怒江源区那曲流域夏季降水与河水稳定同位素特征分析

董国强，翁白莎，严登华，王 浩

(1.东华大学环境科学与工程学院，上海 201620；2. 中国水利水电科学研究院 流域水循环模拟与调控国家重点实验室，北京 100038)

0 引 言

由于蒸发和凝结等作用，自然界中的水体在水循环过程中发生不同程度的同位素分馏，且分馏程度主要受控于气温、相对湿度、地形地貌和纬度等因素，可以据此研究降水和地表水蒸发及混合[1]和水文循环[2]等。自然水体中的氢氧稳定同位素(D和18O)是区别于水体中不同介质的理想指标，能够对环境条件变化做出灵敏地响应和反映自然水体在水循环过程中稳定同位素的分馏作用[3]。

在水文循环过程中，水中稳定同位素的产生的规律性变化，主要是多种因素相互作用的结果以及因物理条件(如降水、蒸发等)改变导致同位素发生分馏作用。降水中δ18O和δD的时空变化，不仅受气候因子(气温、大气湿度和降水量等)的影响，还受到区域大气水汽来源及水汽传输过程的影响[4]。不同来源的水汽具有不同的同位素组成特征，而水在循环过程中的蒸发和扩散作用等会引起同位素的分馏，因此可以通过水体中氢氧同位素组成变化来揭示降水水汽来源、示踪水循环过程[5]。

我国是世界上季风气候最显著的国家之一，每年6-9月青藏高原地区盛行西南季风，降水丰沛，对青藏高原降水中稳定同位素的研究发现，青藏高原西南季风最北可达唐古拉山附近[6]。受控于气候和水汽来源等因素，降水中稳定同位素的波动范围较大，用降水来建立δ18O与海拔的关系不确定性较大；由于降水、冰雪融水、地表蒸发与蒸腾等因素的作用，消除了季节等因素的影响，河水中稳定同位素能较好地反映同位素与海拔的关系[7,8]。

由于各种气候与地理因素的影响，高原上降水与河水的δ18O和δD特征存在空间变化差异，这些差异能够很好地解释区域气候和水文过程[9,10]。目前，许多科研工作者已经对青藏高原水体中稳定同位素开展了研究。田立德等[11]研究了那曲河流域河水的δ18O变化特征；刘光生等[12]分析了风火山流域降水和河水稳定同位素特征；Yao等[13]研究了青藏高原玛旁雍错流域湖水、河水、雨水和雪水的同位素特征及流域水循环特征；Yao等[14]和Wen等[15]分析了青藏高原河水同位素与高程效应的相关关系。杨玉忠等[16]探讨了北麓河降水同位素与气温、降水量之间的相关关系，并对北麓河降水和河水的同位素变化特征进行了比较分析。

那曲流域处于青藏高原季风区与非季风区过渡区，降水水汽来源比较复杂，其降水和河水对那曲水文过程有很大影响，本文基于2017年7月与8月的河水、降水和湖水同位素数据，分析了那曲流域降水和河水同位素时空变化特征，探讨了那曲流域降水水汽来源及河水的补给特征。

1 研究区概况

研究区位于怒江源区那曲流域(图1)，地处唐古拉山脉和念青唐古拉山脉之间，总面积达1.70 万km2，属于怒江水系的上游。流域内有河流湖泊分布，植被为草甸，土地利用以草地为主。流域多山，但坡度较为平缓，属高原丘陵地形。地形呈西北向东南缓坡状，西北部绝对海拔高，东南海拔低，但地势险峻，山峰林立。

图1 研究区地理位置及采样点分布Fig.1 Location of study area and sampling sites

流域属与高原亚寒带季风半湿润气候区。平均海拔4 500 m以上，高寒缺氧，气候干燥，气温低，日温差大，年平均气温-2 ℃，降水主要受夏季西南季风的影响，多年平均降水量为473.9 mm，年平均相对湿度为50%左右。每年的5-9月相对温暖湿润，是该流域的雨季，降雨量占全年的80%。

2 数据采集及分析

2.1 样品采集

本文分析的水样类型为降水、河水和湖水水样，具体采样位置见图1。其中，干流上采样点如下，1：小唐古拉山，2：安多北，3：错那湖，4：班戈大桥，5：那曲大桥，6：达萨乡北，7：达萨乡，1-1：小唐古拉山南，7-1：查龙水库(下同)。

2017年7月和8月分别在流域内收集8个和10个降水样品。其中，7月份收集的降水样品是有降水事件发生时，现场采集，有1个位冰雹样品；8月份收集的是球封式降水采样装置中的降水。7月在流域不同的地点采集24个河水样品；8月共采集25个河水样品和1个湖水样品。样品采集后立刻装入10 mL高密度线性聚乙烯(HDPE)瓶中，密封并放入冰箱冷藏，以防止蒸发作用引起的同位素分馏。采样的同时，用GPS记录采样点的地理位置信息。

A Star Selection Model Based on Improved Discrete Particle Swarm Optimization

那曲流域7与8月份的降水相对集中，且降水与河水采样点基本覆盖流域的上游、中游和下游，可以很好体现水体同位素的空间性变化特征。河水水样主要取自河流中间或流动部分，以确保河流水体充分混合和避免受表面水的蒸发等影响同位素的分馏而影响样品的代表性。

2.2 水样δ18O和δD分析

采用L2130-i 超高精度液态水和水汽同位素分析仪(Picarro，美国)进行分析测试，稳定同位素比率用相对于Vienna “标准平均海水”(VSMOW)的千分差来表示，δ18O和δD的分析误差分别为± 0.002 5%和±0.01%。过量氘(d-excess = δD - 8δ18O)是降水中δD、δ18O组成的二级指标，其受到形成降水的水汽源地气象条件(温度、相对湿度和风速)、雨滴在降落过程中的蒸发富集作用以及水汽来源的影响[4,17]。它可以较直观地反映地区大气降水蒸发、凝结过程的不平衡程度与水汽来源的基本信息。

采用SPSS 22进行统计分析并检验数据之间的显著性，用字母法标记，显著水平为p<0.05。

3 结果与讨论

3.1 夏季大气降水线

在全球尺度下，大气降水中δD与δ18O之间的关系—全球大气降水线( global meteoric water line，GMWL)的关系表现为[18]： δD=8δ18O+10

(1)

大气降水线的斜率反映稳定同位素D和18O分馏速率的对比关系，常数项表示氘对平衡状态的偏离程度[19]。因此，大气降水线对于研究水循环过程中稳定同位素的变化具有重要意义。

从局地尺度上来看，不同地区都有反映各自降水规律的降水线，即地区大气降水线( local meteoric water line，LMWL) 也不同。根据采样期间降水δD、δ18O数据，利用最小二乘法建立了那曲流域夏季大气降水线方程(图2)：

δD=7.52δ18O-0.85

(2)

可以看出，夏季大气降水线的斜率和截距小于全球大气降水线。斜率稍小于8表明该地区降水的水汽水源地不同，稳定氧同位素比率不同，同时也说明了其降水过程受到一定的蒸发分馏作用，蒸发程度稍大于降雨[20]。

图2 那曲流域夏季大气降水线Fig.2 Meteoric water line for summer precipitation in Naqu River Basin

表1 采样点稳定同位素测试结果Tab.1 Average δ18O and d-excess for precipitation, river and lake water in July and August

从表1中可以看出，那曲流域2017年7月降水的δ18O平均值(-1.727%)明显大于8月降水的δ18O平均值(-2.003%)。这主要是由于那曲流域降水稳定同位素主要受不同季节环流模式的影响，夏季受印度季风影响时，流域降水中稳定同位素值比较低。在夏季季风降水期间，水汽主要来源于印度季风，由于季风的频繁活动、水汽的厚层输送以及喜马拉雅山的屏障作用等都会导致降水中的稳定同位素变小[21]。由于7月初是季风降水爆发初期，降水还比较少；8月份季风降水大规模爆发，降水量增大，从而导致降水中δ18O值变低[11]。

3.2 夏季降水δ18O及过量氘空间变化特征

以往的研究表明，降水中稳定同位素的组成具有显著的空间变化特征，降水中稳定同位素的空间变化不仅受到地理要素(如纬度、海拔、海陆位置等)和气象要素(如温度、相对湿度、降水量等)的影响[4]，还受到水汽源地与水汽输送过程的影响[5,22]。总之，降水中稳定同位素的空间变化是这些要素相互作用、综合影响的结果。

以前的研究表明，在青藏高原中南部地区降水中δ18O夏季变化同季风活动的强弱有密切关系，即有很强的降雨量效应[23]；在夏季季风期间，降水中δ18O主要受降雨量影响，而在季风爆发前，降水中δ18O值与气温之间有显著的正相关关系，而夏季季风降水削弱了降水中δ18O与温度的关系[11,24]。从图3和图4可以发现，那曲流域夏季7月与8月降水δ18O和过量氘呈现出一定的纬度效应和高程效应；降水δ18O随纬度的升高呈降低趋势，随海拔的增大呈减小趋势；降水过量氘随纬度的升高呈增大趋势，随海拔的增大呈增大趋势。但是，降水δ18O和过量氘与纬度和高程的相关性不显著，说明此段时期内纬度和海拔不是降水δ18O和过量氘的主要影响因素，降水量对降水δ18O和过量氘的影响作用可能占主导地位。中纬度地区同位素的变化受到温度和降水量的共同影响[25]，且此阶段正处于夏季季风爆发期，季风活动增强，降水量增多。

图3 夏季大气降水δ 18O和过量氘与纬度的相关关系Fig.3 The correlation between latitude and δ 18O and d-excess in precipitation

图4 夏季大气降水δ 18O和过量氘与海拔的相关关系Fig.4 The correlation between altitude and δ 18O and d-excess in precipitation

3.3 河水中δD和δ18O的变化及其关系

从那曲流域采集的49个地表河水稳定同位素测试结果可以看出，那曲流域夏季河水中δD变化范围为-12.913%～-8.071%，平均值为-10.568%；δ18O变化范围为-1.669%～-0.969%，平均值为-1.409%。过量氘变化范围为-0.443%～1.303%，平均值为0.700%。

天然水来源及水蒸发的影响程度可以通过河水氢氧稳定同位素关系与全球大气降水线的比较来判断，根据采样期间地表水δD、δ18O数据，利用最小二乘法得到那曲流域夏季地表水线(surface water line，SWL)方程[图5(b)]：

δD=6.36δ18O-16.44

(3)

可以看出，河水线的斜率和截距均小于流域大气降水线的斜率和截距，这是由于河水受到大气降水补给后，还要受到蒸发分馏作用的影响；但其落点都在LMWL附近，说明该地区河水的主要补给源是大气降水。空间变化上，河水氢氧同位素分布在GMWL右下方，这是由于那曲属于较大流域，且流域内主要是高原丘陵地形，坡度较为平缓，而流域面积广，河流缓慢导致蒸发作用增大，这种现象在干旱半干旱区比较常见[7]。

由表1和图5(a)可以发现，流域2017年7月河水的δ18O平均值(-1.331%)同样大于8月河水的δ18O平均值(-1.483%)，这与同时期的降水变化趋势一致，体现了降水对河水的补给特征。7月河水线的斜率和截距均大于流域8月河水线的斜率和截距，这表明与7月相比，8月份的河水经历着更为严重的蒸发分馏。

图5 那曲流域河水氢氧同位素关系Fig.5 The δ 18O-δD diagram of Naqu River water

3.4 河水中δ18O及过量氘空间分布特征

错那湖(31.8°N附近)是流域内最大的湖泊，8月湖水δ18O值为-0.921%，同位素比率较高；由于湖水中稳定同位素含量比较富集，其附近采样点的水汽和降水中的氢氧稳定同位素比率也较高[26]；以错那湖为界，分析湖泊以南和以北的稳定同位素空间分布特征，见图6，图7。

图6 河水中δ 18O和过量氘与纬度相关关系Fig.6 The correlation between latitude and δ 18O and d-excess in river water

图7 河水中δ 18O和过量氘与海拔相关关系Fig.7 The correlation between altitude and δ 18O and d-excess in river water

结果表明，流域河水中δ18O随纬度增加而升高，主要原因是夏季河水的主要来源为大气降水，而流域中水汽主要来源于印度季风，越往北，局地蒸发水汽组成的大陆性气团所占比例越大，同时西风带输送水汽也越多[10,27]。然而可能受到了局地蒸发的影响[28,29]，主要是错那湖的水面蒸发，河水中δ18O与纬度的相关性并不显著。

一般来说，若降水和河水来自同一水汽源地，其高程效应越显著[30]；水汽源地越复杂，高程效应越不显著[31]。研究区河水δ18O虽然具有一定的高程效应，但并不显著，这说明流域河水水汽来源不仅受印度季风影响，还受到局地水汽蒸发、西风带等影响[10]。

流域河水中过量氘在错那湖以南区域表现为随纬度升高而降低；在错那湖以北区域呈现出随纬度升高而增大的趋势。河水中过量氘与纬度之间具有较好的线性相关。显然，河水中过量氘在错那湖附近表现为低值，错那湖湖水过量氘值仅为-0.838%，说明错那湖附近河水水汽主要来源于湖水的蒸发。

研究发现，流域河水中过量氘与海拔之间具有较好的正相关关系，其线性方程为d=0.019H-81.12(R2=0.45，p<0.001)。这与刘琴等在该区域的研究结论一致[31]，同时，在安第斯山和南极等地同样发现过量氘随海拔升高而增大[32,33]。

3.5 干流河水中δ 18O分布特征

对于一个大河系统来说，沿途会有诸多的支流汇入干流，这些支流中稳定同位素的组成同样受到其小流域中地理与气候因素的影响，从而影响到干流河水中稳定同位素的变化[34]。总体上，以错那湖为分界点，在错那湖以北，干流河水中δ18O表现为逐渐增大的趋势；而在错那湖以南，干流河水中δ18O表现为逐渐减小的趋势。

河流在夏季以大气降水和高山冰雪融水补给为主，错那湖以北河流发育在唐古拉山脉地区，平均海拔4 600 m以上，受大气降水中δ18O的高程效应影响，河水中δ18O也比较低。

错那湖以南的主河道受湖泊的调节，导致河水中δ18O变大。支流河水同位素值均小于湖水同位素值，随着沿途支流流入干流，河水中δ18O逐渐减小。湖泊对河道径流的调节及其稳定同位素的变化起着重要的作用[35]。下游河水中同位素的组成直接受上游及中游、湖泊水体间交换影响尤为显著。河水中δ18O的空间变化是一个复杂的过程，除了受上述因素影响外，还要受到地下水、冰雪融水、蒸发和人类活动等的影响。

由图8可以看出，7月份和8月份6号采样点(达萨乡北，详见上文)的河水δ18O值出现异常变大的现象。造成这种现象的原因可能是采样点上游支流(称曲)汇入。称曲在汇入干流前，流经那曲县城区的人工河道，其河床变宽、流速变慢导致河水蒸发变大，从而使δ18O变大。同时，也可能受到其他人类活动的影响，比如生活或工业污水的排入等。

图8 干流与支流河水中δ18O的空间分布Fig.8 The spatial distribution of δ18O in the main stream and the tributary river

4 结 语

(1)那曲流域大气降水线为：δD = 7.52 δ18O-0.85，这个关系式与全球大气降水线方程相比，截距和斜率都偏低。斜率稍小于8表明该区降水的水汽来自于具有不同稳定氧同位素比率的源地，同时也反映了其降水历经了一定的蒸发过程，蒸发程度稍大于降雨。

(2)那曲流域河水线δD = 6.36 δ18O -16.44的斜率和截距却明显小于LMWL，这表明河水中稳定同位素经历了强烈的蒸发分馏效应。但河水点都落在了LMWL附近，说明流域河水夏季主要为大气降水补给。

(3)在青藏高原夏季季风降水期间，7月份降水中δ18O的平均值为-1.727%，河水中δ18O的平均值为-1.331%，8月份降水中δ18O的平均值为-2.003%，河水中δ18O的平均值为-1.483%，7月份降水和河水中的同位素要高于8月份，造成这种差异的主要原因在于8月份降水增多和河水中的稳定同位素又通过蒸发发生分馏。河水中δ18O的纬度效应和高程效应都不显著，降水量是主要影响因素；但河水中过量氘有显著的纬度效应和高程效应；过量氘在错那湖北部随纬度增大而减小，在南部反之；过量氘与高程成正相关关系。

(4)总体上，以错那湖为分界点，干流河水中δ18O表现为先增大后减小的趋势。可见，湖泊对径流及稳定同位素的调节有着重要的作用。