同位素水文地质学的数学方法及其在西北干旱内陆河流域应用——以黑河与石羊河为例

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1、兰州大学博士学位论文第一章绪论第一节研究目的和意义一、西北内陆河流域水资源特点和开发利用现状水是生命之源，是人类和一切生物赖以存在和发展的物质基础(冯尚友，2000)。面向新世纪，国家做出了西部大开发的重要战略决策，水资源可持续利用成为其中重大问题之一。如何支撑西北地区大发展，“水力是重要方面(张光辉等，2004)。西北干旱内陆河流域在全球水循环的大背景下，形成了独特的区域性水循环系统，即以内陆河流域为单元的相对独立的水文水资源、生态和环境系统(范锡鹏，1991：康尔泗，2002，2004a)．内陆河流域由山区和山前平原盆地组成，按垂直景观

2、带划分，前者基本上可划分为高山冰雪冻土带和山区植被带，其水量平衡特征为降水量大于蒸发量，这里发育着庞大的冰川和积雪固体水库，还有冻土和水源涵养林也起着重要的山区水库的作用，是西北干旱区人类活动和经济发展赖以生存的水资源形成区(Fengeta1．，2004)；而后者基本可划分为山前绿洲带和荒漠带，其水量平衡特征则是蒸发量大于降水量，是径流散失区(Edmundseta1．，2006；康尔泗等，2004b；Jieta1．，2006)．在这一复杂的自然和人为作用复合系统中，固态(冰雪)、气态(大气水)和液态(降水、入渗水)水在山区、山前带、盆地(绿

3、洲和沙漠)以及地表、地下浅部、地下深部三维空间中或其间运动和转化，构成不同尺度的水循环系统，并与生态环境、土地环境和人文环境密切相关，决定着水资源时空变化规律和地下水更新性，以及与地下水相关的环境质量状况(张光辉等，2004)。石羊河和黑河均为河西地区发源于祁连山的内陆河水系。石羊河(101041’．104016’E，36029’．39027’N)多年平均径流量15．75x108m3，流域面积41．6×103kin2：黑河(980．101030’E，380-420N)多年平均平均径流量为37．55×1080，流域面积14．3x104km2(

4、Maetal．。2007)．近年来，随着人口的增长和国民经济的发展，灌溉面积不断扩大，农业和其他部门用水量迅速增加，水资源供需矛盾日益突出(仵彦卿等，2004)。从一定程度来讲，西北内陆河流域农业和国民经济的发展是以牺牲生态环境为代价的，而日益严重的生态环境危机和水资源危机又反兰州大学博士学位论文过来制约了该区农业和国民经济的发展，强化更大范围的生态环境危机和水资源危机(张光辉等，2004)。产生这一系列现象的主要原因是对“三水一转化机理研究不够，对区域地下水的补给、径流、排泄条件、地下水成因及地下年龄等基础研究尚存不足。因此，为了保证研究

5、区社会经济的可持续发展，必须对内陆盆地大气降水．地表水。地下水视为统一的“系统’’，揭示“三水’’转化、循环机制，并估算地下水系统的滞留时间、更新速率，区分不同层位地下水资源的属性。二、水循环特征研究中的同位素技术研究水循环特征的传统方法包括水文地质条件分析法、水动力学方法、水化学法和水化学动力学法等。同位素技术f120世纪50年代被引入到水循环研究领域以来，为水循环特征的研究，提供了一种有效、快捷的途径，在获取地下水年龄、循环速度、更新周期、补给来源、补给高程、不同水体水力联系、混合比例等水循环定性或定量信息方面，发挥了重要作用。针对于研

6、究区水资源开发利用中出现的问题和面临的挑战，利用同位素技术对研究区地下水系统的水循环特征进行全面研究，查清地下水的起源、形成、循环速度、更新周期、不同含水层系统间的水力联系和转化关系，具有十分重要的实际意义和理论意义。第二节应用同位素技术研究水循环特征的国内外现状一、国外研究现状环境同位素技术用于低温(小于90℃)地下水系统中，进行水文地质和水文方面的研究，可以分为三大方面(Mebuseta1．，2005)：1．识别地下水的起源和地下水化学组分的成因(地质成因组分和人类成因(污染)组分)：2．示踪地下水水化学过程和混合过程(包括含水层间的越

7、流、地下水与来自地表河、湖、海洋水或咸水的混合)；3．确定地下水年龄，进而研究地下水的运动(循环速度、更新周期)。20世纪50年代初，同位素技术(主要是人工同位素示踪技术)开始应用于水科学领域并解决了水文学和水文地质学中的一些问题(李大通&张之淦，1990)。2兰州大学博士学位论文60年代后，转向环境同位素方法。环境同位素方法的出现使水文学家耳目一新，这种方法是根据稳定同位素和放射同位素在自然界的变化来研究水循环，获得了传统方法不可能得到的一些重要信息(卫克勤，1992)，成为水科学领域重要研究方法之一(吴锦奎等，2004)。最常用的环境稳

8、定同位素是氘(D)和180，它们是自然界水分子构成中的一部分并在自然界中具有化学稳定性，这些优点使其成为理想的示踪剂；最常用的环境放射性同位素是氚(T)和14C(张应华等，200