湟水流域高山徑流時(shí)空變化及不同水源貢獻(xiàn)率分析

張偉峰，蒲軍竹，杜喜龍

（青海省引大濟(jì)湟工程建設(shè)運(yùn)行局，青海 西寧810000）

1 流域概況

湟水流域發(fā)源于青海省海晏縣，是黃河上游一級(jí)支流，省內(nèi)長(zhǎng)度為335.5 km，流域面積1.59 km2，流域地勢(shì)南高北地，且蜿蜒于群山之中，在西寧西郊河處流經(jīng)石頭峽水庫(kù)庫(kù)區(qū)，庫(kù)區(qū)以上地帶為海拔高度1780 m～4400 m的山區(qū)，山體主要為安山巖和花崗巖，山坡頂部巖石裸露，部分區(qū)域植被覆蓋率高達(dá)70%～85%，代表性植被主要是側(cè)柏、油松、蘋(píng)果、荊條、酸棗等寒溫帶早生闊葉林亞帶植物；庫(kù)區(qū)以下主要為丘陵地帶，海拔高度在350 m～1780 m之間，表層主要覆蓋著棕壤褐土和黃土礫石土壤，棕壤褐土主要分布在海拔350 m～650 m的中低山及丘陵地區(qū)，黃土礫石分布在丘陵溝谷地帶。流域水資源總量呈逐年下降態(tài)勢(shì)，當(dāng)前水資源利用率為50%～60%，已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出世界公認(rèn)的40%的極限水平，流域水資源大規(guī)模開(kāi)發(fā)利用的潛力已經(jīng)基本喪失。海東及西寧等縣目前修建起的攔蓄水設(shè)施在發(fā)揮攔蓄湟水支流作用的同時(shí)，導(dǎo)致湟水流域及支流水量持續(xù)降低。

2 研究方法

2.1 樣本采集

為便于對(duì)比分析，以石頭峽水庫(kù)庫(kù)區(qū)為界限將湟水流域劃分為高海拔集水區(qū)域和低海拔集水區(qū)域，在湟水流域主流和支流共設(shè)置1個(gè)低海拔采樣點(diǎn)和1個(gè)高海拔采樣點(diǎn)，低海拔采樣區(qū)域海拔高度為1065 m，高海拔采樣區(qū)域海拔高度為3090 m，在2019年3月（枯水期）、6月（平水期）和9月（豐水期）分三次采樣。在3月枯水期和6月平水期內(nèi)，各測(cè)點(diǎn)分別在上午10：00、中午13：00和下午16：00進(jìn)行取樣，間隔取樣3 d；在9月豐水期內(nèi)，取樣主要圍繞一次降雨歷程而展開(kāi)，即在各測(cè)點(diǎn)均按照降雨開(kāi)始時(shí)采樣1次，此后按2 h的間隔采樣，并保證各測(cè)點(diǎn)所收集到的樣品共為9份。河水取樣通過(guò)容量為1 L的混合式采樣器將全部樣本收集起來(lái)后即刻裝入容積250 mL的塑料瓶常溫密封存放；降水取樣則由流域氣象部門(mén)提供的雨量器收集盛裝。

2.2 室內(nèi)測(cè)定及計(jì)算方法

湟水流域大氣降水氫穩(wěn)定同位素樣品室內(nèi)測(cè)定結(jié)果通常采用與平均海水SMOW標(biāo)準(zhǔn)相對(duì)的千分差［1］表示，并采用Thermal Finnigan MAT DelTaplus XP同位素質(zhì)譜儀進(jìn)行樣品的測(cè)定。湟水流域不同水源對(duì)高山徑流、平水徑流和洪峰徑流過(guò)程的貢獻(xiàn)率按照二元混合模型［2］計(jì)算，具體如下：

式中：δM為河水/降水混合后氫同位素含量；fA為基流貢獻(xiàn)程度，%；fB為降雨/地下水貢獻(xiàn)程度，%；δA為枯水期/平水期基流氫同位素含量；δB為降雨/地下水氫同位素含量。

考慮到湟水流域降水中氫同位素高度效應(yīng)較為顯著，故集水區(qū)域內(nèi)特定高度降水所對(duì)應(yīng)的氫同位素含量δD值可通過(guò)以下?lián)Q算關(guān)系［3］得出：

式中：δy為集水區(qū)域內(nèi)特定高度降水所對(duì)應(yīng)的δD值；δx為已知高度降水所對(duì)應(yīng)的δD值；Δδ為該集水區(qū)域內(nèi)隨高度變化的δD值；Δh為特定高度和已知高度之差。

3 研究過(guò)程及結(jié)果

3.1 高山徑流時(shí)間變化

通過(guò)分析和比較春季、夏季、秋季等不同季節(jié)條件下氫穩(wěn)定同位素取值（圖1）可以看出，在不同季節(jié)湟水流域河水的氫穩(wěn)定同位素取值存在一定變化，但其均值隨季節(jié)變動(dòng)逐漸變負(fù)，也就是說(shuō)，在每年3月份（春季）流域河水所富集的氫氧原子較多，在9月份（秋季）河水所富集的氫氧原子較少；此外，高海拔集水區(qū)域和低海拔集水區(qū)域流域河水氫穩(wěn)定同位素取值均隨季節(jié)改變而呈現(xiàn)出明顯且相同的變化趨勢(shì)。降水是湟水流域河水的初始來(lái)源，現(xiàn)有研究成果也顯示，大氣降水中氫穩(wěn)定同位素取值本身就存在一定季節(jié)效應(yīng)，所以，湟水流域河水內(nèi)氫穩(wěn)定同位素的變動(dòng)趨勢(shì)直接反映了降水中氫穩(wěn)定同位素的變動(dòng)規(guī)律。

圖1 不同季節(jié)條件下氫穩(wěn)定同位素取值

3.2 高山徑流空間差異

根據(jù)所進(jìn)行的湟水流域高海拔集水區(qū)域和低海拔集水區(qū)域氫穩(wěn)定同位素取值的時(shí)間序列比較分析可知，在同一歷史時(shí)期，隨著海拔的不斷降低氫穩(wěn)定同位素取值逐漸由負(fù)變正，也即高海拔集水區(qū)域的河水富集氫原子量較少，而低海拔集水區(qū)域河水富集的氫原子量較多，見(jiàn)圖2，而且在湟水流域的高海拔山區(qū)，降雨過(guò)程中可能出現(xiàn)的非平衡分餾會(huì)導(dǎo)致氫穩(wěn)定同位素過(guò)多的富集在高海拔山區(qū)，所以低海拔集水區(qū)富集更多氫原子的現(xiàn)象在高山區(qū)域表現(xiàn)的更為明顯。

由于湟水流域內(nèi)氫穩(wěn)定同位素存在明顯的海拔效應(yīng)，故能通過(guò)海拔差及所對(duì)應(yīng)的氫氧穩(wěn)定同位素取值的變動(dòng)，求得海拔高度變化所引起的氫穩(wěn)定同位素的變動(dòng)情況，具體見(jiàn)表1。

表1 海拔高度變化所引起的氫穩(wěn)定同位素的變幅

由表1結(jié)果可以看出，對(duì)于枯水期、平水期和洪水期，湟水流域值在每100 m內(nèi)的變動(dòng)幅度差異較大，這種差異是不同水文過(guò)程的體現(xiàn)：枯水期湟水流域河水主要通過(guò)冰川融雪補(bǔ)給，平水期流域河水補(bǔ)給來(lái)源中還包括地下水，洪峰期補(bǔ)給水源中又加入了降水因素。然而，由于湟水流域地下水因素較為活躍，表1中不考慮地下水的影響而僅根據(jù)湟水流域不同季節(jié)河水量所得出的數(shù)值無(wú)法代替大氣降水δD值的變動(dòng)趨勢(shì)，但可以通過(guò)洪峰期徑流均值和平水期徑流均值之差表示大氣降水中δD值變動(dòng)率。所以，湟水流域大氣降水隨海拔高度變化的δD值為-0.20%，且因?yàn)椴煌Я魉丛诤榉迤趦?nèi)的匯合而造成值δD變幅較大。

圖2 高海拔和低海拔區(qū)域氫穩(wěn)定同位素取值的比較

3.3 不同水源貢獻(xiàn)率

3.3.1 枯水期

根據(jù)上述分析，湟水流域平水期雨后混合徑流主要受地下水和枯水期基流（即冰川融雪）影響較大，按照本文所采用的二元混合模型進(jìn)行不同水源對(duì)湟水流域平水期徑流和洪峰期徑流貢獻(xiàn)率的分析，具體見(jiàn)表2。

表2 地下水與枯水期基流對(duì)平水期雨后混合徑流的貢獻(xiàn)率

通過(guò)量化分析不同水源對(duì)湟水流域高山徑流平水期雨后混合徑流的貢獻(xiàn)率表明，在平水期內(nèi)，枯水期基流對(duì)高海拔和低海拔區(qū)域平水期雨后混合徑流的貢獻(xiàn)率分別為89.15%和85.71%，地下水對(duì)高海拔和低海拔區(qū)域平水期雨后混合徑流的貢獻(xiàn)率分別為119.85%和124.40%。表明地下水是湟水流域河水的主要補(bǔ)給來(lái)源，但對(duì)于不同海拔的集水區(qū)域，地下水水源的貢獻(xiàn)程度不同，即低海拔集水區(qū)比高海拔集水區(qū)來(lái)源于地下水的補(bǔ)給量更大；枯水期基流（即冰川融雪）對(duì)高海拔集水區(qū)的貢獻(xiàn)更大。

3.3.2 豐水期

湟水流域洪峰期徑流主要受降水的影響，采用二元混合模型進(jìn)行不同水源對(duì)湟水流域降水對(duì)洪峰期徑流貢獻(xiàn)率的分析，結(jié)果見(jiàn)表3。其中的基流包括降水和冰川融雪，由公式（3）求得不同海拔條件下降水的δD值；平水期基流反映的是降雨前的情況，洪峰期徑流則是降雨后混合徑流的體現(xiàn)。

表3 降水對(duì)洪峰期徑流的貢獻(xiàn)率

在豐水期，平水期基流對(duì)于高海拔集水區(qū)和低海拔集水區(qū)的貢獻(xiàn)率分別為79.23%和96.49%，降雨的貢獻(xiàn)比分別為115.70%和113.27%，表明降水是湟水流域洪峰期徑流的主要來(lái)源，高海拔集水區(qū)降水的貢獻(xiàn)率略大于低海拔集水區(qū)；此外，平水期基流對(duì)低海拔集水區(qū)的貢獻(xiàn)程度比對(duì)高海拔集水區(qū)大。

4 結(jié)論

通過(guò)本文的分析可知，湟水流域河道徑流呈現(xiàn)出較為明顯的時(shí)空變化趨勢(shì)。本文主要通過(guò)氫穩(wěn)定同位素的變化進(jìn)行流域河道徑流變化的表征與反映，主要原因在于氫元素是構(gòu)成水分子的主要元素，也是較為理想的水源示蹤及水文演變過(guò)程的分析方法。流域河水中氫穩(wěn)定同位素所表現(xiàn)出的時(shí)空變化其實(shí)是降水形成機(jī)制與地形格局之間互相影響和作用的必然結(jié)果，氫穩(wěn)定同位素在大氣降水的影響下表現(xiàn)出明顯的季節(jié)效應(yīng)，流域在地形格局影響下表現(xiàn)出一定的海拔效應(yīng)。湟水流域所在區(qū)域隨季節(jié)變動(dòng)在3月～9月蒸發(fā)較強(qiáng)烈，富集較輕氫穩(wěn)定同位素的水汽在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中不斷增多，所以氫穩(wěn)定同位素的取值隨季節(jié)變化而逐漸由正變負(fù)。在降水自然下落的過(guò)程中，隨著地形格局（即海拔）的降低溫度升高，蒸發(fā)變強(qiáng)，導(dǎo)致氫穩(wěn)定同位素分餾作用增強(qiáng)，所以低海拔降水更容易富集較重的氫原子，也即海拔降低后氫穩(wěn)定同位素的值會(huì)由負(fù)變正。

本文的研究還表明，在枯水期、平水期和洪峰期等不同徑流時(shí)期以及不同海拔條件下，不同水源對(duì)湟水流域河水貢獻(xiàn)率不同，對(duì)于這種貢獻(xiàn)率方面的差異，影響因素也較為復(fù)雜，如海拔差異所對(duì)應(yīng)的溫度差異、氣候條件差異、蒸發(fā)量差異等。而且在平水期，無(wú)論海拔情況如何，地下水水源的貢獻(xiàn)程度均大于枯水期基流（即冰川融雪）的貢獻(xiàn)程度；在豐水期，無(wú)論海拔情況如何，降水的貢獻(xiàn)程度均大于平水期基流的貢獻(xiàn)。