摩洛哥Toudgha绿洲干旱环境中耦合的山脉-绿洲含水层系统的功能：水文地球化学和同位素方法的研究

《Journal of African Earth Sciences》：The functioning of coupled mountain–oasis aquifer systems in arid environments of Toudgha Oasis, Morocco: a hydrogeochemical and isotopic approach

　　摘要
图德加绿洲位于摩洛哥东南部，介于中央高阿特拉斯山脉和东安蒂-阿特拉斯山脉之间，拥有干旱至极端干旱的气候。地下水通过受限的古生代和中新生代含水层以及一个未受限的第四纪含水层循环。本研究旨在表征控制地下水组成的物理化学和同位素过程，划定补给区，并评估水质。结果显示，地下水的化学性质主要受高阿特拉斯山脉的水-碳酸盐相互作用的影响，总溶解固体（TDS）含量在258.74至2277.96毫克/升之间，电导率在518至3642微西门子/厘米之间变化。广泛的矿化程度反映了自然的岩石-水相互作用（特征为Ca2? > Na? > Mg2? >> K?，以及HCO?? > Cl? > SO?2? >> NO??的丰度顺序）和局部的人为气候影响。具体而言，由于蒸发岩溶解和农业活动，电导率在下游区域达到峰值，后者通过NO??浓度高达138毫克/升得到证实。环境同位素数据（δ1?O和δ2H）表明，补给主要来自高海拔地区（2050–2819米）的降雨和/或融雪渗透，以及与图德加河谷地表水的混合。地下水流动既来自高阿特拉斯山脉也来自安蒂-阿特拉斯山脉，最终汇聚到图德加平原。这些结果突显了该地区水文地质环境的复杂性，并指出了系统之间的潜在连通性，需要进一步进行局部水力测试。尽管本研究采用的方法基于成熟的水文地质、同位素和统计工具，但其创新之处在于将这些方法应用于一个在本地规模上记录不足的复杂结构绿洲系统。通过综合研究含水层之间的相互联系、山地-绿洲间的补给关系以及自然因素和人为因素对地下水质量的影响，本研究为干旱绿洲环境中的地下水行为提供了新的见解。

引言
水资源短缺是干旱和半干旱地区最严重的环境挑战之一，特别是在摩洛哥南部和东南部，那里降雨量很少且极不规律，并受到极端气候变化的影响（Chaqdid等，2023；Ouatiki等，2022；Milewski等，2019）。在这些地区，地下水是家庭用水、农业用水和社会经济活动（如旅游、采矿和农业）的主要水源。近几十年来，局部人口扩张加上私人水泵的无控制普及以及农村卫生设施的结构性限制，严重加剧了这些脆弱生态系统的压力（Glazer和Likens，2012；Huang等，2019；Ouazar等，2021）。干旱环境中的地下水质量受自然水文地质过程和人为压力的复杂相互作用影响。虽然原始岩石类型、岩石-水反应和地下停留时间决定了初步的地球化学背景，但无控制的城市化、家庭废水以及集约化畜牧业或农业施肥引入了大量溶解物，导致硝酸盐含量升高和次生盐碱化（Brindha和Schneider，2019；Kawo和Karuppannan，2018；Khatri和Tyagi，2015）。为了实现可持续的资源管理，特别是对于依赖地下水稳定性的绿洲生态系统而言，分离这两种自然和人为因素的影响至关重要。
跨干旱和半干旱地区的类似水文地质研究表明，地下水矿化过程受水-岩石相互作用、蒸发岩溶解以及农业和城市化压力的影响。在阿尔及利亚的Terminal Complex含水层（Biskra），蒸发岩溶解是主导因素，而过度开采降低了水质（Reghais等，2023, 2024）；突尼斯Grombalia含水层的矿化过程同样受到自然与人为因素的相互作用控制（Khezami等，2024），而在沙特阿拉伯的Wadi Ranyah流域，综合的地球化学-统计方法被证明是有效的（Drouiche等，2024）。这种山地-补给耦合现象也出现在阿尔及利亚的撒哈拉沙漠（Hakimi等，2021）、突尼斯的Maknessy盆地（Moussaoui等，2023）和埃及的东部沙漠（Mohallel等，2025），其中断层控制下的上升渗流将深层和浅层储层连接起来——这与图德加绿洲的情况类似。在摩洛哥东南部的干旱地区，同位素研究表明，绿洲含水层主要通过边境碳酸盐岩的补给得到补给：直接从高阿特拉斯的侏罗纪碳酸盐岩转移，使近期和古老的水体混合（EL Ouali等，2024；Zenaga（Khettouch等，2022）和Tafilalet平原（El Ouali等，2023）以及其他摩洛哥半干旱盆地（Bouchaou等，2008；Bahir等，2019；Tahiri等，2025）也是如此。尽管有大量的区域和国际研究成果，但这些综合的多示踪方法很少应用于像图德加这样结构复杂的山地-绿洲系统，那里陡峭的地形梯度、不同的岩石类型和潜在的含水层连通性增加了水文地质的复杂性。图德加绿洲是联合国教科文组织认可的“Mo Rocain南部的绿洲生物圈保护区”的一部分，体现了其高环境和社会生态价值。当地经济主要依赖自给农业、旅游业和采矿，这些都直接依赖于地下水的可用性和质量。从地质学上看，该绿洲位于中央高阿特拉斯山脉北部、中部前非洲低地和南部东安蒂-阿特拉斯山脉的交界处（Du Dresnay等，1988；Baki等，2016；Rachid等，2020）。早期的研究工作（Margat，1952，1958；Margat等，1962）奠定了该地区的基础岩石地层框架，绘制了多个深层和浅层含水层的地图——特别是侏罗纪碳酸盐多层含水层、白垩纪砂岩、古生代基底块体以及沿着图德加河谷分布的未受限更新世-第四纪冲积含水层。然而，这些历史模型将这些含水层系统视为在静态、工业化前的气候平衡下的孤立水文地质单元，未能考虑到现代气候变暖、结构过度开发和河流流量变化对现代水化学动态和垂直混合的影响。因此，图德加盆地内的一些关键科学问题仍未得到解答：高海拔高阿特拉斯山脉（以喀斯特化碳酸盐为主）和安蒂-阿特拉斯山脉（硅质碎屑和结晶基底）之间的不同地质块体如何动态相互作用以控制下游的化学特征？地下水在多大程度上反映了三叠纪石膏层中的现代蒸发作用与农业走廊沿线的人为蒸发和硝酸盐污染？本研究基于两个核心研究假设来回答这些问题：（1）未受限的冲积绿洲含水层不再仅靠局部现代补给维持，而是与压力较低的中生代碳酸盐山地前沿的深层上升渗流在结构上耦合并得到补给；（2）下游的矿化趋势是由蒸发岩溶解和农业溶质渗入的共同作用驱动的，而不仅仅是简单的二元混合。为了验证这些假设，本研究结合了空间化的水文地球化学分析、多变量统计工具（PCA和HCA）、热力学地球化学建模（通过PHREEQC计算饱和度指数）和稳定同位素数据（δ1?O和δ2H）。通过分析这些协同记录的参数，我们旨在系统地分离岩石-水控制因素和持续的人为退化效应，利用局部海拔-同位素梯度准确追踪高海拔补给路径，并建立严格的饮用水和灌溉用水的安全界限。通过关注一个结构复杂的绿洲系统，该系统尚未受到足够的专门水文地质研究，本研究为干旱环境中耦合的山地-绿洲含水系统提供了新的见解。研究结果为图德加绿洲的地下水保护和管理提供了科学依据，并对面临日益增加的气候和人为压力的北非绿洲的可持续水资源管理具有广泛意义。

研究区域
图德加绿洲位于摩洛哥王国东南部，覆盖面积为2296平方公里，地理坐标介于31°51′35″N–31°9′14″N和5°10′45″W–5°57′01″W之间（图1）。

地下水采样
地下水采样工作于2023年3月进行，共从研究区域的不同含水层和其他取水系统（包括泉水、khettaras（传统的摩洛哥引水渠道）、井和钻孔）中采集了31个水样（图4，表2）。采样期间的水文气候条件为晚冬至早春。这限制了季节性变化特征的描述。

统计描述
主要离子的离子平衡范围在-6%到4%之间（表4）。主要离子的绝对浓度与测量得到的电导率之间的关系，以及主要阳离子的绝对浓度与主要阴离子之间的关系（图5）显示出非常高的正相关性，决定系数分别为0.8和0.98。因此，这些结果表明了良好的离子平衡和化学测量的有效性。

讨论
地下水的水文地球化学特征表明，该系统受岩石类型控制、海拔依赖的补给和局部人为压力的共同影响。以下部分依次解释了这些控制因素：首先是控制矿化过程的水文地球化学过程，然后是同位素数据揭示的补给机制和含水层之间的连通性，最后是人类对水质的影响及其管理意义。

结论
本研究提供了图德加绿洲地下水资源的综合水文地球化学和同位素特征描述。图德加绿洲是一个结构复杂的干旱环境，位于高阿特拉斯山脉、前非洲低地和东安蒂-阿特拉斯山脉的交界处。通过对主要离子化学成分、多变量统计、地球化学建模和稳定同位素示踪剂的综合分析，我们全面了解了地下水的组成、补给过程及其适用性。

作者贡献声明
Jean Albergel：撰写、审稿与编辑、验证。
Mariam El Adnani：撰写、审稿与编辑、验证。
Hanane Benqlilou：撰写、审稿与编辑、验证。
Lamya Ouali：撰写、原始草稿、可视化、软件应用、方法论、调查、概念化。
Badre Essafraoui：撰写、审稿与编辑、验证、调查。
Lahcen Kabiri：撰写、审稿与编辑、验证、监督、项目管理。

未引用的参考文献
Bouchaou等，2009；De Wet等，2020；Sahu和Sikdar，2008。

数据可用性
支持本研究发现的数据可向通讯作者索取。

资金情况
本手稿的编写未获得任何资助。

利益声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文研究所报告工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢
作者感谢Gir、Ziz、Rheris和Maider水利流域机构（ABHGZR）提供的必要数据。

Lamya Ouali | Lahcen Kabiri | Badre Essafraoui | Mariam El Adnani | Jean Albergel | Hanane Benqlilou
摩洛哥Moulay Ismail大学科学与技术学院地质科学系工程科学与技术实验室