综合同位素水文学与水文地球化学方法用于描绘印度尼西亚巴厘岛登巴萨-塔巴南地下水盆地的地下水流系统

《Journal of Hydrology: Regional Studies》：Integrated isotope hydrology and hydrogeochemical approach for delineating groundwater flow systems in Denpasar-Tabanan Groundwater Basin, Bali, Indonesia

　　

研究区域：印度尼西亚登巴萨-塔巴南地下水盆地。研究焦点：巴厘岛因快速城市化和旅游业增长面临日益加剧的地下水开采，这引发了对该盆地地下水可持续性的担忧。先前对该盆地的研究集中于地下水水头变化，然而利用水文地球化学和同位素示踪剂对水流系统进行综合表征仍然有限。研究人员旨在(1)阐明控制地下水演化的主要水文地球化学过程，(2)确定有效补给高程带和补给机制，以及(3)描绘含水层内的水流系统。在本研究中，水样的主要离子元素（F、Cl、NO₃、PO₄、SO₄、Na、K、Ca、Mg、HCO₃、Si）采用离子色谱法、滴定法和分光光度法测定，同时利用同位素比质谱仪分析了环境同位素（δ²H、δ¹⁸O）。将主要离子和地下水起源相结合以描绘盆地内的水流系统。该区域的新水文见解：水同位素特征揭示地下水补给来源于海平面以上100至700米的有效高程。地下水起源与水文地球化学特征的结合揭示了沿层次地下水流系统的共同补给特征和渐进的地下水演化。浅层和深层地下水表明中间水流系统的发展，人类压力对地下水演化有贡献。概念模型表明，低地排泄区的地下水由来自中部盆地的补给维持。

**论文解读文章**

**研究背景与问题**
巴厘岛作为热带火山岛屿，其地下水系统依赖高强度降雨通过多孔玄武岩的快速补给，但快速城市化和旅游业增长导致地下水开采日益加剧，尤其在登巴萨-塔巴南地下水盆地（Denpasar-Tabanan Groundwater Basin, DTGB）。先前研究主要关注地下水水头变化与数值模拟，然而利用水文地球化学和同位素示踪剂对盆地尺度的水流系统进行综合表征仍十分有限。缺乏对地下水补给来源、演化路径及岩浆-构造控制机制的系统理解，导致跨行政边界的地下水管理碎片化，并面临海水入侵、地面沉降及生态退化的风险。因此，需要开展这项研究，以识别控制地下水演化的主要水文地球化学过程，确定有效补给高程与机制，并描绘含水层内的层次地下水流系统。

**研究内容与结论**
研究人员在2025年干旱季（8月至9月）系统采集了80个水样，包括40个浅井（SGW，深度10–60?m）、26个深井（DGW，深度120–200?m）、4个泉水及10个河水样品，涵盖DTGB的火山锥、丘陵、高平原和沿海低地四个地貌单元。通过分析主要离子（F、Cl、NO₃、PO₄、SO₄、Na、K、Ca、Mg、HCO₃、Si）和稳定同位素（δ²H、δ¹⁸O），结合区域水力信息，首次在DTGB建立了基于水文地球化学和同位素证据的层次流系统分类。结果表明，地下水演化受硅酸盐风化、碳酸盐溶解和离子交换控制，补给高程范围为100–700?m，存在局部、中间和区域三种流系统，其中中间流系统在浅层和深层间普遍发育，并受人类活动影响。该研究为火山岛屿含水层可持续管理提供了科学依据，论文发表在《Journal of Hydrology: Regional Studies》。

**关键技术方法**
研究人员从DTGB的80个水样（浅井、深井、泉水、河水）中，采用离子色谱法测定主要阴离子和阳离子（F、Cl、NO₃、PO₄、SO₄、Na、K、Ca、Mg），滴定法测定HCO₃碱度，分光光度法测定SiO₂浓度；稳定同位素（δ²H、δ¹⁸O）通过Picarro L1102-i腔衰荡光谱仪分析，结果以VSMOW标准千分比表示。同时，利用Spearman秩相关分析评估离子间关系，结合Piper图、Gibbs图、Gaillardet图及离子比值图，对比全球和当地大气降水线（GMWL和LMWL），并通过泉水样品建立δ¹⁸O-高程回归方程估算有效补给高程。

**研究结果**

**3.1 物理化学特征**
通过统计和相关性分析，研究人员发现电导率（EC）与Cl、SO₄、HCO₃、Na、K、Mg、Ca呈中至强相关，表明这些离子是EC的主要贡献者。浅井（SGW）样品中多数离子浓度和变异性最高，尤其HCO₃、Na、Cl、NO₃、SO₄，揭示出自然水岩相互作用与人为输入（如生活污水、农业径流）的共同影响。深井（DGW）样品则显示较高的SiO₂浓度，反映较长的水岩接触时间；泉水样品中Cl和NO₃浓度低，与补给区人为干扰少的特点一致。

**3.2 地下水类型**
Piper图显示，主要地下水类型为Ca?Mg?HCO₃（占68.57%），整体由北向南从Ca?Mg?HCO₃向Na?HCO₃过渡，表明地下水沿流路径渐进演化。一个浅井点呈现Na?Cl?SO₄类型，提示沿海低地的局部人为输入或海水影响。

**3.3 同位素组成**
SGW的δ²H和δ¹⁸O平均值较DGW更贫化，标准差更大；DGW的标准差最小，反映较一致的补给来源。氘盈余（d?excess）值显示泉水样品最高且变异性最小，指示高海拔快速入渗；SGW和DGW的d?excess范围更宽，表明部分地下水经历了蒸发后才入渗。

**4.1 主导水岩相互作用过程**
Gibbs图表明所有样品位于岩石风化区，且Gaillardet图显示多数样品落在硅酸盐风化端元，证实碳酸盐溶解和硅酸盐风化是区域水文地球化学演化的主要控制因素。SGW样品在Ca与HCO₃、Ca+Mg与HCO₃关系图中偏离1:1线，表明过量HCO₃来自溶解碳酸（H₂CO₃）驱动的矿物风化。在低地，SGW样品显示Na和K相对于Ca、Mg的富集，以及负氯碱指数（CAI），指示离子交换反应；部分样品还显示反向交换，表明人为Na负荷置换基质碱土金属。

**4.2 补给机制与有效补给高程估算**
所有样品沿全球大气降水线（GMWL）和当地大气降水线（LMWL）分布，确认补给来源为大气降水。高海拔泉水（683?m）显示贫化同位素，反映直接高海拔补给；其他三个泉水较富集，反映局部集水区。通过泉水样品建立δ¹⁸O?高程回归方程，估算有效补给高程：黄色簇（100–190?m）为中间补给区，蓝色簇（108–603?m）为更广泛的中间补给区，棕色簇（660–738?m）为上游河流补给。灰色簇显示富集特征，对应农业灌溉蒸发或城市废水回灌。

**4.3 补给与水流系统的概念模型**
综合水文地球化学和同位素证据，研究人员构建了概念模型：局部流系统（?600?m）通过山块补给（MBR）经深部裂隙进入多层承压系统，水平距离>?30?km。该模型揭示了岩性异质性、构造线理、补给高程和路径对地下水循环的综合控制。

**讨论与结论**
研究结论部分指出，通过整合水文地球化学和稳定同位素分析，成功阐明了DTGB的层次地下水流系统。水文地球化学演化受硅酸盐风化、碳酸盐溶解和离子交换控制，浅层无压含水层因人类干预而改变。稳定同位素证据表明，地下水补给发生在100–700?m的有效高程范围内，支持了不同补给机制的共存。本研究通过展示构造-地形控制，将DTGB的普遍认知从局部补给系统推进为盆地集成、多尺度地下水循环系统。尽管存在单季节采样等局限性，该研究为识别关键补给区、优先保护带和设计降低盐碱化风险的抽采策略提供了有用框架，也为热带快速城市化地区地下水可持续性与城市发展的跨学科努力做出了贡献。