多示踪剂法评估加纳半干旱地区花岗岩含水层中地下水来源及地下水-地表水相互作用

《Heliyon》：A multi-tracer approach to assess provenance and groundwater-surface water interactions in granitic aquifers in a semi-arid region of Ghana

　　

维阿(Vea)流域是加纳上东部地区地下水开采程度最高的地区之一。然而，各水源之间的相互关系尚未得到明确界定与认识。本研究采用多种环境示踪剂(δ¹⁸O、δ²H、Cl)以及水位波动法(WTF)、降雨数据、地表水和地下水，刻画了加纳半干旱地区维阿流域花岗岩含水层中地下水的来源与补给特征。结果表明，当地大气降水线(LMWL)的斜率小于全球大气降水线(GMWL)，表明降雨过程中发生了二次蒸发。地下水中的δ¹⁸O和δ²H信号表明地下水补给具有大气降水成因。地表水中的δ¹⁸O信号重于地下水，表明地表水相对于地下水经历了更为强烈的蒸发作用。利用氯质量平衡法、δ¹⁸O偏移法及水位波动法估算的流域内地下水平均补给量约为年均降雨量的9%。大坝剖面结果显示，距地表1 m深度内存在强烈的蒸发效应。坝水对地下水补给的平均贡献比例约为16%。平均采样深度小于1 m(<1 m)导致补给贡献被低估约8%。因此，研究建议在δ¹⁸O同位素研究中，特别是在使用端元混合模型进行水源划分时，大坝采样深度应等于或大于1 m。

**一、研究背景与科学问题**

维阿(Vea)流域位于加纳半干旱的上东部地区(UER)，具有降雨历时极短而后接漫长旱季的气候特征，月均温和潜在蒸散量均超过年均降水量。大多数地表水资源在旱季完全干涸，季节性河流难以满足全流域社会经济发展用水需求；同时，有限的地表水源易受污染，人畜共饮导致血吸虫病、霍乱和麦地那龙线虫等水媒疾病传播风险。因此，地下水成为首选水源，且通常无需深度处理。然而，流域内水资源水动力学研究十分薄弱，缺乏保障资源可持续性的定量数据。地表水与地下水之间的相互作用是河岸生态系统正常运转的基础，理解二者交换过程并量化相互贡献是实现水资源可持续管理的前提。稳定同位素(δ²H和δ¹⁸O)已被广泛用于示踪水文循环过程，但以往基于稳定同位素的端元混合模型研究存在两大不足：一是未考虑地表水体的分层效应对作为端元的水体同位素组成的影响；二是缺乏对地表水库合理采样深度的探讨及其对补给来源贡献量化的误差评估。基于此，本研究提出四个目标：查明流域内地下水起源；采用综合方法评估地下水补给量；研究分层作用对维阿大坝水体同位素信号的影响并确定适宜的坝水采样深度；量化坝水对地下水的贡献比例。论文发表于《Heliyon》。

**二、主要技术方法**

研究区为White Volta河流域的子流域——维阿流域，面积约305 km2，跨加纳和布基纳法索两国。研究人员于2021年1月至12月在流域北部Bongo Soe站(59个)和南部Aniabisi站(35个)按降雨事件采集雨水样品；于2021年4月采集90口地下水井样品(其中75个为钻孔BH，15个为手工挖井HDW)；并在维阿大坝南部(DP1)、中部(DP2)、北部(DP3)三个剖面点自水面至底部按0.50 m间隔分层采集坝水。水样氯化物浓度采用Dionex ICS-90离子色谱系统(IC)在加纳原子能委员会(GAEC)测定；氢氧稳定同位素采用激光吸收光谱仪(LAS)在GAEC国家同位素水文学实验室测定，δ²H和δ¹⁸O的测试精度分别为±1.0‰和0.1‰。地下水补给估算采用三种方法：氯质量平衡法(CMB)、δ¹⁸O偏移法和水位波动法(WTF，使用WASCAL提供的2014–2017年三个监测钻孔水位数据，比贮水率取0.03)。坝水对地下水的贡献比例采用二元端元混合模型，以加权年均降雨δ¹⁸O值和坝水平均δ¹⁸O值为两个端元进行定量计算。

**三、研究结果**

*3.1 雨水同位素组成*：Bongo Soe站雨水δ¹⁸O介于1.61至?6.42‰(均值?2.87‰)，Aniabisi站介于?0.25至?6.93‰(均值?3.58‰)，两站差异主要受降雨量效应而非高程效应控制。4月雨水同位素富集，8月最贫化，10月再次富集，表明降雨量和气温共同控制研究区雨水同位素组成。流域综合LMWL为δ²H=7.3δ¹⁸O+8.78(R2=0.95)，斜率较GMWL小，指示降雨过程中存在二次蒸发。加权月均降水与地下水同位素对比显示，6至9月降雨及大于10 mm的降雨事件对地下水补给贡献显著，而4、5、10月降雨及小于10 mm的降雨贡献不明显。

*3.2 坝水同位素组成*：维阿大坝水体δ¹⁸O介于+0.23至+0.91‰(均值+0.48‰)，δ²H介于?9.09至?2.63‰(均值?4.91‰)。三个剖面点均显示0至1 m深度受蒸发影响发生同位素富集，≥1 m深度趋于稳定。全部坝水样点落于LMWL下方，指示一定程度的水体蒸发富集，并可能混入了维阿河支流的同位素信号。

*3.3 地下水同位素组成*：地下水δ¹⁸O介于?4.61至?2.28‰(均值?3.48‰)，δ²H介于?25.02至?13.74‰(均值?18.58‰)。地下水样点沿LMWL聚集，指示地下水为大气降水成因；部分点位于LMWL上方表明入渗补给快速、蒸发影响小，而位于下方的样点则在补给前经历了蒸发作用。

*3.4 地下水补给量*：CMB法估算(雨水平均加权氯浓度为0.72 mg/l，地下水氯浓度为1.86至91.96 mg/l)得补给量为年均降雨量的0.78%至38.66%(均值6.40%)；δ¹⁸O偏移法估算为1.07%至37.10%(均值9.22%)；WTF法(年均水位变化2030至4170 mm)估算为6.96%至14.30%(均值10.12%)。三种方法综合表明流域平均地下水补给量约为年均降雨量的9%，空间插值图显示不同方法在低补给区和高补给区分布总体一致。

*3.5 地下水补给来源贡献*：二元端元混合模型定量计算表明，坝水对手工挖井和钻孔地下水的平均补给贡献分别为16.53%和15.68%。进一步对比不同坝水采样深度发现，采用<1 m平均采样深度会导致补给贡献被低估约8%，而采用≥1 m深度的坝水端元值可获得更可靠的划分结果。

**四、讨论与结论**

讨论部分指出，WTF法在估算中忽略了比贮水率随时间和空间的变化，可能导致误差；CMB法假设氯化物输入仅来自降水，未考虑农业化肥等人为氯输入来源，可能造成补给量低估。此外，大坝剖面数据仅在单一旱季采集，其精度和可靠性可通过在旱、雨两季均进行剖面采样而改进。研究结论可概括为：δ¹⁸O、δ²H、CMB与WTF数据的综合运用是理解半干旱条件下花岗岩含水层地下水来源及地表水-地下水相互作用的有效途径；地下水具有大气降水成因，6至9月及大于10 mm降雨是主要补给来源；流域平均地下水补给量约为年均降雨量的9%；坝水对地下水系统的总贡献约为16%，表明降水是流域地下水补给的主要来源，气候模式的任何负向变化都可能导致地下水位急剧下降甚至水井干涸；基于坝水剖面分析结果，研究人员建议在使用端元混合模型进行补给来源划分时，地表水采样深度应大于1 m，并推荐未来结合数值模拟和气象模拟进一步验证研究结论。