《Groundwater for Sustainable Development》：Groundwater Transit Time Distributions in the Pampean Loess of Argentina: Insights from a Multi-Tracer Approach (85Kr, CFCs, SF
6, 3H/3He and 39Ar)
编辑推荐：
地下水年龄与水文地质异质性研究：阿根廷潘佩阿纳含水层中多示踪剂分析表明，含水层中地下水流动缓慢且复杂，浅层（0-30米）超过99%的地下水年龄超过60年，传统单 age 模型低估了混合效应。年龄分布模型结合放射性同位素（85Kr、39Ar）、氯氟烃（CFCs）、氢氧同位素（3H、3He-trit）及 SF6 示踪剂，揭示了低渗透层与弥散作用对地下水流的影响，为资源可持续管理提供依据。
亚历杭德罗·巴萨尔杜亚（Alejandro Basaldúa）|丹尼尔·马丁内斯（Daniel Martínez）|道格拉斯·基普·所罗门（Douglas Kip Solomon）|松本拓也（Takuya Matsumoto）|卢正天（Zheng-Tian Lu）|毛里西奥·基罗斯-隆多尼奥（Mauricio Quiroz-Londo?o）|埃米利亚诺·阿尔卡拉斯（Emiliano Alcaraz）|杨国敏（Guo-Min Yang）|姜伟（Wei Jiang）
阿根廷马德普拉塔国立大学海岸与第四纪地质研究所“恩里克·豪尔赫·施纳克博士实验室”，地址：7600 马德普拉塔，布宜诺斯艾利斯
摘要
本研究利用八种环境示踪剂（85Kr、39Ar、CFC-11、CFC-12、CFC-113、SF6、3H 和氚生成 3He）对阿根廷布宜诺斯艾利斯省东南部不同深度的17个测压井中的地下水流动时间进行了评估。通过使用集总参数模型（LPMs）和示踪剂的历史输入函数进行反演建模，得出了年龄分布结果。结果表明，地下水流动缓慢且复杂，年龄范围广泛，且水龄比简单非限制性含水层概念模型预测的要老。在地下水位以下0至10米范围内，35%的地下水缺乏年轻的示踪剂（年龄超过约60年）；在10至20米范围内，这一比例超过60%；而在30米以下，这一比例超过99%。在22–48米深度处进行的39Ar测量显示平均年龄为170年，但这一结果可能被低估了。3H、3He 和 3H/3H0 比值的反演建模表明，非饱和带的流动时间在3至37年之间，这超出了基于简单平流计算的估计值，暗示存在减缓流动的层以及冬季优先补给的现象。这些发现强调了扩散作用、沉积学异质性和低渗透性层在控制地下水年龄和补给方面的作用，对污染物脆弱性和资源可持续性具有重要的启示意义。
引言
黄土是一种细粒风成沉积物，主要由粉砂和粘土颗粒组成。它既是一种肥沃的土壤，也是记录过去气候和环境变化的宝贵档案，因此具有全球重要性。如果考虑二次沉积物，黄土覆盖了地球表面的10%（Liu, 1985），其最广泛的堆积区位于北半球的中纬度地区（Roberts, 2019）。在南美洲，黄土沉积主要分布在查科-潘帕平原以及阿根廷西北部的山区，同时也存在于邻国如巴拉圭、巴西、乌拉圭和玻利维亚（Zárate, 2003）。
在查科-潘帕平原，这些沉积物形成了一个称为潘帕含水层的浅层含水层，覆盖面积约为50万平方公里（Zárate, 2003）。这一水文地质单元（Auge, 1996, 2004）对阿根廷湿润潘帕地区的各种社会经济活动和生态系统至关重要。该含水层被归类为非限制性至半限制性系统，表现出复杂的水文地质特征和异质性结构。深入了解其流动机制、更新率和空间变异性对于更好地管理这一重要水资源至关重要。
近年来，利用环境示踪剂进行地下水年代测定已成为一种有价值且互补的方法。Newman等人（2010）、Lu等人（2014）、Cartwright等人（2017）和Cook（2020）的研究全面总结了在含水层研究中使用多种示踪剂的情况。这些化学物质在地下水中的浓度可以反映水从进入饱和带（SZ）到到达采样点所经过的时间（即地下水流动时间、停留时间或年龄；Torgersen等人，2013；Cartwright等人，2017；Cook 2020）。每种示踪剂都有其独特的历史输入特性，放射性同位素也有特征半衰期，这使得能够研究不同年龄范围的地下水。这些信息对于理解地下水质量变化、补给情况以及制定管理策略至关重要（Solomon和Gilmore, 2024）。
除了流动时间外，还有其他多种过程可能影响地下水中的示踪剂浓度，包括水动力扩散、化学降解、成岩作用产生的示踪剂、补给时间以及非饱和带（UZ）中的传输（Torgersen等人，2013；McCallum等人，2015；Cook, 2020）。如果不考虑这些因素，对地下水年龄的解读可能会产生误导。非专业文献中常见的简化假设是认为地下水样本代表单一年龄，实际上由于自然扩散和井筛对多条流路的拦截，地下水样本通常包含不同年龄的水分子，从而导致示踪剂显示的“表观”年龄（Jasechko, 2016；Cook, 2020；Wilske等人，2020）。
为了更好地描述这些混合物及其相关的流动时间，需要使用多种示踪剂，并结合称为集总参数模型（LPMs）的模型来描述地下水样本中的年龄分布（Maloszewski和Zuber, 1982）。LPMs是一种数学模型，用于模拟含水层行为和理想化的流动机制，有助于识别影响示踪剂分布的主要水文地质过程（平流、扩散、混合）（Suckow, 2014）。由于LPMs不需要详细的空间信息，因此它们特别适用于解释来自多个采样点的示踪剂数据，而无需完整的物理模型或其空间变异性描述（Maloszewski和Zuber, 2000）。
基于上述概念和方法框架，本研究的目标是：（i）使用多种环境示踪剂确定布宜诺斯艾利斯省东南部潘帕含水层在不同深度的表观年龄，并建立年龄分布模型；（ii）加深对含水层水动力行为和异质性的理解，这些特性难以通过传统方法直接观察到。
由于该含水层是一个浅层非限制性至半限制性系统，本研究主要关注年轻的地下水（在过去约60年内补给的地下水），这些水在浅层占主导地位。这部分地下水特别容易受到过度开采、气候变化、土地利用变化和农业化学品污染的影响（Plummer, 2005；Jasechko, 2016；Gleeson等人，2016；Wilske等人，2020；Mason等人，2021；Currell和Katz, 2023；Musgrove等人，2023；Campbell等人，2024）。因此，本研究特别选择了适合探测这一年轻地下水年龄范围的示踪剂：85Kr、SF6、氯氟烃（CFCs）、3H和3Hetrit。为了探索较老的成分（约60–2000年），还包含了一些39Ar测量数据。
该地区之前的研究主要集中在使用3H和14C确定的表观地下水年龄上（Figini等人，1983；Panarello等人，1995；Silva Busso和Santa Cruz, 2005），只有一项研究（匿名，为双匿名审稿省略了详细信息）明确使用了CFCs和3H/3He来研究流动时间分布。相比之下，本研究通过联合应用一系列之前未使用过的环境示踪剂（CFCs、SF6、3He、3He、85Kr和39Ar），对潘帕含水层在不同深度和位置的年龄分布进行了更详细和全面的评估，其中SF6、85Kr和39Ar的使用是这些示踪剂在阿根廷地下水研究中的首次应用。
在反演LPM框架内使用这些示踪剂，不仅可以获得平均流动时间，还可以获得流动时间分布（TTD），从而为潘帕含水层的水文地质特征提供新的见解。对于具有相同构造设计的井，TTD的差异（特别是老地下水比例的差异）可以与区域分布中的渗透性差异层相关联，这为理解地下水行为和溶质及污染物含量提供了新的视角。
研究区域与潘帕含水层
研究区域位于阿根廷布宜诺斯艾利斯省东南部的湿润潘帕平原，面积约为12,000平方公里（图1a）。该地区是一片广阔、湿润且肥沃的草原，用于大规模集约化农业活动，是该地区的主要经济资源（Moscatelli和Puentes, 1998；Varni, 2013）。西北-东南走向的Tandilia山脉是主要的地形障碍，海拔高度不超过524米
采样与分析技术
环境示踪剂分析所需的地下水样本来自布宜诺斯艾利斯省东南部六个地点的17个测压井（图1a）。San Manuel和INTA Balcarce的井位于Tandilia山脉附近，其余站点则位于补给区和向南大西洋排放区之间的过渡带。每个站点包含两到三口井，在饱和带（SZ）的不同深度安装了井筛（表1，图2）。
水化学
测量得到的地下水现场参数显示pH值介于7.3至8.1之间，属于接近中性的水质。电导率（EC）在821至2164 μS/cm之间，表明矿化程度中等至较高，但仍未达到微咸水的条件。现场测得的温度相对稳定，平均为16.8°C，略高于年平均地表温度13.5°C。
大多数样本属于钠-碳酸氢盐型水（表C.1；图C.1），这是该地区水体的典型特征
地下水流动时间分布与水文地质异质性
潘帕含水层中的地下水年龄分布比预期的非限制性、均匀系统的年龄分布更为广泛且更老。假设一个简化的概念模型，即沿流动路径没有扩散（Vogel, 1967），年补给量约为140毫米（Campo De Ferreras和Píccolo, 1997；Varni, 2013；Donna, 2024），有效孔隙度均匀为10%（Custodio和Llamas, 1983；Auge, 2005；Varni, 2013），总饱和厚度为120米（Martínez
结论
通过示踪剂得出的潘帕含水层年龄分布显示出的复杂性远超理想化的均匀流动模型。流动时间系统性地较长，并且存在广泛的年龄混合现象，分布也比预期的更为复杂。这种复杂性反映了扩散作用、沉积学异质性和低渗透性层之间的综合影响。在浅层测压井（井筛深度< 10米）中，约65%的
CRediT作者贡献声明
丹尼尔·马丁内斯（Daniel Martínez）：撰写 – 审稿与编辑、资源协调、项目管理、研究实施、资金获取、数据分析、概念构建。毛里西奥·基罗斯-隆多尼奥（Mauricio Quiroz-Londo?o）：撰写 – 审稿与编辑、资源协调、研究实施、资金获取。卢正天（Zheng-Tian Lu）：资源协调、数据管理。松本拓也（Takuya Matsumoto）：撰写 – 审稿与编辑、资源协调、数据管理。道格拉斯·基普·所罗门（Douglas Kip Solomon）：撰写 – 审稿与编辑、验证、监督、数据分析。姜伟（Wei Jiang）：撰写 – 审稿与
未引用参考文献
匿名，2013；APHA、AWWA和WEF，1998；Campo de Ferreras和Píccolo，1997；Custodio和Llamas，1983；Dutton等人，2024；矿业总局，1949；美国地质调查局，2022a；美国地质调查局，2022b；Vital等人，2016。
资金支持
本研究的采样和分析工作是在以下研究项目框架下进行的：（1）阿根廷国家科学技术基金（FONCyT），通过项目PICT 2018-01584和PICT 2021-A-01149；（2）国家科学技术研究委员会（CONICET），通过项目PIP 11220210100888CO；（3）国际原子能机构，通过CRP F33029和CRP F33023；以及（4）量子科学创新计划
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
马德普拉塔国立大学的水文地质小组通过多种形式的支持参与了本研究，包括参与野外采样活动。中国科学技术大学（USTC）提供了气体提取设备并进行了稀有气体放射性同位素分析。
