埃及西南部沙漠埃尔-加拉巴平原的地下水来源分配：基于稳定同位素混合模型方法

《Applied Geochemistry》：Apportioning Groundwater Sources in El-Gallaba Plain, Southwestern Desert, Egypt: A Stable Isotopes Mixing Model Approach

　　摘要
干旱的地堑盆地通常存在地下水系统，其中深部的古地下水与较新的地表补给水通过断层控制的通道相互作用，形成复杂的水化学和同位素特征。位于东北非埃及阿斯旺省西科姆翁博市的埃尔加拉巴平原就是此类系统的典型代表，该地区依赖地下水作为农业和家庭用水的主要淡水来源。本研究通过水化学建模、同位素分析以及同位素来源分配方法，探讨了第四纪含水层与邻近水源（包括努比亚含水层及地表水）之间的关系。派珀图和吉布斯图显示，以Na-Cl、Ca-Mg-Cl和Na-SO4型为主，水岩相互作用是控制地下水化学性质的关键因素。PHREEQC模拟结果表明，第四纪水中含有NaCl、Mg(HCO3)2、Na2SO4、NaHCO3和Ca(HCO3)2等溶解盐，这些盐类主要来自淋溶作用和阳离子交换。总溶解固体数据可将水体分为三类。贝叶斯稳定同位素混合模型分析表明，约53%的补给水来自努比亚含水层的混合水，其余则来自地表水。这些研究结果表明，埃尔加拉巴平原的地下水演化受到古老区域地下水与现代补给水通过结构连接通道相互作用的控制，这一发现为类似干旱地堑盆地的研究提供了参考框架。

引言
干旱地堑盆地通常存在地下水系统，其中古老的深层地下水与较新的地表补给水通过断层控制的通道相互作用，形成复杂的水化学和同位素特征（Figueroa等人，2021；Xiao等人，2018）。在埃及，这一问题尤为重要，因为由于人口快速增长、水资源需求上升以及诸如150万费丹（约6,300平方公里）的垦荒计划、托什卡项目、新河流域项目和埃尔萨拉姆项目等大型沙漠开发项目，人均水资源量不断下降。因此，埃及已成为一个水资源紧张的国家，人均水资源量降至约700立方米/年（Basheer，2021）。然而，埃及的水资源十分有限，主要依赖于两大水源：尼罗河谷的水源，其在阿斯旺高坝处的年均流量约为35立方公里，占总量的93%；以及地下水，其年供应量约为2立方公里，约占4%。几乎所有的尼罗河水量都被用于灌溉、生活及工业用途，只有少量水（1–2立方公里）作为排水和处理后的废水流入地中海（Elbeih，2015）。埃及约95%的陆地面积下都存在可饮用的地下水，但实际使用率却很低。近年来，埃及在发展计划中着重开发地下水资源，以支持“2035年水资源愿景”目标（Ezzeldin，2021）。为跟上埃及近年来的发展步伐，并通过实施相关项目满足国家需求，实现粮食和水资源的自给自足，政府计划利用替代水源，尤其是地下水，来开发尼罗河谷沿岸的沙漠地区（Abd Ellah，2020）。因此，埃及政府长期以来一直致力于在各省的沙漠边缘地区进行扩张，而这种扩张的前提是能够找到合适的水源，以便在不完全依赖尼罗河水的情况下开垦新土地，毕竟埃及的地表水资源极为短缺（Sharawey等人，2024）。由于该地区具有平坦的地形、丰富的第四纪沉积物以及较高的地下水补给潜力，非常适合大规模灌溉和沙漠垦荒项目，因此在过去二十年里，埃及在该领域投入了大量资金用于农业垦荒，其中地下水是主要的灌溉水源。该地区已钻探了大量水井，土地垦荒工作也持续进行中。然而，随着地下水开发的加速，针对该含水层的水文地质和地质条件的相关研究却相对不足。直到2011年，人们对阿斯旺市西侧沙漠平原的水文状况仍了解甚少，其地下水潜力也几乎未被揭示（Elumalai等人，2023）。通过结合地面穿透雷达与先进的卫星雷达图像技术，研究人员发现了埃尔加拉巴平原及其周边地区的断裂系统。这些结构似乎有助于地下水从努比亚含水层，以及可能的尼罗河和纳赛尔湖的多余水分流入研究区域（Koch等人，2013）。埃尔加拉巴平原呈现出类似地堑的结构，基底最大深度约为150米，边缘处深度则更浅。因此，这个受结构控制的盆地有望成为地下水积聚和勘探的理想区域（Koch，2012）。

为了评估埃尔加拉巴平原地下水含水层的补给潜力，研究人员综合开展了水文地球物理研究、水化学分析以及遥感技术研究（Geriesh等人，2020）。研究结果表明，埃尔加拉巴平原是一个厚度超过220米的巨大地堑型含水层。该平原的含水层几乎无法从西侧的断裂石灰岩高原获得补给，同时也未受到纳赛尔湖的近期补给。研究人员在埃尔加拉巴平原内设置了66个站点收集瞬变电磁数据（Geoshy，2020）。根据瞬变电磁数据解析得出的地下水流动图显示，水流主要朝向平原中部，呈现明显的南向北流动趋势。冲积沉积物含水层很可能从南部的努比亚含水层获得补给。通过60次垂直电法探测和时域电磁探测，研究人员进一步研究了埃尔加拉巴平原地下水含水层的定性及几何特征（Mosaad & Basheer，2020）。研究结果表明，埃尔加拉巴平原在两个主要的更新世含水层中具有较高的大气降水起源的地下水潜力，即一个浅层淡水含水层和一个深层微咸水含水层。含水层基质中的硅酸盐风化作用和蒸发作用会加剧地下水的盐度上升。

鉴于当前的气候变化以及埃及日益增长的水资源需求，尤其是农业用水的需求，必须制定可持续的管理策略来合理利用这些资源。尽管地下水具有重要意义，但全球许多地区过度开采地下水已导致水位下降、水质恶化，甚至资源枯竭（Su等人，2020；Wu等人，2015）。为应对这些挑战，联合国设立了聚焦水资源的可持续发展目标，强调可持续的地下水管理（Li等人，2022，2023）。“可持续地下水管理”指的是以负责任且有效的方式利用地下水资源，为其后代保留这些资源（Elshall等人，2020）。这一理念突出了地下水与其他水资源之间的关联性，同时也强调了制定全面管理策略的必要性（Elumalai等人，2023；Li & Elumalai，2023）。

本研究采用综合的水化学、同位素及物理分析方法，以埃尔加拉巴平原作为东北非典型的干旱地堑盆地，研究其地下水的演化过程。研究旨在验证一种更广泛的理论框架，用于解释在结构控制下的沙漠盆地中深层古地下水与现代地表水之间的混合机制。为此，研究采用了贝叶斯稳定同位素混合模型，量化第四纪含水层的补给来源，再结合相应的同位素和水化学证据，分析决定地下水演化、水质及脆弱性的机制。通过这种方式，埃尔加拉巴平原可作为研究区域水文地质过程的天然实验室，其研究成果可为类似干旱盆地的研究提供借鉴，同时也有助于评估在日益增加的取水量和气候压力下的地下水长期可持续性。