烏梁素海及其周邊水體222Rn的時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.中國地質科學院水文地質環境地質研究所,河北 石家莊 050061;2.自然資源部地下水科學與工程重點實驗室,河北 正定 050803;3.河北地質大學水資源與環境學院,河北 石家莊 050031)

烏梁素海是19世紀中葉受地質運動、黃河改道和水利開發影響而形成的河跡湖,是河套灌區水利工程的重要組成部分,肩負著灌區鹽堿化調控、黃河水量調蓄、濕地生態環境維護、漁業生產等任務[7-8],是黃河上游地區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,灌區年內地下水水位動態變化明顯、退水量分布不均,烏梁素海水位與水質月度間差異顯著[10],表明短期水文過程對烏梁素海的水量調節和水質變化有重要影響.對烏梁素海與地下水的相互作用模式和作用程度尚沒有清晰明確的認識,大多研究認為河套灌區的地下水對烏梁素海雖然有補給,但補給量不大,總排干退水才是湖泊的主要補給來源[11-13].侯慶秋等[14]研究表明,烏梁素海接受潛水的側向徑流和承壓水的頂托補給,并利用水位觀測數據根據達西定律分別估算了潛水和承壓水的補給量;朱冬楠[15]利用測壓計進行的野外觀測發現,烏梁素海向西岸地下水滲漏.本文對烏梁素海及其周邊地下水、河渠水的222Rn時空分布特征進行了調查分析,探討了灌區不同灌溉時段湖泊與地下水的相互作用關系,以為烏梁素海流域水文循環過程及湖泊生態保護研究提供參考.

1 材料與方法

1.1 研究區概況

烏梁素海位于內蒙古自治區巴彥淖爾市烏拉特前旗境內,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,斷裂活動強烈.區域降水年內分布不均,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,年蒸發量達到1 992～2 351 mm.烏梁素海常年運行水位1 018.8～1 019.2 m,近十年來多年平均運行水位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每年有3次主要的灌溉活動,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間和灌溉時間的長短視實際情況而有所差異.灌區地下水類型以第四系松散巖類孔隙水為主,水位動態主要受引黃灌溉的影響,地下水位一般在10—11月達到最高.研究區內地勢平緩,地下水徑流緩慢、水質較差,平原地區沒有開采,排泄以蒸發為主;地下水總體上由西部、南部向北部、東部徑流.

1.2 樣品采集和測試

于2020年10月24—28日(灌溉期)、2021年9月2—8日(非灌溉期)對烏梁素海及其周邊水體中的222Rn進行兩期采樣調查和測試(見圖1).測試儀器采用RAD 7型測氡儀和RAD7-H2O水氡配件(美國Durridge公司).湖水采樣點在明水區均勻布設,表層湖水進行兩期采樣,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.地下水的采樣點控制在距湖岸20 km的范圍內,采樣井均為民用井,井深小于20 m,采樣的同時測量水位埋深.2個河渠水采樣點位于總排干入湖口和烏毛計閘退水渠,采樣同時用浮標法粗略測量流量.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.所有采樣點在測試222Rn活度的同時現場測試水溫、pH、溶解氧飽和度(HDO)、氧化還原電位(ORP)、電導率以及溶解性總固體(TDS)等指標.

圖1 研究區采樣點分布示意圖

1.3 數據處理方法

因采樣時間較長,測試時樣品中的222Rn已經產生了一定的衰變,故將測出的222Rn活度校正至采樣時段,以得到更為準確的結果.222Rn活度衰變校正計算公式為

A0=A×eλt.

(1)

式中:A0為采樣時的222Rn活度;A為測試時的222Rn活度;λ為222Rn的衰變常數,為0.181 d-1;t為采樣到測試時歷經的時間間隔(d);e為自然常數.

圖件繪制利用Arcgis 10.8軟件進行;湖水222Rn活度空間分布圖插值方法利用反距離權重法;數據的統計分析利用SPSS 24軟件.

調查問卷的第一部分，對非英語專業大學生詞匯學習觀念進行調查。從表1可以看出，學習英語詞匯應該死記硬背這個觀點最不受歡迎，而另外兩種觀點被普遍接受。絕大多數的學生都認為詞匯學習不應靠死記硬背，而應該在上下文中學習和通過運用來學習。

2 結果與分析

2.1 河渠水的222Rn含量及其指示意義

根據粗略測量的結果,2020年10月下旬采樣調查時,河套灌區正逢灌溉期,農田退水量較大,入湖水量較大.總排干入湖流量約為25.64 m3/s;2021年9月上旬灌區處于非灌溉期,總排干水量以城鎮生活、工業廢污水為主,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,但不同時期總排干、退水渠222Rn活度的相對大小有所差異(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,經過衰變和逸散,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[23]的相似研究,在沒有地下水補給的河水中222Rn的活度一般較低,大多小于300 Bq/m3(見表1).Green等[24]對南澳洲Mount Lofty Ranges東部地區地下水與地表水系統相互作用的研究表明,地表水中222Rn活度大于1 000 Bq/m3時可以有效指示地下水流的補給.灌溉期總排干流量較大,其222Rn活度接近1 000 Bq/m3,推測此時總排干的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,表明在河套灌區水文循環系統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河水222Rn活度對比

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,推測此時農田退水量較小,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,如果沒有其他水源補給,退水渠中的222Rn活度將小于總排干.但測試結果顯示,退水渠的222Rn活度大于總排干,表明除了總排干,還有其他222Rn活度較高的水源補給湖水,而降水的222Rn活度很小,對湖體222Rn的補給可忽略不計,這說明地下水對湖水存在一定量的補給.

綜上所述,烏梁素海接受地下水的補給,但補給水量不大,在灌溉期總排干入湖水量對湖體水環境起主要的控制作用,而在非灌溉期地下水對湖體水環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.相關性分析結果顯示,灌溉期地下水的222Rn活度與ORP呈顯著正相關,與水溫、pH值、HDO、電導率、TDS均沒有顯著差異;非灌溉期地下水的222Rn活度與各指標均沒有顯著差異,這驗證了222Rn的惰性屬性,說明水化學性質不是影響研究區地下水222Rn活度變化的主要因素.

表2 烏梁素海周邊地下水的222Rn活度和基本水化學特征

注:*表示在0.05水平上相關性顯著.

G16,G14,G13,G11采樣點的測試結果顯示,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N.巴蘭諾夫提出的地下水氡富集量計算方法,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[25],水流量較大或水交替較強烈的地帶同樣也有利于氡的富集.據此推測,灌溉期的灌溉入滲和排水過程改變了地下水水動力條件,加速了區域地下水的循環流動過程,使地下水的222Rn活度升高,所以水動力條件的變化很有可能是影響研究區地下水222Rn活度變化的主要因素.相關研究也表明,水動力條件會通過控制水巖相互作用程度和地下水的運移速度影響222Rn的活度變化[26].N·巴蘭諾夫地下水氡富集量計算公式為

表3 地下水采樣點的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度;E為含放射性元素的巖石中每秒鐘內自1 cm2通道表面放出的氡量;α為每秒通過1 cm2通道的水量;W為單位面積通過含放射性元素的巖石通道的水流量;λ為氡的衰變常數.

G4采樣點緊鄰總排干(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,總排干可能滲漏補給地下水,稀釋了地下水中的222Rn,使該點222Rn活度減小.此外,依據調查結果,非灌溉期總排干流量和排干水的222Rn活度都大幅度減小,此時滲漏水量及其對地下水222Rn活度的影響也相應減小,造成該點非灌溉期222Rn活度升高.G3采樣點灌溉期222Rn活度略小于非灌溉期,兩期測量值差值僅占均值的4.46%,其活度變化可能主要受測量誤差的影響.

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采樣點的222Rn活度最大,該點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斷裂通道進入地下水[19],可能造成地下水222Rn活度含量較高.西岸的G4,G6采樣點222Rn活度較低,不到均值的一半.如前文所述,G4采樣點可能受到了排干水滲漏補給的影響,而G6采樣點位于古河道旁,地層的滲透系數較大,有利于地表水入滲,可能稀釋了地下水的222Rn.東岸的G11與G12采樣點距離相近,G11采樣點更近鄰烏梁素海,該點的222Rn活度偏低,僅占G12采樣點活度的38%,推測可能受到了湖水的側滲補給影響.

非灌溉期地下水的222Rn活度受河渠滲漏補給的影響較小,其區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G7與G8平均222Rn活度為3 225.37 Bq/m3,僅為區域平均值的48%,表明該地區很可能是湖水滲漏補給地下水,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226Ra的活度有影響,但226Ra的衰變常數很小,僅為1.37×10-11d-1,因此湖水226Ra活度的年際變化對222Rn活度的影響可以忽略不計.

表4 烏梁素海不同采樣調查時期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偏大,并且灌溉期湖區中部的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,這主要歸因于水氣界面222Rn的逸散.與此同時,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湖水存在一定的補給,除了湖水226Ra自身的衰變外,總排干退水不再是湖水222Rn的主要來源.

3 討論

烏梁素海表層湖水在總排干入湖區222Rn活度偏大的主要原因可能有三方面:一是湖水222Rn的主要源項是總排干退水.二是湖區中、北部的大面積蘆葦減少了湖水222Rn向大氣的逸散.烏梁素海是我國北方干旱區典型的淺水草型湖泊,蘆葦區占湖區總面積的51%[28],主要分布在中、北、西部,蘆葦增加了下墊面的粗糙度、增強了來流的阻礙作用,導致湖面風速降低[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在大氣中的擴散稀釋[30].三是高密度蘆葦區阻礙了湖水222Rn的水平向混合.挺水植物蘆葦對水流有阻滯作用,烏梁素海蘆葦區的水流流速小于航道區域及明水區[31],導致蘆葦區湖水中222Rn水平擴散的水動力條件較差,易造成局部湖區222Rn含量較高.

國內外以往的相關研究中,222Rn常被用于分析不同季節的地表水和地下水的相互作用關系.本文的研究發現,222Rn可以指示灌溉活動影響下的水文循環以及地表水與地下水的補排關系.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,在后續工作中應繼續開展水體222Rn的連續監測和建模分析,并綜合溶解性總固體含量、電導率、氯離子、鍶同位素、氫氧同位素等多種技術手段進行相關研究.

4 結論

(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、排水過程改變了區域地下水水動力條件,加快了區域地下水的循環流動,使水文循環系統中河渠、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在總排干入湖區偏大,表明總排干退水是湖水222Rn的主要源項;非灌溉期湖水和退水渠222Rn均大于總排干,表明地下水對湖水存在一定的補給.

(3) 非灌溉期西南岸地下水222Rn活度僅為區域平均值的47.5%,指示該地區存在湖水的側滲補給,稀釋了地下水中的222Rn.總體來看,222Rn能夠較好地指示年內不同時期烏梁素海的水文循環過程.