穩(wěn)定同位素在干旱內(nèi)陸河流域水文循環(huán)研究中的應(yīng)用

廖雯　楊海嬌　雷金平　楊延均

摘要 我國西北干旱內(nèi)陸河流域水文循環(huán)機理復(fù)雜，徑流的形成受多種因素的影響，河流沖積平原區(qū)地表水和地下水轉(zhuǎn)化頻繁，深刻影響著流域水文過程、生態(tài)環(huán)境和人類活動。穩(wěn)定同位素示蹤技術(shù)可以指示水的來源、識別不同環(huán)境下各類水體的運移。主要介紹了穩(wěn)定同位素在干旱內(nèi)陸河流域水文循環(huán)機理中的研究進展，并闡述了穩(wěn)定同位素的應(yīng)用方法及存在的問題。

關(guān)鍵詞 穩(wěn)定同位素;干旱內(nèi)陸河流域;水文循環(huán);降水;地表水—地下水轉(zhuǎn)化

中圖分類號：TV213 文獻標志碼：B 文章編號：2095–3305（2021）11–0176–03

干旱內(nèi)陸河流域降雨量少，蒸發(fā)強烈，地表水資源匱乏，水文循環(huán)機理十分復(fù)雜。受氣候、水文、地質(zhì)、構(gòu)造條件的共同控制，山區(qū)徑流形成時補給因素復(fù)雜，河流沖積平原區(qū)地表水和地下水轉(zhuǎn)化頻繁，并深刻影響著流域水文過程、生態(tài)環(huán)境和人類活動。水文循環(huán)系統(tǒng)都是由河流貫穿聯(lián)系的地表水和地下水的統(tǒng)一體，構(gòu)成獨立的水系統(tǒng)和完整的生態(tài)系統(tǒng)[1]。

氣候變化和人類活動的影響必然改變原有的水量平衡與生態(tài)平衡。尤其在人類活動強烈地區(qū)，大量灌溉引水和地下水開采能改變地表水和地下水的循環(huán)，導(dǎo)致河道徑流減少和生態(tài)退化，如綠洲遷移或萎縮、灌區(qū)地下水上升等問題[2-3]。因此，摸清流域水文循環(huán)機理，有效利用水資源、改善生態(tài)環(huán)境，是干旱內(nèi)陸河流域水資源管理中重要的環(huán)節(jié)。

在干旱內(nèi)陸河流域水文循環(huán)的研究方法中，傳統(tǒng)的估算含水層補給（如測滲計、水平衡、達西定律等）存在方法上的困難[4]。穩(wěn)定同位素示蹤技術(shù)可以指示水的來源，識別不同環(huán)境下各類水體的運移，為認識水文循環(huán)機制提供了重要的依據(jù)。

1 穩(wěn)定同位素示蹤

同位素廣泛分布于水文圈內(nèi)，有助于解決水文和生物地球化學(xué)問題。環(huán)境同位素的典型用途包括確定水源和溶質(zhì)、確定水流路徑、阻止風(fēng)化反應(yīng)的發(fā)生、評估生態(tài)系統(tǒng)中營養(yǎng)物質(zhì)的生物循環(huán)，以及測試水流路徑、水平衡和地球化學(xué)模型。同位素追蹤技術(shù)的基本原理是利用穩(wěn)定同位素的分餾作用和放射性同位素的衰變作用來對水文循環(huán)過程進行標記和計時[5]。

1.1 穩(wěn)定同位素的分餾作用

穩(wěn)定同位素的特點是不隨時間變化，并保持母體的特征。氧同位素（16O、17O和18O）和氫同位素（H、2H和3H）是理想的水源和運動的示蹤劑，因為它們是水分子的穩(wěn)定組成部分，而不是像其他示蹤劑（如氯或硅）那樣會在水中分解。在大多數(shù)低溫環(huán)境中，穩(wěn)定的氫、氧同位素表現(xiàn)保守，當它們在土壤或基巖中移動時，同位素比例在水分子中的變化很小。

同位素分餾作用指的是水在蒸發(fā)和冷凝的過程中引起不同水體中同位素組成的變化，通常用分餾系數(shù)來衡量，即[6]：

式（1）中，RA和RB分別為2種物質(zhì)中重同位素與輕同位素的比值。

由于分餾的結(jié)果，水體往往產(chǎn)生獨特的同位素組成（重同位素與輕同位素的比例），這可以表明它們的來源或形成的過程。也就是說，對于處于水文循環(huán)系統(tǒng)中不同的水體，通過分析不同環(huán)境中的水同位素，可以示蹤其來源和運移方式。

1.2 應(yīng)用同位素追蹤技術(shù)的一般程序

應(yīng)用同位素追蹤技術(shù)研究水文循環(huán)一般要進行樣品采集、分析測試和結(jié)果分析。首先，要按照一定要求，采集待測試的降水、河水、湖水或地下水樣品，并按規(guī)定進行蠟封，因為采樣過程中水的蒸發(fā)和擴散對同位素成分影響很大，樣品采集、運輸、保存過程中要避免同位素分餾。其次，在實驗室需4℃環(huán)境保存，且要盡快把樣品進行抽濾后進行測試。最后，根據(jù)測試結(jié)果進行數(shù)據(jù)分析。

2 穩(wěn)定同位素在水文循環(huán)中的應(yīng)用

2.1 大氣降水方程及水汽來源

降水中穩(wěn)定同位素的研究主要集中在2H（D）、18O。因為水分子中輕同位素（1H、16O）的蒸發(fā)效應(yīng)大于重同位素（D、18O），水汽在蒸發(fā)過程中輕同位素在氣態(tài)富集，冷凝過程中重同位素在液態(tài)富集，分別表現(xiàn)為D、18O、T的貧化和富集現(xiàn)象。Craig H[7]提出了全球大氣方程：

式（2）中，δD為氘（2H）同位素相對含量（‰）;δ18O為氧（18O）同位素相對含量（‰）。

（2）式繪制出的直線稱為全球大氣降水線（GMWL）。同時，大氣降水氘盈余（d-excess）被定義為[8]：

d-excess值的大小與水汽來源有關(guān)，在水汽運移過程中與局地蒸發(fā)的水汽混合，也可能影響d-excess值的大小，在雨滴降落過程中的二次蒸發(fā)作用也可能影響d-excess值的大小。一般來自高緯度內(nèi)陸蒸發(fā)的降水d-excess值>10‰，而來自低緯度海洋蒸發(fā)的降水d-excess值<10‰[9]，在干旱氣候條件下雨滴在降落過程中蒸發(fā)強烈也會造成降水d-excess 值偏低[10]，據(jù)此結(jié)合大氣降水氣團傳輸途徑和過程研究，可以反映局部地區(qū)的水汽來源及其環(huán)境特征。表1匯總了各干旱內(nèi)陸河流域大氣降水方程及水汽來源。

由此可知，受水汽來源及氣候變化影響，干旱地區(qū)水體受蒸發(fā)的影響較大，干旱內(nèi)陸河地區(qū)大氣降水線斜率和截距均小于GMWL。同時，降水中18O同位素值隨季節(jié)發(fā)生周期性變化，且與降雨量直接存在著某種關(guān)系。降水中的D和18O也會受到高度、水汽資源的環(huán)境條件、移動的距離、蒸汽源的環(huán)境、緯度和濕度的影響。

2.2 河水和地下水補給來源

干旱區(qū)大多數(shù)河流中的水有3個來源：降水、地下水和冰川融雪水。這些水源的相對貢獻因流域而異，取決于流域的物理環(huán)境（如地形、土壤類型、基巖深度、植被和裂縫）、氣候參數(shù)（如降水量、不同季節(jié)的降水、溫度和潛在蒸散發(fā)）以及人類活動（如大壩、水庫、灌溉設(shè)施、農(nóng)業(yè)用地和河道改造）。河流的這3個來源的同位素特征可以用來研究區(qū)域水文循環(huán)，根據(jù)端元混合模型[6]計算補給比重：

式（4）中，δ為穩(wěn)定同位素示蹤劑濃度，‰;fu，fv，為其中2個端元在混合端元中的占比;t，u，v，z為代表混合后水體和3個來源。66B17F49-F3A7-4B8E-9151-52BC7AC11439

干旱內(nèi)陸河流域因降水稀少、地表水資源稀缺，在進行地下水資源評估時，需考慮降水是否入滲補給地下水以及如何補給地下水，同理依靠地下水中18O和D含量的存在也可推斷出地下水的來源。河流的δD和δ18O同位素值反映降水和地下水隨時間的變化，以及同位素組成隨時間的變化。

以降水和冰川融雪為主要來源的河流季節(jié)性變化大，4—5月冰川和積雪開始融化，以冰川融雪為主要補給的河流會出現(xiàn)春汛，6—9月隨著干旱區(qū)降水的增加，以降水為補給的河流流量逐漸加大，冬季干涸的季節(jié)性河流出現(xiàn)，甚至大量補給上級河流。隨著地形的變化和流域面積的增大，河流的同位素組成會受蒸發(fā)作用的影響，尤其是氣候干旱地區(qū)，蒸發(fā)量遠遠大于降水量，河水和地下潛水均會受到強烈的蒸發(fā)作用，這一點也會被穩(wěn)定同位素特征所驗證。

2.3 地表水—地下水轉(zhuǎn)化

同位素指證地表水—地下水轉(zhuǎn)化是借鑒了水文地球化學(xué)方法。對比沿河縱向河水和地下水中的δ18O富集/貧化趨勢，表征該河段河水與地下水的水力聯(lián)系及補給關(guān)系。如典型干旱內(nèi)陸河在徑流形成后從出山口流出，在山前平原河水大量滲漏地下，地下水中的δ18O的變化幅度較大，河水中的δ18O呈現(xiàn)出較為穩(wěn)定的趨勢，地下水中的δ18O呈現(xiàn)出富集的趨勢，說明上游地下水接受河水的入滲補給;下游地下水中的δ18O的變化幅度較大，呈現(xiàn)先貧化后富集的趨勢，河水中的δ18O呈現(xiàn)出較為平穩(wěn)的沿程變化，在該河段河水與地下水氧穩(wěn)定同位素沿程變化有多次交叉，說明此河段河水與地下水的轉(zhuǎn)換關(guān)系發(fā)生了改變，且轉(zhuǎn)換次數(shù)較多。地同位素追蹤技術(shù)雖然指征了河水和地下水在某個區(qū)域存在轉(zhuǎn)化，但不能準確確定水的地理來源，也不能直接確定實際的徑流機制，因此仍需結(jié)合傳統(tǒng)的測滲方法、水化學(xué)方法等。

目前地表水—地下水轉(zhuǎn)化關(guān)系的研究方法包括水動力學(xué)、水化學(xué)及溫度場等，結(jié)合同位素追蹤技術(shù)，可以通過分析補給高程等研究地下水的來源[17]。同位素結(jié)合水文地球化學(xué)等方法的研究也逐漸興起，文廣超等[18]結(jié)合水文地球化學(xué)方法及同位素方法，利用TDS，C1-、δ18O定性分析了巴音河流域不同河段地表水與地下水之間的轉(zhuǎn)化關(guān)系和各類水體之間的補給比例;肖勇[19]在分析諾木洪河流域與格爾木河流域地質(zhì)及水文地質(zhì)的基礎(chǔ)上，綜合應(yīng)用水文地球化學(xué)、環(huán)境同位素、數(shù)值模擬等技術(shù)方法，分析了柴達木盆地地下水補給和循環(huán)特征，建立了典型地下水文循環(huán)演化模式，模擬了地下水文循環(huán)對盆地氣候變化及人類活動的響應(yīng)規(guī)律。

3 存在的問題及展望

3.1 存在的問題

（1）為保證研究結(jié)果的可靠性，穩(wěn)定同位素示蹤技術(shù)的應(yīng)用需要高頻率、高密度的樣品采集工作，有時受氣候、交通、地理等條件限制，不能采集所需樣品，致使有些高寒高海拔地區(qū)的流域缺少此類研究。

（2）干旱內(nèi)陸河流域同位素觀測站點數(shù)量少，區(qū)域分布范圍小，觀測數(shù)據(jù)年限短，對有些區(qū)域水文循環(huán)機理研究還不透徹，小流域的水文循環(huán)研究很難推廣到大尺度區(qū)域范圍。

（3）穩(wěn)定同位素示蹤法的一個主要局限性是僅從當時對水的了解，既不能直接確定水是如何進入河流的（如水的地理來源），也不能直接確定實際的徑流機制。

3.2 展望

穩(wěn)定同位素的應(yīng)用為研究水文循環(huán)提供了新的示蹤手段，其主要用途是追蹤各類水體的來源，識別地表水-地下水相互補給等，結(jié)合水文學(xué)、水化學(xué)、水力學(xué)等方法可以獲得更好的效果。如建立實驗?zāi)Ｐ?，通過自然及人工降雨，對降水、產(chǎn)匯流、入滲過程等進行同位素取樣分析，研究三水轉(zhuǎn)化關(guān)系及其水文循環(huán)機理[20]。總的來說，綜合運用水化學(xué)、同位素及數(shù)值模擬技術(shù)等多種方法研究流域水文循環(huán)規(guī)律及演化機制已成為干旱內(nèi)陸河流域水文循環(huán)研究的發(fā)展趨勢。

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責(zé)任編輯：黃艷飛

Application of Stable Isotope in the Study of Hydrologic Cycle in Arid Inland River Basin

LIAO Wen et al（School of Water Conserv-ancy and Electric Power， Qinghai University， Xining， Qinghai 810016）

Abstract The hydrologic cycle mechanism of arid inland river basins in northwest China is complex. The formation of runoff is affected by many factors， the conversion of surface water and groundwater is frequent in alluvial plain， these profoundly affect the hydrological process， ecological environment and human activities. Stable isotope tracing technique can indicate the source of water and identify the migration of various water bodies in different environments. In this paper， the research progress of stable isotopes in the hydrologic cycle mechanism of arid inland river basin was introduced， and the application methods and existing problems are described.

Key words Stable isotope; Arid inland river basin; Water cycle; Precipitation; Interaction between surface water and groundwater

基金項目 青海大學(xué)中青年科研基金項目（2018-QGY-9）;清華大學(xué)水沙科學(xué)與水利水電工程國家重點實驗室開放基金項目（sklhse-2019-A-04）。

作者簡介 廖雯（2000—），女，青海湟中人。#通信作者：楊海嬌（1989—），女，青海共和人，講師，主要從事水文及水資源研究。

收稿日期 2021-08-2166B17F49-F3A7-4B8E-9151-52BC7AC11439