基于同位素技术和水文地球化学的寒旱区人工控制湖泊研究

【摘要】由于寒旱区的强蒸发和明显季节性,寒早区湖泊的研究一直是湖泊科学研究中的重点。本文采取中国内蒙古黄河段的乌梁素海,和加拿大阿尔贝塔省弓河流域的Frank湖作为研究对象,对寒旱区典型人工控制湖泊进行了系统的科学研究,以下是本文的基本技术手段和论点：1.在两个研究区内进行大气降水同位素特征分析,给出两个同位素监测站的当地降水线(LMWL),并且分析两个研究区的历史与现状,采集所有可用数据；2.在两个研究区调查分析了影响河水,湖水,地下水等水体的稳定同位素值8D和δ180分布特征的因素,初步明确了地下水的走向及湖水和地下水的交互作用,这为后来的水盐平衡模拟提供了重要的依据。且绘制了乌梁素海流域和Frank湖流域的δ18O-6D分布图,第一次根据研究区各水样的同位素特征给出了两地的蒸发线方程。通过对氘盈余以及TDS的比较,得出除蒸发作用外,还有水岩作用等影响着水文地球化学过程3.明确分析了两个研究区地下水所扮演的角色。除同位素技术外,还安装了mini-piezometers,再加上水文地球化学方面的证据,结果表示乌梁素海倒灌西南区域的地下水,导致西南区域离子浓度极大,而对于Frank湖来说,无论从同位素和mini-piezometer数据来看,都表明有大量的地下水入湖,这点在后来的水平衡模拟中也得到了证实。4.利用同位素水文学技术,结合矿物饱和指数法,离子组合及比值法和水化学类型法等科学研究手段,对研究区的水文地球化学过程进行研究分析,知道乌梁素海研究区内各类型水体的水化学类型变化较大,尤其是地下水化学类型不尽相同,说明了地下水的不同来源；但湖泊水混合较好,水化学类型高度一致。研究区大部分饮水井离子浓度超标,其中包括砷,氟等对健康影响较大的离子。进一步得出高砷离子在乌梁素海流域的成因,和研究区特殊的地理环境,封闭的地质构造和沉积物特质,以及还原性的水文条件和典型的古气候有直接关系。其中大部分离子分布受灌溉水的影响,但也有部分离子受当地地质原因的影响。黄河铀离子明显高于其他世界大江大河,说明黄河水也可能是灌区部分离子较高的原因之一。对Frank湖来看,整个湖泊也水化学类型并不高度一致,湖区内大部分离子浓度受蒸发浓缩作用影响严重。一般来说.各个离子的浓度都沿水流方向逐渐升高,但钙离子比较特殊,分布没有规律,但发现和TDP的分布规律相似,进一步检测羟磷灰石(Hydroxyapatite:Ca5(PO4)2)饱和指数得知,湖区内羟磷灰石处于过饱和状态,这就说明大部分的钙离子和磷酸根离子形成沉淀析出,微镜技术也证实了这一论点。对Frank湖水中的硫酸盐进行δ34S和δ18O稳定同位素分析,结果发现就硫酸盐的来源来说,除受人为因素影响外,Frank湖区的硫酸盐来源还受硫化物氧化,土壤风化溶解和大气沉降的共同作用。两个研究区大部分常见矿物质饱和指数都呈现未饱和状态。研究发现研究区均受蒸发浓缩,风化水解,溶解与沉淀,氧化还原作用和混合作用等几个或者全部过程的影响。5.根据两个研究区的实际情况和所采集的数据,对两个研究区分别建立了水平衡模型和水文地球化学模型,并采用同位素水文技术验证模型的可靠性,结果表明乌梁素海每年平均向西岸排放地下水,且在西南端形成了一个高污染区域,而湖泊盐分的排出除了排入黄河,芦苇收割,排入地下水也是不可忽视的重要部分。而Frank湖由于特殊的地理和气候因素,受地下水补给较大,且湖泊为积盐湖泊,总盐分中有超过80%的盐分并没有从退水渠排走,而是排入地下水或者沉淀在湖泊中。6.第一次给出乌梁素海西南部地下水高污染区域的合理分析,主要有以下几个重要因素导致1)历史上这块区域是湖泊的一部分,后来由于湖泊萎缩,成为地面,但由于湖泊沉积物的析出,导致地下水的主要离子浓度普遍偏大;2)乌梁素海水的倒灌,这点从水平衡模拟中可以得到充分的证实3)乌拉尔山从东向西蔓延,在地上消失,却在地下得到了继续的蔓延,这就阻挡了这部分水向南流入黄河,形成了相对的水流动封闭区域;4)由十排干的来水高TDS值可以推测,十排干水的渗漏也是造成这一地区高浓度的原因之一,当地的水文地质条件也对渗漏提供了条件；相比较来说,乌梁素海东部由于地质断层的影响,并没有受到湖水倒灌的冲击。7.给出了寒旱区人工控制湖泊湿地的一些管理意见和建议
【作者】朱冬楠；
【导师】李畅游；CathyRyan；
【作者基本信息】内蒙古农业大学，农业水土工程，2014，博士
【关键词】湖泊；地下水-地表水交互作用；稳定同位素；水文地球化学；水盐平衡模拟；

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