淮河流域水庫(kù)（群）對(duì)河流氫氧同位素組成的影響

瞿思敏，鄭何聲園，孫苗苗，石 朋，2，徐時(shí)進(jìn)，胡友兵

（1.河海大學(xué)水文水資源學(xué)院，南京 210098；2.河海大學(xué)水文水資源與水利工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210098；3.淮河水利委員會(huì)水文局（信息中心），安徽蚌埠 233001）

0 引 言

水利工程是為了控制和調(diào)配自然界的水資源，滿足人類生產(chǎn)生活需要，達(dá)到興利除害目的而修建的工程，20世紀(jì)以來，水利工程建設(shè)在世界范圍內(nèi)達(dá)到頂峰。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，全球大型水利工程的累計(jì)蓄水容量從1900年的不到1 000 億m3增加到2000年的約83 000 億m3［1，2］。到21 世紀(jì)初，世界上約60%的河流被各種水庫(kù)和閘門所調(diào)控［3］，預(yù)計(jì)到2025年這一比例將達(dá)到70%［4］。水利工程在防洪、供水、發(fā)電、航運(yùn)等方面發(fā)揮了重要的作用，極大地促進(jìn)了社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。與此同時(shí)，水利工程也產(chǎn)生了一定的消極影響。水利工程使河川徑流的天然情況被改變，河流的連通性減少，集水區(qū)分裂，流域下墊面發(fā)生巨大變化，導(dǎo)致水文過程發(fā)生改變，對(duì)水文特征產(chǎn)生重要的影響，被認(rèn)為是對(duì)河流影響最大的因素［5-7］。因此，評(píng)價(jià)和分析水利工程建設(shè)對(duì)水文過程的影響具有重要的科學(xué)意義［8-12］。

淮河流域是我國(guó)水利工程建設(shè)最密集的地區(qū)之一，在1970-1980年間流域內(nèi)水利工程建設(shè)達(dá)到頂峰。自20 世紀(jì)70年代以來，流域內(nèi)出現(xiàn)了泥沙淤積、河流干涸等一系列問題［13］，并且，流域干流的洪水特征發(fā)生了明顯的變化。這些問題是否受到了水利工程建設(shè)的影響以及如何定量評(píng)估水利工程建設(shè)對(duì)流域水循環(huán)過程的影響，是水文學(xué)的研究前沿與熱點(diǎn)。

在流域水文循環(huán)過程中，組成水分子的穩(wěn)定同位素D或18O主要受不同水源混合以及一些物理過程如蒸發(fā)、凝結(jié)等影響而構(gòu)成同位素分餾，引起同位素含量變化，且以不同水源的混合影響為主。這些穩(wěn)定同位素可以提供物質(zhì)遷移以及降雨與流域上蓄量混合的信息并因此被廣泛應(yīng)用在水文學(xué)的各個(gè)研究領(lǐng)域［14，15］。主要包括：大氣降水、河水、地下水中穩(wěn)定同位素變化趨勢(shì)［16，17］，利用同位素分析了解地下水年齡、補(bǔ)給來源、地下水資源評(píng)價(jià)［18］，指示水流路徑［19］，地表水與地下水的轉(zhuǎn)換［20］等。但是，現(xiàn)有的研究對(duì)河流不同水庫(kù)組合影響下水環(huán)境過程的關(guān)注較少，對(duì)水利工程影響下水環(huán)境演變規(guī)律難以準(zhǔn)確把握。因此，本文選取淮河流域支流史灌河上2座大型水庫(kù)，梅山水庫(kù)和鲇魚山水庫(kù)為研究對(duì)象，通過對(duì)不同水庫(kù)組合下各水體的氫氧同位素組成進(jìn)行研究與分析，結(jié)合電導(dǎo)率和水化學(xué)特征，分析水庫(kù)攔截作用下氫氧同位素的時(shí)空分布變化規(guī)律，并探討其主要影響因素及不同水庫(kù)類型對(duì)氫氧同位素組成的影響程度，對(duì)研究水利工程對(duì)水環(huán)境過程的影響有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 研究區(qū)域概況

1.1 流域概況

淮河流域（N30°55'～36°36'，E111°55'～121°25'），是我國(guó)第六大流域，流域總控制面積約27萬km2，全長(zhǎng)約1 250 km。山丘區(qū)面積約占全流域面積的1/3，平原、湖泊、洼地面積約占2/3。此外，流域內(nèi)還星羅棋布地分布著一些湖泊、洼地。

以淮河與蘇北灌溉總渠為界，流域南部屬副熱帶濕潤(rùn)區(qū)，北部屬暖溫帶半濕潤(rùn)區(qū)。流域年平均氣溫在14～15.7 ℃之間，由北向南逐漸升高。流域內(nèi)相對(duì)濕度較大，年均相對(duì)濕度67%～80%。年均水面蒸發(fā)量在800～1 200 mm 之間，由北向南、由東向西呈減小趨勢(shì)。而年均陸面蒸發(fā)量在500～800 mm 之間，呈現(xiàn)南多北少、東大西小的趨勢(shì)。流域多年平均降水量為910 mm，總體呈現(xiàn)由南向北減小的趨勢(shì)。山區(qū)降水量最多，其中大別山區(qū)年降水量大于1 400 mm，桐柏山和伏牛山年降水量為1 000～1 200 mm。降水量年內(nèi)分配不均，年際間變化也較大。流域內(nèi)主要有兩種類型暴雨：一種是6、7月份的流域大暴雨，其范圍廣、雨量足、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，這種暴雨主要由切變線和低空急流等天氣系統(tǒng)引起；另一種是8月份的臺(tái)風(fēng)雨，其范圍小、歷時(shí)短但強(qiáng)度極大。流域多年平均徑流深為237 mm，分布特征與降水量大致相同。山丘區(qū)年徑流較大，超過300 mm，而淮北地區(qū)徑流深不足100 mm。年徑流年內(nèi)分配不均勻度大于降水量，6-9月徑流量可占全年的55%～85%。而年際間變化幅度劇烈，極值間相差懸殊，豐枯變化頻繁。

本文的研究區(qū)域?yàn)槭饭嗪蛹盎春痈闪魃贤跫覊蔚綕?rùn)河集河段。研究區(qū)域拓?fù)潢P(guān)系見圖1。

圖1 研究區(qū)域概化圖及采樣點(diǎn)分布Fig.1 The region generalization map and the distribution of sampling points

1.2 水利工程概況

淮河流域是我國(guó)水利工程建設(shè)密度最高的地區(qū)之一，目前全流域已經(jīng)修建了5 700 多座水庫(kù)和5 400 多座閘門，總庫(kù)容達(dá)到近300 億m3，約占整個(gè)流域年均徑流量的50%。流域平均每50 km2有一個(gè)水庫(kù)，平均每條支流有近10 個(gè)閘門或水庫(kù)。其中，大型水庫(kù)有38 座，總庫(kù)容約190 億m3，興利庫(kù)容約74 億m3，防洪庫(kù)容約56 億m3?；春恿饔?8 座大型水庫(kù)中，有20 座位于淮河流域，其中燕山水庫(kù)和白蓮崖水庫(kù)修建于2000年以后，另外18 座位于沂沭泗流域。這38 座水庫(kù)控制面積約達(dá)3.5 萬km2，約占整個(gè)流域山丘區(qū)面積的1/3。中型水庫(kù)166座，總庫(kù)容達(dá)48 億m3。在水閘中，大中型閘門有600 多座，主要用于攔蓄河水，調(diào)節(jié)徑流以及補(bǔ)充地下水。

本文選取史灌河上2 座大型水庫(kù)，鲇魚山水庫(kù)和梅山水庫(kù)作為研究對(duì)象，水庫(kù)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)見表1。

表1 水庫(kù)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)Tab.1 Basic data of reservoirs

2 樣品采集及分析

2020年12月7日-13日，分別對(duì)史河及淮河干流上5 個(gè)采樣點(diǎn)進(jìn)行采樣。為了考慮水利工程對(duì)水庫(kù)及河流氫氧同位素組成的影響，在鲇魚山水庫(kù)、梅山水庫(kù)，2 座水庫(kù)下游的蔣家集站（水庫(kù)影響很大）采樣，同時(shí)在淮河干流史灌河匯集點(diǎn)以上的王家壩站（水庫(kù)影響較小）和匯集點(diǎn)以下的潤(rùn)河集站（水庫(kù)影響較大）進(jìn)行采樣。采集樣品共計(jì)70個(gè)，采樣點(diǎn)的分布見圖1。

河水和水庫(kù)水采集主要在河道和水庫(kù)中心處，將30 mL 聚乙烯采樣瓶置于水下大約10 cm 處，用采樣瓶收集河水和水庫(kù)水（注意一定采滿水樣，用以防止蒸發(fā)）。采集兩瓶水樣，一瓶用來分析同位素、電導(dǎo)率及水化學(xué)離子，另一瓶備用。采樣在每天上午8∶00和下午4∶00各進(jìn)行一次。

野外采集的水樣在河海大學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室由質(zhì)譜儀（MAT253）進(jìn)行同位素分析（δ2H 和δ18O），通過高溫裂化下的H2-H2O 平衡法得到氘的樣本，而氧的樣本則通過CO-H2O 平衡法得到。其中，18O 測(cè)試精度為±0.2‰，2H 測(cè)試精度為±2‰。用相對(duì)于維也納標(biāo)準(zhǔn)平均海水（V-SMOW）的千分偏差δ值（‰）來表示同位素組成：

式中：R為2H/1H或18O/16O。

采用離子色譜法測(cè)定Cl-，便攜式電導(dǎo)率儀測(cè)定電導(dǎo)率。

3 結(jié)果與討論

3.1 水化學(xué)及同位素一般組成

5 個(gè)采樣點(diǎn)的電導(dǎo)率（EC），氯離子（Cl-）及同位素的平均值、最大值和最小值見表2。

表2 水化學(xué)及同位素特征Tab.2 Water chemistry and isotopic characteristics

Cl-濃度變化范圍為1.68～44.07 mg/L，梅山水庫(kù)濃度最低，為1.85 mg/L，上游王家壩濃度最高，為36.22 mg/L，蔣家集和潤(rùn)河集濃度降低主要受水庫(kù)下泄水的影響，蔣家集離水庫(kù)近，影響更大，下降更多。EC的變化范圍為76～490 μs，變化跟Cl-一致，也是梅山水庫(kù)最低，為78.46 μs，王家壩最高，為409.6 μs，蔣家集和潤(rùn)河集EC降低主要受水庫(kù)下泄水的影響，蔣家集離水庫(kù)近，影響更大，下降更多。

δ18O 的變化范圍為-9.52‰～-6.72‰，梅山水庫(kù)值最小，為-9‰。δD 的變化范圍為-64.56‰～42.43‰，梅山水庫(kù)值最小，為-58.83‰，蔣家集和潤(rùn)河集相差不大，一個(gè)為-46.76‰，一個(gè)為-49.79‰。

3.2 同位素含量的時(shí)空變化特征

一般來說，大氣降水輸入、支流匯入以及湖泊等是影響氫氧同位素在水庫(kù)水體中分布的主要因素［21］。研究表明，大氣降水是影響淮河流域氫氧同位素分布的主要因素。而大氣降水中氫氧同位素含量變化主要包括以下幾方面因素的影響：①降水水汽來源以及水汽輸送過程，比如大陸效應(yīng)和緯度效應(yīng)；②局地氣象因素，比如氣溫、降水量、濕度等；③研究區(qū)的海拔，比如高程效應(yīng)［22］。除此之外，還包括匯集過程中蒸發(fā)作用的影響等等。這些因素的影響程度及相互關(guān)系還沒有一致的結(jié)論［23-25］。

3.2.1 時(shí)間變化

各水庫(kù)庫(kù)區(qū)水及下游斷面和干流上下游斷面δ18O 隨時(shí)間變化如圖2～圖6 所示?？傮w上看，2 個(gè)水庫(kù)庫(kù)區(qū)水同位素變化比較平緩（圖2 和圖3），除了極個(gè)別點(diǎn)，因?yàn)槭苌嫌瓮凰刎毣涤暧绊?，同位素含量偏低。有水?kù)支流匯入點(diǎn)以上斷面王家壩氧同位素變化比較平穩(wěn)（圖4），12月11日受降水影響（表3），同位素貧化。水庫(kù)下游斷面蔣家集、干流上有水庫(kù)支流匯入點(diǎn)以下斷面潤(rùn)河集同位素波動(dòng)較大（圖5 和圖6），可能跟影響因素較多有關(guān)系。

表3 氣象要素表Tab.3 meteorological elements

圖2 梅山水庫(kù)氧18時(shí)程變化圖Fig.2 Temporal variation of oxygen-18 in Meishan Reservoir

圖3 鲇魚山水庫(kù)氧18時(shí)程變化圖Fig.3 Temporal variation of oxygen-18 in the Nianyushan Reservoir

圖4 王家壩站氧18時(shí)程變化圖Fig.4 Temporal variation of oxygen-18 at Wangjiaba station

圖5 蔣家集站氧18時(shí)程變化圖Fig.5 Temporal variaton of oxygen-18 at Jiangjiaji Station

圖6 潤(rùn)河集站氧18時(shí)程變化圖Fig.6 Temporal variation of oxygen-18 at Runheji station

3.2.2 空間變化

綜合12月7日-13日王家壩、梅山水庫(kù)、鲇魚山水庫(kù)、蔣家集和潤(rùn)河集5個(gè)采樣點(diǎn)70次水樣δ18O和δD沿流向的變化情況，如圖7～圖8 所示。各水體氫氧同位素組成沿河流流向上變化趨勢(shì)一致，總體偏正。出現(xiàn)這種情況的原因可能是：①河水的氫氧同位素組成一定程度上受到水庫(kù)作用的影響，由于河水被水庫(kù)所攔截，滯留時(shí)間上游水體較下游更短，這就使得蒸發(fā)作用時(shí)間更短，水體中氫氧同位素分餾程度也相對(duì)較低，導(dǎo)致上游水體相對(duì)偏負(fù)；②另一方面，兩種同位素在降水中的含量隨著采樣點(diǎn)緯度的降低而增大，這是緯度效應(yīng)影響同位素在大氣降水中的組成。

圖7 氧18沿流向變化Fig.7 δ18O variation along the flow direction

圖8 氘沿流向變化Fig.8 δD variation along the flow direction

3.3 水體水線

隨著水相態(tài)的轉(zhuǎn)化，氫氧同位素在大氣降水中的含量也會(huì)隨之改變，可以用大氣降水線來表現(xiàn)氫氧同位素組成在降水過程中存在的差異［26］。大氣降水線表示了δ18O 和δD 之間的線性關(guān) 系［27］，Craig［28］在1961年首次建立了全球大氣降水線（GWML）：δD=8δ18O+10。D 相對(duì)平衡狀態(tài)的偏離程度由截距表示，18O 和D 之間分餾速率的關(guān)系由斜率表示。水汽來源、水汽輸送方式、濕度、溫度等是影響大氣降水線的主要因素。每個(gè)區(qū)域由于地理位置和氣候條件的不同，當(dāng)?shù)氐拇髿饨邓€會(huì)有較大差別。淮河流域有鄭州、煙臺(tái)、南京3 個(gè)觀測(cè)站在GNIP觀測(cè)網(wǎng)中，本文研究區(qū)域靠近南京市，所以選取南京降水線跟水庫(kù)和河水進(jìn)行比較，見圖9。

圖9 水體氫氧同位素與LMWL的比較Fig.9 Comparison of Hydrogen and Oxygen Isotopes and LMWL in Water

總體來看，數(shù)據(jù)點(diǎn)整體較大程度偏離LMWL。數(shù)據(jù)點(diǎn)主要集中于南京降水線（代表LWML）下方，水庫(kù)水體點(diǎn)集中于左下方，河水水體點(diǎn)集中于右下方，只有少部分水庫(kù)水體點(diǎn)落在南京降水線上?；春恿饔蛩臍溲跬凰亟M成主要是受大氣降水輸入影響，出現(xiàn)以上情況可以說明，水庫(kù)段的蒸發(fā)作用較強(qiáng)。有水庫(kù)的河流相對(duì)一般的河流平均流速有所降低，蒸發(fā)作用隨水體滯留時(shí)間加長(zhǎng)而加強(qiáng)，水體氫氧同位素值與大氣降水相比分餾程度較大，從而造成河水氫氧同位素偏離LMWL。

4 結(jié) 論

時(shí)間變化上，兩個(gè)水庫(kù)水體的同位素變化比較平穩(wěn)，干流上，王家壩站比較平穩(wěn)，12月11日受降水影響，同位素貧化。蔣家集和潤(rùn)河集同位素變化波動(dòng)較大，影響因素較多。

空間變化上，水體氫氧同位素組成沿河流流向上變化趨勢(shì)一致，總體偏正。一是河水受到水庫(kù)的攔截，水體的滯留時(shí)間加長(zhǎng)，蒸發(fā)作用時(shí)間加長(zhǎng)，上游氫氧同位素較下游偏負(fù)，二是緯度效應(yīng)的影響。

河水和水庫(kù)氫氧同位素組成偏離當(dāng)?shù)卮髿饨邓€，主要是由于河流的流速因水庫(kù)的攔截作用而變緩，水體的滯留時(shí)間延長(zhǎng)等水力條件改變，使得蒸發(fā)作用比一般河流更加強(qiáng)烈。

兩個(gè)水庫(kù)的Cl-濃度和電導(dǎo)率都很低，干流上游王家壩Cl-和電導(dǎo)率最大，下游蔣家集和潤(rùn)河集Cl-和電導(dǎo)率受水庫(kù)下泄水影響，值有所下降，其中，蔣家集離水庫(kù)比較近，影響更大。 □