黄土塬包气带水化学、同位素特征与地下水补给机制研究

The unsaturated zone in the semiarid Chinese Loess Plateau is commonly thick (typically 30-80 m). Many issues related to groundwater recharge in the area, such as the amount of precipitation to recharge groundwater (from zero to almost 100 mm/yr), time for annual precipitation to reach water table (from several days to hundreds of years) and the ways for soil moisture movement (piston flow vs. preferential flow) is not entirely understood. In addition, previous studies show that the concentration of heavy stable isotopes and solutes in the upper unsaturated zone (within 15 m) are more enriched than that in groundwater. The study tries to combine the unsaturated zone and groundwater together and uses multiple tracers such as Cl, NO3, 2H, 18O, 3H, 36Cl, 14C, water chemistry to study (1) the response of isotopic and chemical composition in the shallow and deep unsaturated zone to changes in near-surface boundary; (2) the interrelation between the isotopic and chemical composition in deep unsaturated zone and that in groundwater related to groundwater recharge mechanism; (3) precipitation infiltration time and the time lag between changes in near-surface and groundwater. The study will promote the assessment of groundwater recharge in the area and confirm the existence of the time lag between changes in near-surface and groundwater. Therefore the study is important for groundwater recharge evolution and solute transport at present-day and in the future in the similar semiarid areas with the deep unsaturated zone.

针对黄土高原地下水补给研究中存在的问题，如降水入渗量、入渗时间、入渗机制，特别是浅部包气带溶质和同位素与地下水不平衡的现象（即包气带根系区以下到最深15 m的溶质和氢氧稳定同位素较地下水富集），本课题通过黄土高原典型台塬-西峰塬从地表到地下水面的多个深包气带剖面，将包气带和饱和带真正结合起来，选取技术方法成熟的环境示踪剂Cl、NO3、2H、18O、3H、36Cl、14C、水化学等，来研究（1）包气带水分溶质和同位素对浅地表大气-植被-土壤变化的响应；（2）包气带深部和地下水中主要示踪元素的关系及指示的地下水补给机制；（3）降水入渗周期和含水层对地表动态变化的滞后效应。这对于研究半干旱、巨厚包气带地区地下水对浅地表大气-植被-土壤变化的响应及滞后效应、和研究过去、现在及未来条件下地下水补给演化与溶质迁移具有重要意义。

黄土高原降水入渗补给量的估算与植被变化对地下水补给量的影响是关乎区域地下水与生态可持续发展的重要科学问题。巨厚包气带的缓冲作用使植被-土壤-地下水的相互作用变得更加复杂，新平衡时间建立的时间从几十年到上万年。目前黄土高原补给争议问题主要有：（1）降水能否对地下水形成补给及补给周期；（2）黄土包气带水分运移方式（活塞流还是捷径流）；（3）包气带浅部水化学、同位素与地下水存在差异原因。针对以上问题，本课题将包气带和饱和带结合以来， 采用包气带分层采用技术和Cl、NO3、18O、2H、3H等多种水化学、同位素示踪剂，利用多种独立的示踪剂方法（氯质量平衡法、人工示踪法、硝酸盐法）和多个包气带剖面（深度最大达62m，部分到达地下水位），以黄土高原典型黄土塬区为例（董志塬、洛川塬、正宁塬、固原和泉），得出麦地/玉米（区域主要的土地利用类型）降水补给量为33-67 mm/a，降水入渗补给系数为6-12%。黄土高原由于年均气温较低、植物属于浅根类型、黄土持水性较差等原因，使得在类似降水量条件下，补给量比世界上其他典型半干旱地区高出2-3个数量级。降水通过包气带垂向补给地下水显示出季节性特征，地下水同位素值较降水年加权平均值贫化，表明地下水补给主要发生在7-9月的雨季。黄土包气带土壤水分以活塞式入渗，其运移速率为0.2-0.3 m/a，年降水补给周期在100-500年，相应地出露泉水（潜水）均不含氚（年龄大于60年）。黄土包气带剖面的溶质分布显示，现代农业活动导致包气带浅部水分丧失，溶质（Cl、NO3）、氢氧稳定同位素富集，但这主要集中在包气带剖面6m以上，而6m以下及地下水中Cl、NO3维持在背景值水平。由于黄土塬区有限的垂向补给及巨厚包气带的缓冲作用，使得地下水对污染物响应时间滞后100-600年。基于土地利用变化前后包气带溶质剖面的差异，提出了植被变化对降水入渗补给量影响的定量化评价方法，黄土高原的例子显示种植苜蓿、苹果和其他灌木可使降水入渗补给量显著减少，但降水量大于600mm/yr的地区，如洛川塬，补给量变化不大。本课题研究结果对黄土高原地下水资源评价及生态恢复工程的地下水效应评估具有重要的意义。