西北绿洲-荒漠系统地下水水质对人类抽水的响应机制及咸淡水混合模拟研究

《Agricultural Water Management》：Changes in groundwater quality driven by anthropogenic pumping in oasis-desert systems of Northwest China

本文聚焦干旱区绿洲-荒漠系统地下水水质演变这一关键科学问题，研究人员通过水化学制图与稳定同位素示踪技术，揭示了2004-2024年间三工河流域地表水与地下水的水化学特征、补给来源及转化过程。研究发现，地下水化学组分主要受控于阳离子交换、岩石风化和蒸发结晶作用，且人类过度开采导致地下水咸淡水混合界面移动，水质持续恶化。该研究为干旱区地下水资源的可持续管理与保护提供了重要科学依据。

　　

在全球干旱半干旱地区，地下水作为农业灌溉和生态维系的关键水源，其数量与质量的稳定至关重要。然而，在气候变化和日益加剧的人类活动双重压力下，这些地区的地下水系统正面临着严峻挑战。特别是在典型的绿洲-荒漠交错带，大规模的地下水开采如何改变天然水流路径，破坏淡水与咸水界面的动态平衡，并最终引致水质恶化，是当前水资源领域关注的焦点。三工河流域作为中国西北部一个典型的山前绿洲-荒漠系统，长期依赖地下水进行农业灌溉，近年来灌溉面积的持续扩张导致地下水开采量显著增加，引发了水文情势的显著变化，区域地下水水质也因农业施肥、工业生活污水排放以及不同界面/区域的地下水混合而迅速恶化。这一问题不仅限于三工河流域，在中亚、非洲南北部以及印度西北部等类似干旱区也普遍存在，严重制约着水资源的可利用性，并对区域农业和经济的可持续发展构成威胁。

为了深入探究这一问题，研究人员在《Agricultural Water Management》上发表了一项系统研究，旨在阐明绿洲-荒漠系统中地下水水化学参数的时空变化特征，识别地下水的补给来源，并量化人为抽水引起的地下水咸淡水混合过程。

为开展此项研究，作者团队综合运用了多种技术方法。研究基于2004、2010和2024年三个时期在三工河流域采集的大量地表水与地下水样品（共计超过200个样本）的水化学数据。关键实验技术包括：水化学图示法（如Piper图、Gibbs图）用于分析水化学类型和控制机制；离子比例系数法（例如氯碱指数CAI-1和CAI-2）用于识别离子交换过程；稳定同位素（δD和δ¹⁸O）分析用于示踪水体的来源和转化途径。此外，研究还采用了有限元模拟软件COMSOL Multiphysics，建立了二维垂直剖面模型，模拟了在不同淡水补给率和抽水速率情景下，绿洲-荒漠系统中地下水咸淡水混合界面的动态变化过程。样品采集覆盖了流域内不同的水文地质单元，包括冲洪积扇绿洲(ADFO)、上部冲积平原绿洲(APOU)、下部冲积平原绿洲(APOL)以及沙漠区。

3.1. 地表水与地下水主要水化学特征

研究表明，流域内地下水和河水均呈弱碱性。2004年至2024年间，地下水的电导率(EC)和总溶解固体(TDS)均值呈现显著上升趋势，表明矿化度增加，盐化沿地下水流动路径加剧。地表水主要水化学类型为HCO₃^--Ca²⁺型，而地下水则主要为SO₄^2--Na⁺、Cl^--Na⁺以及Cl^--SO₄^2--Ca²⁺-Mg²⁺型。值得注意的是，绿洲-荒漠系统地下水水质在2009年发生了突变。浅层与深层地下水的δ¹⁸O (δD)平均值相近，表明二者之间存在密切的水力联系，深层地下水有向浅层地下水转化的趋势。

3.2. 时空变化

空间上，Cl^-、SO₄^2-和EC值从南部山区向北部沙漠区逐渐增加，并在北部沙漠区达到峰值。HCO₃^-在下部冲积平原绿洲(APOL)相对较高，并向四周呈分散式递减。时间上，2004年至2024年，地下水中的Ca²⁺、Mg²⁺、Na⁺+ K⁺、Cl^-、SO₄^2-、EC和TDS的平均浓度均呈现显著增加趋势，而HCO₃^-有所下降。这表明在过去20年间，流域地下水化学组成发生了显著转变。相比之下，河水水质参数变化相对稳定。

3.3. 地下水水质演化机制

3.3.1. 水-岩相互作用

通过Gibbs图分析发现，2010年地下水水化学演化主要受岩石风化作用控制，而到2024年，则同时受到蒸发结晶和岩石风化的影响。离子比值关系图显示，地下水中的离子主要来源于硅酸盐和碳酸盐矿物的溶解，而蒸发岩风化对水化学的影响在逐渐增大。

3.3.2. 离子比值关系

(Na⁺+ K⁺)/Cl^-和 (Ca²⁺+ Mg²⁺)/(SO₄^2-+ HCO₃^-) 等比值分析表明，绿洲区地下水样品多分布在1:1线附近，而沙漠区样品则明显偏离，说明除了岩盐溶解外，Na⁺和K⁺还来源于蒸发岩溶解、硅酸盐风化及其他人为输入。

3.3.3. 阳离子交换过程

氯碱指数(CAI-1和CAI-2)分析显示，大多数地下水样品在2010年和2024年均表现为负值，表明阳离子交换作用是地下水中的主导过程之一。并且2024年的CAI绝对值大于2010年，说明离子交换作用在增强。沙漠区的阳离子交换强度高于绿洲区。

3.3.4. 稳定同位素(δD和δ¹⁸O)组成

地表水和地下水样品的δD和δ¹⁸O值均集中在当地大气水线(LMWL)附近，证实大气降水是其主要补给源。沙漠区地下水拟合线的斜率明显低于其他水体，表明其受蒸发影响最为强烈。δ¹⁸O与Cl^-的关系揭示了三种不同的趋势，反映了混合、岩盐溶解和蒸发作用对地下水化学的不同贡献。d-excess与δ¹⁸O呈显著负相关，进一步证实地下水经历了不同程度的蒸发。

3.4. 模拟绿洲-荒漠系统地下水咸淡水混合

利用COMSOL Multiphysics进行的数值模拟结果表明，在淡水补给率恒定的情况下，随着抽水率的增加，咸淡水界面向淡水侧扩展的最大距离增加了5.26%至55.26%。抽水导致泵井附近地下水位快速下降，并改变了局部地下水流向。反之，若抽水率恒定而增加淡水补给率，则咸淡水界面会向咸水侧收缩。这表明，增加的抽水率和减少的淡水补给率会改变绿洲-荒漠过渡带的地下水流动方向，加速沙漠区的咸水入侵绿洲区。高强度的人为抽水会扰乱地下水天然盐分分布，导致浅层淡水咸化和深层地下水污染，并通过毛细作用将盐分提升至土壤层，对灌溉农业的可持续性构成威胁。

研究结论强调，三工河流域地下水水质在2004至2024年间发生了显著变化，电导率和总溶解固体持续上升，盐化程度加剧。地下水化学演化主要受岩石风化、阳离子交换和蒸发浓缩作用控制。不合理的地下水开采是导致水质持续恶化和改变天然补排格局的关键人为驱动因子。模拟结果警示，过度抽水会显著推动咸淡水界面向内陆迁移，增加地下水盐化的风险。为了可持续管理干旱区以地下水灌溉为主的绿洲-荒漠系统水资源，采取减少灌溉面积、控制开采量、实施跨流域调水等措施，对于恢复地下水位/水质、维持生态系统稳定至关重要。该研究不仅揭示了三工河流域地下水水质演化的内在机制，也为全球类似干旱区的地下水资源管理和保护提供了重要的科学借鉴和实践路径。