利用镭和氡同位素研究巴丹吉林沙漠湖区的地下水向湖排泄通量及湖泊演化历史

Radiogenic isotopes like radium quartet (223, 224, 226 &228Ra) and radon-222 are proved to be effective tracers in quantifying groundwater discharge into terrestrial lakes and coastal evironments. Stable hydrogen and oxygen isotopes can be used to estimate the ratio of groundwater discharge to surface evaporation and classify the lake types (flow - through lakes, terminal lakes and desiccating lakes) in arid and semi-arid districts. The Badain Jaran Desert, the third biggest desert in China, has more than 70 lakes with various salinities within the sand dune depressions. How lake systems are maintained and water is balanced in the lakes in the desert have been debated for about a decade. This project is aimed to quantify groundwater discharge into the lakes in the desert using the radium quartet and radon-222, and classify the desert lake types based on stable hydrogen and oxygen isotopes, based on which the lake salinization time can be estimated and the lake evolutions can be revealed. This project will shed lights on the water balance in the Badain Jaran Desert and is of significance in understanding sustainable regional water resource utilization in such an ecologically fragile area. This project, to our knowledge, is the first attempt to study desert lakes using radium quartets and radon-222.

巴丹吉林沙漠湖泊的形成、维持、将来的命运以及与地下水的关系已逐渐引起国内外水文地质学者的争议与当地社会的关注。本项目将区域调查与典型湖泊重点研究相结合，以镭系列同位素（镭-223、224、226和228）和氡-222同位素作为天热示踪剂，建立沙漠湖区镭、氡同位素的质量平衡模型，进而计算出典型湖泊地下水向湖水的排泄通量与湖泊盐化的时间； 结合氢氧稳定同位素对沙漠湖泊进行分类（经流湖、终端湖、将干涸湖）研究；再建立变密度流数值模型，模拟典型盐湖盐度的变化过程。多学科多方法的结果互相佐证。 最终量化湖区地下水排泄量，揭示湖泊的演化规律。 其研究结果将有助于探索沙漠水量均衡，并为该沙漠区域水资源的规划与管理提供科学依据 。

沙漠地区的地下水地表水相互作用是水文地质，生物地球化学和地貌学的一个热门话题。本研究以世界上最高达固定沙丘所在地，巴丹吉林沙漠为研究对象，集中探讨沙漠湖区和湿地与高大沙山形成的盆地之间地下水地表水相互作用及其调控的生物地球化学循环。整个研究的框架遵循从点到面，从水文地质到同位素化学到生物地球化学的一个研究思路。通过详实的野外和室内实验，数值模拟和同位素水化学等多手段，我们发表了一系列的成果并取得了如下研究突破：（1）基于高分辨的氡连续测量，准确量化了典型沙漠湖泊的湖相地下水排泄的速率及其日变化以及其控制因素，并得出沙漠湖泊是受到近岸地下水补给主导的结论；（2）基于稳定同位素累积模型，确定了沙漠典型湖泊的水文类型，并进一步耦合镭的非稳态模型量化沙漠的湖相地下水排泄；（3）通过数值模拟，探讨了典型沙漠湖盆的盐湖的盐分入侵对于地下水系统的影响；（4）通过高分辨的湖滨地下水咸淡水界面的采样和系统分析，并以镭和稳定同位素作为模拟参数，确定了此关键界面的生物扰动对于生物地球化学循环的调控。（5）通过对典型沙漠湿地的孔隙水的高分辨采样和系统分析，建立了保守性溶质，稳定同位素和氡-222的运移模型，量化了沙漠湿地的水文循环和生物地球化学过程；（6）通过耦合氢氧同位素和硼同位素，量化了高达沙山地下水和湖泊咸水的相互作用并刻画了补给来源和补给半径；（7）通过区域上大量湖泊的稳定同位素和氡-222的调查，量化了沙漠湖泊的湖相地下水排泄的空间分布，并指出沙漠湖泊的补给是受地形主导而非补给主导。项目的结果和结论不仅对于沙漠水文地质有着理论的贡献，同时为我们系统的认识沙漠区水循环，水资源和生态系统的保护提供了科学和理论支撑。