烏梁素海及其周邊水體222Rn的時(shí)空分布特征及其指示意義

余 楚,吳利杰,張翼龍,王占川,王秀雅,郭 嬌

(1.中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)研究所,河北 石家莊 050061;2.自然資源部地下水科學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,河北 正定 050803;3.河北地質(zhì)大學(xué)水資源與環(huán)境學(xué)院,河北 石家莊 050031)

烏梁素海是19世紀(jì)中葉受地質(zhì)運(yùn)動(dòng)、黃河改道和水利開發(fā)影響而形成的河跡湖,是河套灌區(qū)水利工程的重要組成部分,肩負(fù)著灌區(qū)鹽堿化調(diào)控、黃河水量調(diào)蓄、濕地生態(tài)環(huán)境維護(hù)、漁業(yè)生產(chǎn)等任務(wù)[7-8],是黃河上游地區(qū)極為重要的多功能人工控制型草型湖泊[9].受灌溉周期和引黃水量的影響,灌區(qū)年內(nèi)地下水水位動(dòng)態(tài)變化明顯、退水量分布不均,烏梁素海水位與水質(zhì)月度間差異顯著[10],表明短期水文過(guò)程對(duì)烏梁素海的水量調(diào)節(jié)和水質(zhì)變化有重要影響.對(duì)烏梁素海與地下水的相互作用模式和作用程度尚沒(méi)有清晰明確的認(rèn)識(shí),大多研究認(rèn)為河套灌區(qū)的地下水對(duì)烏梁素海雖然有補(bǔ)給,但補(bǔ)給量不大,總排干退水才是湖泊的主要補(bǔ)給來(lái)源[11-13].侯慶秋等[14]研究表明,烏梁素海接受潛水的側(cè)向徑流和承壓水的頂托補(bǔ)給,并利用水位觀測(cè)數(shù)據(jù)根據(jù)達(dá)西定律分別估算了潛水和承壓水的補(bǔ)給量;朱冬楠[15]利用測(cè)壓計(jì)進(jìn)行的野外觀測(cè)發(fā)現(xiàn),烏梁素海向西岸地下水滲漏.本文對(duì)烏梁素海及其周邊地下水、河渠水的222Rn時(shí)空分布特征進(jìn)行了調(diào)查分析,探討了灌區(qū)不同灌溉時(shí)段湖泊與地下水的相互作用關(guān)系,以為烏梁素海流域水文循環(huán)過(guò)程及湖泊生態(tài)保護(hù)研究提供參考.

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

烏梁素海位于內(nèi)蒙古自治區(qū)巴彥淖爾市烏拉特前旗境內(nèi),西部是黃河沖湖積平原,東部是佘太盆地,北部、南部分別是色爾騰山、烏拉山山前沖洪積傾斜平原,斷裂活動(dòng)強(qiáng)烈.區(qū)域降水年內(nèi)分布不均,主要集中6—9月,夏季降水占全年63.2%,且年際變化較大;多年平均降水量174.7 mm,年蒸發(fā)量達(dá)到1 992～2 351 mm.烏梁素海常年運(yùn)行水位1 018.8～1 019.2 m,近十年來(lái)多年平均運(yùn)行水位1 019.11 m,大片水域水深0.5～1.5 m,最大水深4 m.

烏梁素海以西的河套灌區(qū)每年有3次主要的灌溉活動(dòng),即夏灌(5—7月)、秋灌(7—9月)和秋澆(9—11月),秋澆的主要目的是壓鹽保墑,灌溉時(shí)間短、灌溉水量大,一般占全年總灌溉用水量的1/3[16-17],每年灌溉開始的具體時(shí)間和灌溉時(shí)間的長(zhǎng)短視實(shí)際情況而有所差異.灌區(qū)地下水類型以第四系松散巖類孔隙水為主,水位動(dòng)態(tài)主要受引黃灌溉的影響,地下水位一般在10—11月達(dá)到最高.研究區(qū)內(nèi)地勢(shì)平緩,地下水徑流緩慢、水質(zhì)較差,平原地區(qū)沒(méi)有開采,排泄以蒸發(fā)為主;地下水總體上由西部、南部向北部、東部徑流.

1.2 樣品采集和測(cè)試

于2020年10月24—28日(灌溉期)、2021年9月2—8日(非灌溉期)對(duì)烏梁素海及其周邊水體中的222Rn進(jìn)行兩期采樣調(diào)查和測(cè)試(見圖1).測(cè)試儀器采用RAD 7型測(cè)氡儀和RAD7-H2O水氡配件(美國(guó)Durridge公司).湖水采樣點(diǎn)在明水區(qū)均勻布設(shè),表層湖水進(jìn)行兩期采樣,采樣深度控制在湖面以下0.5 m;2021年還采集了底層湖水樣品,采樣深度控制在湖底以上0.5 m.地下水的采樣點(diǎn)控制在距湖岸20 km的范圍內(nèi),采樣井均為民用井,井深小于20 m,采樣的同時(shí)測(cè)量水位埋深.2個(gè)河渠水采樣點(diǎn)位于總排干入湖口和烏毛計(jì)閘退水渠,采樣同時(shí)用浮標(biāo)法粗略測(cè)量流量.地表水體用RAD7-H2O自配的250 mL采樣瓶采樣,地下水用40 mL采樣瓶采樣.所有采樣點(diǎn)在測(cè)試222Rn活度的同時(shí)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試水溫、pH、溶解氧飽和度(HDO)、氧化還原電位(ORP)、電導(dǎo)率以及溶解性總固體(TDS)等指標(biāo).

圖1 研究區(qū)采樣點(diǎn)分布示意圖

1.3 數(shù)據(jù)處理方法

因采樣時(shí)間較長(zhǎng),測(cè)試時(shí)樣品中的222Rn已經(jīng)產(chǎn)生了一定的衰變,故將測(cè)出的222Rn活度校正至采樣時(shí)段,以得到更為準(zhǔn)確的結(jié)果.222Rn活度衰變校正計(jì)算公式為

A0=A×eλt.

(1)

式中:A0為采樣時(shí)的222Rn活度;A為測(cè)試時(shí)的222Rn活度;λ為222Rn的衰變常數(shù),為0.181 d-1;t為采樣到測(cè)試時(shí)歷經(jīng)的時(shí)間間隔(d);e為自然常數(shù).

圖件繪制利用Arcgis 10.8軟件進(jìn)行;湖水222Rn活度空間分布圖插值方法利用反距離權(quán)重法;數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析利用SPSS 24軟件.

調(diào)查問(wèn)卷的第一部分，對(duì)非英語(yǔ)專業(yè)大學(xué)生詞匯學(xué)習(xí)觀念進(jìn)行調(diào)查。從表1可以看出，學(xué)習(xí)英語(yǔ)詞匯應(yīng)該死記硬背這個(gè)觀點(diǎn)最不受歡迎，而另外兩種觀點(diǎn)被普遍接受。絕大多數(shù)的學(xué)生都認(rèn)為詞匯學(xué)習(xí)不應(yīng)靠死記硬背，而應(yīng)該在上下文中學(xué)習(xí)和通過(guò)運(yùn)用來(lái)學(xué)習(xí)。

2 結(jié)果與分析

2.1 河渠水的222Rn含量及其指示意義

根據(jù)粗略測(cè)量的結(jié)果,2020年10月下旬采樣調(diào)查時(shí),河套灌區(qū)正逢灌溉期,農(nóng)田退水量較大,入湖水量較大.總排干入湖流量約為25.64 m3/s;2021年9月上旬灌區(qū)處于非灌溉期,總排干水量以城鎮(zhèn)生活、工業(yè)廢污水為主,入湖水量較小,入湖流量為4.28～7.49 m3/s,不足灌溉期的1/3.

灌溉期烏梁素?？偱鸥?R1)和退水渠(R2)的222Rn活度均大于非灌溉期,但不同時(shí)期總排干、退水渠222Rn活度的相對(duì)大小有所差異(見表1).灌溉期總排干的222Rn活度大于退水渠,總排干的222Rn活度為924.20 Bq/m3,經(jīng)過(guò)衰變和逸散,湖體中的222Rn活度降低,退水渠的222Rn活度減小至678.93 Bq/m3.綜合分析馬蓮河[18]、黃河[19-20]、黑河[21]、奎河[22]及渤海灣沿岸地區(qū)[23]的相似研究,在沒(méi)有地下水補(bǔ)給的河水中222Rn的活度一般較低,大多小于300 Bq/m3(見表1).Green等[24]對(duì)南澳洲Mount Lofty Ranges東部地區(qū)地下水與地表水系統(tǒng)相互作用的研究表明,地表水中222Rn活度大于1 000 Bq/m3時(shí)可以有效指示地下水流的補(bǔ)給.灌溉期總排干流量較大,其222Rn活度接近1 000 Bq/m3,推測(cè)此時(shí)總排干的222Rn活度很可能受到了地下水的影響.由于地表水體的222Rn容易向大氣逸散,匯入總排干的農(nóng)田退水很可能具有比總排干更高的222Rn活度,表明在河套灌區(qū)水文循環(huán)系統(tǒng)中地下水與地表水的交互作用十分緊密.

表1 烏梁素海河渠水與其他地區(qū)河水222Rn活度對(duì)比

非灌溉期總排干的222Rn活度小于退水渠,總排干的222Rn活度為110.72 Bq/m3,退水渠的222Rn活度為277.25 Bq/m3.總排干的流量和222Rn活度均小于灌溉期,推測(cè)此時(shí)農(nóng)田退水量較小,總排干222Rn活度受地下水的影響小.由于222Rn的半衰期較短,而湖水的更新周期較長(zhǎng),如果沒(méi)有其他水源補(bǔ)給,退水渠中的222Rn活度將小于總排干.但測(cè)試結(jié)果顯示,退水渠的222Rn活度大于總排干,表明除了總排干,還有其他222Rn活度較高的水源補(bǔ)給湖水,而降水的222Rn活度很小,對(duì)湖體222Rn的補(bǔ)給可忽略不計(jì),這說(shuō)明地下水對(duì)湖水存在一定量的補(bǔ)給.

綜上所述,烏梁素海接受地下水的補(bǔ)給,但補(bǔ)給水量不大,在灌溉期總排干入湖水量對(duì)湖體水環(huán)境起主要的控制作用,而在非灌溉期地下水對(duì)湖體水環(huán)境的影響程度可能要高于灌溉期.

2.2 地下水的222Rn含量及其指示意義

2.2.1 時(shí)間變化特征

烏梁素海周邊地下水灌溉期222Rn活度大于非灌溉期(見表2),灌溉期的222Rn活度為3 296.85～20 161.65 Bq/m3,平均值為(10 401.73±5 192.17)Bq/m3;非灌溉期為2 609.91～11 092.02 Bq/m3,平均值為(6 783.44±2 569.41)Bq/m3.相關(guān)性分析結(jié)果顯示,灌溉期地下水的222Rn活度與ORP呈顯著正相關(guān),與水溫、pH值、HDO、電導(dǎo)率、TDS均沒(méi)有顯著差異;非灌溉期地下水的222Rn活度與各指標(biāo)均沒(méi)有顯著差異,這驗(yàn)證了222Rn的惰性屬性,說(shuō)明水化學(xué)性質(zhì)不是影響研究區(qū)地下水222Rn活度變化的主要因素.

表2 烏梁素海周邊地下水的222Rn活度和基本水化學(xué)特征

注:*表示在0.05水平上相關(guān)性顯著.

G16,G14,G13,G11采樣點(diǎn)的測(cè)試結(jié)果顯示,灌溉期地下水的222Rn活度大于非灌溉期,而水位埋深小于非灌溉期(見表3).依據(jù)N.巴蘭諾夫提出的地下水氡富集量計(jì)算方法,氡在地下水中的富集程度主要取決于巖石中鐳的含量和巖石射氣系數(shù)[25],水流量較大或水交替較強(qiáng)烈的地帶同樣也有利于氡的富集.據(jù)此推測(cè),灌溉期的灌溉入滲和排水過(guò)程改變了地下水水動(dòng)力條件,加速了區(qū)域地下水的循環(huán)流動(dòng)過(guò)程,使地下水的222Rn活度升高,所以水動(dòng)力條件的變化很有可能是影響研究區(qū)地下水222Rn活度變化的主要因素.相關(guān)研究也表明,水動(dòng)力條件會(huì)通過(guò)控制水巖相互作用程度和地下水的運(yùn)移速度影響222Rn的活度變化[26].N·巴蘭諾夫地下水氡富集量計(jì)算公式為

表3 地下水采樣點(diǎn)的222Rn活度與水位埋深

(2)

式中:Q為水中氡的含量;S1,S2分別為含放射性元素的巖石和不含放射性元素的巖石中通道斷面面積;L1,L2分別為含放射性元素的巖石和不含放射性元素的巖石中通道的長(zhǎng)度;E為含放射性元素的巖石中每秒鐘內(nèi)自1 cm2通道表面放出的氡量;α為每秒通過(guò)1 cm2通道的水量;W為單位面積通過(guò)含放射性元素的巖石通道的水流量;λ為氡的衰變常數(shù).

G4采樣點(diǎn)緊鄰總排干(見圖1),其灌溉期的222Rn活度(3 296.85 Bq/m3)小于非灌溉期(7 518.63 Bq/m3).由于灌溉期總排干流量較大,總排干可能滲漏補(bǔ)給地下水,稀釋了地下水中的222Rn,使該點(diǎn)222Rn活度減小.此外,依據(jù)調(diào)查結(jié)果,非灌溉期總排干流量和排干水的222Rn活度都大幅度減小,此時(shí)滲漏水量及其對(duì)地下水222Rn活度的影響也相應(yīng)減小,造成該點(diǎn)非灌溉期222Rn活度升高.G3采樣點(diǎn)灌溉期222Rn活度略小于非灌溉期,兩期測(cè)量值差值僅占均值的4.46%,其活度變化可能主要受測(cè)量誤差的影響.

2.2.2 空間分布特征

烏梁素海周邊地下水222Rn活度的空間差異性特征顯著(見表3).灌溉期地下水平均222Rn活度按從小到大的順序依次為:西岸(6 526.57 Bq/m3)<東岸(10 224.47 Bq/m3)<北岸(13 626.60 Bq/m3)<東南岸(20 161.65 Bq/m3).G9采樣點(diǎn)的222Rn活度最大,該點(diǎn)位于湖東南方向的烏拉山北緣斷裂帶,該斷裂為近東西向的張性正斷層,地殼深部的放射性氣體通過(guò)斷裂通道進(jìn)入地下水[19],可能造成地下水222Rn活度含量較高.西岸的G4,G6采樣點(diǎn)222Rn活度較低,不到均值的一半.如前文所述,G4采樣點(diǎn)可能受到了排干水滲漏補(bǔ)給的影響,而G6采樣點(diǎn)位于古河道旁,地層的滲透系數(shù)較大,有利于地表水入滲,可能稀釋了地下水的222Rn.東岸的G11與G12采樣點(diǎn)距離相近,G11采樣點(diǎn)更近鄰烏梁素海,該點(diǎn)的222Rn活度偏低,僅占G12采樣點(diǎn)活度的38%,推測(cè)可能受到了湖水的側(cè)滲補(bǔ)給影響.

非灌溉期地下水的222Rn活度受河渠滲漏補(bǔ)給的影響較小,其區(qū)域性差異可能反映了湖水與地下水的相互作用特征.非灌溉期烏梁素海西、東、北岸地下水的222Rn活度均值相近,分別為8 072.46,7 304.85,7 365.18 Bq/m3.西南岸地下水222Rn活度均值最低,代表性采樣點(diǎn)G7與G8平均222Rn活度為3 225.37 Bq/m3,僅為區(qū)域平均值的48%,表明該地區(qū)很可能是湖水滲漏補(bǔ)給地下水,稀釋了地下水中的222Rn.

2.3 湖水的222Rn含量及其指示意義

烏梁素海222Rn活度的分布具有明顯的時(shí)空差異性,灌溉期的222Rn活度大于非灌溉期,與地下水222Rn活度的變化特征相似(見表4、圖2).灌溉期的222Rn活度為79.07～707.16 Bq/m3,平均值為(334.52±161.79)Bq/m3;非灌溉期的222Rn活度為39.18～276.35 Bq/m3,平均值為(129.72±65.18)Bq/m3,約為灌溉期的39%.222Rn的母體是鐳(226Ra),已有的研究[27]表明水體鹽度對(duì)226Ra的活度有影響,但226Ra的衰變常數(shù)很小,僅為1.37×10-11d-1,因此湖水226Ra活度的年際變化對(duì)222Rn活度的影響可以忽略不計(jì).

表4 烏梁素海不同采樣調(diào)查時(shí)期222Rn的活度

(a)灌溉期表層湖水;(b)非灌溉期表層湖水;(c)非灌溉期底層湖水圖2 烏梁素海222Rn的空間分布

由圖2可見,表層湖水的222Rn活度在總排干入湖區(qū)偏大,并且灌溉期湖區(qū)中部的222Rn活度明顯高于北部、南部;非灌溉期表層湖水222Rn活度的取值范圍和平均值都小于底層湖水,這主要?dú)w因于水氣界面222Rn的逸散.與此同時(shí),表層湖水和底層湖水的222Rn活度均值都大于總排干(110.72 Bq/m3),表明非灌溉期地下水對(duì)湖水存在一定的補(bǔ)給,除了湖水226Ra自身的衰變外,總排干退水不再是湖水222Rn的主要來(lái)源.

3 討論

烏梁素海表層湖水在總排干入湖區(qū)222Rn活度偏大的主要原因可能有三方面:一是湖水222Rn的主要源項(xiàng)是總排干退水.二是湖區(qū)中、北部的大面積蘆葦減少了湖水222Rn向大氣的逸散.烏梁素海是我國(guó)北方干旱區(qū)典型的淺水草型湖泊,蘆葦區(qū)占湖區(qū)總面積的51%[28],主要分布在中、北、西部,蘆葦增加了下墊面的粗糙度、增強(qiáng)了來(lái)流的阻礙作用,導(dǎo)致湖面風(fēng)速降低[29],造成湖面222Rn的不均勻逸散.此外,植被的降溫增濕作用也不利于222Rn在大氣中的擴(kuò)散稀釋[30].三是高密度蘆葦區(qū)阻礙了湖水222Rn的水平向混合.挺水植物蘆葦對(duì)水流有阻滯作用,烏梁素海蘆葦區(qū)的水流流速小于航道區(qū)域及明水區(qū)[31],導(dǎo)致蘆葦區(qū)湖水中222Rn水平擴(kuò)散的水動(dòng)力條件較差,易造成局部湖區(qū)222Rn含量較高.

國(guó)內(nèi)外以往的相關(guān)研究中,222Rn常被用于分析不同季節(jié)的地表水和地下水的相互作用關(guān)系.本文的研究發(fā)現(xiàn),222Rn可以指示灌溉活動(dòng)影響下的水文循環(huán)以及地表水與地下水的補(bǔ)排關(guān)系.本研究的不足之處在于缺少定量化分析、研究手段略顯單一等.為此,在后續(xù)工作中應(yīng)繼續(xù)開展水體222Rn的連續(xù)監(jiān)測(cè)和建模分析,并綜合溶解性總固體含量、電導(dǎo)率、氯離子、鍶同位素、氫氧同位素等多種技術(shù)手段進(jìn)行相關(guān)研究.

4 結(jié)論

(1) 灌溉期(2020年10月下旬)烏梁素海湖水、出入湖河渠水、近湖岸地下水的222Rn活度均高于非灌溉期(2021年9月上旬).灌溉入滲、排水過(guò)程改變了區(qū)域地下水水動(dòng)力條件,加快了區(qū)域地下水的循環(huán)流動(dòng),使水文循環(huán)系統(tǒng)中河渠、湖泊和地下水的222Rn活度增大.

(2) 河湖222Rn活度的空間差異性顯著.灌溉期湖水222Rn在總排干入湖區(qū)偏大,表明總排干退水是湖水222Rn的主要源項(xiàng);非灌溉期湖水和退水渠222Rn均大于總排干,表明地下水對(duì)湖水存在一定的補(bǔ)給.

(3) 非灌溉期西南岸地下水222Rn活度僅為區(qū)域平均值的47.5%,指示該地區(qū)存在湖水的側(cè)滲補(bǔ)給,稀釋了地下水中的222Rn.總體來(lái)看,222Rn能夠較好地指示年內(nèi)不同時(shí)期烏梁素海的水文循環(huán)過(guò)程.