现异常现象,2018年和2019年δ~(18)O随海拔递减速率分别为0.5‰/100m、2.6‰/100m。地下水稳定同位素变化较稳定,其变化范围小于河水和降水。泉水稳定同位素受到不同补给源组分影响出现显著的低海拔贫化,高海拔富集的海拔变化特征。流域全年河水线为δD=3.06δ~(18)O-46.07(R~2=0.39),地下水蒸发线为δD=1.84δ~(18)O-70.48(R~2=0.57),泉水蒸发线方程为δD=8.80δ~(18)O+27.50(R~2=0.99),三者斜率表明了降水补给过程中蒸发分馏作用的程度,降水补给河水和地下水过程中蒸发分馏程度较强,补给泉水时较弱。(3)流域河水、地下水、泉水水化学和稳定同位素变化主要受到补给源组分的影响。降水是流域内水体的主要来源。基于河水水化学和稳定同位素季节变化特征分析,冬季河水主要补给源为裂隙基岩水,冬季河水的泉水补给组分较少,春季河水主要补给源为冰雪融水和降水,夏季河水主要补给源变为冰雪融水、冰川融水和降水,秋季9-10月河水主要补给源为地下水和降水,11月主要补给源变为裂隙基岩水。使用基于δ~(18)O为参数的二元径流分割模型,计算得出7月河源区河水补给来源比例以及不同季节降水和地下水对河水的补给比例,结果为河源区融冰水补给比例高于融雪水补给比例,两者补给贡献率分别为55.52%、44.48%;地下水是伊犁喀什河补给来源的重要组成部分,春季、夏季、秋季9月的地下水补给比例分别为93.70%、83.39%、91.11%,10月地下水受到冻土层影响,其补给比例降为79.5%。