小流域降雨径流氢氧同位素特征分析及其对径流分割的指示意义

王轶凡,瞿思敏,李代华,石 朋, 单 帅,周敏敏,刘金涛,韩小乐

(1.河海大学水文水资源与水利工程科学国家重点实验室,江苏 南京 210098; 2.河海大学水文水资源学院,江苏 南京 210098; 3.云南省水文水资源局文山分局，云南 文山 663099)

小流域降雨径流氢氧同位素特征分析及其对径流分割的指示意义

王轶凡1,2,瞿思敏1,2,李代华3,石 朋1,2, 单 帅1,2,周敏敏1,2,刘金涛1,2,韩小乐1,2

(1.河海大学水文水资源与水利工程科学国家重点实验室,江苏 南京 210098; 2.河海大学水文水资源学院,江苏 南京 210098; 3.云南省水文水资源局文山分局，云南 文山 663099)

结合水文气象资料,分析浙江和睦桥小流域在2015年汛期的3场台风雨事件中降雨、地面径流以及河水的氢氧同位素组成,并研究降水中δ2H-δ18O的相关关系。结果表明,降雨中的氢氧同位素具有显著的时程效应。无论是等体积的降雨增量还是等时段降雨,随着降雨历时的增加,δ18O值均出现递减的趋势;穿透降雨由于林冠的滞留作用以及同位素分馏作用,比林外降雨更加富含重同位素;降水是河水的主要补给来源,由于河水蒸发,河水中重同位素比同时期降雨和地面径流更加富集。

氢氧同位素;大气降水;地面径流;河水;时程效应;小流域;东苕溪水系

随着同位素技术的发展,同位素作为指示剂在水文学研究中的应用越来越广泛[1-3]。大气降水作为大气圈与水圈之间物质与能量交换过程中最积极的因子,是水循环过程中的重要一环,其同位素组成受到水汽来源、凝结温度、蒸发等因素的影响,具有明显的时空变化。径流作为连接各水体间的纽带,对流域水循环的影响至关重要。以降水、地面径流、壤中流和地下径流为补给的河流,其水源来源复杂。因此,可以利用同位素示踪技术来反映不同水源的径流成分。

近几年来,国内外学者对于环境同位素在不同水体中的应用研究逐渐增多,尤其是以不同水循环要素为基础的时程效应研究[4-6]。时程效应是指随降雨历时的变化,降雨径流同位素组成呈现出显著的规律性变化。国内外许多学者的研究表明,降雨径流同位素的组成不仅与降雨成因、水起源地、气象因素以及地形条件有关[7-8],而且与降雨的时程分布密切相关。在小流域同位素应用方面,顾慰祖等[9]对藤桥流域的研究表明,划分径流分割过程中考虑δ18O的时程效应可以得到更加准确的结果;McDonnell等[10]也得出相似的结论,并且说明采样方法不同会导致新/旧水成分比例不同;Kubota等[11]在面积为0.84 hm2的试验流域中研究讨论了林外降雨和穿透降雨对径流分割的不同,并发现穿透降水分割流量过程线会降低旧水的比例;Ikawa等[12]在典型小流域对一场台风雨事件中的总降雨、穿透降雨和径流进行比较,表明径流也可以作为划分流量过程线的一个重要因素。另外一些学者利用已有降水同位素数据,对黄河流域[13]、长江流域[14]、黑河流域[15]等开展一系列研究,结果显示降水同位素信息可以为地区的水汽来源和水循环模式等提供研究依据。在河水和地下径流研究方面,陆宝宏等[16]基于长江干流径流同位素监测资料,得出了径流同位素与降水同位素季节效应之间的关系。张华安等[17]讨论了巴丹吉林沙漠湖泊和地下径流的补给关系,进而通过对干旱条件下盐湖的蒸发结果分析,得出巴丹吉林沙漠湖水存在蒸发过度效应的结论。陈茜茜等[18]对北方地下水若干地区进行采样,判断渗漏的纳木错湖水与东部的地下水存在相关性。陈建生等[19]研究发现西藏内流区的渗漏水通过断裂带中的渗漏通道补给到内蒙古高原。

笔者以和睦桥小流域为研究对象,选取2015年8—10月间3次台风雨事件,对事件产生的降水、地面径流以及河水进行观测及采样,分析不同水体的氢氧同位素特征,可以指示不同径流成分对河流的补给作用,为流域流量过程线的划分提供科学依据。

1 研究区域概况

和睦桥流域(东经119°47′05″～119°48′20″,北纬30°34′05″～30°34′55″)属长江流域太湖区东苕溪水系,位于姜湾流域上游,流域面积1.35 km2,海拔在150～600 m之间。区域属亚热带季风气候,光照充足,雨量充沛,气候湿润。多年平均降雨量为1 580 mm,主要集中在6—8月。多年水面蒸发量为805 mm,多年平均气温为14.0 ℃,月平均温度最低值为1.3 ℃左右,月平均温度最高值为25.0 ℃。流域地貌类型具有多层性,从而构成该流域土壤类型的多样性。流域内以山区和丘陵为主,植被以毛竹为主,基本无工业和生活污水排放。流域内有和睦桥水文站和气象站。

图1 研究区水样采样点位置示意图Fig.1 Location of sampling sites in study area

2 水样采集与分析

本次研究的观测及采样地点位于和睦桥小流域(图1)。在研究期间对2015年8月9日、23日和9月30日3次台风雨事件进行降水(143个)、地面径流(32个)及河水(48个)观测及采样,总计223个水样。在流域内设置上、中、下游3个观测点,每个观测点分别再设置林内和林外2个子观测点,进行林外降雨和穿透降雨对照。

流域出口处设置矩形薄壁堰,观测河流出口断面的流量。总降雨采用一个直径50 cm的不锈钢桶采集,林外顺序降雨增量和穿透降雨增量采用由Kennedy等[20]改进的顺序降雨采样器进行采集。河水在流域出口断面处进行采集,降雨事件前、降雨事件中和降雨事件后均取样。地面径流在位于流域中游的一个冲沟中取样,直至地面径流退去。河水与地面径流采样时间间隔均为1 h。

所有采集到的水样均存储在30 mL的采样瓶中,用防水带密封。采集的水样在河海大学国家重点实验室进行同位素分析(δ2H和δ18O)。H和O的稳定同位素由质谱仪(MAT523)分析,氘的样本用加有铂催化剂的H2-H2O平衡法得到,氧的样本通过CO2-H2O平衡法得到。同位素组成用相对于维也纳标准海水的δ值表示。测试的精度δ18O为±0.002%,δ2H为±0.2%。

3 结果与讨论

表1 流域内3次降水事件的气象信息

3.1 大气降水中的同位素分布特征

影响大气降水中同位素特征的因素主要有4个:纬度效应、高程效应、温度效应和季节效应[21]。在一场降水事件中,氢氧同位素组成不仅存在显著的时程效应,还与流域气象要素有关[22-23]。表1为和睦桥流域雨量站采集的3场降水中降雨量、气温和相对湿度等气象要素的观测数据。

图2 林外降雨和穿透降雨的δ18O关系Fig.2 Relationship of δ18O between precipitation and throughfall

穿透降雨是指大气降雨受到林冠层截留作用后,降落到地面的雨量[24-25]。穿透降雨经过冠层截留,雨滴的滞留时间较长,同时受到较长时间的蒸发,所以一般来说穿透降雨要比林外降雨富含重同位素。为分析一场降雨过程中林外降雨与穿透降雨的关系,将3次台风雨事件中的林外降雨和穿透降雨的δ18O关系绘制于图2。分析发现林外降雨大部分分布在穿透降雨下方,说明相同条件下林外降雨要比穿透降雨更为贫化。林外降雨δ2H和δ18O的平均值分别为-2.9%和-0.491%;穿透降雨δ2H和δ18O的平均值分别为-2.8%和-0.461%,两者的δ2H和δ18O变化范围较大。林外降雨与穿透降雨的δ2H和δ18O值具有明显的时程变化,林外降雨的变幅(δ2H:1.76%,δ18O:0.237%)比穿透降雨的变幅大(δ2H:1.49%,δ18O:0.215%)。在竹林地区,穿透降雨由于林冠枝叶的滞留作用,使几个时段的降水初步混合,从而导致穿透降雨的变化幅度小,不仅在时间上比林外降雨产生得迟,而且经过分馏过程更加富集重同位素。随着时间的延长,重同位素2H和18O优先凝结在雨滴中降落到地面。因此在降雨开始时,降水中的δ2H和δ18O比较富集;在降雨后期,降水中的δ2H和δ18O则比较贫化。

本次研究在采集等体积降雨水样的同时,还采集了等时段的降雨水样。图3为不同高程下,降雨水样在不同采样方法上的对比。从图3可以看出,在9:00到15:00的这场降雨期间,等时段降雨δ18O值分布在-0.7%～-1.1%之间,而等体积的降雨增量δ18O值在-0.4%～-0.7%之间。等体积降雨增量的变幅比等时段降雨的变幅小,这主要是由于等时段降雨是每隔1h立即对降雨样品进行采集密封,而等体积的降雨增量则是在降雨完全结束后对降雨进行采集,这中间由于采样时间的迟滞,导致水样轻度混合,从而使该水样的δ18O变幅较小。降雨的高程效应不明显,但是时程效应显著,也印证了上面得出的结论。随着样品序号的增大,δ2H和δ18O值具有显著降低的趋势。

图3 不同高程下降雨δ18O的时程分布Fig.3 Temporal variation of δ18O in rainfall with different elevations

由此可见在二水源划分径流成分中,把同位素浓度处理成常数是不正确的。试验表明,降水对流量过程的贡献不是一成不变,它在径流成分中的比例随着降雨历时的变化而变化。所以考虑到降水的时程变化可以更加准确地对流量过程线划分。

图6 20150809次台风雨事件中降水、河水和地面径流δ18O值时程分布Fig.6 Temporal variation of δ18O in precipitation, stream water, and surface runoff in 20150809 typhoon event

3.2 降水中δ2H-δ18O相关关系与氘盈余

图4 大气降水δ2H和δ18O的关系Fig.4 Relationship between δ2H and δ18O in precipitation

大气降水中的氢氧稳定同位素间具有一定的线性关系,受水汽来源、水汽输送距离及降水期间气象因素的影响,不同时期的δ2H-δ18O关系具有不同的特征,对于研究水循环过程中稳定同位素比率的变化具有重要的意义。Craig[26]在理论上导出了全球大气降水线方程(GMWL):δ2H=8δ18O+10。国际原子能委员会对其进行了修正:δ2H=8.17δ18O+10.56。陈中笑等[27]通过分析全国30个GNIP站点的氘氧关系得出我国的大气降水线:δ2H=7.43δ18O+5.51。

笔者对该流域中大气降水的δ2H和δ18O的同位素关系进行研究(图4),通过回归分析得出和睦桥流域汛期氘氧关系方程:

(1)

将式(1)与全国(δ2H=7.43δ18O+5.51)、南京(δ2H=8.47δ18O+17.52)[28]、厦门(δ2H=8.35δ18O+12.52)[8]、武汉(δ2H=8.29δ18O+7.44)[29]等地的大气降水线相比发现,斜率和截距较小。吴华武等[30]研究发现,雨滴在降落过程中会受到不平衡的二次蒸发,从而引起同位素分馏。斜率和截距越小则雨滴在降落过程中受到的蒸发越强烈,说明该流域在夏季台风雨时期降雨同位素发生过强烈的动力分馏效应。从图4中看出,与GMWL相比差别较小,反映海洋水汽是该流域汛期降水的主要来源。

图5 降水中氘盈余变化Fig.5 Variations of deuterium in precipitation

Dansgaard[31]在1964年引入了“氘盈余(d)”的概念,将d定义为d=δ2H-8δ18O。降水过程中d的大小取决于2H和18O分馏速度不同,d主要反映了蒸发、凝结过程中的不平衡程度。Pfahl等[32]的研究表明,d值的大小可以反映当地大气气团的同位素组成,具有包含水汽源区气团类型的重要信息。3次降水的d值变幅分别为0.475%、0.886%和0.785%(图5)。其中20150809次降水d值大部分低于1%,说明本次降水动力分馏作用比较弱,且水汽来源为海洋。而其他2场降水变幅均较大,可能的原因是这2场降水量较小,降雨时受到强烈的雨中蒸发以及其他气象要素的影响,水汽来源较复杂。

3.3 同一场洪水中不同水循环要素的同位素特征

以20150809次台风雨为例,对各水循环要素的δ2H

和δ18O的同位素特征进行分析。顾慰祖[33]的研究认为地面径流和地面下径流组成了流量过程的径流成分,而地面下径流又包含非饱和带的壤中流和饱和带的地下水径流,所以本次研究中对于河水和地面径流分开采样。本次台风雨事件中,降水的δ2H值和δ18O值变幅分别为3.4%和0.420%;地面径流δ2H值和δ18O值的变幅分别为0.3%和0.070%,地面径流δ2H值和δ18O值的时程变化不显著,可能是因为本次降水较小,产生地面径流的历时较短;河水δ2H值和δ18O值的变幅分别为0.7%和0.140%。图6为该场降水中降水、地面径流和河水δ18O值的时程分布。从图6中可以看出降水具有比河水和地面径流更加明显的时程效应,降水δ18O变幅分别比地面径流和河水高0.350%和0.280%。地面径流和降水具有类似的变化趋势,但地面径流的产生在时间上滞后于降水。河水的δ值变化较小,但是其δ18O值比降水的δ18O值富集。河水在汇流过程中经过了长时间的同位素分馏作用,水体中的轻同位素慢慢逸散到空气中,使重同位素逐渐富集。

3.4 不同场次洪水的水循环要素同位素特征

选择研究期内3次台风雨事件中的降水,通过在雨中的连续采样以及同位素组成分析,发现3场降水的同位素变化较显著(图7)。3场降水δ18O值的变幅分别为0.280%,0.422%和0.563%,平均值分别为-0.513%,-0.869%和-0.644%。从图7(a)中可以看出,8月9日降水中δ18O值平均值较高,重同位素较为富集;8月23日的降水中重同位素较上一次降水贫化,平均值为-0.869%,为3次降水中最低;其中8月9日和9月30日2场降水中,δ18O值随着降雨的进行波动幅度越来越大,8月23日的降水中δ18O值变化范围较大,但下降趋势不明显。

图7 3次台风雨事件中降水、河水和地面径流的δ18O分布Fig.7 Distribution of δ18O in precipitation, stream water, and surface runoff in three typhoon events

3次台风雨事件中河水的δ18O值分布与降水具有类似的变化趋势(图7(c)),且其平均值(-0.658%,-0.727%和-0.692%)与对应的降水的δ18O值相近,表明两者具有相同的来源。但是,河水δ18O值的变化范围分别为0.135%,0.140%和0.142%,均小于其对应的降水δ18O值,表明河水中18O分馏程度远小于降水中18O的分馏程度。另外,降水中δ18O值的上下波动可能与夏季强烈蒸发形成局部水汽循环有关。该流域夏季温度较高,水汽的相对湿度较小,水汽循环较快,在一次降水过程中蒸发的雨滴回到云层再次降到地面,使δ18O值波动较大。同时强烈的水体蒸发,也会导致降水中δ18O值偏高。

4 结 论

a. 对和睦桥流域大气降水中氢氧同位素的时程效应和穿透降雨的特征进行分析,发现降水中的同位素具有显著的时程效应,穿透降雨比同时期的林外降雨中富集重同位素,穿透降雨δ2H和δ18O变幅较小。拟合得出该流域汛期降水的δ2H-δ18O相关关系:δ2H=7.39δ18O+5.93,分析了降水的氘盈余变化。

b. 以研究期内20150809次台风雨为例,分析了降水、地面径流及河水的同位素特征值。研究表明降水具有比地面径流与河水更加显著的时程效应。在汛期,地面径流大量补给河水,并且也具有一定的时程分布。

c. 以研究期内3场台风雨为例,对降水、地面径流及河水进行比较。研究表明河水与降水的氢氧同位素平均值相近,两者来源大致相同。但河水与地面径流的变幅均小于降水,说明河水与地面径流的分馏程度较小。

d. 本研究表明降水具有明显的时程效应,地表水与河水在降雨初期与退水阶段的同位素含量也不尽相同。所以在径流分割时,以往研究中将降水同位素浓度处理为常数是不正确的,考虑不同径流成分的时程变化会对流量过程线的划分具有重要的意义。

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Characteristics of hydrogen and oxygen isotopes in rainfall-runoff in small watershed and their implications for runoff separation

WANG Yifan1,2, QU Simin1,2, LI Daihua3, SHI Peng1,2, SHAN Shuai1,2, ZHOU Minmin1,2, LIU Jintao1,2, HAN Xiaole1,2

(1.StateKeyLaboratoryofHydrology-WaterResourcesandHydraulicEngineering,HohaiUniversity,Nanjing210098,China; 2.CollegeofHydrologyandWaterResources,HohaiUniversity,Nanjing210098,China; 3.HydrologyandWaterResourcesBureauofWenshan,Wenshan663099,China)

Based on hydrological and meteorological data, the composition of hydrogen and oxygen isotopes in precipitation, surface water, and stream water were investigated for three typhoon events in the flood period of 2015 in the Hemuqiao Watershed, and theδ2H-δ18O relationship in precipitation was studied. The results show that the composition of hydrogen and oxygen isotopes in precipitation exhibited significant temporal variation. With the increase of the duration of rainfall, theδ18O values of the incremental rainfall with the same volume and rainfall during the same period had a decreasing trend. Throughfall, rather than rainfall, enriched heavier isotopes because of the canopy storage and isotopic fractionation. Rainfall was the main supply source of stream water. The contents of heavy isotopes in stream water were more abundant than those in precipitation and surface runoff due to the evaporation of stream water.

hydrogen and oxygen isotopes; precipitation; surface runoff; stream water; temporal variation; small watershed; Dongtiaoxi River

10.3876/j.issn.1000-1980.2017.04.013

2016-08-06

国家自然科学基金(41371048,51479062,40901015);国家重点研发计划(2016YFC402703)

王轶凡(1992—),男,山东德州人,硕士研究生,主要从事流域水文模拟及同位素水文研究。E-mail:1299279383@qq.com

瞿思敏,教授。E-mail:wanily@hhu.edu.cn

P338

A

1000-1980(2017)04-0365-07