白洋淀地表水和地下水的穩(wěn)定氫氧同位素特征

何明霞，張 兵，王義東，王中良

（1.天津師范大學天津市水資源與水環(huán)境重點實驗室，天津300387；2.天津師范大學地理與環(huán)境科學學院，天津300387）

白洋淀是華北平原最大的淡水湖泊，對京津冀以及華北地區(qū)的氣候調(diào)節(jié)和生態(tài)平衡具有重要作用.白洋淀濕地面積的主要控制因子為地表水位[1].1979年以來，白洋淀上游來水不斷減少，中游河道長期斷流，導致白洋淀水位下降，蓄水量減少，水面面積萎縮[2-3].由于白洋淀地區(qū)地表水和地下水水力聯(lián)系緊密[4]，且白洋淀的滲漏補給了周邊淺層地下水，影響著地下水的水量和水質(zhì)[5].因此，研究白洋淀地區(qū)的水文過程，特別是地表水和地下水的相互關系，是解析白洋淀水問題的基礎.

穩(wěn)定氫氧同位素（δD、δ18O和δ17O）是水循環(huán)過程的天然示蹤劑，廣泛用于研究水文循環(huán)過程[6].宋獻方等[7]依據(jù)氫氧同位素及水化學成分，判明了地下水的補給來源與各含水層的相互關系；徐敬爭等[8]通過計算氘盈余值發(fā)現(xiàn)湖水蒸發(fā)量占湖泊入湖水量的比重是湖水氫氧同位素變化的主要控制因素；朱世丹等[9]系統(tǒng)分析了新疆艾比湖主要入湖河流季節(jié)性的水化學特征與氫氧同位素特征.Zhang等[10]比較了成都地區(qū)降水的17O盈余值與海水的17O盈余值，發(fā)現(xiàn)成都的水汽來源由海洋氣團主導；馬興剛等[11]分析了祁連山大氣降水中δ17O的特征，發(fā)現(xiàn)17O存在顯著的溫度效應，且該區(qū)域大氣降水主要受局地水循環(huán)和大陸氣團控制.

白洋淀地區(qū)的淺層地下水易受生態(tài)補水等環(huán)境變化的影響，且在人類活動影響強烈的地區(qū)，淺層地下水和深層地下水之間存在著相互交換[12-13].因此現(xiàn)有研究大多基于穩(wěn)定氫氧同位素技術，利用δD和δ18O這2個指標研究白洋淀地區(qū)地表水和地下水的相互作用，而δ17O的應用并不多見.如袁瑞強等[5]根據(jù)白洋淀地區(qū)淺層地下水的δ18O值，結合水位埋深有效標記了淀水滲漏影響地下水的范圍.但與傳統(tǒng)的δD、δ18O和氘盈余（d-excess）值相比，δ17O 和17O 盈余（17O-excess）值在揭示水體來源方面更準確[14].因此綜合穩(wěn)定氫氧同位素（δD、δ18O 和 δ17O）、氘盈余和17O 盈余信息，有利于全面研究水循環(huán)過程.

白洋淀是雄安新區(qū)建設和京津冀可持續(xù)發(fā)展的重要生態(tài)基礎.通過上游水庫、南水北調(diào)中線和引黃工程等進行持續(xù)、長期的生態(tài)補水，一方面可以提升白洋淀濕地生態(tài)服務功能，另一方面生態(tài)補水的滲漏會改變區(qū)域地表水與地下水的相互關系.因此，本文以白洋淀為研究區(qū)，以南水北調(diào)中線首次向白洋淀補水為時機，通過野外采樣和室內(nèi)測試的方法，從穩(wěn)定氫氧同位素示蹤的角度，分析地下水、河水和淀水中δD、δ18O、δ17O、氘盈余值和17O盈余值的基本特征，探究白洋淀周邊不同水體間的相互關系，進而為雄安新區(qū)白洋淀地區(qū)的水循環(huán)研究和水環(huán)境保護提供理論支持.

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

白洋淀位于華北平原中部，地處京津保三角腹地（38°43′N~39°02′N，115°38′E~116°07′E），平均海拔7.6 m，正常年份水位為7.3~8.5 m，水域面積336 km2，淀區(qū)地勢平坦，總體西北高東南低.該地區(qū)屬溫帶大陸性季風型氣候，流域年均氣溫約12.7℃，年平均蒸發(fā)量1 369 mm，年均降水量為510 mm，75%的雨量集中在6—9月[2-3].白洋淀屬海河流域大清河水系，由白洋淀和燒車淀等143個淀泊和3 700多條溝壕組成，對維護華北地區(qū)生態(tài)環(huán)境具有不可替代的作用[15].

近年來9條入淀河流中，只有府河常年有水，其余河流存在大面積季節(jié)性干涸和斷流現(xiàn)象[16].《河北雄安新區(qū)規(guī)劃綱要》提出，建立多水源補水機制，使白洋淀正常水位保持在6.5~7.0 m，白洋淀淀區(qū)水量逐步恢復至360 km2左右[17].為此，2022年前生態(tài)需水量為3×108~4×108m3/a；2022年后，隨著流域和淀區(qū)生態(tài)環(huán)境治理目標的逐步實現(xiàn)，生態(tài)需水量保持在3×108m3/a.2018年，白洋淀首次收到南水北調(diào)中線丹江口水庫的生態(tài)補水，補水時間為4月14日—6月20日，白洋淀及其上游河道共獲補水1×108m3，是近十年來最大范圍的補水[18].同時，2018年4月—2018年6月，王快和西大洋水庫再次聯(lián)合為白洋淀進行生態(tài)補水2.800×107m3[19].地下水是華北平原重要的生產(chǎn)和生活用水水源.研究區(qū)域共有4個含水層組，第一和第二含水組（Ⅰ和Ⅱ）為淺層地下水含水層，深度為0~160 m，為農(nóng)業(yè)灌溉的主要水源；第三和第四含水組（Ⅲ和Ⅳ）為深層地下水含水層，深度為330 m以下，主要為居民飲用水源.含水層之間主要為粉黏土，也夾雜有粉土[20].

1.2 樣品采集

為了獲得白洋淀地區(qū)不同水體在不同季節(jié)的水體同位素特征，分別于2018年枯水期（4月10日—4月14日）和豐水期（9月19日—9月21日）采集地下水、河水和淀水樣品共55組，采樣點的具體位置如圖1所示.

圖1 研究區(qū)及采樣點分布圖Fig.1 Location map for showing study area and the water sampling sites

圖1中，枯水期采集樣品共19組，包括地下水3個（G1～G3）、河水 7個（R1～R7）和淀水 9個（L1～L9）；豐水期采集樣品36組，包括地下水16個（G4～G19）、河水7個（R8～R14）和淀水13個（L10～L22）.

地表水采自白洋淀淀水和入淀河水，地下水采自淀區(qū)周邊用于農(nóng)業(yè)灌溉和農(nóng)村生活的水井中.采樣前先抽取地下水5～10 min，將水井中存水排出，以保證所采地下水的代表性.采集水樣時，先將采樣瓶放至水面以下30 cm處，打開瓶蓋用水潤洗3次后再采集水樣，確認瓶中沒有氣泡后，在水面下將采樣瓶瓶蓋旋緊后取出，用密封膠帶封好瓶口并在瓶身做好標記，帶回實驗室測定相應指標.

1.3 同位素分析

穩(wěn)定氫氧同位素測定由液態(tài)水同位素分析儀（L2140-i，美國Picarro）完成，設置實驗溫度為25℃以避免因樣品蒸發(fā)而造成的同位素分餾，測試結果以千分偏差值（δ值）表示，測量精度為δD＜0.01%、δ18O＜0.002%和δ17O＜0.002%.

式（1）中：Rsample和Rstandard分別為被測樣品和標準樣品的同位素比率，標準樣品為維也納標準平均海洋水（Vienna standard mean ocean water，VSMOW）.Luz和Barkan[21]指出在處理多種同位素系統(tǒng)中的高精度比率時，應使用修正后的

1.4 數(shù)據(jù)處理

運用ArcGIS 10.2軟件制作采樣點分布圖.運用Excel對55組水樣的實驗結果數(shù)據(jù)進行整理，并計算δD、δ17O、δ18O、氘盈余和17O 盈余的值.應用 SPSS 軟件對各指標進行單因素方差分析（one-way ANOVA），采用F檢驗對每組數(shù)據(jù)進行顯著性分析.

2 結果與分析

2.1 水體中穩(wěn)定氫氧同位素組分

地下水、河水和淀水3種水體在不同采樣日的δD、δ17O、δ18O、氘盈余和17O盈余值如表1所示.由表1可以看出，55份水樣δD和δ18O值的變化范圍分別為-0.82%～-8.52%和0.107%～-1.152%，均值為-5.22%和-0.620%.δD的標準差（2.11%）大于 δ18O的標準（0.363%）.

表1 白洋淀地表水和地下水的氫氧同位素組分Tab.1 Hydrogen and oxygen isotopic component of surface water and underground water in Baiyangdian Lake %

此外，不同水體中δD值的變化幅度最大，δ18O和δ17O值的變化幅度較小.地表水穩(wěn)定氫氧同位素值大于地下水，地下水中穩(wěn)定氫氧同位素最為貧化.淀水和河水的同位素組成相對富集，且由于河水和淀水的水系是連通的，因此二者各同位素值間無顯著差異.這一結果與孔曉樂等[22]所得白洋淀地區(qū)地表水穩(wěn)定性同位素值較地下水富集的結論一致.

單因素方差分析（one-way ANOVA）結果顯示，各水體的穩(wěn)定氫氧同位素值（δD、δ18O和δ17O）和氘盈余值在9月差異極顯著（n=36，p＜0.01），在4月無差異.在豐水期9月，同一水體的δD、δ18O和δ17O值均比枯水期4月的小，而氘盈余值比枯水期4月的大.3種水體中同位素的組成在枯水期富集，豐水期貧化，說明3種水體在枯水期存在強烈蒸發(fā)，造成同位素分餾.氘盈余值在枯水期4月的變化范圍為-1.93%～0.04%，平均值為-1.1%，在豐水期9月的變化范圍為-1.54%～0.79%，平均值為0.20%.地下水和淀水的17O盈余平均值在豐水期9月有所增加，而河水的17O盈余平均值有所下降.

2.2 氫氧同位素關系

全球大氣降水線（global meteoricwater line，GMWL）[23]為δD=8δ18O+10，但由于氣候和環(huán)境條件的差異，許多區(qū)域大氣降水線與GMWL有所不同.Wang等[24]根據(jù)實驗站的降水數(shù)據(jù)獲得白洋淀地區(qū)的大氣降水線（local meteoric water line，LMWL）δD=6.54δ18O － 2.711.圖2為地表水和地下水的δD-δ18O關系圖.

圖2 地表水與地下水δD-δ18O同位素關系Fig.2 Relationship between δD and δ18O of surface water and underground water

由圖2可以看出，氫氧同位素呈離散帶狀分布表明各水體來源存在較大差異性.氫氧同位素最富集的水樣為位于漕河的R3和R6以及孝義河附近的L7，其δD和δ18O值分布在散點圖的右上方.此外，地下水δD和δ18O的值相對淀水和河水δD和δ18O的值較為集中，且大部分地下水δD和δ18O的值分布在散點圖的左下方；而淀水和河水δD和δ18O的值較為分散.這說明地下水中氫氧同位素相對貧化，而淀水和河水中穩(wěn)定氫氧同位素較為富集且變化范圍較大.淺層地下水G3（井深20 m）與G19（井深50 m）的穩(wěn)定氫氧同位素組成在地下水中最富集，其δD和δ18O值分布在散點圖的中間.深層地下水δD和δ18O的值較小，集中分布在散點圖的左下方.淺層地下水受到環(huán)境變化的影響，采樣點的同位素值分布分散；深層地下水補給水源同位素貧化，且受環(huán)境變化的影響小，水樣的同位素分布集中.9月水樣δD和δ18O的值集中分布在散點圖的左下方，4月水樣δD和δ18O的值集中分布在散點圖的右上方，說明9月白洋淀的水體穩(wěn)定氫氧同位素值較4月貧化.

圖2中，利用55個水樣的δD和δ18O值進行線性擬合，白洋淀地區(qū)蒸發(fā)趨勢線為δD=5.777δ18O－16.264.地下水、河水和淀水的δD和δ18O關系分別為δD=5.824δ18O － 16.639（R2=0.919）、δD=5.281δ18O － 17.480（R2=0.981）和 δD=5.710δ18O － 16.513（R2=0.976），淀水蒸發(fā)線與孔曉樂等[22]所得白洋淀淀水蒸發(fā)線δD=5.027δ18O －19.88（R2=0.998）接近.蒸發(fā)線不同程度地偏離GMWL和LMWL，斜率值與截距均小于降水線，且所有水樣δD和δ18O值均位于當?shù)卮髿饨邓€的下方，這表明水體受到蒸發(fā)作用的影響[25].

2.3 氘盈余分析

由Dansgaard[26]提出的氘盈余可以反映該地降水水汽源地的氣象條件，以及水汽遷移路徑中大陸蒸發(fā)水汽的情況[27]，全球大氣降水中的氘盈余平均值為1%.圖3為白洋淀各水體的δ18O-δD關系圖.

圖3 白洋淀水樣的氘盈余值分布Fig.3 d value distribution of Baiyangdian Lake water samples

由圖3可以看出，55個水樣的氘盈余值變化范圍為-1.93%～0.79%，平均值為-0.25%，氘盈余值與δ18O值呈顯著負相關（r=-0.956，P＜0.01，n=55）.地下水、河水和淀水氘盈余的平均值分別為0.39%、-0.52%和-0.62%，強烈的蒸發(fā)作用導致淀水和河水的氘盈余值為負值.河水和淀水的氘盈余值變化范圍分別為-1.93%～0.65%和-1.70%～0.62%，可以看出兩者的氘盈余值均不同程度地偏離了全球大氣降水線，而地下水的氘盈余值變化范圍為-1.10%～0.79%，且大部分氘盈余值在全球大氣降水線附近，說明地表水受蒸發(fā)作用強烈，地下水受蒸發(fā)作用的影響較小.此外，由圖3還可以看出，4月和9月水樣的氘盈余值變化范圍分別為-1.93%～0.04%和-1.54%～0.79%，平均值分別為-1.10%和0.20%，3種水體的氘盈余值均表現(xiàn)出明顯的季節(jié)差異，這主要是因為4月和9月白洋淀水體的來源存在較大差異.4月基本無降水，水體來源主要為太行山山區(qū)地下水側向徑流補給以及部分水庫調(diào)水，9月豐水期的主要補給源為上游水庫調(diào)水、南水北調(diào)中線來水以及當?shù)卮髿饨邓甗28].

2.4 17O盈余分析

由于17O和17O盈余有更低的溫度敏感性，因此在水循環(huán)過程中所傳遞的信息遠優(yōu)于傳統(tǒng)的D和18O同位素.但17O在自然界中的豐度很低，測量難度大，故在水體研究中的應用較少.本文在D和18O同位素的基礎上，加入17O同位素的分析，對白洋淀地區(qū)水體的來源特征進行多角度分析.張兆吉等[20]基于全球多個國家和地區(qū)降水的δ18O和δ17O數(shù)據(jù)，得到氧同位素的全球大氣降水線 δ17O=0.528δ18O+0.000 033（R2=0.999）.白洋淀地區(qū)δ18O和δ17O的關系為δ17O=0.526δ18O+0.013（R2=1.000），斜率略低于全球大氣降水線的斜率，表明白洋淀地區(qū)的大氣降水主要來自海洋氣團.分別對4月和9月水樣的氧同位素組成進行回歸擬合，得到4月和 9月 δ18O和 δ17O的線性方程分別為 δ17O=0.531δ18O+0.024（R2=0.998）和 δ17O=0.527δ18O+0.018（R2=0.999）.圖 4為 δ17O-δ18O 的關系圖.由圖 4可以看出，9月水樣的氧同位素回歸方程的斜率（0.527）較4月的斜率（0.531）小，且接近全球大氣降水線斜率（0.528），這主要是受到豐水期降水補給的影響.

圖4 白洋淀4月和9月水體δ17O和δ18O的關系Fig.4 Relationship between δ17O and δ18O of Baiyangdian Lake water in April and September

利用Uemura等[29]定義的17O盈余公式計算白洋淀地區(qū)3種水體的17O盈余值.結果表明，白洋淀水體17O值的范圍為-0.009%~0.015%，平均值為0.002 74%，表明白洋淀地區(qū)水體受蒸發(fā)作用影響顯著.4月和9月水體中的17O盈余平均值分別為0.000 97%和0.002 75%，說明4月份水體蒸發(fā)比9月份強烈，從而使水體殘留率降低，水體中的δ18O值增加，17O盈余值減小.由于地表水的補給源較復雜，使得地表水17O盈余值較地下水波動更大、更偏正.地表水和地下水17O盈余值的變化特征不同，具體表現(xiàn)為地下水和淀水的17O盈余平均值從4月到9月有所增加，而河水的17O盈余平均值從4月到9月有所下降，說明白洋淀地區(qū)水體的主要來源發(fā)生變化，導致17O盈余值的變化.目前將17O同位素技術應用于白洋淀水體方面的研究較少，本文為白洋淀地區(qū)的水體研究提供了17O同位素的基礎數(shù)據(jù)，但由于數(shù)據(jù)積累不足，無法充分地進行橫向和縱向對比分析.

3 結論

通過在野外采集枯水期和豐水期的水樣，分析白洋淀地區(qū)地下水、河水和淀水中穩(wěn)定氫氧同位素的特征，得到以下主要結論：

（1）白洋淀地區(qū)水體中的同位素在枯水期富集，豐水期貧化.水體的δD、δ18O和δ17O的變化范圍分別為-0.815%~-8.517%、0.107%~-1.152%和0.056%~-0.606%，河水和淀水中的穩(wěn)定氫氧同位素比地下水富集.白洋淀淀區(qū)水體4月蒸發(fā)強烈，δD、δ18O和δ17O值升高，豐水期降水和補水來源增多.

（2）水體來源差異和蒸發(fā)作用程度影響著穩(wěn)定氫氧同位素的組分.各水體的穩(wěn)定氫氧同位素在豐水期差異極顯著，從4月到9月，地下水、河水和淀水δD、δ18O和δ17O的平均值降低，白洋淀水體δD與δ18O以及δ17O與δ18O的關系線均偏離大氣降水線.

（3）地表水和地下水的17O盈余值變化特征不同，水體受蒸發(fā)作用影響顯著，水體來源表現(xiàn)出強烈的季節(jié)性差異.穩(wěn)定氫氧同位素δD、δ18O和δ17O可從不同的維度解析水體蒸發(fā)作用和水體來源.白洋淀地區(qū)的淺層地下水與地表水水力聯(lián)系緊密，且白洋淀水體補給來源豐富，在下一步的研究中，需要準確獲取補給水源的同位素組分，精細描述穩(wěn)定氫氧同位素特征，系統(tǒng)解析白洋淀的水循環(huán)過程.