纸坊沟流域水体氢氧同位素特征及其水量交换研究

2018-10-15马建业孙宝洋刘晨光柏兰峰李占斌

水文地质工程地质 2018年5期

马建业，孙宝洋，马波，刘晨光，柏兰峰，李占斌

(1.西北农林科技大学水土保持研究所/黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室，陕西杨陵 712100； 2.陕西省土地工程建设有限公司/国土资源部退化及未利用土地整治工程重点实验室，陕西西安 710075；3．中国科学院水利部水土保持研究所/黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室，陕西杨陵 712100)

地下水是流域水资源重要组成部分，对地下水的补给来源及补给量准确评价是分析水文规律，合理利用水资源的重要基础[1]。在干旱和半干旱地区，地下水的补给量较小，定量估算地下水的补给量尤为困难[2]。氢氧同位素技术的发展为研究区域水分循环提供了有效工具，可以指示水的来源、不同环境下水体的转化与运移，为进一步认识水循环提供了重要依据，该技术在地下水补给、水循环过程得到广泛应用[3]。Hsin Fu Yeh等[4]基于氢氧同位素定量分析了Huanlia河流域季节性补给规律。Sam Earman等[5]对美国西南部地区融雪对地下水的补给特征进行了研究。国内学者也基于氢氧同位素对地下水的水分来源以及补给特征进行相关研究[6]。金章东等[7]研究表明大气降水是青海湖流域浅层地下水的主要补给源。张兵等[8]基于氢氧同位素与水化学示踪定量估算了松花江流域不同的水源对浅层地下水的补给。刘峰等[9]通过氢氧同位素发现北京永定河流域存在浅层地下水越流补给深层地下水的现象。黄土高原丘陵沟壑区水资源短缺，水土流失严重，生态与环境问题突出，二十世纪六七十年代以来修建有大量淤地坝、梯田等水保工程，对流域水循环产生了一定影响[10]。宋献方等[10]基于氢氧同位素对岔巴沟流域6月份和8月份地表水—地下水转化关系进行了研究。但是前人在黄土高原地区通过连续定位监测不同水体氢氧同位素，定量分析地下水补给与排泄的时空分布规律方面的研究较少。因此在安塞县纸坊沟流域对降水、地表水、地下水的氢氧同位素连续定位监测，定量研究了黄土丘陵沟壑区地下水补给与排泄的时空特征，并对地下水补给过程中受到的蒸发损失进行了估算，为该地区水资源的研究与合理开发利用提供依据。

1 研究区域及数据准备

1.1 研究区概况

纸坊沟流域位于陕西省安塞县境内，是延河支流杏子河下游的一级支沟，流域面积8.27 km2，呈南北向狭长形，平均海拔1 200 m，属暖温带半干旱季风气候区，年均气温8.8 ℃，年日照总时数为2 145 h，年辐射总量为493 kJ/cm2，年均蒸发量1 463 mm，年均降水量549.1 mm，枯水年仅有约300 mm，丰水年可达700 mm以上。该流域降水年际变化大且年内分配不均，7—9月份的降水量占全年降水量的61.1%。地形破碎，沟壑密度8.065 km/km2，先后经历了植被严重破坏期、继续破坏期、不稳定期、稳定恢复改善期和良性生态初步形成期，流域水文特征发生了变化[11]。安塞县位于陕北黄土梁峁区地下水系统中，该系统可细分为4个亚系统，其中第四系冲积层潜水亚系统分布于延河及主要支流河谷中，存在地下潜水和地表河水互补和互排的关系。在枯水季节，一般是潜水补给河流；在丰水季节或水库下方，则是河水补给潜水，埋深多在5～15 m。中生界裂隙孔隙潜水亚系统是延安地区主要的生活用水含水层，尤其30 m以上的浅层风化壳裂隙水是当地居民的主要取水层段。本实验中地下水样主要取自于纸坊沟流域居民应用水井，井深约为13 m，可推测纸坊沟流域的潜水含水层主要为第四系冲击层潜水和浅层风化壳裂隙水[12]。

1.2 样品采集及分析方法

1.2.1样品采集

样品采集工作于2016年6月—2017年5月进行，采集周期为30 d。在流域沟头、上游、中游、下游采样点分别使用木桩固定1个J16022型雨量筒，用以收集降水样品，布设前，向雨量筒内雨水收集器中加入适量液体石蜡油防止水分蒸发，采样时使用15 mL一次性注射器抽取石蜡油层以下的降水。地表径流样品于各采样点所在的沟道内采集,由于冬季流域内部道路结冰，采样存在困难，只在靠近出口处的下游点进行了采样。因此，沟头、上游、中游地表径流采集时间为2016年6—11月，下游地表径流的采集时间为2016年6月—2017年5月。由于该流域只有沟口存在居民饮用水井，地下水样品于沟口进行采集，采样点具体位置见图1。采集的水样均装于15 mL棕色玻璃试剂瓶中，拧紧瓶盖并用封口膜密封，以防止水分蒸发损失。所有样点同时采集2个重复水样，共采集降水样品64个，径流样品88个，地下水样品22个。采集完成后，将样品及时放入冰箱中冷藏以保证良好的测试结果。

图1 纸坊沟采样点位置Fig.1 Location of the sampling points

1.2.2氢氧同位素测定

将采集的样品带回西安理工大学水资源研究所实验室，使用DLI—100型液态同位素激光分析仪LGR LWIA (Los Ga— tos Research Inc, USA)进行D和18O的分析测定，结果以同位素比率δ表示：

δX=(RSample/RStandard)×1 000

式中：δX——待测样品中同位素组成相对于标准参照物的千分偏差/‰；

RSample——样品中待测元素的重轻同位素丰度的比例；

RStandard——标准物质中待测元素的重轻同位素丰度的比例。

此处以维也纳标准平均海洋水V—SMOW(Vienna Standard Mean Ocean Water, ‰)为标准物质，δD和δ18O测定精度分别为±0.3‰和±0.1‰[11]。

1.2.3分析方法

(1)氘盈余质量平衡法

Dansgaard[13]最先提出氘盈余dexcess的概念，用来评价地区降水氢氧同位素偏离全球降水线的程度，利用氘盈余的季节性差异确定季节性降水对地下水的补给贡献[1]：

dexcess=δD-8δ18O

(1)

dexcess-groundwater=Xdexcess-summmeri+(1-X)dexcess-winter

(2)

式中：dexcessdexcess——氘盈余/‰；

dexcess-groundwater——地下水的氘盈余/‰；

dexcess-summmeri——夏半年降水的氘盈余/‰；

dexcess-winter——冬半年降水的氘盈余/‰；

X——夏半年(4—9月)降水对地下水的补给比例；

(1-X)——冬半年(10月—翌年3月)降水对地下水的补给比例。

(2)蒸发估算

采用Craig和Gordon在1965年提出的线性阻尼模型估算地下水的蒸发量[14～15]：

(3)

(4)

(5)

εV-W=1000(1-αV-W)

(6)

εdiff18O=14.3×(1-h)

(7)

εdiffD=12.4×(1-h)

(8)

δ18O-(δ18O)0=(α18O-1)lnf×1000

(9)

δD-(δD)0=(αD-1)lnf×1000

(10)

式中：T——空气温度/k；

αDw-v——D平衡分馏系数；

α18Ow-v——18O平衡分馏系数;

H——空气湿度/%；

εV-W——富集系数；

εdiff——扩散分馏的富集系数；

δL——液态水的同位素组成/‰；

δA——水面上自由大气的同位素组成(δA≈δp+εV-W)/‰；

δ18O，δD和(δD)0，(δ18O)0——冷凝相降水物的同位素组成及初始组成/‰；

F——水汽的剩余份额/%。

(3)端元混合模型

通过不同水源同位素的对比，应用二端元混合模型，可知水体的水分来源比例[4]：

C(VA+VB)=AVA+BVB

(11)

(12)

式中：A——地下水体氢氧同位素值/‰；

B——地表径流氢氧同位素值/‰；

C——地下水氢氧同位素值/‰；

x——降水所占比例/%；

1-x——地表径流所占比例/%。

采用Excel 2010进行均值处理和作图， SPSS 20.0软件进行数据统计分析和显著性检验(p<0.05)。

2 结果与分析

2.1 水体氢氧同位素特征

由表1可知，纸坊沟流域2016年6月—2017年5月，不同水体的δD均值为：地下水<下游径流<降水，δ18O均值为：地下水<降水<下游径流。若不考虑11月和12月降雪事件的影响，各水体同位素遵循地下水(-65.08‰，-9.02‰)<下游径流(-61.74‰，-8.34‰)<降水(-48.11‰，-7.53‰)，说明降水的同位素最为富集，地下水最为贫化，且降雪(-94.65‰，-14.26‰)使得降水的同位素发生较大贫化，δ18O受影响较大，降水的变异系数较高(0.45)。6—9月份降水的dexcess小于10‰，说明该时段受海洋气团影响，水汽来源于低纬度海洋，10月—翌年5月大于10‰，说明该时段降水的水汽来源于内陆寒区，氘盈余偏高[16]，总体呈现受大陆气团影响。沟头、上游、中游的地表径流δD与δ18O均值分别为沟头<上游<中游，相同时段内下游径流δD与δ18O均值分别为-63.07‰和-8.49‰，整体呈现从沟头至下游逐渐富集的趋势。中游同位素发生剧烈富集，可能是因为上游和中游之间存在两座淤地坝，增加了地表水的蒸发浓缩[10]。下游由于受降水和地下水的补充稀释，同位素发生贫化，和沟头和上游相近(p<0.05)。

表1 不同水体的氢氧同位素统计表Table 1 Hydrogen and oxygen isotopes in different water bodies

图2 不同月份各水体氢氧同位素变化Fig.2 Changes in hydrogen and oxygen isotopes of different water bodies in different months

图3 降雨量与温度对同位素的影响Fig.3 Effects of rainfall and temperature on isotopes

图2为降水、下游径流与地下水δD与δ18O的月变化，11和12月份降水的δD与δ18O最为贫化，因为该时间段出现降雪，雪水的同位素较为贫化。7月份也出现同位素贫化现象，主要因为该时段出现了较大的冰雹，大气对其蒸发分馏作用较弱，导致降水同位素贫化。地下水同位素变化较小，但在11—12月份出现了δD与δ18O贫化峰值(-65.79‰，-9.54 ‰)，说明降水可能通过优先流对地下水进行短期补给。地表径流在6—12月，同位素较为稳定，1—5月是δD与δ18O主要波动期，约为-67.08‰～-64.13‰和-9.38‰～-6.53‰，主要是因为该时段降水较少，地表径流与地下水的交换能力较强，2月份和5月份地下水δD与δ18O较地表径流富集，说明该时节径流主要来源于地下水补给，3月份受到同位素富集降水的补充，对地表径流影响较大。

2.2 同位素影响因素

从水循环角度看，降水同位素受到明显地方效应(温度效应、雨量效应和季节效应)的影响[17]，图3为降水、径流、地下水的氢氧同位素与降雨量和气温的关系。由图3(a)、3(c)可知，降水δD和δ18O与降雨量均呈现较好的负相关关系(p<0.05)，即降雨量越大，降水同位素越贫化，拟合曲线分别为，R2=0.87；，R2=0.80。但地表径流和地下水的δD和δ18O对降雨量的响应不明显，R2均小于0.2。降水的δD与δ18O与气温均呈现正相关关系(p<0.05)，即温度越高，同位素越富集，R2=0.39，R2=0.41。这与柳鉴容等[18]在西北地区得到的结果相近。地表径流与地下水δD与δ18O对温度呈现一定的正相关关系(p<0.05)，地表径流与温度的拟合曲线分别为，R2为0.50，0.30。地下水的拟合曲线为，R2为0.44，0.33。说明温度是该流域地下水和地表径流氢氧同位素的主要影响因素，而降水的同位素受降雨量和温度的共同作用。

2.3 不同水体同位素特征对比

在降水过程中，由于水分的蒸发与分馏作用，造成降水与水汽中同位素组成有所差异。本文基于纸坊沟流域降水同位素数据得到当地大气降水线为(LMWL)：δD=7.40δ18O+8.31，R2=0.97，与Craig[18]提出全球大气降水线(GMWL)δD=8δ18O+10相比，斜率和截距偏小，表明该地区存在干燥气候和较强的蒸发现象[20]；地表径流的拟合曲线(SWL)为δD=7.49δ18O+0.88，R2=0.88，斜率与当地大气降水线相近，趋近平行，说明降水是地表径流的直接补给水源，水力联系密切。由图4 可知，地表径流同位素值基本位于当地降水线下方，同位素发生富集，蒸发作用突显，根据线性阻尼公式(式(3)～(10))估算出了6—10月份[21]降水补给地表径流过程中蒸发损失约为37%，相关参数见表2。地下水的拟合曲线(GWL)为：δD=2.68δ18O-40.80，R2=0.40。由图4可知，地下水的同位素值与地表径流非常相似，说明地表径流与地下水的水力联系较降水密切，是主要的地下水补给源，可能是地下水采样点位于沟底，与地表径流的交换路径较短。并且地下水同位素均落于大气降水线下方，截距和斜率均小于地表径流，说明降水补给地下水过程中的蒸发较补给径流过程的影响大，蒸发损失约为54%。

图4 水体δD—δ18O关系Fig.4 Relationship between δD and δ18O

类型指标温度/℃分馏系数富集系数空气同位素/‰蒸发比例地表径流δ18OδD21.81.011.0911.2887.58-13.59-26.700.37地下水δ18OδD13.01.011.0911.7493.70-17.74-76.310.54

2.4 地下水补给与排泄的时空特征

由于研究流域较小，从沟头采样点至沟口地下水采样点海拔差仅为100.22 m，根据宋献方等[10,22]在岔巴沟流域地下水同位素的研究结果与在怀沙河流域得到的地下水同位素与海拔关系曲线，本研究以沟口地下水样氢氧同位素近似表征流域的整体水平。基于2016年6月—11月沟头、上游、中游、下游的降水、地表径流、地下水3种水体的氢氧同位素特征，通过2端元混合模型(式(11)～(12))对流域内地下水补给与排泄比例进行估算，并对发生补给与排泄现象的月份分别进行统计，得到流域地下水补给与排泄的空间特征[图5(a)和(b)]。降水和地表径流在流域不同部位对地下水的补给比例基本相似，均约为43.68%和55.95%。上游采样点地下水的补给现象不明显，可能是因为该采样点的径流样品于坝地沟道采集，淤地坝使得地下水位抬升[23]，同时本实验对50～100 cm坝地土壤水氢氧同位素(-68.62‰，-9.13‰)分析，研究表明其与地下水具有相似的特性，在非降雨时间土壤水可以对地表径流发生补给，通过模型估算表现为地下水补给地表径流。图5(b)表明地下水的排泄具有明显的空间特征，排泄比例从沟头(97.14%)到下游(72.10%)呈逐渐减小趋势。降水对径流的补给为：下游 (27.90%)>中游(18.10%)>上游(11.19%)>沟头(2.86%)，呈逐渐增加的趋势，平均约为15.01%。

图5 地下水补给与排泄的时空变化Fig.5 Spatial and temporal changes in groundwater recharge and discharge注：本研究中以春季：3—5月，夏季：6—8月，秋季9—11月，冬季：12—翌年2月的标准划分季节。

以2016年6月—2017年5月每个月份对应的季节为研究对象，对每个季节内地下水的补给与排泄进行量化分析，结果见图5(c)和5(d)。降水和下游径流对地下水的补给分别为：夏季(43.87%)>秋季(19.49%)>冬季(17.32%)和冬季(82.68%)>秋季(80.51%)>夏季(56.13%)，春季地下水的补给特征不明显。夏季降水量约占全年雨量的58.62%，降水可以通过优先流的形式快速补给地下水，对地下水的补给比例最高。冬春季节降水较少，分别占全年降水量的2.83%和6.38%，冬季以降雪为主，在冻融期能够使得地下水得到集中性补给[24]，但在没有降雪的月份，主要表现为地下水的排泄，如2017年2月份，地表径流的97%来源于地下水。而春季由于降水较少，降水补给地下水较为困难，该时期地表径流主要源于地下水的排泄补给(图5d)。各个季节地下水排泄关系为：冬季(97.33%)>春季(87.94%)>秋季(78.20%)>夏季(72.04%)，表现为冬春季节主要为地下水的排泄为主，夏秋季节为地下水的补给为主。降水和径流对地下水的年补给比例[4]分别为：26.89%和73.11%。若根据沈业杰等[1]在鹰潭小流域的分析方法，以4—9月份为夏半年，10—翌年3月份为冬半年，则可以根据氘盈余估算出纸坊沟流域88%的地下水来自于夏半年降水补给，12%来自冬半年降水补给。

3 讨论

稳定氢氧同位素对研究水循环过程和地表水—地下水转化关系等具有重要的指示作用[25]。陈粉丽等[26]研究表明兰州地区降水氢氧同位素与降水量呈负相关关系，与温度呈正相关关系，这与本文的研究结果一致。同时本研究中地表径流与地下水同位素与温度也呈现较好的正相关关系，可能因为地表径流与空气是直接接触，其温度受气温影响较大，地下水样主要于居民饮用水井内采集，气温对井内水体温度存在一定影响，而同位素的分馏系数是有关温度的函数[27]，温度升高，分馏系数变小，同位素发生富集。但二者对降雨量响应较差，可能是地表径流同位素会在降水过后发生同位素的快速富集[28]，本实验以月为尺度进行采样，采样周期超出地表水对降水的响应时间。而地下水对降水的响应存在滞后时间，因此本研究中地表径流和地下水中的同位素对降雨量没有表现出较好的响应。

蒸发作为水文循环的第一阶段，期间发生同位素分馏对后续降雨与径流的同位素组成将产生重要影响[27]。Qian H等[29]基于瑞利分馏模型估算了Dousitu河流域河水的蒸发比例约为20%～48%，本文所得结果37%在其区间之内。Hongbing Tan等[30]在黄土高山丘陵区发现由于有岩层裂隙和岩土界面的存在，降雨补给地下水过程中优先流与活塞流并存，本实验对流域裸露岩层进行了研究，发现存在多层弱透水岩层与含水层，并且弱透水层并不是密实无空隙，存在大量岩石裂隙，降水可以通过裂隙深层渗漏补给地下水。但部分月份如11月份与12月份，气温较低，蒸发较小，地下水同位素受降水同位素的影响较大，印证了优先流的存在。7月份降水同位素由于冰雹的存在较为贫化，但地下水同位素却较为富集，说明补给过程中活塞流的存在，降水补给地下水需要较长的传输时间[30]。由于蒸发只对根系层以上的水体存在较大影响[30]，本文中降水对地下补给过程中水体蒸发损失为54%，只比补给地表水过程高17 %，与Lihe Yin等[14]在相邻鄂尔多斯高原地区的研究结果相近。

地表径流与地下水的交换周期约为250 d左右，降水对地下水的补给传输则需要更长的时间[28]，因此2016年6月—11月降水主要以优先流的形式补给地下水，降雨因素如降雨量和降雨强度对优先流有重要的影响[32]，而小流域内部降水因素差异较小，造成流域内部降水对地下水补给比率较为相似。沟道地表径流主要是由地下水排泄形成[33]，沟头部位径流的汇流面积较小，地表径流主要源于地下水排泄补给，比例较高，越靠近下游，径流的汇水面积变大，降水对地表径流的补给比例逐渐增加，但仍以地下水排泄补给为主。地下水补给与排泄具有明显的季节特征，夏季降水对地下水的补给比例最高，与刘筱[34]在黑河流域的结论一致，春季无明显的补给现象，与M A Moreno等[35]在Blue River流域得出相似的结果。夏季和秋季地下水排泄比例较低，冬季和春季排泄比例较高，主要是夏秋半年降水量大，降水连续且集中，土壤易达到饱和，使得降水补给地下水较为容易，而冬半年降水量少，间隔时间长，土壤含水量低，较难补给地下水，甚至会发生地表径流断流，当水位低于地下水的排泄水位时，地下水发生排泄。但即使在降水较多的季节，地下水对地表径流的补给仍占有较大比例[36]。全年地表径流中约有83 %来自于地下水排泄，17 %来自于降水补给，这与杨智[37]在海流兔河结论相近。本研究中，夏半年降水对地下水的贡献率为88 %，冬半年为12 %，与沈业杰[1]等得出的结论相似。