利用放射性同位素氚计算格尔木河流域地下水年龄

利用放射性同位素氚计算格尔木河流域地下水年龄张樑，王文科，王宇航(长安大学环境科学与工程学院/旱区地下水文与生态效应教育部重点实验室/陕西省地下水与生态环境工程研究中心，陕西西安710054)［摘要］通过人工神经网络法恢复的格尔木地区氚浓度，计算格尔木河流域地下水的滞留时间。结果表明，格尔木河出山口的地下水年龄为12～20a;在细土平原带的承压水中，地下水年龄在250a以上。在此基础上，分析格尔木地区不同地貌单元地下水的更新程度，结合研究区水文地质条件，对格尔木地区地下水资源的合理开发利用提供保障。［关键词］氚;地下水;年龄;格尔木河流域［中图分类号］TV211．1+2［文献标识码］B［文章编号］1004－1184(2014)02－0019－03［收稿日期］2013－12－02［作者简介］张樑(1988－)，男，陕西西安人，在读硕士研究生，主攻方向:区域水循环与数值。环境同位素氚作为氢的放射性同位素，半衰期为12．43a［1］。大气降水中含有含氚水分子(HTO)，这些水分子是人类活动和自然界在高空产生的氚，快速与大气中的氧原子化合而成的，作为大气降水的一部分，通过降雨的形式参与水循环。环境同位素在过去的50a里被广泛的应用于解决地下水年龄，地下水补给和滞留时间相关问题。其中放射性核素氚(3H)，为直接估算干旱和半干旱地区浅层地下水系统的地下水年龄提供了独特的方法［2］。利用氚同位素测地下水年龄的方法于1969年首次由Tolstikhin和Kamenskiy［3］提出，一般情况下，地下水中的氚含量只受元素衰变规律的影响，不会与岩石介质发生交换，因此氚元素存在于所有现代循环水中，它可以作为一种理想的示踪剂来研究入渗起源的现代地下水［4］。以格尔木河流域为例，根据1953年以来的大气降水氚浓度恢复值，利用合适的模型估算得出地下水平均滞留时间，并对其结果进行探讨，为制定浅层地下水可持续开发管理提供依据，为合理开发利用水资源奠定基础。1研究区概况格尔木行政区隶属青海省海西州格尔木市管辖，地理坐标东经94°25'～95°19'，北纬36°09'～37°07'，南至昆仑山北达达布逊湖。市区位于柴达木盆地中南部格尔木河冲积平原上，市区平均海拔2800m，属高原大陆性气候，多年平均气温4．99℃，多年平均降雨量43．06mm，降雨量分配不均，主要集中在6，7，8三个月，其降水量占全年的60．75%。区内蒸发强烈，多年平均蒸发量2586．01mm，约为年均降雨量的60倍，相对湿度32%。［4］格尔木河流域具有西北内陆盆地的一般特征。区内巨厚的第四系松散沉积物为地下水的赋存和运动提供了空间，形成孔隙地下水系统。从昆仑山前到达布逊湖主要分为山前戈壁砾石区、细土平原区和盐沼地区。天然条件下，地下水主要接受来自昆仑山的格尔木河河水的渗漏补给，径流到冲洪积扇前缘的细土带，受阻后一部分潜水溢出地表，形成泉或泉群，汇集形成泉集河，消耗于向盆地腹部流动中的蒸发。该流域地下水涵盖基岩裂隙水、碎屑岩类孔隙裂隙水、碳酸盐岩岩溶水和第四系松散岩类孔隙水。含水层可划分为1个潜水含水层和浅、中、深3个承压含水层［5］。其中潜水含水层和浅层承压含水层富水性较好，中层和深层承压含水层富水性较差。2样品采集与分析测试本文中所使用的格尔木地区同位素数据数据引自文献［6］。同位素取样点分布如下图1所示。图1格尔木河流域氚同位素取样点分布图3氚年龄的计算3．1数学模型格尔木河流域地下水系统的主要补给来源是昆仑山的冰雪融水，区内及其干燥的气候特征决定了降雨对地下水的形成无实际意义，区内主要的排泄途径是蒸发和人工开采。地下水的数学模型概化为单输入—双输出系统，输入项为冰雪融水，输出项为蒸发量和开采量。此次计算选取指数模型(全混模型)进行计算，指数型数学模型如下［7］:912014年3月第36卷第2期地下水GroundwaterMar.，2014Vol.36NO.2Q(t)C(t)=∫∞0Q0(t－τ)C0(t－τ)f(τ)e－λτdτf(τ)=1τme－ττ{m(1)式中:t为取样时间;—氚值输出函数;C0(t－τ)为氚值输入函数，可近似用当地降水氚浓度历年变化值代替;—氚在含水体内滞留时间的分配函数;τ为水在系统内的滞留时间;τm为水在系统中的平均滞留时间;—氚衰变因子，λ=0．055764;—输出水量(排泄量);Q0(t)为输入水量(补给量)。3．2氚输入函数对格尔木地区采用人工神经网络法进行大气降水氚浓度的恢复，根据格尔木的纬度以及气象站1955—2010年降雨量、温度多年观测资料，再结合渥太华的纬度以及1960—1978年降雨量多年观测资料建立了格尔木地区人工神经网络。根据人工神经网络能识别输入输出数据间复杂的非线性关系等特性，选用北半球北纬36°09'～37°07'之间23个站点