印度河盆地（西北印度）地下水演化与过程的同位素方法

《Physics and Chemistry of the Earth, Parts A/B/C》：An isotopic approach to address the groundwater evolution and process in the Indus basin, NW India

　　

• •
  绘制了地下水同位素组成的时空和季节性变化图谱。
• •
  升高的氘盈余（>10‰）表明运河水和冰川补给河流的贡献。
• •
  深层含水层表现出最小的变化。
• •
  Δδ¹⁸O和Δ氘盈余的季节性分析揭示了降雨入渗的响应。
• •
  同位素变异性受含水层深度、天然补给和人为补给的控制。

引言

地下水是地球上最大的可获取淡水储备，在维持人类社会、农业和生态系统方面发挥着基本作用。它满足了全球约36%的饮用水需求，并占全球灌溉用水量的近42%（Taylor等人，2013；Mukherjee等人，2020；Jasechko等人，2024）。农业仍然是淡水资源的主要消费部门，占全球地下水提取量的近70%。地下水的重要性在干旱和半干旱环境中尤为突出，这些地区占地球大陆表面的近三分之一（Huang和Pang，2012；Bouchaou等人，2024）。在这些地区，地表水资源的匮乏和不可预测性使地下水成为主要可靠的淡水来源（Taylor等人，2013；Jasechko等人，2024；Patidar等人，2025）。然而，对地下水日益增长的依赖加剧了对含水层系统的压力，引发了关于过度开采和水质下降的广泛担忧（Currell等人，2010；Huang和Pang，2012；Cao和Roy，2025）。印度西北部印度河流域的一部分旁遮普邦就是这样一片区域，那里低降雨量和高度活跃的农业活动导致地下水位严重下降，水质恶化严重，其来源既有人为因素也有地质因素（Bonsor等人，2017；CGWB，2024，2012；Gautam等人，2022；Krishan等人，2021b；Lapworth等人，2017，2015，2014；MacDonald等人，2015，2016；Mittal等人，2021）。这种不可持续的使用方式正在对农业生产力产生不利影响，并导致对较深的、相对静止的含水层系统进行开采，从而对长期可持续性构成威胁。与地下水过度开采相关的挑战不仅限于污染和含水层枯竭，还延伸到更广泛的 Hydrological 和生态问题。一个关键的后果是深层地下水资源被"开采式"利用以及对河流健康的干扰，特别是在常年性河流系统中，地下水对基流贡献显著。基流的减少会导致河流生态系统退化、湿地萎缩、地表水质恶化、土壤水分含量下降以及对森林生态的不利影响（Custodio，2002；Mukherjee等人，2018）。尽管拥有印度河流域这样高产的含水层系统（Bonsor等人，2017），该地区仍然经历着令人担忧的地下水枯竭速度（Baweja等人，2017；Sidhu等人，2021），估计每年达109 km3（Rodell等人，2009）。根据NASA（2015）的数据，这使得印度西北部成为全球第二承压最严重的含水层系统。为缓解这些挑战并确保浅层和深层地下水资源的有效管理，必须了解不同补给来源（主要是降雨）如何在时间和空间上与地下水相互作用，以及浅层和深层地下水系统之间含水层相互作用的性质。

氧和氢的稳定同位素（δ¹⁸O和δD）连同氘盈余（d-excess），被广泛用作强大的天然示踪剂来研究地下水补给过程，因为它们保留了补给来源、蒸发历史和混合过程的"指纹"，且不会因水岩相互作用或生物活动而改变（Clark和Fritz，2013；Gat，1996；Jasechko，2019）。与传统水化学示踪剂不同，后者主要反映地下水沿其流动路径的地球化学演化，稳定同位素组成可以直接提供关于补给机制、补给来源和含水层系统内部水力联系的见解（Jasechko，2019；Kendall和McDonnell，1999）。当将地下水同位素数据与降水同位素以及一个地区的地质和水文地质特征一起解释时，它们为理解广泛的 Hydrological 过程提供了稳健的框架。这些过程包括识别和量化多种补给来源的贡献（Blasch和Bryson，2007；Yeh等人，2014；Wallace等人，2021；Deshpande等人，2003；Fleckenstein等人，2010；Gat，1996；Gonfiantini等人，1998；Jahan等人，2025；Kendall和McDonnell，1999；Krishan等人，2022；Phillips等人，2005；Pandey等人，2025）、评估地表水-地下水相互作用（Oxtobee和Novakowski，2002；Hamidi等人，2023；Petersen等人，2023；Wang等人，2025）、估算地下水对河流基流的贡献（Moore等人，2020；Laskar等人，2025；Arora等人，2026）以及评估含水层间相互作用（Cartwright等人，2012；Moya等人，2016）。因此，稳定同位素已成为破解异质性和高度开采冲积含水层系统复杂补给动态和水文连通性的不可或缺的工具。

尽管稳定同位素在阐明 Hydrological 过程方面的效用已被证实，但它们在旁遮普邦的应用主要集中在特定地区和研究目标上（Ghosh等人，2024；Pant等人，2017；Sharma等人，2017）。以往的研究具有区域特定性，如旁遮普邦西南部（Keesari等人，2017；Joshi等人，2018；Krishan等人，2022；Chander等人，2023）、贾兰德和卡普尔塔拉（Rao等人，2017）以及比斯特杜布地区（Rao等人，2017a）。虽然Krishan等人（2021）考察了全邦的地下水同位素组成，但其研究仅限于单个季节，且侧重于地下水年龄测定而非补给动态。因此，不同深度下的同位素特征的时空变异性、主要补给来源以及含水层间相互作用仍未得到充分探索。为弥补这一空白，本研究利用稳定氧和氢同位素（δ¹⁸O和δD）以及氘盈余，对旁遮普邦不同含水层深度和季节的地下水同位素组成进行了表征。本研究的具体目标是评估地下水同位素的空间和时间变异性，识别主要补给来源，并评估含水层间相互作用和蒸发影响。这些见解对于提高对地下水补给机制的理解以及在旁遮普邦高度灌溉景观中制定可持续的地下水管理策略至关重要。

章节摘要

研究区

旁遮普邦位于印度西北部，地理面积约为50,362 km2，占该国国土总面积的约1.57%。该邦位于北纬29.5333°至32.4667°、东经73.8333°至77.0000°之间。其东北与喜马偕尔邦接壤，北面与查谟和克什米尔接壤，南部和西南部分别与哈里亚纳邦和拉贾斯坦邦接壤。在地貌上，旁遮普邦被分为四个

样品采集方案

地下水样品在旁遮普邦不同井深系统采集，以了解地下水同位素组成的时空变化以及地下水补给的季節性，同时考虑该地区的含水层和地下水可获得性。采样设计基于现有的岩性和水文地质数据，代表三个不同的含水层深度类别，即浅层（<60 m）、中层（60-150 m）和深层（>150 m）含水层。在总计

季节性和分层同位素变异性

浅层、中层和深层地下水的同位素组成（δ¹⁸O和δD）和氘盈余在季风前、季风和季风后季节期间进行了评估，使用描述性统计（表1）和箱线图来评估变异性、季节差异和深度相关模式。箱线图（图3）展示了每个含水层深度在三个季节中δ¹⁸O、δD和氘盈余的分布。浅层地下水显示出最宽的范围和最

总结与结论

本研究提供了印度西北部印度河流域旁遮普邦地下水补给动态和含水层连通性的首次多深度和跨季节同位素表征。地下水同位素组成受天然补给过程、人为输入和含水层连通性的复杂相互作用控制，在不同含水层深度间表现出显著的空间和时间异质性。浅层含水层作为主要水源

局限性

本研究的发现应考虑某些局限性加以解释。尽管地下水样品在三个不同季节和多个含水层深度在同一地点采集，但关于潜在补给来源的同位素信息相对有限。特别是，降雨同位素数据的时间和空间覆盖范围不足以充分表征研究区域内补给特征的季节性变化。此外，连续的

CRediT作者贡献声明

Gopal Krishan：撰写-初稿、监督、项目管理、方法论、调查、资金获取、概念构思、形式分析、资源。Amit Pandey：撰写-审阅与编辑、形式分析、数据整理。S.D. Khobragade：撰写-审阅与编辑、监督。Rajesh Vasisht：撰写-审阅与编辑、资源。

资金

"本工作由旁遮普农民和农场工人委员会（PSFC）资助，项目编号为CS-175/2019-20，作者GK已获得PSFC的研究支持。"

利益冲突声明

作者声明以下财务利益/个人关系，这些关系可能被视为潜在的利益冲突：Gopal Krishan报告获得了旁遮普邦农民和农场工人委员会的资金支持。如有其他作者，他们声明没有已知的相互竞争的财务利益或个人关系可能会影响本文所报告的工作。

致谢

本工作在旁遮普邦农民和农场工人委员会（PSFC）赞助的研究下进行，作者GK获得的资金支持在此表示衷心感谢。作者感谢卢尔基国家水文研究所（NIH）所长。

Gopal Krishan|Amit Pandey|S.D. Khobragade|Rajesh Vasisht