基于环境同位素和水化学分析方法对沙特阿拉伯西南部沿海含水层地下水可再生性的评估

《Journal of African Earth Sciences》：Assessment of groundwater renewability of the coastal aquifer in Southwest Saudi Arabia based on environmental isotopes and hydrochemical analytical approaches

【字体：大中小】 时间：2026年04月14日 来源：Journal of African Earth Sciences 2.2

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　　地下水年龄与更新能力评估研究基于同位素分析（δ2H、δ1?O、3H、13C、1?C）及水质数据，对沙特贾赞省沿海含水层进行水文地球化学解析，确定补给来源为山区降水及蒸发后地表水，估算更新周期1-25年，提出可持续开采限值411 m3/天。

沙特阿拉伯吉达国王阿卜杜勒阿齐兹大学水资源研究中心，邮政信箱80200，21598

摘要

地下水老化（停留时间）对于估算地下水可再生性和最佳管理至关重要。研究区域缺乏关于地下水年龄的信息。如何利用综合环境同位素和水化学分析来评估干旱和半干旱地区在水资源短缺和盐度增加影响下的地下水可再生性？因此，本研究的目的是基于环境同位素和水化学分析方法，分别对25个和80个水样进行评估，以确定沿海含水层的地下水可再生性。通过对地下水的水化学成分以及氘（²H）、氧-18（¹⁸O）、氚（³H）、碳-13（¹³C）和碳-14（¹⁴C）同位素的空间分布进行分析，以了解当前地下水形成的气候条件以及是否仍存在有效的地下水补给。校正后的放射性碳年龄（¹⁴C）显示，这些地下水形成于全新世。这一结果得到了氘和氧-18同位素的支持，它们的同位素特征相对较重，且接近全球大气降水线，表明地下水补给发生在温暖的气候条件下，排除了古水的存在。同位素关系表明，该含水层的水主要来自两个来源：直接降雨（伴有不同程度的蒸发）；或经过大量蒸发的地表水或混合水。研究区域地下水的化学特征，特别是Cl/Br比值，表明地下水补给区域主要位于以基岩为主的山区。沙特阿拉伯西南部沿海地区的地下水可再生时间在1至25年之间。根据研究结果，为确保地下水的可持续利用，每口井的最佳抽水量不应超过411立方米/天。

引言

在干旱地区，地下水是饮用、家庭用水和灌溉最重要的资源（Switzman等人，2015；Kim等人，2015）。Noble和Ansari（2019）以及Ansari等人（2022）利用同位素水文学技术（δ²H、δ¹⁸O和γH）来评估干旱地区的地下水补给机制。他们发现，地下水补给主要依赖于西南季风期间的降雨。Kimar和Ansari（2021）指出，淡水资源面临污染、过度使用和气候变化等严重威胁，这些因素对其质量和可用性产生了负面影响。氚数据表明，地下水是新鲜且可再生的，补给时间从现在到不到30年不等。因此，优化水资源管理策略已成为当务之急。在沙特阿拉伯等干旱和半干旱地区，了解地下水的分布、来源和补给率至关重要，因为这些地区的年降水量较少，且地下水资源被过度利用（Hussain等人，2013；Masoud等人，2022）。此外，补给数据对于确定安全取水量以及理解地下水流动和储存情况，从而制定相应的管理策略也非常重要。Ansari等人（2025）通过结合同位素水文学和机器学习模型，研究了灌溉密集地区的地下水补给过程。稳定同位素用于识别水源，而机器学习则有助于分析影响地下水补给的因素。结果表明，这种结合为农业密集区的水资源管理提供了有效工具。

地下水年龄是指从补给过程到自然排放或从井中抽取所需的时间。水从不同源头流动并通过不同路径最终到达采样点（如井），因此每个样本都代表了具有不同来源和年龄的多种地下水（Maloszewski和Zuber，1996）。识别水流路径、补给速率和补给来源，以及评估地下水抽取的可持续性、水中污染物的传输、流动动态和土地利用对水质的影响，都依赖于对含水层中地下水年龄的理解（Massoudieh等人，2012；Morgenstern和Daughney，2012）。用于模拟地下水年龄的环境示踪剂可分为放射性同位素、事件标记物和放射性生成示踪剂。通常，地下水的来源和年龄可以通过环境同位素来确定，例如氘（²H）、氧-18（¹⁸O）、氚（³H）、碳-13（¹³C）和碳-14（¹⁴C）（Maloszewski和Zuber 1996；Masoud等人，2022）。结合同位素和化学数据有助于建立准确的概念模型，从而解释砷的分布并评估相关的环境和健康风险（Ansari等人，2023）。

在沙特阿拉伯，已经进行了许多研究来评估地下水的水文地质和水化学特性（Abdalla 2015；Masoud等人2019；Masoud等人2023；El Osta等人2022a，b）。然而，关于地下水来源和年龄的确定尚未得到足够重视。因此，本研究主要关注沙特阿拉伯贾赞省的环境同位素，通过使用氘（²H）和氧-18（¹⁸O）来研究地下水的来源及其受蒸发的影响；通过氚（³H）来研究地下水样本的现代年龄（小于50年）；通过碳-13（¹³C）来研究地下水中发生的地球化学反应。碳-14（¹⁴C）由于衰变缓慢，可用于确定水在地下水系统中停留的时间。在地下水分析中使用碳-13和碳-14同位素可以更好地理解地球化学过程，并帮助准确确定水的年龄。本研究的目的包括：（1）确定贾赞地区的地下水流动路径；（2）评估地下水的地球化学特性和控制过程；（3）了解和解释地下水的来源和年龄，以估算水资源的可再生性。研究结果将为决策者提供支持，帮助他们找到最佳实现方式，应用综合水资源管理技术，并为沙特阿拉伯这一战略区域的可持续地下水开发制定计划。

地理与气候

从地理上看，本研究区域——贾赞省位于沙特阿拉伯的西南部，与蒂哈马-阿西尔地区相邻（图1）。该区域沿红海有一条狭窄的沿海地带，南起也门，向北延伸约250公里，直至阿西尔山脉。贾赞流域面积约为24000平方公里，研究区域的行政范围介于东经42°35′至43°27′之间，纬度范围...

方法论

为了评估贾赞沿海含水层的地下水可再生性，采用了地下水水位监测、水质分析和环境同位素技术。方法包括收集所有以往关于降雨、地质和水文地质的研究报告和数据。使用便携式Magellan GPS 315设备（美国加利福尼亚州圣迪马斯）对沿海含水层的现有地下水井进行了勘测。共收集了80个地下水样本...

物理化学特性

表1展示了从贾赞省沿海含水层收集的80个地下水样本的物理化学参数。检测到的地下水中总溶解固体（TDS）含量平衡低于5%，证明了结果的可靠性和所用实验室的分析准确性。

总溶解固体（TDS）含量在604至14673毫克/升之间，反映了从淡水到咸水等多种类型的水。

总体讨论

本研究关注干旱地区面临的挑战和限制，如缺乏水文数据（特别是历史降雨量和实际补给记录），这主要是由于降水量变化大和地表径流周期短所致。含水层的水文地质特征信息不足进一步增加了补给路径及其有效区域的解释难度。环境同位素数据尤其有限，尤其是碳-13C的数据...

结论

对贾赞省沿海含水层进行的水化学研究表明，即使在当前气候条件下，该地区的地下水仍通过山区降雨得到补给。这表现为相对较低的Cl/Br比值、水中重稳定同位素的富集以及非常低的放射性碳年龄（小于200年）。随着靠近海岸，地下水的矿化程度增加...

作者贡献声明

迈克尔·施耐德：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、验证、监督。阿卜杜勒阿齐兹·阿尔卡拉维：初稿撰写、资源提供、项目管理、概念构思。贾拉尔·巴萨希：初稿撰写、可视化、方法论设计、调查、数据分析。米拉德·哈利姆·扎基·马苏德：审稿与编辑、初稿撰写、监督、资源提供、项目管理、资金获取、数据整理。布林达·卡尔蒂基扬：撰写——

未引用参考文献

Abdalla等人，2014；Batayneh等人，2012；Chadha，1997；El Osta，2018；Hussein和Bazuhair，1992；Kumar和Ansari，2021；Masoud等人，2020；环境与农业部，1984；Morgenstern和Taylor，2009；国家地下水协会，1979；国家地下水协会（无日期）；Pimenta等人，2017；Ramsay，1986；Switzman和Coulibaly，2015；美国环境保护署，1994；美国盐度实验室工作人员，1954；世界卫生组织，2011。

数据可用性

所有数据均以表格和图表的形式提供在手稿中。

利益冲突

作者声明没有利益冲突。

伦理批准

本研究符合所有研究出版的伦理标准。本研究未涉及人类或动物实验，因此不需要正式的伦理批准。

参与同意

不适用。

出版同意