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2025 , Vol. 42 >Issue 2: 179 - 187

DOI: https://doi.org/10.11988/ckyyb.20240475

重大引调水工程基础理论与关键技术研究专栏

南水北调中线工程官山河水氢氧稳定同位素组成及影响因素

  • 张乾柱 , 1 ,
  • 金可 , 1 ,
  • 吴颐杭 1 ,
  • 罗袁 2 ,
  • 卢阳 1
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  • 1 长江科学院 重庆分院, 重庆 400026
  • 2 重庆交通大学 河海学院, 重庆 400074
金 可(1990-),男,陕西西安人,高级工程师,博士,主要从事生态修复和地球化学领域研究。E-mail:

张乾柱(1989-),男,山东菏泽人,高级工程师,博士,主要从事流域环境演变与水旱灾害防治研究。E-mail:

Copy editor: 黄 玲

收稿日期: 2024-05-09

  修回日期: 2024-07-01

  网络出版日期: 2025-02-14

基金资助

武汉市 2022 年度知识创新专项-曙光计划项目(2022020801020245)

国家自然科学基金项目(42407108)

中央级公益性科研院所基本科研业务费项目(CKSF2023299/CQ)

中央级公益性科研院所基本科研业务费项目(CKSF2021744/TB)

国家重点研发计划项目(2021YFE0111900)

湖北省水利科研项目(HBSLKY202405)

收起

Composition and Influencing Factors of Hydrogen and Oxygen Stable Isotopes in Guanshan River of the South-to-North Water Diversion Middle Route Project

  • ZHANG Qian-zhu , 1 ,
  • JIN Ke , 1 ,
  • WU Yi-hang 1 ,
  • LUO Yuan 2 ,
  • LU Yang 1
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  • 1 Chongqing Branch, Changjiang River Scientific Research Institute, Chongqing 400026, China
  • 2 College of River and Ocean Engineering, Chongqing Jiaotong University, Chongqing 400074, China

Received date: 2024-05-09

  Revised date: 2024-07-01

  Online published: 2025-02-14

Fold

摘要

官山河流域是丹江口水库的主要河流之一,是南水北调中线工程水源地的重要组成部分。系统分析了官山河流域河水氢氧稳定同位素组成和空间分布特征,探讨不同季节河水补给来源及其氢氧同位素影响因素。结果表明:官山河流域河水丰水期δD和δ18O值相对枯水期偏正,丰水期和枯水期氘盈余值(d-excess)平均值分别为12.59‰和11.30‰。官山河流域河水线方程的斜率和截距与长江流域大气降水线极为类似,表明河水主要受长江流域大气降水补给影响,丰水期同位素组成偏正则主要受到降水与水岩作用的共同影响。流域内河水氢氧稳定同位素组成受多重因素影响,其中,沿程蒸发和高程效应对其影响最为显著。研究成果对官山河流域水文循环具有重要的指导意义。

关键词： 氢氧同位素组成; 补给来源; 影响因素; 官山河流域; 南水北调中线工程; 水文循环

本文引用格式

张乾柱 , 金可 , 吴颐杭 , 罗袁 , 卢阳 . 南水北调中线工程官山河水氢氧稳定同位素组成及影响因素[J]. 长江科学院院报, 2025 , 42(2) : 179 -187 . DOI: 10.11988/ckyyb.20240475

Abstract

Guanshan River Basin is a major contributory source to the Danjiangkou reservoir and a critical component of the water source area of the South-to-North Water Diversion Project. The composition and spatial distribution of hydrogen and oxygen stable isotopes in Guanshan River Basin were comprehensively examined. The seasonal recharge sources of river water and the factors influencing hydrogen and oxygen stable isotopes were also investigated. Results reveal that δD and δ18O are higher during flood season than in dry season, with average d-excess values of 12.59‰ and 11.30‰, respectively, for flood and dry season river water. The slope and intercept of the river water line equation in the Guanshan River Basin closely resemble those of the atmospheric precipitation line in the Yangtze River Basin, suggesting that river water is mainly recharged from atmospheric precipitation in the Yangtze River Basin. The isotopic composition during the flood season exhibits a positive signal, primarily influenced by both precipitation and water-rock interaction. The composition of hydrogen and oxygen stable isotopes of river water within the basin is influenced by multiple factors, with evaporation along the river course and elevation effects being the most significant. These research findings are of substantial significance for understanding the regional hydrological cycle within the Guanshan River Basin.

Key words： composition of hydrogen and oxygen isotopes; recharge source; influencing factors; Guanshan River Basin; South-to-North Water Diversion Middle Route Project; hydrological cycle

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0 引言

氢氧稳定同位素作为追踪流域水体迁移与转化的重要地球化学手段,能够揭示流域内降雨、河流和地下水之间的水循环[1⇓-3],是了解流域水资源现状与趋势的有效载体[4]。目前,氢氧同位素被广泛应用于水文、水资源及水环境研究领域,如研究降水来源[5]、确定径流贡献和响应时间[6]、评价地下水-地表水相互作用[7]、分析生态系统水分耗散[8]及揭示流域水污染[9]等。已有研究表明,长江干流河水氢氧同位素组成的空间变化受不同来源、蒸发作用以及人类活动的共同影响,并表现出大陆效应、纬度效应和海拔效应[10];黄河流域内特殊的干旱自然环境和多次循环使用导致的进一步蒸发是影响黄河水氢氧同位素空间变化特征的关键因素[11]。在西江流域中,除海拔与蒸发效应外,雨季降水通过落水洞、竖井、漏斗等岩溶形态快速补给缩短了“水-岩”作用时间,导致雨季氘盈余值大于旱季[12]。包宇飞[13]研究雅鲁藏布江干流氢氧同位素特征时,对比了河水与大气降水中氢氧同位素差异,指出水岩特性及地理要素是造成上述差异的重要因素。
南水北调工程是我国重要战略水资源调配工程[14],有助于解决中国北方水资源短缺,优化水资源配置,对改善生态环境具有重要意义[15]。汉江流域作为南水北调水源工程所在地,学者们针对流域内水环境与水资源承载力开展了一系列研究[16⇓-18],然而缺乏以氢氧同位素技术开展流域水体来源与转化的研究案例。尽管有学者曾对汉江上游的金水河水体水化学和氢氧稳定同位素进行分析,初步揭示了南水北调水源区河流水体补给来源及空间分布规律[19],但缺少相似研究区案例对比分析,其研究成果有待验证。官山河是湖北省十堰市的重要河流之一,位于丹江口水库上游,是南水北调中线工程的核心水源地和调水源头。本文通过分析官山河河流水氢氧同位素分布特征,揭示河水补给来源及影响因素,为流域水资源利用及南水北调中线工程水质安全提供理论基础。

1 研究区概况

官山河流域位于湖北省丹江口市西南部(图1),地处110°42'E—110°01'E、32°16'N—32°29'N,流域面积为319.6 km2,由官山河、袁家河、吕家河、西河4条河流组成。河流总长度268.5 km,最长河流约14.2 km。流域海拔为240~1 606 m,坡度0°~53.8°,地势中间低、边缘高,近50%地区坡度在15°~25°之间。流域内林地面积最大,占总面积92.18%,旱地占1.87%,梯田占1.87%,建筑用地为1%,水域面积为0.87%,裸地占0.34%。流域内主要出露元古界武当山群白耳河组下部和杨坪组中、上部地层,岩石类型主要为浅灰色、浅褐色变泥质粉砂岩、细砂岩(绢云钠长石英片岩、绢云绿泥钠长石英片岩)、变凝灰质粉砂质粘土岩(钠长绢云片岩、绢云钠长片岩),含磷质条带及黄铁矿。
图1 官山河流域水系及采样点分布

Fig.1 Water system of Guanshan River Basin and distribution of sampling sites

2 样品采集与分析方法

在官山河流域孤山水文站断面以上,于2023年2月(枯水期)和9月(丰水期)自上而下选择代表性干流(13个)、支流断面(13个)共计26个采样点,进行现场水化学指标测试和样品采集。样品采集时,手持GPS(Garmin,etrex201x)定位并记录高程。取50 mL水体于聚乙烯瓶,确保瓶中无气泡后密封保存于便携式冰袋中,运送至实验室内4 ℃冷藏至试验分析。水体中氧(δ18O)、氢(δD)由中国地质科学院岩溶地质研究所岩溶动力学重点实验室测定,分析仪器为离轴整合积分腔光谱输出技术(OA2ICOS)的液态水稳定同位素分析仪(LWIA-24-d,Los Gatos Research,USA),测量精度分别为±0.2%和±0.6%。利用平均海水V-SMOW对δ18O与δD测试结果进行标准化计算,公式为:
$\begin{aligned}\delta \mathrm{D}= & {\left[\left(\delta \mathrm{D} / \delta \mathrm{H}_{\text {samplo }}-8 \mathrm{D} / \delta \mathrm{H}_{\text {stenderd }}\right) /\right.} \\& \left.\left(\delta \mathrm{D} / \delta \mathrm{H}_{\text {tandard }}\right)\right] \times 1000 \%{ }^{2} ;\end{aligned}$
$\begin{aligned}\delta^{18} \mathrm{O}= & {\left[\left(\delta^{18} \mathrm{O} / \delta^{16} \mathrm{O}_{\text {sample }}-\delta^{18} \mathrm{O} / \delta^{16} \mathrm{O}_{\text {standard }}\right)\right.} \\& \left.\left(\delta^{18} \mathrm{O} / \delta^{16} \mathrm{O}_{\text {standard }}\right)\right] \times 1000 \% o\end{aligned}$
在测试过程中,每个样品测6次取平均值,所得数据结果均在误差范围之内,测试结果列于表1。
表1 官山河流域水体氢氧同位素组成及影响因素基本信息

Table 1 Composition and influencing factors of hydrogen and oxygen isotopes in the Guanshan River Basin

编号 位置 海拔/m 坡度/(°) 植被覆盖度/% δ18O值/‰ δD值/‰ 氘盈余值/d
枯水期 丰水期 枯水期 丰水期 枯水期 丰水期
Z1 支流 598 28.62 80.56 -9.04 -7.71 -59.31 -47.68 13.00 14.01
Z2 支流 522 24.73 82.17 -8.12 -8.28 -54.33 -52.08 10.61 14.17
Z2-1 支流 486 24.44 81.42 -7.95 -8.19 -53.81 -51.75 9.76 13.73
Z3 支流 421 23.46 75.22 -7.96 -7.81 -53.63 -49.00 10.03 13.46
Z4 支流 371 28.55 81.28 -8.90 -7.12 -58.85 -44.45 12.35 12.49
Z5 支流 304 23.66 76.77 -7.99 -6.91 -53.29 -44.12 10.63 11.13
Z5-1 支流 389 23.30 76.85 -8.39 -7.70 -54.67 -48.62 12.42 13.01
Z5-2 支流 355 22.14 77.13 -8.21 -7.40 -53.59 -47.03 12.05 12.14
Z5-3 支流 376 25.45 78.35 -8.43 -7.33 -55.42 -45.83 12.03 12.85
Z6 支流 288 24.77 79.12 -8.24 -6.76 -53.61 -42.03 12.32 12.06
Z7 支流 369 29.28 81.66 -9.99 -7.20 -67.18 -45.20 12.75 12.42
Z8 支流 335 26.70 81.37 -8.74 -7.42 -57.49 -46.24 12.45 13.15
Z9 支流 252 24.89 80.06 -8.75 -6.98 -57.81 -43.54 12.17 12.31
G1 干流 885 23.83 83.74 -9.01 -8.29 -57.55 -51.87 14.57 14.44
G2 干流 719 25.23 83.14 -8.89 -8.21 -57.22 -51.19 13.86 14.49
G3 干流 461 26.97 79.94 -8.76 -7.49 -56.64 -47.53 13.43 12.38
G4 干流 421 25.89 79.06 -8.62 -7.43 -55.93 -47.37 13.01 12.11
G5 干流 379 25.14 77.79 -7.30 -7.36 -50.96 -46.86 7.44 12.01
G6 干流 342 25.33 77.53 -7.59 -7.59 -52.20 -47.69 8.53 13.07
G7 干流 309 25.64 77.52 -8.30 -7.38 -55.25 -46.54 11.18 12.48
G8 干流 300 25.70 76.97 -8.19 -7.13 -54.60 -45.53 10.90 11.51
G9 干流 285 24.70 76.81 -7.07 -7.05 -49.88 -44.85 6.65 11.56
G10 干流 267 24.77 76.94 -7.96 -7.09 -53.14 -44.97 10.56 11.77
G11 干流 247 24.77 76.96 -8.06 -7.05 -54.06 -44.88 10.38 11.52
G12 干流 244 24.79 76.92 -8.02 -7.01 -53.73 -44.66 10.43 11.45
G13 干流 242 24.80 77.10 -7.96 -7.03 -53.51 -44.51 10.20 11.69
此外,本文使用的植被覆盖度数据为MODIS中国区域归一化植被指数(Normalized Difference Vegetation Index,NDVI)产品,是由MOD 09GA经过反演、拼接、切割、投影转换、单位换算等过程加工而成。在国家地理数据中心平台下载重庆市数字高程模型(Digital Elevation Model,DEM)图,经ArcGIS10.5坡度分析工具生成坡度信息图层,并对坡度进行范围分级和多边形融合,得到研究区坡度信息。同时,在ArcGIS10.5中输入DEM数据,并提取流向、流量、水系、子流域、分水岭等信息,在此基础上以采样点位置为节点,提取样品点以上流域边界图层。将流域边界与植被覆盖度、坡度图层进行叠加分析,获取样品点位置以上流域内植被覆盖度、坡度平均值(表1)。

3 结果与讨论

3.1 官山河水氢氧同位素分布特征

官山河水体δ18O值变化范围为-9.99‰~-6.76‰,平均值为-7.87‰,其中,枯水期和丰水期变化范围分别为-9.99‰~-7.07‰(均值-8.32‰)、-8.29‰~-6.76‰(均值-7.4‰);水体δD值变化范围为-67.18‰~-42.03‰,平均值为-51.03‰,其中,枯水期和丰水期变化范围分别为-67.18‰~-49.88‰(均值-55.30‰)、-52.08‰~-42.03‰(均值-46.77‰)。官山河干流与支流水体氢氧同位素组成空间差异不大,干流δ18O与δD值略高于支流。其中,干流水体δ18O值变化范围为-9.01‰~-7.01‰,平均值为-7.76‰,δD值变化范围为-57.55‰~-44.51‰,平均值为-50.5‰;支流水体δ18O值变化范围为-9.99‰~-6.76‰,平均值为-7.98‰,δD值变化范围为-67.18‰~-42.03‰,平均值为-51.56‰(表1)。干流水体枯水期δ18O与δD平均值分别-8.13‰和-54.21‰,丰水期δ18O与δD平均值分别-7.39‰和-46.8‰;支流水体枯水期δ18O与δD平均值分别-8.52‰和-56.38‰,丰水期δ18O与δD平均值分别-7.45‰和-46.74‰(表1)。整体上,干流与支流水体同位素组成均呈现丰水期相对枯水期更加富集的特征,无论是枯水期还是丰水期,干流水体δ18O与δD均值均略微高于支流,表明其受同位素分馏影响更加显著。
已有研究成果显示,长江干流枯水期水体δ18O和δD均值分别-7.46‰、-47.0%,丰水期水体δ18O和δD均值分别-10.5‰、-73.6%[20],枯水期河水氢氧同位素相对丰水期偏正;雅鲁藏布江同位素季节变化与长江干流类似,枯水期相对丰水期偏正,河水δ18O和δD平均值分别为-12.8‰(-14.2‰)和-104‰(-116.7‰)[21];黄河干流枯水期水体δ18O和δD均值分别-9.37‰、-67.91%,丰水期水体δ18O和δD均值分别-9.30‰、-66.42%[22];汉江氢氧同位素组成季节变化则与长江流域不同,枯水期河水氢氧同位素相对丰水期偏负[23],汉江上游金水河平水期水体δ18O和δD值分别为-8.8‰、-54.38‰[19]。可以看出,官山河流域枯水期和丰水期水体δ18O和δD季节变化特征与长江流域、雅鲁藏布江流域等明显不同,而与汉江季节变化一致。前人研究表明长江流域水体δ18O和δD同位素丰水期偏负主要原因是丰水期河水受到的蒸发影响较弱,同时受到降水补给影响[20]。长江流域河水多年δ18O和δD同位素组成表明,枯水期河水受蒸发和不同来源水体补给影响显著,而丰水期则主要受大气降水补给[10]。官山河丰水期δ18O和δD同位素丰水期偏正,主要由于丰水期河水受降雨补给过程中,同时受到蒸发效应影响。
在大气降雨过程中,由于水汽来源和输移过程中环境条件的变化,往往导致中氢氧同位素在气、液相发生不平衡分馏,从而使得不同地区大气降水线与全球大气降水线在斜率和截距上均有不同程度的偏离,被称为氘盈余值(d-excess=δD-8δ18O)[24]。官山河流域丰水期水体d-excess范围为11.13‰~14.49‰,平均值12.59‰;枯水期d-excess范围为6.65‰~14.57‰,平均值11.30‰,d值整体上高于长江流域,而和汉江极为类似[23]。从季节变化来看,干、支流丰水期水体d-excess总体高于枯水期。从空间分布来看,除个别样点(G5、G6、G9)外,从上游至下游干流水体d-excess呈逐渐降低趋势。通常情况下,不同地区大气降雨d-excess差异不大,不受季节和纬度等因素的影响[2]。在水文地质学研究中,水-岩作用往往导致水体δ18O偏重,而对于氢同位素影响较小[25],从而导致同一地区地下水d-excess低于大气降水d-excess。因此,河流水体d-excess的时空变化特征往往反映了流域水体的来源情况[12,26]。官山河流域丰水期降雨量多,下垫面含水量饱和程度大于枯水期,降雨产汇流形成地表径流速度快,水-岩作用时间相对较短,这一现象与西江水体情况一致[12]。

3.2 官山河水体来源

官山河水体δ18O和δD值呈显著线性相关,河水线方程为δD=7.22δ18O+5.81(R2=0.91),长江流域多年平均河水线方程为δD=7.56δ18O+6.75(R2=0.94)[10],雅鲁藏布江流域河水线方程为δD=6.51δ18O-23.2(R2=0.83) [21],汉江河水线方程为δD=7.46δ18O+8.55(R2=0.96)[23],西江流域河水线方程为δD=7.55δ18O+7.61(R2=0.68)[12]。可以看出,官山河流域河水线方程的斜率和截距与长江流域及汉江流域较为类似,而与雅鲁藏布江流域差异较大。此外,官山河丰水期和枯水期线河水线方程分别为:δD=6.00δ18O-2.25(R2=0.98);δD=5.30δ18O-11.20(R2=0.92),丰水期河水线的斜率与截距明显高于枯水期。前人研究表明,长江流域丰水期和枯水期线河水线方程分别为:δD=7.44δ18O+5.75(R2=0.93);δD=7.64δ18O+7.42(R2=0.95)[10];长江中下游丰水期河水线方程为δD=7.59δ18O+8.45(R2=0.93)[27];汉江丰水期和枯水期线河水线方程分别为:δD=7.47δ18O+6.9(R2=0.99);δD=8.1δ18O+16.3(R2=0.95)[23];西江丰水期和枯水期线河水线方程分别为:δD=6.52δ18O+7.93(R2=0.93);δD=9.32δ18O+23.2(R2=0.61)[12];雅鲁藏布江丰水期河水线方程为δD=9.09δ18O+26.3(R2=0.88)[21]。官山河流域丰水期和枯水期河水线的斜率相对长江流域、汉江流域、西江流域和雅鲁藏布江流域均偏低,表明河水受到多重因素影响,包括大气降水、地下水补给、蒸发作用等。
Graig[24]针对全球大气降雨情况,建立了适用于全球δD和δ18O线性关系降水线(GMWL,δD=8δ18O+10),同时学者根据中国降雨实测资料,将中国大气降水线方程修正为δD=7.74δ18O+6.48[28],长江流域多年大气降水线方程为δD=7.54δ18O+7.34[29],其中,枯水期为δD=7.62δ18O+8.2[30]。官山河流域河水线方程的斜率和截距均小于全球大气降水线和中国大气降水线,但与长江流域降水线相似,表明官山河主要来源于长江流域大气降水补给,且在补给过程中经历了一定程度的蒸发。此外,通过比较官山河河水线和长江流域大气降水线方程,得出官山河丰水期来源处的降水δ18O和δD分别为-6.23‰和-39.63‰,枯水期来源处的降水δ18O和δD则分别为-8.36‰和-55.5‰(图2)。同位素分馏系数ɑA/B计算公式为[31]
ɑ A / B = R A / R B   。
式中RA和RB分别表示特定同位素在物质A和B中的同位素比值。利用δ18O同位素值,计算官山河丰水期和枯水期降水补给河水的同位素分馏系数分别为0.84和1.01,得出丰水期降水补给河水过程中同位素分馏作用更加显著。
图2 官山河流域河水补给来源

Fig.2 Recharge sources of river water in the Guanshan River Basin

大气降水中d-excess主要受到水汽来源地水体蒸发时周围环境空气中相对湿度影响,湿度越大,d-excess则越低[32]。由于不同季风作用的影响,我国典型流域地区大气降水d-excess存在空间差异。然而,流域内大气降水线准确确定后,降水的d-excess则不受季节、高度和其他因素影响,而在补给地上含水层后,受水岩作用影响d-excess相对降水偏小[29]。因此,对比分析流域内地表水与当地大气降水的d-excess,是揭示地表水补给来源的重要手段。长江流域多年降水d-excess介于-11.6‰~27.2‰之间,平均值为10.7‰[33],海河流域大气降水d-excess范围为10.62‰~11.19‰,黄河流域大气降水d-excess为6.71‰~10.36‰,而淮河流域大气降水d-excess为6.5‰~7.13‰[34]。可以看出,官山河流域河水d-excess整体上和长江与汉江流域类似,略高于长江流域大气降水d-excess(图3)。长江流域主要城市大气降水d-excess变化范围较大,例如,南京大气降水d-excess平均为14.31‰,武汉大气降水d-excess为5.21‰,成都大气降水d-excess为3.48‰,昆明大气降水d-excess为7.68‰[35],重庆大气降水d-excess雨季平均为5.26‰,旱季平均为18.23‰[36],秭归大气降水湿季和干季d-excess平均值分别为13.05‰和20.06‰[37]。官山河流域河水d-excess基本处于长江流域大气降水d-excess变化范围内,表明其继承了降水的基本特征。官山河丰水期d值略高于枯水期,与降水同期存在一定出入,但两者的差异明显小于降水的变化,表明其不仅受到降水的补给影响,同时也与水岩相互密切相关[29]。
图3 官山河流域及我国典型流域河水氘盈余值分布

Fig.3 Distribution of d-excess in the Guanshan River Basin and typical river basins in China

前人通过分析长江流域河水氢氧同位素组成特征,得出河水主要补给来源为大气降水,对比了不同季节水体δ18O和δD值,认为水体受湖泊和水库蒸发效应影响,至平水期(10月份)δ18O和δD值增幅较大,同时受水岩作用影响,地下水补给更多的δ18O同位素于河水,使其δ18O富集[29]。基于前文分析,官山河流域河水蒸发线与大气降水线之间的关系表明,不同时期的降水为对应季节河水的主要来源。枯水期时气温相对较低,蒸发影响偏弱,河水更好地继承了降水的信息,而进入丰水期后气温上升幅度较大,地表蒸发效应显著,加之含水层水岩作用增强,导致水体富集δ18O和δD同位素值,河水受到降水与水岩作用共同控制。因此,官山河流域河水受当季降水及水岩作用双重影响,枯水期至丰水期河水氢氧同位素组成受降水、地表蒸发和水岩作用等多种因素影响,呈现逐步富集的特征。
为进一步分析官山河流域不同时期降水和地下水水岩作用对地表水同位素组成的因子贡献率,使用同位素质量平衡方程进行计算,具体公式为
f δ 18 O 降 水 +   ( 1 - f ) δ 18 O 含 水 层 = δ 18 O 官 山 河   。
式中f为降水补给官山河流域地表水的贡献率。
官山河流域降水δ18O的数据采用前文河水与当地降水线交点处的同位素值,丰水期与枯水期分别为-6.23‰和-8.36‰;含水层水岩作用对地表水贡献的δ18O的数据引用前人研究成果,丰水期与枯水期分别为-10.5‰和-7.36‰[20]。通过计算可得,官山河流域丰水期降水对河水的贡献率为73%,水岩作用对其贡献率为27%,枯水期降水对河水的贡献率高达96%,水岩作用贡献仅为4%。

3.3 官山河水体氢氧同位素影响因素

3.3.1 沿程蒸发影响

官山河水体δ18O和δD值呈显著线性相关,干流和支流样点均表现出相似的时空变化规律(图4),揭示了水体中氢氧同位素来源及影响因素的一致性。从季节变化来看,丰水期水体δ18O和δD值普遍比枯水期偏正,很大程度上由于丰水期温度较高,降水云团经历了更为强烈的蒸发效应。通常情况下,河水δ18O和δD值沿程变化受地下水和蒸发作用影响[38]。官山河干流丰水期水体δ18O和δD值从上游到下游总体呈越来越偏重趋势;在枯水期,除G5、G6、G9样点外,干流水体δ18O和δD值空间变化也与丰水期一致。上述现象与西江干流[12]、长江干流攀枝花至入海口段[39]一致,反映了河水的沿程蒸发是影响水体δ18O和δD值空间变化的重要因素之一。
图4 官山河流域主要干流与支流氢氧同位素空间分布特征

Fig.4 Spatial distribution characteristics of hydrogen and oxygen isotopes in main streams and tributaries of the Guanshan River Basin

3.3.2 海拔影响

已有研究表明,在大气降雨过程中,因雨水降落区海拔高低差异往往导致氢氧同位素分馏程度的不同。通常情况下,大气降雨δ18O和δD同位素组成与海拔之间呈线性关系,并随海拔升高,同位素值降低[40]。在降雨补给作为河流水体主要来源区域,河水δ18O和δD同位素组成与降雨具有一致性变化,并与海拔呈负相关关系。本研究统计结果显示,无论在枯水期和丰水期,官山河水体δ18O、δD值均与海拔呈负相关关系(图5),与西江流域[12]、长江流域[10]等区域情况相符。此外,丰水期河流水体δ18O、δD值与海拔之间的负相关显著性远强于枯水期,揭示了枯水期降雨转化成河流地表水过程中受其他因素影响。丰水期河水δ18O与海拔线性方程为:y=-0.002 4x-6.468,R2=0.703。根据上述线性方程得出,官山河水体丰水期δ18O随高程变化率为-0.24‰/(100 m),变幅略低于全球降水均值-0.28‰/(100 m)[40]。
图5 官山河流域河水氢氧同位素与海拔的关系

Fig.5 Relationship between hydrogen and oxygen isotopes and elevation in the Guanshan River Basin

3.3.3 地表坡度影响

为了研究降雨转化为河流水体过程中氢氧同位素分馏影响因素,统计了枯水期和丰水期河流水体δ18O、δD值与采样点以上流域范围内地表坡度均值之间关系(图6)。统计结果显示,枯水期河流水体δ18O、δD值与流域坡度均值呈显著负相关关系,即流域内坡度越低,河流水体δ18O、δD值越偏重,氢氧同位素分馏作用越显著;反之,流域内坡度越大,河流水体δ18O、δD值越偏轻。一方面,地形坡度会影响土壤结构和性质,在陡坡地区土壤疏松、土壤空隙度高,不利于土壤水的保持,而缓坡地区土壤结构和性质则相反,有利于水分的渗透和储存[41]。另外一方面,地形坡度通过影响地表径流的流速和流向,进而影响汇流时间,总体表现为坡度越大,汇流历时越短[42]。值得注意的是,流域内丰水期水体δ18O、δD值与流域坡度均值相关性关系并不明显。可能的原因是官山河流域丰水期降雨量为枯水期的4倍,丰水期丰富降雨进入土壤后,土壤含水率快速达到饱和状态,往往直接形成有效径流汇流至河流,土壤水蒸发未对水体氢氧同位素分馏产生明显影响[43]。
图6 官山河流域河水氢氧同位素与地表坡度的关系

Fig.6 Relationship between hydrogen and oxygen isotopes and terrain slope in the Guanshan River Basin

3.3.4 植被覆盖度影响

官山河水体δ18O、δD值与采样点以上流域范围内植被覆盖度均值统计结果显示(图7),二者在枯水期和丰水期均呈负相关关系,即植被覆盖度越低,氢氧同位素分馏作用越显著,河流水体δ18O、δD值越偏重;反之,流域植被覆盖度越大,河流水体δ18O、δD值越偏轻。已有研究表明,地表植被一方面通过蒸散发作用促进水体氢氧同位素分馏,另一方面通过涵养水源延长地表径流形成过程,从而导致水体中δ18O、δD值偏正[44-45],显然与官山河流域研究结果相悖。通过分析流域内植被覆盖度与海拔之间关系发现,二者呈显著正相关关系(相关系数r=0.7,显著性水平P<0.01),即植被覆盖较高区域往往分布在海拔较高的地方。
图7 官山河流域河水氢氧同位素与植被覆盖度的关系

Fig.7 Relationship between hydrogen and oxygen isotopes and vegetation coverage in the Guanshan River Basin

综上所述,官山河流域沿程蒸发和海拔效应对流域水体氢氧同位素分馏起主导作用,而地表坡度和植被覆盖率对河水氢氧同位素的影响仍需进一步论证。

4 结论

本文系统研究了官山河流域河水氢氧稳定同位素组成特征及空间分布规律,探讨了河水不同时期补给来源及其影响因素,主要结论如下:
(1)官山河流域河水δ18O和δD值的变化范围分别为-9.99‰~-6.76‰和-67.18‰~-42.03‰,丰水期相对枯水期偏正,氘盈余值(d-excess)平均为11.95‰,和汉江极为类似。
(2)建立了官山河流域河水线方程为δD=7.22δ18O+5.81(R2=0.91),其斜率和截距与长江流域大气降水线相似,表明官山河流域河水主要接受长江流域大气降水补给。枯水期官山河流域河水同位素组成主要受当季降水影响,降水对其贡献率高达96%,而丰水期河水同位素组成则受当季降水及含水层水岩作用共同影响。
(3)官山河流域河水氢氧稳定同位素组成主要受到沿程蒸发和高程效应影响,而地表坡度和植被覆盖度对河水同位素分馏的潜在影响机制尚不明确,仍需后续深入研究。
本研究为官山河流域河水补给来源和水文循环研究提供了一定的理论参考,但受限于观测时间的局限性,官山河流域水体氢氧稳定同位素时空变化特征及定量评估等是今后研究的重点内容。

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