内蒙古干旱区湖泊—地下水系统盐渍化机制解析：多同位素模型（RFM、MixSIAR与RMBM）的集成应用

《Journal of Hydrology: Regional Studies》：Deciphering water salinization mechanisms of arid lake-groundwater systems in Inner Mongolia, China: An integration of multi-isotopic models

　　

专业术语翻译（论文摘要） 湖泊—地下水系统（lake-groundwater system）是水资源与水文循环的重要组成部分，尤其在干旱和半干旱地区。由于自然过程和人类活动的共同作用，该系统内水量、溶质、养分和能量不断发生变化，其中水盐渍化（water salinization）长期威胁湖泊—地下水系统的安全。受人为影响和气候变暖驱动，以总溶解固体（TDS，mg/L）表征的盐度持续上升，导致盐渍化不断加剧，并伴随硫酸盐、氟化物、锶和砷等无机污染物浓度升高，对水生生态系统和生物群落构成重大风险。因此，区域水资源的保护与开发亟需准确识别盐渍化机制，然而实现这一目标仍具挑战性。 多同位素模型已被广泛用于探究影响湖泊和地下水水质的水文地球化学过程。稳定水同位素（δ2H和δ18O）结合瑞利分馏模型（RFM）可揭示蒸发强度、水体来源和水力连通性；锶同位素（87Sr/86Sr）不受质量分馏影响，可区分自然与人为溶质来源；在此基础上，将87Sr/86Sr与水化学数据整合于贝叶斯同位素混合模型（MixSIAR）中，可定量评估各来源贡献；此外，氡（222Rn）质量平衡模型（RMBM）可量化与湖泊地下水排泄（LGD）相关的物质通量。因此，RFM、MixSIAR和RMBM的联合应用可为阐明湖泊—地下水系统的盐渍化机制提供稳健框架。 本研究选取内蒙古三个典型湖泊—地下水系统——岱海（DL）、乌梁素海（UL）和巴汗淖湖群（BL）作为案例，采用RFM、MixSIAR和RMBM相结合的集成方法，研究目标包括：（1）识别驱动湖泊—地下水盐渍化的主导因素；（2）量化盐分从地下水向湖泊的迁移速率；（3）建立干旱半干旱湖泊—地下水系统盐渍化的水文地质概念模型；（4）开展水质初步评估以评价盐渍化的潜在环境影响。本研究的创新之处在于对湖泊—地下水系统盐渍化机制进行了综合诊断，为干旱内流盆地盐分动态提供了可靠见解，并支持针对性的盐渍化缓解策略。

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一、研究背景与科学问题

湖泊—地下水系统是水资源和水文循环的关键组成部分，在干旱和半干旱地区尤为突出。系统内水量、溶质、养分和能量的变化受自然过程和人类活动双重驱动，其中水盐渍化长期以来是威胁湖泊—地下水系统安全的主要因素。受人为影响和气候变暖驱动，以总溶解固体（TDS，mg/L）表征的盐度持续上升，伴随硫酸盐、氟化物、锶和砷等无机污染物浓度升高，对水生生态系统和生物群落构成重大风险。因此，准确识别盐渍化机制对于区域水资源保护与开发至关重要。

全球范围内，湖泊—地下水系统的大规模盐渍化既有自然驱动因素（海水入侵、蒸发浓缩、蒸发岩矿物溶解、膜过滤效应等），也有人为驱动因素（灌溉回归水、道路融雪盐、工农业废水排放、油气开采活动及土地利用变化等）。尽管已有大量研究从不同角度探讨盐渍化问题，但系统性地将多种同位素示踪剂与水文模型相结合、在耦合的湖泊—地下水系统中解析盐渍化机制的综合评估仍然稀缺，尤其是在不同气候和地质背景下。

内蒙古三个典型湖泊—地下水系统——岱海（DL）、乌梁素海（UL）和巴汗淖湖群（BL）——地处干旱气候区，农业和工业活动密集，湖泊和地下水盐度显著上升。以往研究虽已涉及水质时空变化、水化学演化、湖泊与地下水相互作用及生物多样性等方面，但关于湖泊—地下水系统盐渍化机制的知识仍存在空白。因此，本研究以这三个系统为代表，采用RFM、MixSIAR和RMBM相结合的集成方法，旨在识别驱动湖泊—地下水盐渍化的主导因素、量化盐分从地下水向湖泊的迁移速率、建立干旱半干旱湖泊—地下水系统盐渍化的水文地质概念模型，并进行水质初步评估。

二、研究内容与主要结论

研究人员于2023—2024年在DL、UL和BL三个流域共采集554个水样（湖水LW、地下水GW和河水RW），测定了主要离子、稳定水同位素（δ²H和δ¹⁸O）、锶浓度及⁸⁷Sr/⁸⁶Sr同位素比值、²²²Rn浓度等参数。通过自组织映射（SOM）聚类、瑞利分馏模型（RFM）、贝叶斯同位素混合模型（MixSIAR）和氡质量平衡模型（RMBM）的集成应用，结合熵权水质指数（EWQI）、钠百分比（%Na）和盐渍化系数（SC）等水质评价指标，系统解析了盐渍化机制。

主要结论如下：

（1）水化学相揭示盐度驱动的演化序列。 基于SOM聚类分析，554个水样被划分为四个簇（C1—C4），代表从"Na-HCO₃-Cl微咸水"（C1，平均TDS 1362.1 mg/L）到"Na-Cl中度咸水"（C2，平均TDS 4416.9 mg/L），再到"Na-Cl高硫酸盐极咸水"（C3，平均TDS 17444.3 mg/L）和"Na-Cl低硫酸盐极咸水"（C4，平均TDS 17140.6 mg/L）的渐进盐渍化轨迹。C3与C4的SO₄^2?/Cl^?摩尔比差异约一个数量级（0.1352 vs 0.0134），反映DL以自然过程（蒸发岩溶解和硫化物氧化）为主，而BL除蒸发岩溶解外还受显著的人为硫酸盐输入影响。

（2）盐渍化是多源过程，人为贡献占主导。 通过⁸⁷Sr/⁸⁶Sr与1/Sr关系图、饱和指数（SI）计算以及⁸⁷Sr/⁸⁶Sr与Ca/Na、Mg/Na、HCO₃/Na关系图分析，确认盐度来源受矿物溶解与人为输入共同控制。MixSIAR定量结果表明，岩石风化贡献约33%的盐度，其中蒸发岩溶解（16—20%）为主要自然来源，其次为硅酸盐风化（11—17%）和碳酸盐风化（1—2%）；人为来源贡献约67%，以灌溉回归水（30—38%）为主，其次为市政供水（17—20%）和污水排放（15—18%）。RFM计算显示蒸发贡献比例顺序为LW（72.6%）> RW（58.3%）> GW（49.8%），表明蒸发是湖泊—地下水盐渍化的关键驱动因素。此外，（Na+K?Cl）与（Ca+Mg?HCO₃?SO₄）的显著负相关及氯碱指数（CAI）随TDS的变化证实了阳离子交换过程的存在。

（3）地下水排泄是盐分的主要输送通道。 RMBM计算得出DL、UL和BL的平均湖泊地下水排泄（LGD）速率分别为1.07、1.95和49.35 mm/d，BL显著高于其他两个湖泊，这与BL位于毛乌素沙地、湖底沉积物为砂质、有利于LGD过程有关。据此估算的TDS通量呈明显空间格局：BL（52853.85 mg/m²/d）> UL（4553.25 mg/m²/d）> DL（381.99 mg/m²/d），表明LGD强度最大的终端湖泊接收最大的地下水盐分负荷。

（4）水质评估显示普遍盐渍化影响。 EWQI评价显示41.6%的C1样本及全部C2、C3、C4样本超过100的阈值，平均EWQI顺序为C4（1502.7）> C3（1113.5）> C2（375.6）> C1（112.3），表明研究区大部分水体不适合直接饮用。%Na和SC评价进一步确认了盐渍化对灌溉用水的广泛影响，C2、C3和C4的%Na和SC均值均高于C1，高%Na和SC可促进盐碱土形成，导致作物减产最高达40%。

三、讨论与结论

讨论部分指出，湖泊—地下水系统的盐渍化机制高度复杂，受自然和人为因素共同影响。在平坦地形流域中，地下水流缓慢，自净能力减弱，地下水长期易受气候变异和人类活动影响。研究提出以下管理策略：（1）改善排水基础设施以控制农业径流并减少对地下水的直接渗入；（2）合理开采和回用地下水以调节流场动态并增强更新能力；（3）对高盐度湖泊适当实施生态补水以降低盐度并增强自净能力。研究局限性包括：高盐度样本（TDS > 10000 mg/L）的饱和指数计算精度受限、⁸⁷Sr/⁸⁶Sr端元值取自文献而非本地实测、RMBM结果基于单次采样缺乏季节和年际数据等，因此33%自然与67%人为的分配应视为半定量估计。

结论部分总结如下：（1）水化学相揭示盐度驱动的演化序列，四个簇（C1—C4）代表从Na-HCO₃-Cl微咸水到Na-Cl极咸水的渐进盐渍化轨迹，不仅反映离子强度增加，也暗示沿盐度梯度主导地球化学控制因素的转变。（2）盐渍化是多源过程且人为贡献占主导，岩石风化贡献约33%，人为输入贡献约67%，蒸发进一步放大盐度，地表水和地下水盐渍化同时受蒸发浓缩和阳离子交换调控。（3）地下水排泄是盐分的主要输送通道，盐度通量呈BL > UL > DL的空间格局，LGD强度最大的终端湖泊接收最大盐负荷；水质方面，大部分水体不适合直接饮用，%Na和SC进一步确认了普遍盐渍化影响。

本研究证明，干旱区湖泊—地下水系统的盐渍化是自然背景富集、人为溶质负荷、蒸发浓缩和LGD驱动的盐分再分配的级联结果，盐分通量和水化学相的空间异质性凸显了水文地质背景的关键作用。未来研究应进一步关注气候变化和人类活动加剧下的长期盐度轨迹、同位素指纹方法向其他干旱盆地的可转移性，以及持续盐渍化对湖泊湿地生物多样性和地下水依赖生态系统的生态后果。