《Groundwater for Sustainable Development》：Groundwater flow patterns in semi-arid mountainous alluvial aquifers: Hydrochemical and isotopic insights from the Central Bolivian Andes
编辑推荐：
本研究针对玻利维亚中部安第斯山脉三个相邻流域的冲积扇地下水系统，采用水化学与稳定同位素联分析方法，揭示地下水补给以高海拔雨季降水为主，受水电站放水局部影响，并与地表水存在强水力连通。硝酸盐浓度升高表明人为污染风险，提出可持续管理建议及概念模型。
维尔吉里奥·马丁内斯（Virgilio Martinez）| 安德烈斯·冈萨雷斯·阿马亚（Andres Gonzales Amaya）| 阿尔弗雷多·门多萨（Alfredo Mendoza）| 扬-埃里克·罗斯伯格（Jan-Erik Rosberg）| 格哈德·巴门（Gerhard Barmen）| 瓦西莱奥斯·金尼斯（Vasileios Gkinis）| 杰佩·巴赫（Jeppe Bach）
瑞典隆德大学工程地质学系，邮政信箱118，22100隆德，瑞典
摘要
储存在冲积扇含水层中的地下水是半干旱山区的重要水资源，然而地下水补给机制和流动动力学仍知之甚少，尤其是在数据匮乏且面临日益增长的水资源需求和人为压力的地区。本研究调查了玻利维亚中部安第斯山脉三个相邻流域的地下水补给过程和流动模式，这些流域具有复杂的冲积扇含水层系统。研究采用了结合水化学和同位素的方法，分析了149个水化学样本和59个稳定同位素样本。2022年至2025年间，从不同海拔的雨水、地下水、泉水和地表水中采集了水样。雨水同位素组成显示出明显的季节性和海拔变化特征：在雨季，高海拔地区的δ2H和δ18O值较低，这与水量效应一致。地下水主要以Ca2+–HCO3-相为主，平均总溶解固体（TDS）值为149.5毫克/升，表明矿化程度较低。地下水同位素特征（δ18O范围为–13.8‰至–12.7‰）与高海拔地区的雨季降水量高度吻合，表明补给主要受高海拔降雨和冲积扇上部渗透作用控制。此外，水力发电厂排放的多余水也可能对补给过程产生局部影响。地下水与地表水之间的同位素和水化学相似性表明含水层系统具有很强的连通性。流动模式受不均匀的冲积层理结构控制，并受到持续抽水的影响。这些因素，加上地下水和地表水中检测到的中等硝酸盐浓度，表明存在人为影响，进一步凸显了含水层的脆弱性。这些发现强调了高海拔补给区和水文干预措施在维持含水层方面的重要性，对长期地下水可用性具有直接意义。研究结果被整合到一个水文地质概念模型中，有助于更好地理解山区流域的补给过程，并为类似数据匮乏地区在人为压力和半干旱条件下的情况提供参考。
引言
在干旱和半干旱地区，冲积扇含水层系统中的地下水是重要的水资源，因为这些地区的地表水稀缺、季节性变化明显，并且受到人为活动的日益威胁（Alkinani和Merkel，2017；Cocca等人，2024；Flores Avilés等人，2020；Korrai等人，2021；Li等人，2008）。这些含水层为当地农业、工业和社会经济发展提供了关键的水源（Li等人，2008）。其重要性引起了广泛关注，全球范围内开展了大量关于冲积扇补给过程的研究，例如Schürch和Vuataz（2000）、Li等人（2008）、Chiogna等人（2014）、Yang等人（2018）、Smerdon等人（2009）和Shakya等人（2019）的研究。
冲积扇是高度异质的系统，由于沉积物沉积和水动力条件的变化，其内部结构非常复杂。它们具有较高的渗透性，主要由砾石和沙子等粗颗粒沉积物组成，因此能够储存和传输大量水分，特别适合作为城市地区的水源。然而，这一特性也使得地下水补给过程的研究变得具有挑战性，因为渗透路径、流动动力学和补给速率可能差异显著（Li等人，2008）。此外，作为供水系统的适宜性增加了过度利用的风险，尤其是在人口增长和地表水资源有限的地区（Shakya等人，2019）。在城市地区，这些含水层也极易受到污染，因为油类泄漏等污染物会因高渗透性而迅速扩散。
在干旱和半干旱环境中，常用的研究方法是结合水化学和同位素分析，因为这些方法相对经济高效（Beyer等人，2016；Pradhan等人，2022；Schürch和Vuataz，2000），并且在冲积扇系统中尤为有效（Alkinani和Merkel，2017；Catania和Reading，2023；Cocca等人，2024；Gonzales Amaya等人，2018；Gourcy等人，2022；Haji等人，2021；Schürch和Vuataz，2000）。这些技术也被用于研究地下水与地表水的相互作用（Bajracharya等人，2020；Bayou等人，2024；Huang和Han，2016；Wang等人，2025a）以及与咸水的混合过程（Larsen等人，2021；Mayo和Tingey，2021）。
在安第斯地区，冲积扇也是重要的地下水含水层。尽管亚洲、欧洲和北美的类似系统已开展过补给过程研究，但半干旱的安第斯环境仍缺乏足够的研究（Lana等人，2021；Stimson等人，2001；Tovar Pacheco等人，2006）。例如，玻利维亚的科恰班巴山谷在其冲积含水层系统中蕴藏着丰富的地下水资源（Duran，2015；Renner和Velasco，2000；Romero和Mercado，2007；Rosales等人，2020；SDC，2014；Stimson等人，2001）。然而，由于数据匮乏和缺乏水文地质信息，该地区的地下水研究受到限制，关于补给过程的知识也非常有限（Duran，2015）。因此，相关研究较少，如Gonzales Amaya等人（2018）的研究，他们专注于该地区的地下水补给过程。他们的发现证实了稳定同位素分析与水化学数据结合的有效性。
本研究旨在提高对玻利维亚中部安第斯山脉科恰班巴山谷冲积扇含水层系统中地下水流动模式的理解。通过水化学和稳定同位素数据，研究推断地下水的来源、其与地表水的相互作用、地下水质量的空间分布以及潜在的补给区域，并探讨了人为因素对补给的影响。尽管研究受到数据可用性的限制，但它提供了一个概念框架，有助于填补数据匮乏的半干旱山区含水层的重要知识空白，并为全球类似的水文地质环境提供参考。
研究区域
研究区域包括南美洲玻利维亚中部安第斯山脉的三个相邻山区流域（图1a、b和c）。分别是Chocaya、Chijllawiri和Misicuni流域，面积分别为105平方公里、58平方公里和344平方公里（图1c）。从地貌上看，该区域可分为三个主要部分：（i）海拔超过5000米的山区；（ii）坡地和山麓地带，这里分布着多个冲积扇和众多天然泉水。
采样设计和现场数据收集
采样点选择旨在覆盖研究区域的主要水文单元和海拔梯度，包括高海拔补给区、山麓地带和冲积平原。采样策略旨在代表不同类型的水体，并评估整个流域-冲积扇系统中的水化学和同位素特征的空间变化。
2022年12月至2025年1月期间，在60个不同海拔地点进行了水样采集（图1c）。
水化学数据的统计总结
地表水的水化学条件差异较大，如表2所示的浓度区间和分散程度所示。pH值介于中性到微碱性（6.8至8.7），总溶解固体（TDS）浓度在12至3382毫克/升之间变化。尽管存在这种变化，地表水的平均TDS值仍然较低（86.1毫克/升），表明大多数样品的矿化程度较低，高TDS值仅出现在少数局部地点。
水质及其空间分布
地表水表现出明显的空间变化特征，离子浓度从高地向研究区域逐渐增加（图5a）。Misicuni流域采集的样品中离子浓度最低（图5a），而Chocaya和Chijllawiri流域的离子浓度则从上游到下游逐渐增加。Chocaya流域上部的中等硝酸盐浓度可能反映了
结论
水化学结果表明，科恰班巴山谷的地下水和地表水主要以Ca2+–HCO3-相为主，表明这些水体矿化程度较低，与近期补给过程相关。这一解释得到了稳定同位素数据的支持，数据显示出明显的高海拔效应，地下水中的同位素特征与雨季降水量相似。综合这些发现，可以推断地下水补给过程
作者贡献声明
阿尔弗雷多·门多萨（Alfredo Mendoza）：撰写、审稿与编辑、项目监督、方法论制定、调查实施、概念构建。安德烈斯·冈萨雷斯·阿马亚（Andres Gonzales Amaya）：撰写、审稿与编辑、项目监督、方法论制定、调查实施、概念构建。格哈德·巴门（Gerhard Barmen）：撰写、审稿与编辑、项目监督、方法论制定、调查实施、概念构建。扬-埃里克·罗斯伯格（Jan-Erik Rosberg）：撰写、审稿与编辑、项目监督、方法论制定。
未引用的参考文献
BRGM和SEMAPA，1994；IAEAFAO，2018；WHO和Organization，2017。
资助
本研究由瑞典国际发展合作机构（SIDA）资助——玻利维亚双边项目编号：13486。
利益冲突声明
作者声明以下财务利益/个人关系可能被视为潜在的利益冲突：维尔吉里奥·埃弗拉因·马丁内斯·卡利瓦（Virgilio Efrain Martinez Caliva）报告称获得了瑞典国际发展合作机构的财务支持。如果还有其他作者，他们声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
我们感谢瑞典国际发展合作机构（SIDA，项目编号13486）的财务支持。同时，我们也感谢丹麦自由研究基金（DFF，资助/奖项编号2032–00228B：Iso–Deepice）对水样同位素分析的支持。我们感谢Erik ?hman和Kristian Slaatto在数据收集方面的协助，以及Christian Jacobs在获取水井信息和提供帮助方面的支持。我们衷心感谢Kramer
