1、引言
近年来，环境同位素技术因为在地下水勘测、地下水动力研究、了解含水层之间相互联系等方面的特殊作用，在寒区旱区水科学研究中得到了广泛应用。在黑河流域，应用环境同位素的研究也取得了一定的进展。考虑到各类环境同位素的采样条件和地球化学特性，在黑河流域的研究中大多选用了氘(2H)、氧(18O)、氚(3H)、碳(14C)和氡(222Rn)等几种环境同位素作为研究对象，其中2H和18O属于稳定同位素，3H，14C和222Rn属于放射性同位素。
降水及蒸发的同位素分馏作用可以导致水体的2H和18O出现空间变化。通过对比样品中的δD和δ18O值，并利用2H和18O的分馏与各种环境因素(如温度、湿度)之间的关系，可以判断水体来源并追踪各类水文地质作用。此外，通常也利用放射性同位素的衰变原理来确定地下水年龄。由于3H和14C半衰期分别为12．43a和5730a，所以常被分别用来测定小于50a的现代水和介于2～20ka的古地下水年龄。
222Rn的半衰期为3．8天，广泛存在于岩石和土壤中，222Rn聚集于地下水，因其挥发性，通常在地表水中的含量很低，由此可以推测地下水排泄的位置和计算补给率。表1总结了在黑河流域内所采用的同位素类型及其研究目的。
2、同位素采样空间分布
图1展示了近年来各研究团队在黑河流域内针对降水、地表水和地下水等各类水体进行采样工作的样点分布。降水样点主要集中在上中游的各个气象站、水文站;地表水样点主要分布在沿黑河干流和北大河;地下水样点则主要集中于河西走廊和下游河道附近的区域，在山区以及冲洪积扇带比较缺乏。
此外，其他水体例如水库、渠系以及冰雪融水等也考虑得较少。虽然采样覆盖范围已经很大，但仍存在明显的分布不均现象。
3、降水与径流
由于祁连山区降水较多，是黑河流域的主要水源地，所以关于降水的同位素研究多集中在上游(图1)。
2002—2009年张应华等构建了区域降水δD－δ18O关系线(表2)。黑河流域的降水线相较全球大气降水线(GMWL，δD=8δ18O+10)斜率和截距都明显偏低，与干旱地区特点非常吻合。主要因为黑河流域蒸发强烈，并且水汽来源有相当一部分来自局地。其中，中游盆地的降水线相比山区斜率和截距都更低，归结于中游地区湿度更低、温度更高，更容易产生重同位素的富集。
此外，氘盈余(d=δD－8δ18O)的概念也被用来进一步描述水汽来源不同所造成的同位素时空分布特征。张应华等提出，黑河流域的降水d值表现出很强的冬高夏低的季节变化规律。上游山区d值更接近全球平均水平，说明水汽是由山区输送至中游盆地，输送过程中局地水汽的不断输入，使得从上游地区以外来水汽为主转变为中游的局地水汽高达30%的现象。
海拔、温度、降水量等因素都能影响到氘氧同位素的动力分馏。其中，温度效应在黑河流域最为明显，甚至对海拔、降水量等因素对降水中同位素的影响有一定的掩盖作用，与δ18O之间的相关性一般在0．4～0．6之间，温度越高δ18O越高。由于海拔与温度之间的强相关性，同位素富集也呈现了很强的海拔效应。降水量效应则受到温度、季节、海拔等多种因素的影响，一般在上游山区的夏季才比较明显。
黑河干流2H和18O从上游到下游总体呈现富集趋势。其中山区河水有很强的季节性变化，主要是因为其同时接受冰雪融水、降水和地下水的补给，在丰水期时主要受降水控制，而枯水期则主要以泉水出露为主。中游地表径流相较山区河流的同位素含量更高，主要是因为中游降水的同位素含量更高，并且受强烈蒸发而产生同位素分馏现象的影响。越接近下游，分馏越明显，导致地表水18O的含量与沿程距离呈现明显的正相关关系。总的来说，氘氧同位素的结果表明上游山区降水是黑河河水的主要来源，此外冰雪融水、地下水也提供了一定的补给来源。
4、地下水
4．1地下水补给来源
中游地下水补给主要来自上游山区。山区降水及冰雪融水形成地表径流并渗入地下，受地质构造的影响，大部分就近以泉的形式排泄转化为河水，仅10%左右侧向补给中游盆地。
山前地区含水层为单一的潜水结构，地下水以第四系孔隙水为主。该处地下水的δD和δ18O值均落于全球降水线，说明起源于大气水，且3H较高，交替更新较快。同时地下水的δD－δ18O关系更接近河水，说明主要还是受河水补给。张应华等采用两端模型对民乐、张掖山前地区进行计算，得出河水和当地降水的补给所占比例在9∶1左右。
图2中所示酒泉一带山前地区地下水的δD和δ18O值与山区河水接近，并以北大河为中心呈对称趋势逐渐贫化，反映了以山区降水为来源的河流补给作用。细土平原带δD和δ18O则由南至北逐渐贫化，同时地下水的埋深较深，d值较大，与山区降水相符合，14C偏小，反映出酒泉细土平原地下水有少量古水补给的痕迹。
中游细土平原带(图2，张掖盆地—临泽—高台一带)潜水δD和δ18O与河水相近，低于当地降水，说明当地降水补给并非是主导，而是接受山区降水补给的河水与当地降水混合补给的结果，也受到经强烈蒸发之后的灌溉水补给。以黑河为分界，北岸主要受河水下渗补给，南岸则以上游地区侧向补给和农田灌溉入渗补给为主。该区域深层承压水的δD和δ18O，3H及d值与潜水及地表水不同，反映了不同的补给来源。利用海拔效应得到补给源高程在3600m以上，说明在山区与中游盆地之间可能存在地下径流。此外，龙首山前承压水的δD－δ18O位于降水线上，说明该区域补给来源主要是海拔相对较高的龙首山区的降水。
下游地区气候极度干燥，年平均蒸发量在2000mm以上。南部金塔盆地潜水2H和18O含量大，3H值为10～39TU，含量偏高，地下水年龄小于40a，主要由酒泉一带δD和δ18O较高的地下水补给所致。北山山区浅层潜水δD－δ18O在当地降水线上，说明主要接受降水补给，而深部承压水δD－δ18O位于降水线附近，并有重同位素δ18O贫化的特征，推测是因为起源于寒冷的更新世降水入渗。
额济纳盆地表现出很高的d值，反映了盆地内强烈蒸发的影响，也有灌溉水回补的因素在其中。浅层潜水沿河流方向δD和δ18O富集，但小于河水，并与3H值呈正相关性，河岸深层地下水中的氚值也较高，表明该区域浅层地下水接受河水的补给。此外，居延海北部地下水的3H值较高，说明也接受中蒙边境山区季节性降水补给。
下游盆地东南部古日乃地区潜水δD和δ18O极度富集，d值极低，与黑河水差异很大，故而钱云平等、Gates等和Ma等认为沙漠对该区地下水也有一定的贡献。同时，陈建生等发现该区与沙漠地下水钙含量极高，也印证了这一点，同时提出巴丹吉林沙漠的地下水源自于青藏高原，经过碳酸盐岩层通过大断裂带穿越祁连山和北山山区到达沙漠，并补给古日乃地区。而马妮娜等和张应华等认为，古日乃地下水的矿化度明显低于沙漠，且3H值也更高，说明地下水更为年轻，没有接受沙漠的补给，而是接受黑河水的补给。同时深层承压水年龄较老，可能由地质历史时期降水补给形成。武选民等认为，该区深层承压水头高于潜水，也有潜水层接受承压层越流补给的可能性。各种说法目前还存在较大争议。
4．2地下水年龄
中游张掖地区浅层地下水3H和14C值都很高，并沿河呈条带状分布。总体看来，浅层地下水近河道年龄较新，越接近山前带年龄越新。
这种分布模式显示其多受降水、冰雪融水以及河水这类“现代水”的补给。至高台一带3H逐渐减少，年龄增大，主要原因在于其接受酒泉盆地深层低3H地下水的补给。而深层地下水则3H含量减少，年龄老于50a，显示与浅层地下水、地表径流完全不同的补给来源。高台一带由于岩土颗粒较细，补给条件差，深层承压水14C年龄在2ka以上。
同样，中游酒泉地区位于祁连山前的戈壁入渗带地下水3H值也较高，细土平原区潜水3H值则很低，地下水年龄多大于40a，承压层则更低。此外，酒泉盆地内含水层渗透性较弱、水循环条件较差的地区地下水14C值很低，年龄可达数千年，盐池—明海—莲花一带深层承压水年龄14C校正年龄在2490～5760a之间。
下游额济纳盆地沿河区域由于接受地表水补给3H值较高。深层承压水则年龄较老，几乎不含3H，相比起来南部鼎新一带深层承压水相对较年轻，多小于5ka，北部居延海一带则较老，多在5468～8779a，而赛汗桃来附近承压水年龄则大多超过万年。巴丹吉林沙漠内地下水几乎检测不到3H，14C测龄显示该区域内承压水年龄在2200～3500a之间，更新速率缓慢。
4．3盆地水力联系
由盆地内地下水同位素含量及补给来源可以判断流域内各盆地系统间的水力联系。由于张掖盆地西面与酒泉盆地以第三系泥岩隆起为分界，2个盆地δ18O明显不同，说明2个盆地地下水补给机理不同。同时，在酒泉盆地东西边缘表现出更低的δD和δ18O值，表明两侧水力单元与酒泉盆地之间较弱的水力联系。
酒泉盆地以北靠近金塔盆地一带潜水的同位素特征反映其受酒泉盆地地下水侧向补给的影响，与酒泉盆地存在水力联系。同时，西部北山山区地下水一个主要排泄途经就是经由深层的区域向南部花海和东部鼎新一带向系统外排泄。
由于古日乃地区的地下水到底是接受巴丹吉林沙漠地下水、承压层越流补给还是黑河河水的侧向补给仍颇具争议，所以额济纳盆地与古日乃地区的水力联系还无法确定。然而居延海北部一带潜水与相邻区域相比δ18O高而3H值低，说明与其他区域并不存在水力联系。
从全流域看来，祁连山、合黎山、龙首山和北山的山区降水是黑河流域内浅层地下水的主要补给来源，因此地下水年龄很小，以现代水为主。此外上中游的深层地下水则与浅层地下水频繁交换，也相对年轻，下游深层地下水则相对封闭，以地质历史时期的老水为主，地下水年龄较老。各盆地与相邻山区，以及各盆地之间都存在一定的水力联系，但个别区域相对联系较小。下游古日乃地区的地下水补给源以及与其他地区水力联系还存在争议。
5、地表—地下水相互转换
黑河河水自出山口以下由于独特的地质地貌特征，形成了流域尺度地表—地下水交互的水循环系统，二者之间存在多次转换，尤其在中游盆地。
图3显示了黑河流域沿河流方向上地表—地下水补给关系的变化趋势。张光辉等发现在张掖、高台、正义峡等处河流的3H变化趋势发生转变(图3)。Wu等和钱云平等利用放射性同位素222Rn对黑河中游段河流与地下水的交互量进行了研究，所得的地下水排泄模式与张光辉等的大致相同，并且钱云平等指出张掖到高崖段地下水对河水的补给量比较突出。张应华等、陈宗宇等和杨秋等应用2H，18O和水均衡、两端模型等方法对中游地区的地表—地下水交互水量进行计算，其中陈宗宇得出出山口—张掖段河道对地下水补给约占出山径流的27%，张掖—正义峡段河道对地下水的补给约占该段河流径流量的69%。秦大军等研究发现灌溉引用河水因为增加了对地下水的补给并降低河水水位，也许会改变地表—地下水的补给关系。仵彦卿等利用物探，水化学和2H，18O对下游额济纳盆地进行了研究，发现鼎新—哨马营段河流与地下水并无直接水力联系，而是通过垂直下渗补给地下水。
总的来说，黑河流域地下水对地表水的主要补给区域在中游张掖—正义峡一带，其他区域内都是以河水补给地下水为主。
6、结语
黑河流域进行的环境同位素研究主要沿黑河干流地区对各类水体进行了采样工作，针对2H，18O，3H，14C和222Rn等几类同位素，分析不同区域内地表、地下水各类同位素的含量，得到各区域内地表、地下水的补给关系、年龄分布等特征。结果表明，全流域的水源区在于上游高山区，途经中游盆地的过程中，在出山口、冲洪积扇边缘及中下游分界点正义峡等多处发生与地下水补给关系的转换。同时，中、下游浅层地下水的补给来源也主要来自于上游地下水的侧向补给及以山区降水为来源的河水入渗补给，更新速率较快，地下水年龄较小。而深层地下水的补给方式则相对复杂，在接受河流及山区地下水入渗补给的同时，酒泉盆地北部、张掖盆地西部、古日乃地区以及居延海等区域深层地下水也检测到有地质历史时期的老水补给。
未来研究中应重点加强以下3个方面:
(1)丰富时空尺度上各类水体的采样工作，其中最为突出的是在黑河流域已有的水文地质剖面上开展环境同位素研究。这一部分的缺乏主要由于不同深度含水层采样的困难，而现有的采样井多为混合井，因此缺乏对样品所处含水层的精确控制。
另外对地表水的采样仍多集中于河水和降水，而其他种类的样品，如中游的水库水、土壤水、灌溉沟渠水，以及上游的冰雪融水、冻土水等，都鲜有涉及。
(2)同时应用多种同位素进行定量分析。目前黑河流域环境同位素的定量研究目前多集中于地下水年龄的分析;其他方面，如利用氡镭放射同位素和氘氧稳定同位素定量各种水源的比例研究较少。这个缺乏部分是由于这些环境同位素本身的局限性，譬如被多种环境参数影响以至于对水源的指示性模糊。所以今后的研究中应更多地结合其他地球化学指标(如阴阳离子、碱度等)以相互验证定量结果。
在时间的角度上，高分辨率(如以分钟、小时、天为尺度)、长时期连续检测(如连续3年采样分析)的数据非常少，限制了对黑河盆地随时间波动性的了解。同时，有限的数据量也限制了应用统计分析的方法来鉴定黑河时空波动性规律。
(3)将环境同位素结果应用于流域尺度数学模型的构建和校正:地下水年龄的结果已被广泛采用于数值模型中，但其他同位素由于不能提供很好的定量结果，所以对模型的帮助有限。结合地球化学研究和数学模型构建是进一步全面准确定量化黑河流域水循环的研究思路。
