小流域降雨徑流氫氧同位素特征分析及其對徑流分割的指示意義

王軼凡,瞿思敏,李代華,石 朋, 單 帥,周敏敏,劉金濤,韓小樂

(1.河海大學(xué)水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點實驗室,江蘇 南京 210098; 2.河海大學(xué)水文水資源學(xué)院,江蘇 南京 210098; 3.云南省水文水資源局文山分局，云南 文山 663099)

小流域降雨徑流氫氧同位素特征分析及其對徑流分割的指示意義

王軼凡1,2,瞿思敏1,2,李代華3,石 朋1,2, 單 帥1,2,周敏敏1,2,劉金濤1,2,韓小樂1,2

(1.河海大學(xué)水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點實驗室,江蘇 南京 210098; 2.河海大學(xué)水文水資源學(xué)院,江蘇 南京 210098; 3.云南省水文水資源局文山分局，云南 文山 663099)

結(jié)合水文氣象資料,分析浙江和睦橋小流域在2015年汛期的3場臺風(fēng)雨事件中降雨、地面徑流以及河水的氫氧同位素組成,并研究降水中δ2H-δ18O的相關(guān)關(guān)系。結(jié)果表明,降雨中的氫氧同位素具有顯著的時程效應(yīng)。無論是等體積的降雨增量還是等時段降雨,隨著降雨歷時的增加,δ18O值均出現(xiàn)遞減的趨勢;穿透降雨由于林冠的滯留作用以及同位素分餾作用,比林外降雨更加富含重同位素;降水是河水的主要補給來源,由于河水蒸發(fā),河水中重同位素比同時期降雨和地面徑流更加富集。

氫氧同位素;大氣降水;地面徑流;河水;時程效應(yīng);小流域;東苕溪水系

隨著同位素技術(shù)的發(fā)展,同位素作為指示劑在水文學(xué)研究中的應(yīng)用越來越廣泛[1-3]。大氣降水作為大氣圈與水圈之間物質(zhì)與能量交換過程中最積極的因子,是水循環(huán)過程中的重要一環(huán),其同位素組成受到水汽來源、凝結(jié)溫度、蒸發(fā)等因素的影響,具有明顯的時空變化。徑流作為連接各水體間的紐帶,對流域水循環(huán)的影響至關(guān)重要。以降水、地面徑流、壤中流和地下徑流為補給的河流,其水源來源復(fù)雜。因此,可以利用同位素示蹤技術(shù)來反映不同水源的徑流成分。

近幾年來,國內(nèi)外學(xué)者對于環(huán)境同位素在不同水體中的應(yīng)用研究逐漸增多,尤其是以不同水循環(huán)要素為基礎(chǔ)的時程效應(yīng)研究[4-6]。時程效應(yīng)是指隨降雨歷時的變化,降雨徑流同位素組成呈現(xiàn)出顯著的規(guī)律性變化。國內(nèi)外許多學(xué)者的研究表明,降雨徑流同位素的組成不僅與降雨成因、水起源地、氣象因素以及地形條件有關(guān)[7-8],而且與降雨的時程分布密切相關(guān)。在小流域同位素應(yīng)用方面,顧慰祖等[9]對藤橋流域的研究表明,劃分徑流分割過程中考慮δ18O的時程效應(yīng)可以得到更加準(zhǔn)確的結(jié)果;McDonnell等[10]也得出相似的結(jié)論,并且說明采樣方法不同會導(dǎo)致新/舊水成分比例不同;Kubota等[11]在面積為0.84 hm2的試驗流域中研究討論了林外降雨和穿透降雨對徑流分割的不同,并發(fā)現(xiàn)穿透降水分割流量過程線會降低舊水的比例;Ikawa等[12]在典型小流域?qū)σ粓雠_風(fēng)雨事件中的總降雨、穿透降雨和徑流進行比較,表明徑流也可以作為劃分流量過程線的一個重要因素。另外一些學(xué)者利用已有降水同位素數(shù)據(jù),對黃河流域[13]、長江流域[14]、黑河流域[15]等開展一系列研究,結(jié)果顯示降水同位素信息可以為地區(qū)的水汽來源和水循環(huán)模式等提供研究依據(jù)。在河水和地下徑流研究方面,陸寶宏等[16]基于長江干流徑流同位素監(jiān)測資料,得出了徑流同位素與降水同位素季節(jié)效應(yīng)之間的關(guān)系。張華安等[17]討論了巴丹吉林沙漠湖泊和地下徑流的補給關(guān)系,進而通過對干旱條件下鹽湖的蒸發(fā)結(jié)果分析,得出巴丹吉林沙漠湖水存在蒸發(fā)過度效應(yīng)的結(jié)論。陳茜茜等[18]對北方地下水若干地區(qū)進行采樣,判斷滲漏的納木錯湖水與東部的地下水存在相關(guān)性。陳建生等[19]研究發(fā)現(xiàn)西藏內(nèi)流區(qū)的滲漏水通過斷裂帶中的滲漏通道補給到內(nèi)蒙古高原。

筆者以和睦橋小流域為研究對象,選取2015年8—10月間3次臺風(fēng)雨事件,對事件產(chǎn)生的降水、地面徑流以及河水進行觀測及采樣,分析不同水體的氫氧同位素特征,可以指示不同徑流成分對河流的補給作用,為流域流量過程線的劃分提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)域概況

和睦橋流域(東經(jīng)119°47′05″～119°48′20″,北緯30°34′05″～30°34′55″)屬長江流域太湖區(qū)東苕溪水系,位于姜灣流域上游,流域面積1.35 km2,海拔在150～600 m之間。區(qū)域?qū)賮啛釒Ъ撅L(fēng)氣候,光照充足,雨量充沛,氣候濕潤。多年平均降雨量為1 580 mm,主要集中在6—8月。多年水面蒸發(fā)量為805 mm,多年平均氣溫為14.0 ℃,月平均溫度最低值為1.3 ℃左右,月平均溫度最高值為25.0 ℃。流域地貌類型具有多層性,從而構(gòu)成該流域土壤類型的多樣性。流域內(nèi)以山區(qū)和丘陵為主,植被以毛竹為主,基本無工業(yè)和生活污水排放。流域內(nèi)有和睦橋水文站和氣象站。

圖1 研究區(qū)水樣采樣點位置示意圖Fig.1 Location of sampling sites in study area

2 水樣采集與分析

本次研究的觀測及采樣地點位于和睦橋小流域(圖1)。在研究期間對2015年8月9日、23日和9月30日3次臺風(fēng)雨事件進行降水(143個)、地面徑流(32個)及河水(48個)觀測及采樣,總計223個水樣。在流域內(nèi)設(shè)置上、中、下游3個觀測點,每個觀測點分別再設(shè)置林內(nèi)和林外2個子觀測點,進行林外降雨和穿透降雨對照。

流域出口處設(shè)置矩形薄壁堰,觀測河流出口斷面的流量?？偨涤瓴捎靡粋€直徑50 cm的不銹鋼桶采集,林外順序降雨增量和穿透降雨增量采用由Kennedy等[20]改進的順序降雨采樣器進行采集。河水在流域出口斷面處進行采集,降雨事件前、降雨事件中和降雨事件后均取樣。地面徑流在位于流域中游的一個沖溝中取樣,直至地面徑流退去。河水與地面徑流采樣時間間隔均為1 h。

所有采集到的水樣均存儲在30 mL的采樣瓶中,用防水帶密封。采集的水樣在河海大學(xué)國家重點實驗室進行同位素分析(δ2H和δ18O)。H和O的穩(wěn)定同位素由質(zhì)譜儀(MAT523)分析,氘的樣本用加有鉑催化劑的H2-H2O平衡法得到,氧的樣本通過CO2-H2O平衡法得到。同位素組成用相對于維也納標(biāo)準(zhǔn)海水的δ值表示。測試的精度δ18O為±0.002%,δ2H為±0.2%。

3 結(jié)果與討論

表1 流域內(nèi)3次降水事件的氣象信息

3.1 大氣降水中的同位素分布特征

影響大氣降水中同位素特征的因素主要有4個:緯度效應(yīng)、高程效應(yīng)、溫度效應(yīng)和季節(jié)效應(yīng)[21]。在一場降水事件中,氫氧同位素組成不僅存在顯著的時程效應(yīng),還與流域氣象要素有關(guān)[22-23]。表1為和睦橋流域雨量站采集的3場降水中降雨量、氣溫和相對濕度等氣象要素的觀測數(shù)據(jù)。

圖2 林外降雨和穿透降雨的δ18O關(guān)系Fig.2 Relationship of δ18O between precipitation and throughfall

穿透降雨是指大氣降雨受到林冠層截留作用后,降落到地面的雨量[24-25]。穿透降雨經(jīng)過冠層截留,雨滴的滯留時間較長,同時受到較長時間的蒸發(fā),所以一般來說穿透降雨要比林外降雨富含重同位素。為分析一場降雨過程中林外降雨與穿透降雨的關(guān)系,將3次臺風(fēng)雨事件中的林外降雨和穿透降雨的δ18O關(guān)系繪制于圖2。分析發(fā)現(xiàn)林外降雨大部分分布在穿透降雨下方,說明相同條件下林外降雨要比穿透降雨更為貧化。林外降雨δ2H和δ18O的平均值分別為-2.9%和-0.491%;穿透降雨δ2H和δ18O的平均值分別為-2.8%和-0.461%,兩者的δ2H和δ18O變化范圍較大。林外降雨與穿透降雨的δ2H和δ18O值具有明顯的時程變化,林外降雨的變幅(δ2H:1.76%,δ18O:0.237%)比穿透降雨的變幅大(δ2H:1.49%,δ18O:0.215%)。在竹林地區(qū),穿透降雨由于林冠枝葉的滯留作用,使幾個時段的降水初步混合,從而導(dǎo)致穿透降雨的變化幅度小,不僅在時間上比林外降雨產(chǎn)生得遲,而且經(jīng)過分餾過程更加富集重同位素。隨著時間的延長,重同位素2H和18O優(yōu)先凝結(jié)在雨滴中降落到地面。因此在降雨開始時,降水中的δ2H和δ18O比較富集;在降雨后期,降水中的δ2H和δ18O則比較貧化。

本次研究在采集等體積降雨水樣的同時,還采集了等時段的降雨水樣。圖3為不同高程下,降雨水樣在不同采樣方法上的對比。從圖3可以看出,在9:00到15:00的這場降雨期間,等時段降雨δ18O值分布在-0.7%～-1.1%之間,而等體積的降雨增量δ18O值在-0.4%～-0.7%之間。等體積降雨增量的變幅比等時段降雨的變幅小,這主要是由于等時段降雨是每隔1h立即對降雨樣品進行采集密封,而等體積的降雨增量則是在降雨完全結(jié)束后對降雨進行采集,這中間由于采樣時間的遲滯,導(dǎo)致水樣輕度混合,從而使該水樣的δ18O變幅較小。降雨的高程效應(yīng)不明顯,但是時程效應(yīng)顯著,也印證了上面得出的結(jié)論。隨著樣品序號的增大,δ2H和δ18O值具有顯著降低的趨勢。

圖3 不同高程下降雨δ18O的時程分布Fig.3 Temporal variation of δ18O in rainfall with different elevations

由此可見在二水源劃分徑流成分中,把同位素濃度處理成常數(shù)是不正確的。試驗表明,降水對流量過程的貢獻不是一成不變,它在徑流成分中的比例隨著降雨歷時的變化而變化。所以考慮到降水的時程變化可以更加準(zhǔn)確地對流量過程線劃分。

圖6 20150809次臺風(fēng)雨事件中降水、河水和地面徑流δ18O值時程分布Fig.6 Temporal variation of δ18O in precipitation, stream water, and surface runoff in 20150809 typhoon event

3.2 降水中δ2H-δ18O相關(guān)關(guān)系與氘盈余

圖4 大氣降水δ2H和δ18O的關(guān)系Fig.4 Relationship between δ2H and δ18O in precipitation

大氣降水中的氫氧穩(wěn)定同位素間具有一定的線性關(guān)系,受水汽來源、水汽輸送距離及降水期間氣象因素的影響,不同時期的δ2H-δ18O關(guān)系具有不同的特征,對于研究水循環(huán)過程中穩(wěn)定同位素比率的變化具有重要的意義。Craig[26]在理論上導(dǎo)出了全球大氣降水線方程(GMWL):δ2H=8δ18O+10。國際原子能委員會對其進行了修正:δ2H=8.17δ18O+10.56。陳中笑等[27]通過分析全國30個GNIP站點的氘氧關(guān)系得出我國的大氣降水線:δ2H=7.43δ18O+5.51。

筆者對該流域中大氣降水的δ2H和δ18O的同位素關(guān)系進行研究(圖4),通過回歸分析得出和睦橋流域汛期氘氧關(guān)系方程:

(1)

將式(1)與全國(δ2H=7.43δ18O+5.51)、南京(δ2H=8.47δ18O+17.52)[28]、廈門(δ2H=8.35δ18O+12.52)[8]、武漢(δ2H=8.29δ18O+7.44)[29]等地的大氣降水線相比發(fā)現(xiàn),斜率和截距較小。吳華武等[30]研究發(fā)現(xiàn),雨滴在降落過程中會受到不平衡的二次蒸發(fā),從而引起同位素分餾。斜率和截距越小則雨滴在降落過程中受到的蒸發(fā)越強烈,說明該流域在夏季臺風(fēng)雨時期降雨同位素發(fā)生過強烈的動力分餾效應(yīng)。從圖4中看出,與GMWL相比差別較小,反映海洋水汽是該流域汛期降水的主要來源。

圖5 降水中氘盈余變化Fig.5 Variations of deuterium in precipitation

Dansgaard[31]在1964年引入了“氘盈余(d)”的概念,將d定義為d=δ2H-8δ18O。降水過程中d的大小取決于2H和18O分餾速度不同,d主要反映了蒸發(fā)、凝結(jié)過程中的不平衡程度。Pfahl等[32]的研究表明,d值的大小可以反映當(dāng)?shù)卮髿鈿鈭F的同位素組成,具有包含水汽源區(qū)氣團類型的重要信息。3次降水的d值變幅分別為0.475%、0.886%和0.785%(圖5)。其中20150809次降水d值大部分低于1%,說明本次降水動力分餾作用比較弱,且水汽來源為海洋。而其他2場降水變幅均較大,可能的原因是這2場降水量較小,降雨時受到強烈的雨中蒸發(fā)以及其他氣象要素的影響,水汽來源較復(fù)雜。

3.3 同一場洪水中不同水循環(huán)要素的同位素特征

以20150809次臺風(fēng)雨為例,對各水循環(huán)要素的δ2H

和δ18O的同位素特征進行分析。顧慰祖[33]的研究認(rèn)為地面徑流和地面下徑流組成了流量過程的徑流成分,而地面下徑流又包含非飽和帶的壤中流和飽和帶的地下水徑流,所以本次研究中對于河水和地面徑流分開采樣。本次臺風(fēng)雨事件中,降水的δ2H值和δ18O值變幅分別為3.4%和0.420%;地面徑流δ2H值和δ18O值的變幅分別為0.3%和0.070%,地面徑流δ2H值和δ18O值的時程變化不顯著,可能是因為本次降水較小,產(chǎn)生地面徑流的歷時較短;河水δ2H值和δ18O值的變幅分別為0.7%和0.140%。圖6為該場降水中降水、地面徑流和河水δ18O值的時程分布。從圖6中可以看出降水具有比河水和地面徑流更加明顯的時程效應(yīng),降水δ18O變幅分別比地面徑流和河水高0.350%和0.280%。地面徑流和降水具有類似的變化趨勢,但地面徑流的產(chǎn)生在時間上滯后于降水。河水的δ值變化較小,但是其δ18O值比降水的δ18O值富集。河水在匯流過程中經(jīng)過了長時間的同位素分餾作用,水體中的輕同位素慢慢逸散到空氣中,使重同位素逐漸富集。

3.4 不同場次洪水的水循環(huán)要素同位素特征

選擇研究期內(nèi)3次臺風(fēng)雨事件中的降水,通過在雨中的連續(xù)采樣以及同位素組成分析,發(fā)現(xiàn)3場降水的同位素變化較顯著(圖7)。3場降水δ18O值的變幅分別為0.280%,0.422%和0.563%,平均值分別為-0.513%,-0.869%和-0.644%。從圖7(a)中可以看出,8月9日降水中δ18O值平均值較高,重同位素較為富集;8月23日的降水中重同位素較上一次降水貧化,平均值為-0.869%,為3次降水中最低;其中8月9日和9月30日2場降水中,δ18O值隨著降雨的進行波動幅度越來越大,8月23日的降水中δ18O值變化范圍較大,但下降趨勢不明顯。

圖7 3次臺風(fēng)雨事件中降水、河水和地面徑流的δ18O分布Fig.7 Distribution of δ18O in precipitation, stream water, and surface runoff in three typhoon events

3次臺風(fēng)雨事件中河水的δ18O值分布與降水具有類似的變化趨勢(圖7(c)),且其平均值(-0.658%,-0.727%和-0.692%)與對應(yīng)的降水的δ18O值相近,表明兩者具有相同的來源。但是,河水δ18O值的變化范圍分別為0.135%,0.140%和0.142%,均小于其對應(yīng)的降水δ18O值,表明河水中18O分餾程度遠(yuǎn)小于降水中18O的分餾程度。另外,降水中δ18O值的上下波動可能與夏季強烈蒸發(fā)形成局部水汽循環(huán)有關(guān)。該流域夏季溫度較高,水汽的相對濕度較小,水汽循環(huán)較快,在一次降水過程中蒸發(fā)的雨滴回到云層再次降到地面,使δ18O值波動較大。同時強烈的水體蒸發(fā),也會導(dǎo)致降水中δ18O值偏高。

4 結(jié) 論

a. 對和睦橋流域大氣降水中氫氧同位素的時程效應(yīng)和穿透降雨的特征進行分析,發(fā)現(xiàn)降水中的同位素具有顯著的時程效應(yīng),穿透降雨比同時期的林外降雨中富集重同位素,穿透降雨δ2H和δ18O變幅較小。擬合得出該流域汛期降水的δ2H-δ18O相關(guān)關(guān)系:δ2H=7.39δ18O+5.93,分析了降水的氘盈余變化。

b. 以研究期內(nèi)20150809次臺風(fēng)雨為例,分析了降水、地面徑流及河水的同位素特征值。研究表明降水具有比地面徑流與河水更加顯著的時程效應(yīng)。在汛期,地面徑流大量補給河水,并且也具有一定的時程分布。

c. 以研究期內(nèi)3場臺風(fēng)雨為例,對降水、地面徑流及河水進行比較。研究表明河水與降水的氫氧同位素平均值相近,兩者來源大致相同。但河水與地面徑流的變幅均小于降水,說明河水與地面徑流的分餾程度較小。

d. 本研究表明降水具有明顯的時程效應(yīng),地表水與河水在降雨初期與退水階段的同位素含量也不盡相同。所以在徑流分割時,以往研究中將降水同位素濃度處理為常數(shù)是不正確的,考慮不同徑流成分的時程變化會對流量過程線的劃分具有重要的意義。

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Characteristics of hydrogen and oxygen isotopes in rainfall-runoff in small watershed and their implications for runoff separation

WANG Yifan1,2, QU Simin1,2, LI Daihua3, SHI Peng1,2, SHAN Shuai1,2, ZHOU Minmin1,2, LIU Jintao1,2, HAN Xiaole1,2

(1.StateKeyLaboratoryofHydrology-WaterResourcesandHydraulicEngineering,HohaiUniversity,Nanjing210098,China; 2.CollegeofHydrologyandWaterResources,HohaiUniversity,Nanjing210098,China; 3.HydrologyandWaterResourcesBureauofWenshan,Wenshan663099,China)

Based on hydrological and meteorological data, the composition of hydrogen and oxygen isotopes in precipitation, surface water, and stream water were investigated for three typhoon events in the flood period of 2015 in the Hemuqiao Watershed, and theδ2H-δ18O relationship in precipitation was studied. The results show that the composition of hydrogen and oxygen isotopes in precipitation exhibited significant temporal variation. With the increase of the duration of rainfall, theδ18O values of the incremental rainfall with the same volume and rainfall during the same period had a decreasing trend. Throughfall, rather than rainfall, enriched heavier isotopes because of the canopy storage and isotopic fractionation. Rainfall was the main supply source of stream water. The contents of heavy isotopes in stream water were more abundant than those in precipitation and surface runoff due to the evaporation of stream water.

hydrogen and oxygen isotopes; precipitation; surface runoff; stream water; temporal variation; small watershed; Dongtiaoxi River

10.3876/j.issn.1000-1980.2017.04.013

2016-08-06

國家自然科學(xué)基金(41371048,51479062,40901015);國家重點研發(fā)計劃(2016YFC402703)

王軼凡(1992—),男,山東德州人,碩士研究生,主要從事流域水文模擬及同位素水文研究。E-mail:1299279383@qq.com

瞿思敏,教授。E-mail:wanily@hhu.edu.cn

P338

A

1000-1980(2017)04-0365-07