基于水環(huán)境同位素的漢北流域水循環(huán)研究

閆少鋒，劉移勝，劉昱

（湖北省水利水電規(guī)劃勘測設(shè)計(jì)院，湖北武漢 430064）

1 研究背景

全球化的水資源短缺正嚴(yán)重威脅著世界各國，能否合理利用和有效保護(hù)水資源主要取決于人類對水循環(huán)的認(rèn)識水平。降水是水循環(huán)中的一個重要的環(huán)節(jié)，降水中的氫氧同位素與氣候以及水循環(huán)有密切的關(guān)系，且已廣泛的應(yīng)用于水文學(xué)的研究中。同位素水文學(xué)是水文學(xué)發(fā)展到20 世紀(jì)50 年代產(chǎn)生的基于環(huán)境同位素技術(shù)研究水循環(huán)的學(xué)科分枝，是運(yùn)用水分子中天然存在的環(huán)境同位素進(jìn)行研究水循環(huán)要素的技術(shù)手段。

水在大氣系統(tǒng)、地表水（海、湖、河）系統(tǒng)和地下水系統(tǒng)之間的運(yùn)移轉(zhuǎn)化過程中，水中的氫氧穩(wěn)定同位素（δ18O、δD）在每一階段都具有不同的特征，這就為研究水文循環(huán)過程提供了可靠的信息。通過這些差異，可以判斷地下水、地表水的補(bǔ)給來源，分析形成大氣降水的水蒸氣的來源，從而為認(rèn)識水的形成、運(yùn)動及其成分變化機(jī)制提供重要的依據(jù)，為合理利用寶貴的水資源奠定基礎(chǔ)［1］。Graig 于1961 年提出全球大氣降水線（Global Meteoric Water Line，簡稱GMWL）的概念：在全球水循環(huán)蒸發(fā)、凝結(jié)過程中出現(xiàn)的同位素分餾，導(dǎo)致大氣降水的D 和18O 組成呈線性相關(guān)變化，這一規(guī)律表示為：δD=8δ18O+10‰，它對于研究水循環(huán)過程中穩(wěn)定同位素的變化具有重要意義［2］。之后，Coplen 根據(jù)國際原子能機(jī)構(gòu)（International Atomic Energy Agency，IAEA）全球臺站降水，將年平均δ 值加權(quán)修正為［3］：δD=8.2δ18O+10.8。

不同地區(qū)都有反映各自降水規(guī)律的降水線，即地區(qū)大氣降水線（Local Meteoric Water Line，簡稱LMWL），受大尺度海洋、大氣環(huán)流以及近地面氣象條件影響，LMWL 是變化的。高宗軍等人對中國多個地區(qū)的大氣降水線的差異進(jìn)行了分析［4］。黃天明基于GNIP 網(wǎng)降水資料計(jì)算了中國西部地區(qū)的大氣降水線方程，并分析了降水中氫氧同位素的溫度效應(yīng)、地理效應(yīng)等［5］。郝玥對北京地區(qū)大氣降水的氫氧同位素進(jìn)行了分析，確定了區(qū)域大氣降水線，并對本區(qū)域降水的來源進(jìn)行了分析［6］。大氣降水中穩(wěn)定同位素的組成主要受雨滴凝結(jié)時溫度和降水水汽來源的控制，其明顯表現(xiàn)為降水同位素組成因地理和氣候因素差別而異。降水同位素組成變化很大，隨空間、時間而異，故世界各地不同地區(qū)的降水方程往往偏離全球性方程。為了更確切地了解一個地區(qū)的水循環(huán)規(guī)律，研究地區(qū)降水線是必不可少的［7］。

2 研究區(qū)域

以漢北流域?yàn)檠芯繉ο?，其位于湖北省中南部，為湖北省?jīng)濟(jì)社會的核心區(qū)。研究范圍左起天門河拖市鎮(zhèn)，右至新溝閘，此區(qū)間內(nèi)的河流包括天門河、漢北河兩大主要河流，并包含天門河下游汈汊湖水系的汈汊湖北支、南支以及由北面入流漢北河的溾水、大富水等河流。水樣采集點(diǎn)分布情況如圖1所示。

圖1 漢北河流域水系及同位素取樣點(diǎn)示意圖Fig.1 Schematic diagram of isotope sampling points in Hanbei River Basin

研究流域?qū)儆诒眮啛釒駶櫺约撅L(fēng)型大陸性氣候，氣候溫暖濕潤，四季分明。根據(jù)各站1956-2020年氣象資料統(tǒng)計(jì)，研究區(qū)域多年平均氣溫16.0 ℃，高溫期一般為5-9月，年蒸發(fā)量1 300～1 500 mm。1月份的平均氣溫最低，約為2 ℃，7月平均氣溫最高，為29 ℃，年內(nèi)溫差大，冬夏氣溫懸殊。多年平均降水量1 050 mm，降水年際變化大，年內(nèi)分配不均，汛期5-9 月降水量占全年的70%左右。

3 研究方法與數(shù)據(jù)資料

3.1 樣品采集

（1）水樣采集。本研究水樣采集分2 次進(jìn)行：第一次于2017 年9 月下旬進(jìn)行，第二次于2018 年4 月下旬進(jìn)行，2 次水樣采集均進(jìn)行了同時間段的降水同位素測定。采樣點(diǎn)分布于漢北流域及漢江的7 條河流，包括漢江、漢北河、天門河、天北干渠、溾水、大富水以及府寰河。所采水樣主要包括河水水樣、地下水水樣與降水水樣。在降水發(fā)生前，將干凈容器置于采樣地點(diǎn)，進(jìn)行降水收集，收集完成后將降水收集至取樣瓶中，并保證所取水樣中無空氣混入，河水水樣均為實(shí)時采樣。完成河水、地下水、降水取樣后，水樣瓶均帶回實(shí)驗(yàn)室并冷藏處理。

（2）土壤樣品采集。在河水取樣點(diǎn)的附近，選擇合適位置進(jìn)行土壤采樣。共分為5 層進(jìn)行采樣，土壤表層0～10、10～20、20～25、25～30、30～35 cm 分別采集樣品，表層土壤采樣層設(shè)定為10 cm，底層土壤的采樣層設(shè)定為5 cm，以保證實(shí)驗(yàn)分析的精準(zhǔn)。土壤樣品利用洛陽鏟進(jìn)行采集，裝入土壤收集瓶，并置于避光潮濕的地方，以防止發(fā)生同位素的分餾。

3.2 水樣測定

水樣的氫氧穩(wěn)定同位素在武漢大學(xué)水資源與水電工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室穩(wěn)定同位素分析實(shí)驗(yàn)室測定，采用MAT253同位素比質(zhì)譜儀連接Flash EA/HT 元素分析儀，分別測定處理過的水樣中的δ18O 和δD，δ18O 和δD的儀器分析精度分別為0.2‰和2‰。測定水樣氧氧同位素之前，先將水樣經(jīng)0.22 μm濾頭過濾，然后裝入1.5 mL進(jìn)樣瓶中。

為了便于比較，國際上規(guī)定統(tǒng)一采用待測樣品中某元素的同位素比值與標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的同種元素的相應(yīng)同位素比值的相對千分差作為量度，記為δ值，對于D 和18O 來說，其通用標(biāo)準(zhǔn)為維也納標(biāo)準(zhǔn)平均海水（Vienna Standard Mean Ocean Water，VSMOW），有如下公式：

δ的單位以千分值表示，即“千分之”或“‰”。當(dāng)δ18O、δD為正值時表示樣品比VSMOW 標(biāo)準(zhǔn)富集18O、D；同理當(dāng)δ18O、δD 為負(fù)值時表示樣品較VSMOW標(biāo)準(zhǔn)貧化18O、D［8］。

4 研究結(jié)果

4.1 漢北流域地區(qū)大氣降水線

由于本研究區(qū)域涉及范圍較大，且范圍內(nèi)沒有常年的同位素觀測站，長期的降水樣的采集比較困難，收集到的降水樣品有限，因此分析研究區(qū)域降水同位素確定大氣降水線的過程中，同時還與鄰近的武漢地區(qū)的大氣降水線進(jìn)行了對比分析，以確保數(shù)據(jù)準(zhǔn)確。鄧志民根據(jù)1986-2013年降水同位素?cái)?shù)據(jù)建立的武漢地區(qū)的大氣降水線（Wuhan Meteoric Water Line，WHMWL），方程為δD=8.29δ18O+7.44（R2=0.93）［9］。在本研究，每批采取降水樣品19個，取樣點(diǎn)均在漢北流域研究區(qū)域范圍內(nèi)。圖2 所示，為2 個批次降水的氫氧同位素值、全球大氣降水線GMWL、武漢地區(qū)的大氣降水線WHMWL 以及基于降水水樣氫氧同位素值擬合的漢北流域大氣降水線（Hanbei Meteoric Water Line，HBMWL），HBMWL 方程為：δD=8.44δ18O+7.88（R2=0.99）。圖2 可見，本研究區(qū)域的大氣降水線與武漢大氣降水線幾乎完全貼合，二者斜率、截距均相差不大。

圖2 實(shí)測降水氫氧同位素組成和武漢市大氣降水線Fig.2 Measured hydrogen and oxygen isotopic composition of rainwater and meteoric precipitation line in Wuhan city

與全球大氣降水線比較，漢北流域、武漢地區(qū)的大氣降水線斜率與截距存在一定程度的偏移，反映出不同地區(qū)大氣降水云汽的形成來源的不同及降水云汽在運(yùn)移過程中環(huán)境條件的差異［4］。據(jù)研究，如果截距大于10 則意味著降水云氣形成過程中氣、液兩相同位素分餾不平衡的程度偏大，小于10 則表明在降水過程存在蒸發(fā)作用的影響，可見，漢北流域、武漢地區(qū)降水受蒸發(fā)作用的影響較為明顯［10］。

不同地區(qū)的大氣降水線與全球大氣降水線在斜率有不同程度的偏移，反映出各地大氣降水云汽的形成來源的不同及降水云汽在運(yùn)移過程中環(huán)境條件的差異。在全球范圍內(nèi)，海洋水汽經(jīng)冷凝后形成的降水中18O 含量關(guān)系近似于全球大氣降水線，而由內(nèi)陸水源再次蒸發(fā)所得到的水汽中18O 含量比海洋水汽高，并且由于18O/16O 動力分餾作用比D/H 的程度強(qiáng)，使得內(nèi)陸水汽中18O 含量更加貧化。在18O 要比D 會更貧化的情況下，內(nèi)陸地區(qū)大氣降水線（Meteoric Water Line，MWL）方程的斜率（即K＝δD/δ18O）較之沿海濕潤地區(qū)的要更?。?］。圖3 所示，漢北流域地區(qū)的δD 和δ18O 關(guān)系點(diǎn)均在全球大氣降水線的右下方，漢北流域降水的環(huán)境同位素值與全球平均結(jié)果相比，受分餾作用影響較為明顯，降水主要來源于內(nèi)陸地區(qū)［11］。

圖3 2017年9月、2018年4月地表水同位素與大氣降水線Fig.3 Surface water isotopes and meteoric precipitation lines in September 2017 and April 2018

4.2 不同水體轉(zhuǎn)化比率分析

自然界水循環(huán)中，不同水體之間的相互轉(zhuǎn)化復(fù)雜，為了更好的利用和開發(fā)有限的水資源，往往需要了解它們之間相互轉(zhuǎn)化關(guān)系和轉(zhuǎn)化量。

通常，河流徑流主要來源為降水、冰雪融水、土壤水和地下水，由于漢北流域地區(qū)冰雪融水所占比例極小，故忽略不計(jì)。漢北流域大氣降水以坡面流的形式補(bǔ)給河水和以入滲的形式補(bǔ)給土壤水和地下水，入滲補(bǔ)給的地下水再通過側(cè)滲補(bǔ)給河水，河流水體在流動的過程中受到蒸發(fā)作用的影響，再以水蒸氣的形式返回大氣，完成了不同水體的循環(huán)。研究區(qū)域河流水體的主要補(bǔ)給來源為大氣降水和地下水，同位素混合比公式為［12］：

式中：X為M 型水和N 型水的混合比；δ樣品為混合后樣品的氫氧同位素值（δD 或δ18O）；δM為M 型水的氫氧同位素值（δD 或δ18O）；δN為N型水的氫氧同位素值（δD或δ18O）。

本研究中，兩次水樣測定的數(shù)據(jù)結(jié)果顯示：第一次的大氣降水、地下水、河流水體以及土壤水δ18O 值分別為-8.38‰、-5.21‰、-6.42‰、-6.71‰；第二次的大氣降水、地下水、河流水體以及土壤水δ18O 值分別為-2.17‰、-4.9‰、-3.77‰、-3.5‰。在此基礎(chǔ)上對河流水中各類型水的占比進(jìn)行計(jì)算。

（1）大氣降水占比。在大氣降水占比的計(jì)算中，大氣降水為M 型水，地下水為N 型水，河流水體為混合型水，根據(jù)式（3）可得：

由式（4）可計(jì)算出2017 年9 月與2018 年4 月河流水體中大氣降水分別占比41.4%、39.8%，通過以上計(jì)算只能半定量計(jì)算出河流水體中大氣降水占比約為38.2%。

（2）土壤水占比。在計(jì)算降水補(bǔ)給土壤水計(jì)算中，大氣降水為M 型水，河流水為N 型水，土壤水為混合型水，根據(jù)公式（4）計(jì)算得出，兩次測定中大氣降水補(bǔ)給土壤水比例分別為14.8%與16.9%，平均占比約為15.8%。

（3）河流水中地下水的占比。地下水占比計(jì)算中，地下水為M 型水，土壤水為N 型水，地河水為混合型水，基于式（4）計(jì)算，得出河流水中地下水占比分別為19.3%、19.3%，平均占比約為19.3%。

（4）δD驗(yàn)證。利用兩次同位素的δD數(shù)據(jù)進(jìn)行相同的計(jì)算，結(jié)果顯示：大氣降水、地下水、河流水體以及土壤水結(jié)果分別為：-63.2‰、-37.1‰、-46.8‰、-48.9‰ 與-11.1‰、-33.9‰、-24.3‰、-22.0‰。利用公式2 計(jì)算結(jié)果顯示：河流水中大氣降水占比約為39.6%、土壤水占比約為15.1%，地下水占比約為18.6%。

結(jié)果顯示，利用同位素δD 與δ18O 數(shù)據(jù)的計(jì)算結(jié)果基本一致，結(jié)果可靠性較高。

5 結(jié)論

基于2017、2018 年收集的降水、河水以及地下水的水樣同位素?cái)?shù)據(jù)，研究了漢北流域水環(huán)境同位素大氣降水線以及不同水體轉(zhuǎn)化比率，得出以下幾點(diǎn)結(jié)論。

（1）漢北流域降水線方程為δD=8.44δ18O+7.88，與全球大氣降水線比較，漢北流域的大氣降水線斜率與截距存在一定程度的偏移，斜率偏大，截距偏小，漢北流域降水受蒸發(fā)作用的影響較為明顯。

（2）對比2017 與2018 年的同位素?cái)?shù)值，結(jié)果顯示漢北流域降水更容易受到蒸發(fā)的影響發(fā)生同位素動力分餾效應(yīng)（不平衡蒸發(fā)）。2017 年9 月地表水水樣同位素均小于2018 年4月，即雨季徑流環(huán)境同位素結(jié)果較春季低，這與降水的環(huán)境同位素具有相同的變化趨勢，表明徑流中環(huán)境同位素受降水的影響，反映了漢北流域內(nèi)不同季節(jié)受不同降水云團(tuán)控制，具有明顯的季節(jié)效應(yīng)。

（3）漢北流域不同水體轉(zhuǎn)化率計(jì)算結(jié)果顯示，河流水中大氣降水占比約為38.2%、土壤水占比約為15.8%、地下水占比約為19.3%。利用δD 數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果顯示，同位素δD 與δ18O數(shù)據(jù)的計(jì)算結(jié)果基本一致，結(jié)果可靠性較高。