巴丹吉林沙漠诺尔图湖泊水化学特征与补给来源_吴月

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兰州大学资源环境学院 , 干旱区气候变化与水循环研究中心 , 兰州 730000 * 联系人 , E-mail: wangna@lzu.edu.cn 2013-07-19 收稿, 2013-11-12 接受, 2014-03-10 网络版发表 国家自然科学基金 (41371114)资助
摘要 选取巴丹吉林沙漠最大、最深的湖泊诺尔图作为研究对象, 通过分析湖水和地下水八大 离子、总溶解固体含量、稳定同位素 O 和 H 组成, 地下水放射性同位素氚浓度, 研究了诺尔 图水平和垂直方向上湖水理化参数及同位素特征. 结果表明, 诺尔图湖水理化性质年际和季节 变化明显大于附近地下水的变化, 水平和垂直方向上湖水混合较均匀, 不同深度湖水的水化学 地下水同位素沿着低于全球大气降水线斜率的当 型一致, 均为 Na-Cl-CO3-(SO4). 诺尔图湖水、 地蒸发线展布, 较低的斜率表明研究区强烈的蒸发环境特征. 湖水同位素大多位于蒸发线的右 上角, 地下水同位素大多位于蒸发线的左下角, 结合湖水及地下水水位变化趋势, 表征湖泊的 主要补给来源为地下水. 诺尔图钙华泉水(地下水)的年龄约为 75~80 a, 说明湖泊水初始补给源 可能为次现代~1952 年之间补给的混合或年代更老, 有待进一步研究.
图1 表1
采样时间 2009-09 2010-09 2011-01 2011-04 2011-07 2011-10 2012-04
诺尔图区位图
a)
且地下水的 pH 低于湖泊水 , 因为温度影响氢离子的 活度, 即低温时 pH 高; (4) 电导率与 TDS 成正比关系, 即电导率 ≈2 TDS, 湖泊水的电导率、 TDS 值冬季低 于夏秋季 , 湖泊水的野外现场测量 TDS 值低于实验 数据 . 主要原因可能与盐分浓度过大影响探头测量 精度有关, 即高盐分误差大 , 实验室测定离子含量时 , 要求对盐度较高的水样先进行稀释 (盐度越高稀释倍 数越大 , 稀释倍数最高为 5000 倍 ), 之后再根据测定 结果乘以稀释倍数换算为室内测试数据 , 在此过程 中引起了湖泊水野外测定与实验数据的差异 . 实验 表明有些湖水样品稀释 5000 倍时只能测出 2~3 个离 子的含量 , 而当稀释 500 倍时氯离子等个别离子的
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诺尔图地下水水温及 TDS 值
水温 (℃ ) 17.4 17.3 3.1 17.5 16.7 井水 TDS (g L1 ) 0.34 0.30 0.72 0.66 0.45
泉水 TDS (g L1 ) 0.69 0.34 0.40
a) “”表示未测数据
1142
1
图 3 中 1999 年 9 月数据参考自文献 [26], 2006 年 9 月数据参考自文献 [27], 2009 年 9 月、 2010 年 9 月 及 2011 年 1 月为采集诺尔图湖边表层水样实验数据 , 2011 年 5 月 7 日数据为湖中心水面以下 2 m 的实验 数据 , 后 4 个数据为湖中心采集的湖表层水样实验数 据 . 综合图 2 和 3, 表 3 数据资料 , 可以看出 : (1) 1999 年 9 月、 2009 年 9 月的 TDS 数据一致 , 2006 年 9 月、 2010 年 9 月的 TDS 数据一致 , 表明诺尔图 TDS 的年
1 1 2
仪等获得了巴丹吉林沙漠地区 2009 年至今大多数湖 泊及地下水的理化参数测量数据 , 根据前期 GPS 所 存的经纬度和野外记录 , 尽量保持每次采样位置一 致 . 利用 2009~2011 年 36 个湖泊水及地下水的野外 测量数据 (图 2), 选取诺尔图湖边 3 次 (表 2)及湖中心 5 次分层采集的样品 , 在兰州大学化学化工学院测试 中心实验室测定八大离子含量并计算 TDS, 其中 Na+,
. 20 世纪 90 年代以来 , 利用气象
观测资料、 水文地球化学及同位素地球化学方法等研 究巴丹吉林沙漠高大沙山及丘间湖泊成因问题 , 是 国内外众多专家关注的热点 . 有学者认为湖泊群的 主要补给来源为地下水 , 有少部分降水的补给
[6,7,9~12]
;
有学者排除了黑河水补给到巴丹吉林沙漠地下水的 可能性 [8,13,14]; 有学者认为湖泊水来自青藏高原冰川 积雪融水 (或祁连山雪水 )经深部断裂带补给 , 且承压 水中地下水的年龄为 20~30 a[15~19]; 有学者认为沙漠 腹地湖泊水来自降水经沙丘入渗、以泉水形式补给湖 泊, 且地下水年龄都不超过 100 a, 但都大于 30 a
2 使用美国戴安公司生产的 K+, Mg2+, Ca2+, Cl, SO4 2 , HCO3 使用 ICS-1500 型离子色谱仪进行检测 , CO3
2
样品采集及数据处理
现 场 采 集 湖 泊 表 层 水 样 , 利 用 德 国 HYDRO-
GDYS 103SJ 碳酸盐 ·重碳酸盐微量滴定器进行测定 . 选取 2012 年 4 月诺尔图 5 个湖水样品和 1 个钙华泉 水 (地下水 )样品 , 在中国科学院地理科学与资源研究 所 环 境 同 位 素 实 验 室 采 用 同 位 素 质 谱 仪 Finnigan-MAT-253 的 TC-EA 化学裂解燃烧反应仪测 定氢氧同位素 , 结果采用 VSMOW 标准 (‰), 分析精 度分别为 ±2‰ 和 ±0.3‰; 诺尔图钙 华泉水样于 北京 核工业地质研究院利用 GB 12375-1990 测定水中氚 的含量 .
BIOS 公司 Ruttner 采水器采集湖泊分层水样 , 用水置 换气体的方法采集泉水时 , 用原样品水清洗采样瓶 2~3 次, 样品瓶为无色聚乙烯瓶. 样品采集完后, 将样 品瓶倒转, 观察是否有气泡, 如果有气泡则重新采样. 利用 GPS、地形图、多参数水参仪、溶解氧测量
3
3.1
结果分析与讨论
电位 (mV) 143 64 132 46 134 35
电导率 (ms cm1 ) 100.7 0.70 98.3 0.712 97 0.886
野外 TDS (g L1 ) 50.3 0.35 49.2 0.356 48.4 0.443
盐度 (g L1 ) 73 0.34 71.3 0.35 73.9 0.42
18 2
关键词
巴丹吉林沙漠 诺尔图 水化学 同位素特征 地下水补给
湖泊及地下水是巴丹吉林沙漠的重要水资源, 是各圈层物质和能量交换的载体 , 是水文循环系统 的重要组成部分
[1~8]
特征的研究 . 基于此 , 本课题组自 2009 年至今 , 连续 多次采集巴丹吉林沙漠湖泊水及地下水水样 , 并且 对湖泊水深大于 10 m 的典型湖泊分 7~11 层采样 , 分 析湖水与地下水的理化参数和同位素特征 , 探讨其 补给来源 , 以便为我国干旱区合理、有效利用水资源 及适应气候变化提供科学参考 .
2014 年 4 月
第 59 卷
第 12 期
图2
巴丹吉林沙漠部Biblioteka Baidu湖泊及地下水理化参数统计图 表2 诺尔图及湖边地下水理化参数
水温 (℃ ) 22 17.4 26.1 17.3 3.6 3.1 pH 9.56 8.22 9.69 8.19 10.52 8.51
a)
样品 湖水 井水 湖水 井水 湖水 弃用井
采样时间 2009-09 2009-09 2010-10 2010-10 2011-01 2011-01
纬度 (N) 39.77° 39.77° 39.78° 39.77° 39.77° 39.77°
经度 (E) 102.47° 102.47° 102.46° 102.47° 102.47° 102.47°
论 文
图3
2009 年 9 月~2012 年 4 月诺尔图 TDS 变化趋势图
际变化较小 , 而前组数据与后组数据的差异可能是 由于采样点距离地下水泉眼补给区的位置、 风力对表 层湖水与地下水的混合影响程度、前期降水等因素 ; (2) 2006 年 9 月、 2010 年 9 月、 2011 年 5 月、 2011 年 10 月、 2012 年 1 月、 2012 年 4 月 TDS 数据一致 , 表明诺尔图水平方向上 TDS 的变化较小 , 即表层湖 水混合较均匀 , 但是仍存在差异 , 故而采样时应尽可 能选取同一 GPS 点进行采集 ; (3) 湖水的 TDS 普遍存 在季节变化 , 具有 9 月 >7 月 >1 月 >4 月 (或 9 月 >1 月 >7 月 >4 月 )的变化特征 , 而本课题组水位计资料显示 诺尔图湖泊水位变化特征为 4 月 >7 月 >1 月 >9 月 . 诺 尔图湖泊中心 TDS 夏秋季大于冬春季 , 原因主要是 受大气界面上增温与冷却作用、 冬春季地下水补给量
诺尔图湖泊水平方向理化参数特征
从图 2 可以看出 : (1) 不论是水温、 pH、 电位 , 还
是电导率、TDS、盐度 , 巴丹吉林沙漠湖泊水和地下 水的年际变化都较小 , 但湖泊水的变化大于地下水 的变化 ; (2) 地下水的水温冬季略低于夏秋季节 , 变 化幅度小于湖泊水温变化 , 由于地下水源源不断补 给湖泊水 , 这可能是冬季部分湖泊表层水温低于 0℃ 亦不结冰的原因之一 , 另一主要原因是湖泊的盐度 较高 ; (3) 湖泊水和地下水的 pH 均冬季大于夏秋季 ,
含量又超出实验仪器的测量精度 , 故而湖泊水的稀 释倍数需要根据多次测得水平样确定 , 但只要实验 仪器能测得六大离子含量的有效值 , 就能确定稀释 倍数对湖水 TDS 值影响不大 , 即由 500 倍稀释至 5000 倍或由 1000 倍稀释至 5000 倍 , 95%样品 TDS 的 变化在 3 g L 以内 . 诺尔图野外观测数据 (表 2)符合 以上巴丹吉林沙漠湖泊群和地下水理化参数测量的 共性特征 .
2014 年
论 文
第 59 卷
第 12 期: 1140 ~ 1147 csb.scichina.com
《中国科学》杂志社
SCIENCE CHINA PRESS
www.scichina.com
巴丹吉林沙漠诺尔图湖泊水化学特征与补给来源
吴月, 王乃昂*, 赵力强, 张振瑜, 陈立, 陆莹, 吕晓楠, 常金龙
;
还有些学者认为沙漠地下水主要来自当地降水和沙 漠 东 南 缘 雅 布 赖 山 及 南 缘 低 山 降 水 下 渗 补 给 [27~34]. 虽然多位学者对湖泊水化学和同位素特征进行了研 究 , 但缺乏对典型湖泊长时间序列观测及湖泊分层
引用格式 : 吴月 , 王乃昂 , 赵力强 , 等 . 巴丹吉林沙漠诺尔图湖泊水化学特征与补给来源 . 科学通报 , 2014, 59: 1140–1147 英文版见 : Wu Y, Wang N A, Zhao L Q, et al. Hydrochemical characteristics and recharge sources of Lake Nuoertu in the Badain Jaran Desert. Chin Sci Bull, 2014, 59: 886–895, doi: 10.1007/s11434-013-0102-8
[20~26]
1
区域地质和水文条件
巴丹吉林沙漠(39°04′15″~42°12′23″N, 99°23′18″~
104°34′02″E) 位于我国内蒙古阿拉善高原西部 , 雅布 赖盐湖与雅布赖山西北 , 宗乃山、省道 S218 公路以 西 , 黑河正义峡出山口、弱水东岸至古日乃湖以东 , 合黎山、北大山以北 , 拐子湖、古居延泽以南 , 是我 国第二大沙漠 [11,35]. 该区位于我国东南季风的边缘 , 呈现极端干旱的大陆性气候 . 海拔高度总体呈东南 高西北低 , 多年平均降水量 40~110 mm, 由东南向西 北逐渐减少 [9,16,18~26]. 巴丹吉林沙漠共有常年积水湖
论 文
泊 119 个 [7], 主要分布于沙漠东南部沙山背风坡丘间 洼地中. 湖泊附近多泉水且地下潜水埋藏较浅, 总溶解 固体(total dissolved solids, TDS)含量一般均在 1 g L1 以下 . 诺尔图 (39°45′50.4″~39°46′40.8″N, 102°27′28″~ 102°28′26″E)位于巴丹吉林沙漠东南部, 面积约 1.65 km , 系巴丹吉林沙漠中面积最大的湖泊之一 (图 1), 2010 年 9 月 13 日实测最大深度达 15.9 m, 湖水 TDS 均值 为 98.59 g L , 地下水 TDS 均值为 0.49 g L (表 1).
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