利用222Rn-2H-18O耦合技术与水化学示踪剂，解析穆乌斯沙漠湖泊的水源及地下水排放情况

《Journal of Hydrology》：Unraveling water sources and groundwater discharge in Mu Us Desert lakes using coupled 222Rn-2H-18O and hydrochemical tracers

　　

刘凤霞|王光才|廖福|王汉晓|宋新明|史振明|张宏宇

中国地质大学生物地质与环境地质国家重点实验室及教育部地下水循环与演化重点实验室，北京100083，中国

摘要

沙漠湖泊在维持干旱地区的水文和生态平衡中起着关键作用，然而在人类活动压力下它们的水源和地下水排放情况尚未得到充分了解。本研究利用耦合的水化学和多同位素（²²²Rn、δ²H、δ¹⁸O）示踪剂，识别了位于穆乌斯沙漠东部的湖泊的水源并估算了其地下水排放量。该地区有长期的煤炭开采历史。水化学分析揭示了三种不同的湖泊类型：A型（HCO₃-Ca，pH值和电导率最低）、B型（HCO₃-Na·Ca，pH值和电导率适中）和C型（HCO₃-Na，pH值和电导率最高），这些类型反映了不同的水文过程。同位素示踪剂和²²²Rn质量平衡模型表明：（1）A型湖泊主要依靠浅层地下水补给；（2）C型湖泊同时受到处理过的和未经处理的煤矿排水（CMD/TCMD）的补给；（3）B型湖泊的补给来源混合了浅层地下水和CMD/TCMD。地下水排放量分别为119.47 ± 3.05毫米/天（A型）、125.99 ± 2.43毫米/天（B型）和135.52 ± 11.48毫米/天（C型）。蒙特卡洛模拟表明²²²Rn活性（地下水和湖水）和风速是影响排放量估算的最敏感参数。因此，准确测量²²²Rn活性对于可靠确定地下水排放量至关重要。我们的发现为受采矿影响的地区沙漠湖泊的维持机制提供了新的见解，并为干旱地区的水文学研究提供了方法论框架。

引言

全球干旱和半干旱地区的沙漠湖泊生态系统是区域水循环的重要组成部分（Gutiérrez, 2005, Honke et al., 2019, Lyle et al., 2012, Maberly et al., 2020），它们容易受到气候变化和人类活动的影响，因此成为全球驱动因素和区域响应的重要指标（Gibson and Reid, 2014, Luo et al., 2017, Woolway et al., 2020, Wurtsbaugh et al., 2017）。在这些环境中，降雨量有限而蒸发强度高，因此地下水排放对于维持沙漠湖泊的水文和物质平衡至关重要（Cao et al., 2022, Gibson et al., 2016, Su et al., 2020）。许多研究致力于利用各种方法（如同位素示踪剂）研究地下水排放的复杂过程并量化排放量（Dimova et al., 2013, Luo et al., 2016, Sun et al., 2022），这些方法有助于合理管理水资源并保护沙漠湖泊周围的生态环境（Dimova et al., 2013, Gates et al., 2008, Luo et al., 2016, Sun et al., 2022）。然而，关于人类活动（例如能源开采）对沙漠湖泊地下水排放的影响的研究仍然有限，需要系统性的调查。

穆乌斯沙漠位于中国北部的干旱和半干旱地区，面积约为42,200平方公里，具有典型的干旱/半干旱大陆性季风气候（Zhao et al., 2020）。该地区的降雨具有季节性，变化较大，远低于蒸发量，因此地下水排放对于维持湖泊周围的湿地和绿洲至关重要（Bai et al., 2023）。在穆乌斯沙漠的东缘，众多的沙丘和洼地共同构成了一个特殊的沙漠湖泊集水系统（Liu et al., 2025）。该地区有很长的煤炭开采历史（Ding et al., 2021, Rao et al., 2015），这对干旱生态系统的水文循环产生了显著影响（Cheng et al., 2022, Liu et al., 2025, Graupner et al., 2014, Rose and Cravotta, 1998）。因此，穆乌斯沙漠是研究人类活动干扰下湖泊与地下水系统相互作用及其生态后果的典型地点。

研究湖泊的水源和地下水排放对于刻画当地水文循环至关重要（Dong et al., 2016, Parton et al., 2018）。环境同位素被认为是水文研究和大规模评估湖泊地下水排放的有效方法（Graupner et al., 2014, Jasechko et al., 2014, Rodellas et al., 2015）。氢和氧的稳定同位素（δ²H和δ¹⁸O）被广泛用于追踪水源，因为它们在相变过程中的分馏会提供独特的环境特征（Gat, 1995, Gibson et al., 2016, Kendall and McDonnell, 1998, Yapiyev et al., 2023）。其解释通常结合全球或本地大气水线（Luo and Jiao 2016）进行。氡（²²²Rn，半衰期T_1/2 = 3.825天）通过母体同位素²²⁶Ra的α衰变产生（Dimova and Burnett, 2011, Pall et al., 2023），其在地下水中的活性远高于地表水，使其成为识别地下水与地表水之间相互作用的敏感示踪剂（Liao et al., 2021, Luo and Jiao, 2016, Yu et al., 2022）。结合²²²Rn质量平衡模型，这些同位素已被成功应用于量化地下水向地表水的补给量（Cook et al., 2006, Sadat-Noori et al., 2015, Su et al., 2023）。尽管自然地下水向湖泊的排放已在沙漠系统中得到研究（例如Luo et al., 2016），但人类活动（例如煤炭开采排水（CMD）对沙漠湖泊水文的影响——特别是通过结合水化学和同位素示踪剂的研究——仍了解不足。本研究通过明确区分CMD来源的补给和自然地下水的贡献，填补了这一空白。

因此，本研究采用多种同位素（δ²H、δ¹⁸O和²²²Rn）结合²²²Rn质量平衡模型，研究了穆乌斯沙漠东部边缘沙漠湖泊的地下水排放情况。具体来说，我们（1）调查了研究区域内沙漠湖泊与水文过程相关的水化学特性；（2）利用δ²H和δ¹⁸O同位素确定这些湖泊的水源，以阐明地下水的贡献；（3）利用基于δ¹⁸O同位素支持的²²²Rn质量平衡模型确定地下水进入湖泊的位置并量化排放量。本研究为沙漠湖泊的维持机制提供了新的见解，对沙漠地区的生态系统保护具有重要意义。

章节摘录

研究区域

研究区域位于中国西北部的穆乌斯沙漠东缘，面积为194.17平方公里。该地区具有半干旱大陆性季风气候，年平均降雨量为434毫米，约66%的降雨发生在7月至9月，年平均气温为7.6℃（Qu et al., 2021, Wang et al., 2020）。潜在蒸发量为2221毫米（Wang et al., 2020），约为降雨量的5倍，

沙漠湖泊的基本地球化学特征

根据Piper图（图3，Piper, 1944），研究区域内的所有沙漠湖泊可以明显分为三类，其主要离子组成存在系统差异。A型湖泊（包括L1、L2和L3湖泊）具有HCO₃-Ca相，表现为最低的pH值（7.74–9.30，平均8.16）、电导率（EC：199.00–526.00 μS/cm，平均320.00 μS/cm）和温度（T：21.35–28.40℃，平均23.73℃）（表1）。B型湖泊包括

湖泊水的来源

氢（δ²H）和氧（δ¹⁸O）的稳定同位素被广泛用于追踪水文过程，包括水源、蒸发和混合过程（El-Sayed et al., 2018, Kong and Pang, 2016, Liu et al., 2019）。A、B和C型湖泊的本地蒸发线（LEL）分别表示为：LEL.A: δ²H = 5.89δ¹⁸O – 14.34（R² = 0.86，p < 0.05），LEL.B: δ²H = 2.56δ¹⁸O – 40.85（R² = 0.88，p < 0.05），LEL.C: δ²H = 4.52δ¹⁸O – 29.53（R² = 0.95，p < 0.05）（

结论

在研究区域内，众多的沙丘和洼地共同构成了一个特殊的沙漠湖泊集水系统，显示出三种不同的水化学特征。通过整合多种同位素示踪剂（δ²H、δ¹⁸O和²²²Rn），本研究系统地阐明了这三种类型沙漠湖泊的维持机制，并基于²²²Rn质量平衡模型量化了地下水排放量。可以得出以下结论：

1)

研究区域的沙漠湖泊表现出三种

未引用参考文献

Liu et al. (2016)。

CRediT作者贡献声明

刘凤霞：撰写——初稿、方法论、调查。王光才：撰写——审阅与编辑、撰写——初稿、方法论、概念化。廖福：撰写——审阅与编辑、方法论。王汉晓：调查。宋新明：调查。史振明：撰写——审阅与编辑、方法论。张宏宇：调查。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（42372281，42507104）的支持。我们感谢编辑和匿名审稿人的建设性评论和建议。