地下水主导的红碱淖流域水循环结构及补给机制

《Journal of Hydrology: Regional Studies》：The structure of the water cycle and recharge mechanisms in the groundwater-influenced Hongjiannao Basin

　　

水循环是连接大气、地表水和地下水的关键纽带，其过程和机制直接影响流域内水资源分布与生态系统稳定性。在干旱和半干旱地区，降水有限而蒸发强烈，水循环表现出显著的时空异质性以及不同水体间的复杂相互作用。末端湖泊作为流域内水和溶质的最终汇集点，对区域水文条件的变化尤为敏感。因此，理解末端湖泊流域的水文过程，包括水体间的补给关系及伴随的地球化学演化，对于区域水资源管理和生态保护至关重要。 近年来，水文地球化学（hydrogeochemistry）和稳定同位素（stable isotope）技术被广泛应用于流域尺度水循环研究。水化学可揭示水岩相互作用、蒸发浓缩和离子交换等过程，而氢氧稳定同位素（δ2H和δ18O）可作为有效的天然示踪剂来识别水源、评估水文联系和蒸发效应。在干旱内陆盆地，地下水可能对河流流量做出重要贡献，并可能通过直接补给或河流介导的传输影响末端湖泊，而湖泊水体在强烈蒸发下常经历显著的盐度富集。在季节性冰冻湖泊中，冰形成过程中的同位素分馏和溶质排斥会进一步改变水体的同位素和水化学结构。然而，在干旱末端湖泊系统中，水文连通性、蒸发作用和季节性冻结的综合效应仍未被充分理解。 水源的定量分析传统上依赖于定性评估或相对简单的比例模型。贝叶斯混合模型（如MixSIAR）提供了一个概率框架来估算源贡献，同时明确纳入同位素组成的变异性和不确定性。然而，在实际流域系统中，地下水、河水和湖水之间的水力相互作用会使源解析复杂化。例如，地下水可能补给河流，随后河流将水输送到湖泊。这种水文依赖性可能导致潜在源之间的同位素重叠，增加混合模型估算的不确定性。因此，在水文连通系统中，贝叶斯源解析结果需要结合水化学特征和地下水-地表水连通的独立证据进行谨慎解读。这一问题在现有干旱末端湖泊盆地研究中尚未得到充分解决。 红碱淖盆地（Hongjiannao Basin）位于毛乌素沙漠东南缘，是一个典型的干旱-半干旱区末端湖泊盆地。近期湖面面积波动和盐度升高与气候变率和人类活动有关。尽管已有研究调查了湖水水量和盐度的变化，但地下水、河流和湖泊之间的补给关系和季节性连通性仍未得到充分量化。与其他著名的干旱末端湖泊系统相比，红碱淖提供了一个独特的环境，其中强烈的地下水-地表水相互作用和强烈的蒸发与显著的季节性冰盖共存。季节性冻结在冬季引入了额外的同位素分馏和溶质再分配过程，使得在同一干旱末端湖泊系统中可以研究水文连通性、蒸发改造和冻融效应的综合影响。因此，选择红碱淖盆地是因为它代表了一个受地下水影响的末端湖泊系统，具有强烈蒸发和季节性冰盖的特征，为研究地下水-地表水相互作用、蒸发和冻结对水循环和水化学演化的耦合效应提供了合适的场所。 针对上述研究空白，本研究整合了水化学、稳定氢氧同位素（δ2H和δ18O）、矿物饱和指数（SI）分析和基于MixSIAR的贝叶斯同位素混合模型，以研究红碱淖盆地。具体而言，本研究旨在：(1) 表征地下水、河水、湖水和湖冰的季节性水化学和同位素变化；(2) 利用贝叶斯同位素混合模型量化季节性源贡献并评估地下水-河流-湖泊连通性；(3) 阐明蒸发、同位素分馏和溶质排斥在季节性冻结过程中对水化学演化的耦合效应；(4) 建立一个将地下水补给、河流介导传输、末端湖泊蒸发和冻融过程联系起来的流域尺度概念框架。

研究背景与科学问题

水循环是连接大气、地表水和地下水的关键纽带，其过程和机制直接影响流域内水资源分布与生态系统稳定性。在干旱和半干旱地区，末端湖泊作为水和溶质的最终汇集点，对区域水文条件变化尤为敏感。理解末端湖泊流域的水文过程，包括水体间的补给关系及伴随的地球化学演化，对于区域水资源管理和生态保护至关重要。然而，在干旱末端湖泊系统中，水文连通性、蒸发作用和季节性冻结的综合效应仍未被充分理解。特别是在同时经历强烈蒸发和季节性冰盖的内陆湖泊盆地中，如何定量整合稳定同位素与贝叶斯源解析来确定地下水贡献和多水体连通性的季节变化，这一局限性限制了对地下水补给、河流介导传输、末端湖泊蒸发和冬季冻结如何共同调控流域尺度水和溶质循环的过程理解。

研究内容与主要结论

为填补上述空白，研究人员选取位于毛乌素沙漠东南缘的典型干旱-半干旱区末端湖泊——红碱淖盆地作为研究对象。该盆地地下水-地表水相互作用强烈，蒸发强烈，且具有显著的季节性冰盖，为研究这些过程的耦合效应提供了理想场所。研究人员通过整合水化学、稳定氢氧同位素（δ²H和δ¹⁸O）、矿物饱和指数（SI）分析和基于MixSIAR的贝叶斯同位素混合模型，系统研究了该盆地的水循环结构和补给机制。研究得出以下主要结论：(1) 地下水在所有季节对河水均有显著贡献；(2) 地下水-河流的连通性强于地下水与湖泊的直接交换；(3) 河流将受地下水影响的水输送至末端湖泊；(4) 蒸发作用强烈浓缩了末端湖水中的溶解溶质；(5) 冻结作用导致冰下水体发生同位素分馏和溶质富集。这些发现阐明了地下水补给、河流介导传输、末端湖泊蒸发和冻融过程之间的耦合关系，为理解类似受地下水影响的干旱半干旱区末端湖泊系统的水文过程提供了重要的概念框架。

主要关键技术方法

研究人员建立了一个包含45个固定采样点的网络，涵盖25口地下水井、10个河水采样点和10个湖水采样点，并在四月、七月、十月和一月进行了四个季度的野外调查。主要采用的技术方法包括：(1) 水化学分析：测定pH、电导率（EC）、溶解氧（DO）、总溶解固体（TDS）、盐度（Sal）和氧化还原电位（ORP），并使用离子色谱仪测定K⁺、Ca²⁺、Na⁺、Mg²⁺、Cl^-、SO₄^2-浓度，通过HCl滴定法测定HCO₃^-浓度；(2) 稳定同位素分析：使用Picarro L2140-i光腔衰荡光谱（CRDS）分析仪测定水样的δ¹⁸O和δ²H值，并计算氘盈余（d-excess）；(3) 贝叶斯混合模型（MixSIAR）：将河水作为混合物，地下水和湖水定义为两个潜在源端元，利用δ²H和δ¹⁸O作为示踪剂，估算各水源的相对贡献及其不确定性；(4) 矿物饱和指数（SI）计算：使用PHREEQC软件计算方解石、白云石、文石、石膏和岩盐的饱和指数，评估水-岩相互作用的平衡状态。

研究结果

3.1 不同水体的水化学类型及季节性特征

通过Piper图和Gibbs图分析发现，地下水和河水的总溶解固体（TDS）浓度约为500-950 mg/L，主要以HCO₃^-和Na⁺为主，伴有中等含量的Cl^-和SO₄^2-，以及较低浓度的Mg²⁺、Ca²⁺和K⁺。地下水TDS的季节变化相对较小。在湖冰冰芯中，TDS从表层到底层逐渐增加，底部冰层的TDS达到约1600 mg/L，且HCO₃^-、Cl^-和Na⁺浓度高于表层和中层。湖水则表现出极高的TDS（远高于地下水和河水），且以Na⁺和Cl^-为主导，反映了强烈的蒸发浓缩效应。

3.2 稳定同位素组成

通过对比各水体与区域大气降水线（LMWL）和全球大气降水线（GMWL）的关系，研究发现地下水和河水的同位素组成较为接近，且都落在降水线附近，表明它们主要受降水补给。湖水则明显偏离降水线，沿蒸发线分布，显示出强烈的蒸发富集特征。湖冰的同位素组成最贫化，反映了冻结过程中的同位素分馏效应。Kruskal-Wallis检验结果表明，不同水体间以及同一水体在不同季节间的δ¹⁸O和δ²H存在显著差异。

3.3 离子比值关系

通过分析主要离子的比值关系，如Na⁺/Cl^-、Ca²⁺/Mg²⁺等，研究人员揭示了控制水化学演化的主要过程。地下水和河水的Na⁺/Cl^-比值普遍大于1，指示硅酸盐矿物风化或阳离子交换作用。湖水则表现出较低的Na⁺/Cl^-比值，接近海盐比值，表明蒸发浓缩是其主要控制因素。此外，Ca²⁺与SO₄^2-的关系表明石膏溶解在某些区域可能也是一个重要的离子来源。

3.4 矿物饱和指数

矿物饱和指数（SI）计算结果显示，地下水和河水相对于方解石和白云石通常处于过饱和状态（SI > 0），表明这些矿物可能发生沉淀。而对于石膏和岩盐，所有水体均处于未饱和状态（SI < 0），表明这些矿物倾向于持续溶解。湖水的方解石和白云石SI值更高，进一步证实了蒸发浓缩效应。冻结过程也影响了冰下水体的矿物饱和状态。

3.5 贝叶斯源解析

基于MixSIAR的贝叶斯同位素混合模型定量估算了河水中地下水和湖水的贡献比例。结果表明，地下水是河水的主要来源，其贡献在所有季节均占主导地位（平均贡献超过70%），而湖水对河水的贡献很小。这一结果有力地支持了地下水-河流之间存在强水力连通的结论。敏感性分析通过在端元同位素组成上施加±1标准偏差（SD）的偏移，验证了模型结果的稳健性，显示地下水贡献的估算结果总体稳定。

讨论与结论

讨论部分指出，水化学和同位素证据共同揭示了红碱淖盆地存在一个清晰的“地下水→河流→末端湖泊”的水力传输路径。地下水对河流的持续补给是维持河流流量的关键，而河流则充当了将地下水影响的水输送到末端湖泊的重要通道。相比之下，地下水直接补给湖泊的作用相对有限。强烈的蒸发作用是控制湖水盐度和水化学演化的主导因素，导致湖水TDS远高于地下水和河水。季节性冻结过程进一步改变了冰下水体的同位素和水化学特征，冰的形成排斥溶质，导致底层冰和冰下水体的溶质浓度升高。

研究结论部分总结如下：本研究通过整合水化学、稳定同位素（δ²H和δ¹⁸O）和贝叶斯混合模型（MixSIAR），系统阐明了红碱淖盆地这个受地下水影响的干旱末端湖泊系统的水循环结构和补给机制。主要结论包括：(1) 地下水对所有季节的河水均有显著贡献，证明了地下水-河流之间强大的水力连通性；(2) 地下水-河流的连通性强于地下水与末端湖泊的直接交换，河流是将地下水影响的水输送到湖泊的关键媒介；(3) 蒸发作用强烈浓缩了末端湖水中的溶解溶质，是其高盐度的主要原因；(4) 冻结过程导致冰下水体发生明显的同位素分馏和溶质富集。这些发现不仅深化了对红碱淖盆地水循环过程的理解，也为其他类似干旱半干旱区受地下水影响的末端湖泊系统的水资源管理和生态保护提供了重要的科学依据和概念框架。