苏干湖湿地与奎屯诺尔湿地之间水力联系研究

李平平， 王晓丹， 陈海龙

（1.甘肃省地下水工程及地热资源重点实验室，甘肃省地质环境监测院，甘肃 兰州 730050；2.甘肃省地质矿产勘查开发局水文地质工程地质勘察院，甘肃 张掖 734000）

地下水是水资源的重要组成部分，接受大气降水和地表水入渗及含水层等的补给，因此，地下水与地表水之间、地下水与地下水之间有着密切联系。关于地表水与地下水之间相互转换、多含水层之间水力联系的研究，一直是国内外关注的主要科学问题［1］，余钟波等［2］通过放射性同位素222Rn 作为地表水与地下水水力交换过程的天然示踪剂，分析了河水与地下水水力联系过程；张健健等［3］通过水化学特征和δ2H、δ18O 同位素特征，分析研究了甘河流域地下水的水力联系及更新能力；陈浩等［4］采用群孔抽水试验方法，研究了冲洪积平原孔隙含水层之间的水力联系；赵宝峰等［5］采用井下防水试验，确定了白垂系、煤系间、三叠系与宝塔山含水层之间的水力联系。

近年来，苏干湖湿地及周边环境的影响备受学者们关注，如此敏感的苏干湖湿地也成为了科学界关注的热点，研究成果不断推出［6］。李影等［7］通过用Processing MODFLOW 模型，分析了地下水位下降对湿地天然植被的影响；康满萍等［8］利用统计学、地统计学和Kriging插值等方法，研究了苏干湖盐沼湿地浅层土层全盐含量与地下水位埋深和植被覆盖度之间的相互关系。赵旭东等［9］通过地层与沉积学对比等综合方法研究了苏干湖地区与柴北缘侏罗系原始沉积之间的关系。然而，涉及奎屯诺尔湿地地下水的研究成果较少，如李雯霞［10］、石国成［11］等分别对柴达木盆地北缘冷湖三、四号构造油田水水化学进行了分析，与柴达木盆地西部油田水进行了对比。陈贤春等［12］通过水化学特征，论述了柴达木盆地西北部铀成矿的水化学条件。苏干湖湿地与奎屯诺尔湿地均分布于阿尔金山和赛士腾山之间，地形地貌类同，目前苏干湖湿地环境的影响是否影响到奎屯诺尔湿地成为很多学者关注的问题，但涉及苏干湖湿地与奎屯诺尔湿地之间水力联系有关的研究鲜见报道，鉴于此，本研究采用氢氧同位素、地下水动态、地球物理勘探及遥感解译技术与方法进行研究分析，有助于对苏干湖湿地与奎屯诺尔湿地之间水力联系的认识，为该流域水资源可持续发展利用提供理论依据和科学支撑。

1 研究区水文地质概况

苏干湖位于柴达木盆地西北部，是一个独立的水系，大苏干湖是苏干湖水系尾闾，湖水矿化度27～31 g·L-1，大苏干湖至奎屯诺尔湿地呈东西向廊道式分布，宽度12 km 左右，长约40 km 左右。研究区北部为阿尔金山南麓，南部为赛什腾山北麓，属典型的大陆干旱性气候区［13］。该区气候干燥，降水稀少［14］，平均降水量为20.87 mm，年平均潜在蒸发量为2191.25 mm，年均气温4 ℃［15］，相对湿度为30.82。

研究区水资源来自于周围高山冰川积雪及大气降水，主要分布于北部的阿尔金山、安南坝山，南部的赛什腾山。总体上阿尔金山、安南坝山及赛什腾山山区冰雪融水和降水在山区以地表水方式汇集到出山口，入渗地下转化为地下水，通过径流在山前平原区溢出地表形成苏干河、绿草河和奇力克河三条泉水河汇集流入大苏干湖，最终以潜水蒸发、水面蒸发、人工开采和侧向流出等方式进行排泄。

2 数据来源

2017—2018年期间，在研究区共采集氢氧同位素样22 组（图1），其中地下水样15 组、泉水样3 组、大苏干湖水样2 组、地表水样1 组、雨水样1 组。所有样品δD 和δ18O 值的测定［16］均在中国科学院西北生态环境资源研究院冰冻圈科学国家重点实验室内进行，采用环境同位素质谱仪MAT-253 进行分析，分析精度均≤1‰（表1）。

表1 样品测试结果Tab.1 Isotope test results of samples

图1 取样点分布示意图Fig.1 Sampling sites in Sugan Lake Basin

2016—2021年期间，利用自动雨量水文站进行实测，大苏干湖面积数据来源于中国资源卫星应用中心（http://www.cresda.com/CN/）发布的遥感影像数据；S19和S23监测井地下水动态监测数据来源于自动监测，利用压阻式水位传感器采集，每6 h 采集1次，水文数据遥测终端机（RTU）完成被测参数的数据采集、存贮（显示）和传输控制，通过北斗卫星用户终端通信方式将数据传输到数据库服务器。

2018年，在苏干湖湿地与奎屯诺尔湿地间部署地球物理勘探剖面2 条。工作仪器采用美国产的Aether 大地电磁仪和加拿大产的V8 多功能电法工作站，采用音频大地电磁测深法（AMT）［17］。所测结果首先用SHRED 程序把GDP 仪器输出数据(*.raw)转成*. FLD 文件，然后用NSAVG 程序转成*.AVG 文件，对存在静态效应的原始数据使用ASTATIC程序进行静校正处理，最后使用CSC2D反演软件进行视电阻率2维反演、成图。

3 结果与分析

3.1 氢氧同位素值溯源

根据对研究区环境同位素样品分析结果的统计［18-19］,不同地下水的环境同位素值各异［20］。研究区大气降水δ18O=-10.46‰，δD=-79.27‰，位于全球大气降水线附近；地表水δ18O=-13.96‰，δD=-84.47‰，位于全球大气降水线左上方（图2）。

图2 δ18O与δD关系图Fig.2 Diagram of δ18O and δD

水的蒸发分馏只发生在水体表面，造成表面水体富集重的氢氧同位素［21］。大苏干湖接受安南坝山洪流、阿尔金山雪水、泉水及地下水径流补给，以蒸发及地下径流方式排泄，溶解性总固体为28.93 g·L-1，水化学类型为SO4-Cl-Na-Mg 型，δ18O 为1.80‰～2.13‰，δ18O 平 均 值 为1.97‰，δD 为-1.21‰～-2.82‰，δD 平均值为2.01‰，含盐量较高，偏离全球大气降水线位于右下方，并向18O 富集的方向偏离，显示出强烈蒸发浓缩特征，相对富集重同位素。

大苏干湖东溶解性总固体为0.33～0.41 g·L-1，水化学类型HCO3-SO4-Na-Mg 型，δ18O 为-9.07‰～-11.03‰，δ18O 平均值为-10.10‰，δD 为-64.45‰～-74.50‰，δD平均值为-69.43‰，含盐量较低，位于全球大气降水线附近，泉水、地表水同位素组成与区域大气降水同位素组成相近，地下水径流滞缓，由于径流过程中受蒸发作用影响，泉水同位素组成产生畸变，表现出富集重同位素特征，表明地下水主要接受大气降水及侧向径流远距离补给。

大苏干湖西溶解性总固体为10.90～14.31 g·L-1，水 化 学 类 型Cl-SO4-Na-Mg 型，δ18O 为-0.13‰～-0.69‰，δ18O 平均值为-0.41‰，δD 为-17.04‰～-20.93‰，δD 平均值为-19.01‰，其同位素组成介于大苏干湖东泉水和地下水与大苏干湖水之间，位于全球大气降水线右下方，并向18O富集的方向偏离,显示出蒸发浓缩特征，表明地下水主要接受大苏干湖水渗漏近距离补给，显示出富集重同位素的特征［13］。

奎屯诺尔湿地溶解性总固体为0.91～0.96 g·L-1，水 化 学 类 型Cl- SO4- Na- Ca- Mg 型，δ18O 为-13.93‰～-13.96‰，δ18O 平均值为-13.95‰，δD 为-100.71‰～-101.07‰，δD 平均值为100.89‰，含盐量较低，位于全球大气降水线上，表现出贫化同位素特征。溶解性总固体和同位素组成与大苏干湖西有明显区别，与阿尔金山地表水同位素组成相近，表明奎屯诺尔湿地地下水主要接受阿尔金山冰川融水通过地下径流近距离补给。

3.2 地下水动态变化差异

根据地下水动态监测数据和大苏干湖遥感解译数据在ArcGIS、Grapher 等软件的帮助下，得到2016—2021年S23监测井地下水动态曲线和大苏干湖面积变化趋势图（图3）［22］。通过图2 可以看出，2016—2020 年间大苏干湖面积在125.66～132.02 km2之间变化，最大变幅为6.36 km2，S23监测井水面标高在2788.70～2789.06 m 之间变化，最大变幅为0.36 m。2021年开始，大苏干湖面积逐渐扩大，导致西端决口，湖水向西延伸近8 km，面积扩大15.28 km2；大苏干湖面积扩大的同时S23监测井地下水位快速上升，至7月27日水位上升0.82 m，表明大苏干湖西端地下水位的变化直接受大苏干湖补水量的影响，大苏干湖西端地下水直接受大苏干湖水渗漏补给，水力联系密切，也说明苏干湖湿地内的地表水和地下水的终端不是大苏干湖，而是向西有一定的排泄量。

图3 S23监测井动态曲线和湖面积变化趋势Fig.3 Dynamic curve of S23 monitoring well and change trend of the lake area

2019—2021年奎屯诺尔湿地S19监测井地下水水位在2777.90～2778.17 m 之间波动（图4），最大变幅为0.27 m。大苏干湖西与奎屯诺尔湿地地形地貌类同，均分布于阿尔金山和赛士腾山之间，地层岩性为较厚的砂砾石，但2021年大苏干湖西端S23监测井地下水位快速上升，而S19 监测井地下水位未上升，表明大苏干湖西端地下水与奎屯诺尔湿地无直接水力联系，由阿尔金山冰川融水通过地下径流补给。

图4 S19监测井动态曲线Fig.4 Dynamic curve of S19 monitoring well

3.3 地球物理勘探解译

16线音频大地电测剖面位于大苏干湖西，南北向分布于山间冲洪积扇，剖面长度11.5 km，共12个物理点，视电阻率值呈南低北高的趋势变化（图5）。1～10 号点上部视电阻率值为10～100 Ω·m，地层为第四系冲洪积、湖积泥质砂砾石、亚砂土，厚度250～600 m；下部视电阻率值大于60 Ω·m，等值线起伏状展布，第四系下伏三叠系地层。10号点两侧视电阻率值存在较大的梯度变化，等值线倾斜向下展布，10～11 号点之间存在断层；10～12 号点之间视电阻率值大于200 Ω·m，从上到下视电阻率逐渐升高，等值线变化趋势一致，上覆薄层第四系，下伏为花岗岩。

图5 16线音频大地电磁测深剖面成果图Fig.5 Result map of the 16 line audio magnetotelluric sounding

16-3线音频大地电测剖面位于青石沟口，东西分布于山谷之间，剖面长度2.8 km，共4 个物理点，视电阻率整体自上而下逐渐升高（图6）。剖面上部视电阻率值200～600 Ω·m，中间低，两端高，主要是山谷两端第四系较薄而中间稍厚，地层为第四系冲洪积泥质砂砾石和泥质砂；断面下部3～4 号点之间视电阻率值存在明显高低差异，等值线竖直向下展布，形成一个相对低阻带，地层破碎引起视电阻率下降，此处断层存在。3号点以西和4号点附近视电阻率值较高，大于1500 Ω·m，剖面下部地层为花岗岩。

图6 16-3线音频大地电磁测深剖面成果图Fig.6 Result map of the 16-3 line audio magnetotelluric sounding

4 结论

本文通过氢氧同位素、地下水动态、地球物理勘探等技术方法，研究了苏干湖湿地与奎屯诺尔湿地之间的水力联系，发现地下水同位素及水位动态差异明显，两湿地间推测有阻水断层，表明苏干湖湿地与奎屯诺尔湿地为2个不同的水文地质单元。

（1）水化学同位素分析表明，区内地下水同位素成分各异，但均来源于大气降水和冰川融水。苏干湖湿地地下水主要接受泉水和地下水径流补给，径流路径较长，受蒸发浓缩作用地下水同位素富集重同位素，位于全球大气降水线右下方；奎屯诺尔湿地地下水主要受阿尔金山冰川融水补给，地下水径流短，地下水同位素组成与阿尔金山冰雪融水相近，位于全球大气降水线上，表现出贫化同位素特征。

（2）多年地下水水位动态监测表明，苏干湖湿地与奎屯诺尔湿地地下水无直接水力联系。大苏干湖面积扩大时，苏干湖湿地地下水水位普遍上升，而奎屯诺尔湿地地下水水位基本无变化。

（3）地球物理勘探推测，在苏干湖湿地与奎屯诺尔湿地之间青石沟发育北西-南东向展布的阻水断层。受挤压断裂带泥质含量高，视电阻率低，两侧砂砾层视电阻率较高。