基于氢氧稳定同位素的澜沧江流域水体来源差异分析

徐 飘，唐咏春,2，张思思，刘德富,2，杨正健，马 骏

(1. 湖北工业大学土木建筑与环境学院 河湖生态修复与藻类利用湖北省重点实验室，武汉 430068；2. 三峡大学水利与环境学院 三峡库区生态环境教育部工程研究中心，湖北 宜昌 443002)

0 引 言

由于同位素分馏、水汽来源差异以及不同水体的混合作用都将会影响河水中同位素组成，使不同河流和不同河段水体的氢氧同位素特征具有一定的差异性，目前氢氧同位素已被广泛应用于揭示流域水文循环、判别河水补给来源的研究中[1-4]。近几年研究发现，河流氢氧同位素的补给来源有大气降水、冰雪融水、地下水等[5-14]。其中河水的主要补给来源为大气降水，当河水主要受大气降水补给时，该流域水体将继承大气降水同位素变化特征[5-8]，丁悌平等[7]探讨了长江水的氢氧同位素组成与大气降水的关系，研究表明大气降水是地表水的主要来源，从攀枝花到河口的干流水体δD和δ18O 呈现逐渐升高的趋势，与该流域大气降水的δD 和δ18O 变化趋势基本一致。姚俊强等[8]探讨了呼图壁河流域河水氢氧同位素时空分布与大气降水的关系，研究表明该流域河水接受大气降水补给导致河水同位素组成有着明显的季节变化特征，该流域水体δD和δ18O的最大值出现在秋季，最小值出现在冬季。冰雪融水是雪山周边河流的主要补给来源[9]，同时受冰雪融水补给的河流氢氧同位素值一般较贫化[10, 11]，如 Penna 等[10]的研究发现位于意大利的Bridge Creek Catchment流域受意大利中东部阿尔卑斯山δD 和δ18O 较贫化的冰雪融水补给影响，具有较低的氢氧同位素值。有研究表明，因地下水较地表水而言所受的蒸发作用较小，地下水的δD、δ18O 比地表水更贫化，当流域水体受地下水补给后河水δD、δ18O 将会变贫化；另一方面由于水/岩作用使地下水与含氧岩石发生同位素交换，将导致地下水δ18O 富集[12-14]。

澜沧江作为国际河流，前人对澜沧江的研究主要集中在流域水电资源开发[15, 16]、流域水环境与水生态效应[17-19]、流域极端气候[20, 21]等方面，而关于澜沧江流域氢氧同位素的研究尚无资料报道，因此，本文利用稳定同位素技术，研究澜沧江云南段水体的氢氧同位素组成特征，来探讨该流域水体氢氧同位素时空分布规律及不同河段水体补给来源差异，以期为更深入认识澜沧江流域的水文循环过程提供科学依据。

1 研究区域概况

澜沧江在云南境内(后文简称澜沧江云南段)的干流总长度为1 216 km，流域面积约为1.42 万km2。澜沧江云南段位于东经98°20′～102°19′，北纬21°08′～29°15′，地处西南纵向岭谷区，主要受西风带环流气候影响，流域干湿分明，一般5-10月为湿季，11-4月为干季，约85%以上的降水量集中在湿季。流域由北向南依次覆盖寒温带、温带、暖温带、北亚热带、中亚热带、南亚热带、北热带等7个气候带。流域地势呈北高南低趋势，澜沧江云南段上游河谷海拔为2 000 m以上，具有典型的干旱河谷气候特征；在其中游河段，海拔高度为2 000 m左右；在其下游段海拔高度均位于1 000 m以下，流域河道宽度增加变宽，流速缓慢。本研究区域上游(北部)监测最高点位于迪庆藏族自治州德钦县，下游(南部)监测最低点位于西双版纳傣族自治州勐腊县，其南北海拔高差为1 771 m。

为分析澜沧江云南段水体氢氧稳定同位素时空分布特征及其在自然河道-梯级水库之间的差异，分别于枯水期(2017年2月)与丰水期(2017年6月)在澜沧江云南段进行样品采集，枯水期与丰水期采集样品为地表水。如图1所示，自上而下在澜沧江云南段设置32个监测点，盐井(YJ1)至大华桥(DHQ)流域内目前没有水库建设，为上游自然河段；而苗尾库区(MV1)至景洪库区(JH2)已建有功果桥、苗尾、小湾、漫湾、大朝山、糯扎渡、景洪水电站，使该河段形成首尾相连的湖泊型水库，对原有的水生生态系统产生了影响，为中游水库河段；因橄榄与勐松水电站目前均未建设，橄榄02(GL2)至勐腊(GLK)为下游自然河段；在支流黑惠江、小黑江、黑河共设置7个监测点，其中小黑江及其来流分别设置5个监测点。

图1 澜沧江云南段采样点空间分布Fig.1 The spatial distribution of sampling points in Lancang River in Yunnan Province

2 材料与方法

2.1 样品采集与测试方法

2.1.1 样品采集与保存

水样在现场进行采集后，先经0.22 μm的混合纤维膜(Whatman GF/C)过滤，再用其润洗60 mL棕色塑料瓶3次后不留空气泡地装满此瓶，并立即将瓶盖拧紧，随之用Parafilm密封膜将瓶口密封，最后在瓶体贴上采样标签，于低温3～4 ℃保存。

2.1.2 样品测试方法

所有样品的δD和δ18O值的测定均在湖北工业大学河湖生态修复与藻类利用湖北省重点实验室进行。将水样放于2.0 mL取样瓶，用元素分析仪-稳定同位素质谱仪联机(Flash EA 2000 HT- Delta V Advantages，Thermo公司)测定样品中的δD和δ18O值。水样在1 450 ℃的高温裂解炉中形成H2与CO，被载气He带入色谱柱分离纯化后，依次进入稳定同位素质谱仪进行测定。一般用δ值来描述稳定同位素比率。δ值指样品中氢氧稳定同位素的比值相对于标准样品同位素比值的千分之偏差，计算公式如下：

(1)

式中：δ为测定样品的同位素比值；Rsample为样品中重同位素比轻同位素的丰度；Rstandard为标准样品中重同位素比轻同位素的丰度。

在氢氧同位素测量过程中，为检验仪器的稳定性与测量值的准确性，每个样品连续测5次取平均值，同时每间隔10个样品插入VSMOW标准物质(δD=0%，δ18O=0%)与SLAP2标准物质(δD=-42.75%,δ18O=-5.55%)进行同步测量，δD和δ18O分别为0.05%与0.006%[22,23]。

水温使用YSI-EXO多参数水质分析仪(USA)现场测定，水面宽度使用激光测距仪UNI-T393B现场测定，海拔高程使用高精度手持GPS定位仪MobileMappe 20现场测定。

2.2 数据分析

2.2.1 数据标准化校正方法

基于国际标准将用仪器测量的稳定同位素数据校正为基于国际参考标准的数据，以此来进行稳定同位素分析。这些校准方法主要为已知参考气真值校正、单一标准物质校正与2个标准物质校正[24]。大多数学者认为，多标准物校正法是稳定同位素数据校正的可靠方法，此方法较单一点校正产生的实验结果偏差小，得到的数据更为精确。本文的Pearson相关性分析均借助SPSS 21.0软件完成。

本文所用的数据标准化校正方法为2点线性内插校正法，即双标校正法。此方法是利用2个被认定参考标准的真值(VSMOW：δD=0%，δ18O=0%；SLAP2：δD=-42.75%，δ18O=-5.55%)和仪器测量值进行线性回归，本研究以VSMOW和SLAP2的δD、δ18O真值与测量值为基点将样品的测量值校正为真值，计算公式如下：

(2)

同时根据样品δD与δ18O值的分析精度，对其真值进行有效取值[25, 26]，样品同位素分析结果见表1。

表1 样品同位素分析结果Tab.1 Results of isotopic analysis of samples

续表1 样品同位素分析结果

2.2.2 氘过量参数演化的原理

在水循环过程中，降水是其中一个重要环节。由于同位素的分馏作用，在全球大气降水中氢、氧稳定同位素组成呈线性相关变化，1961年Craig[27]把这种相关变化定义为全球大气降水线(Global Meteoric Water Line，简称GMWL)：δD=8δ18O+ 10。事实上，由于气、液相同位素组分分馏的不平衡差异，使得不同地区所测得的大气降水线与全球大气降水线在斜率和截距上均会出现不同程度的偏移。为了量化这种差异，1964年Dansgaard[5]提出了氘过量参数(d)的概念，并定义为:d=δD-8δ18O，d值的大小可以直观地反映出不同地区大气降水蒸发、凝结过程中的不平衡程度[28,29]。

氘过量参数是大气降水的一个综合的环境因素指标，随着对水循环中各种水体(河水、降水、地下水等)同位素组分研究的不断深入，氘过量参数也被应用于各类不同水体中。氘过量参数会随区域气候条件的改变，而发生相应变化，且主要受水汽源区相对湿度、风速以及水体表面温度的影响。因此，在研究地表径流组成的动态演化方面，该参数发挥着必不可少作用。

3 结果与分析

3.1 地表水体氢氧同位素组成与季节特征

在枯水期，澜沧江云南段干流地表水体δD值变化范围为-16.90%～-12.50%，δ18O值变化范围为-2.012%～-1.694%；在丰水期，其δD值变化范围为-10.55%～-7.65%，δ18O值变化范围为-1.438%～-1.102%。δD与δ18O的平均值在枯水期分别为-14.970%和-1.875%，在丰水期分别为-9.33%和-1.306%。在枯水期与丰水期，δD值标准差均大于δ18O，其中δD标准差分别为1.35%和0.73%，δ18O标准差分别为0.071%和0.087%。

图2 澜沧江云南段地表水体δD、δ18O值的季节特征Fig.2 Seasonal characteristics of the δD and δ18O values in the surface water of Lancang River in Yunnan Province

如图2所示，在枯水期与丰水期，澜沧江云南段地表水δD、δ18O值的变化趋势基本一致，支流水体δD、δ18O值较干流水体明显富集，且枯水期δD、δ18O值均明显低于丰水期；研究区干流地表水体δD、δ18O最高值均出现在糯扎渡库区01(NZ1)，且有支流汇入的糯扎渡库区NZ3与NZ1的δD、δ18O值均明显高于其余干流地表水。研究区支流地表水体δD、δ18O最高值在枯水期出现在小黑江来流 (XHY)样点，在丰水期出现在黑河(HH)样点。在枯水期，研究区下游自然河段(GL2-GLK)地表水δD值较上游自然河段(YJ1-DHQ)明显富集，而在丰水期2者无明显差异。

3.2 地表水体氢氧同位素特征分析

如图3所示，根据澜沧江云南段地表水体的δD、δ18O值，拟合研究区在枯水期与丰水期河水趋势线(RWL)分别为δD=12.26δ18O+80.16(R2=0.83)、δD=7.25δ18O+1.1(R2=0.85)。目前，在澜沧江云南段氢氧同位素的研究还鲜有报道，同时该研究区的降水资料十分有限，本文较难应用实测数据得到当地大气降水线，故与全球大气降水线(GMWL)δD=8δ18O+10[27]相对比。在枯水期，研究区RWL斜率(12.26)与截距(80.16)均高于GMWL斜率(8)与截距(10)；上游自然河段地表水体δD、δ18O值均远偏离于GMWL与RWL，并位于这2条线右下方；中游水库段地表水体δD、δ18O值基本位于GMWL右下方，并较为离散；下游自然河段地表水体δD、δ18O值基本位于GMWL附近。在丰水期，研究区河水线斜率为7.25，十分接近全球大气降水线的斜率(8)，且研究区地表水体δD、δ18O值均位于GMWL附近。

3.3 澜沧江云南段地表水氢氧同位素与水体属性的关系

对澜沧江云南段氢氧同位素变化与水体属性进行相关性分析，由表2可以看出，不同河段水体氢氧同位素在不同季节与水体属性的关系具有明显差异性。研究区上游自然河段的δD值和δ18O值在枯水期未呈现出显著相关性，但在丰水期相关系数为0.991(P<0.01,n=7)，呈极显著正相关；在枯水期，δD值与高程呈极显著负相关(P<0.01,n=7)，而与水温和水面宽分别呈极显著正相关(P<0.01,n=7)和显著正相关(P<0.05,n=7)，但δ18O值与水温、高程、水面宽在枯水期均未呈现出显著相关性；在丰水期，δD值和δ18O值与水温均未呈现出显著相关性，而与高程呈极显著负相关(P<0.01,n=7)，与水面宽度呈显著正相关(P<0.05,n=7)。在研究区中游水库河段的δD值和δ18O值在枯水期与丰水期的相关系数分别为0.884、0.918(P<0.01,n=14)，呈极显著正相关；在枯水期，δD值和δ18O值与水温均呈极显著正相关(P<0.01,n=14)，与水面宽均呈显著正相关(P<0.05,n=14)，而δD值与高程呈极显著负相关(P<0.01,n=14)，δ18O值与高程呈显著负相关(P<0.05,n=14)；在丰水期，δD值与水温和水面宽呈显著正相关(P<0.05,n=14)，而与海拔未呈现出显著相关性，δ18O值与水温、高程、水面宽在枯水期均未呈现出显著相关性。在研究区下游自然河段的δD值和δ18O值在枯水期与丰水期未呈现出显著相关性，同时δD和δ18O值与高程、表层水温、水面宽均未呈现出显著相关性。

图3 澜沧江云南段地表水体δD～δ18O关系的季节特征Fig.3 Seasonal characteristics of the δD～δ18O relationship in the surface water of Lancang River in Yunnan Province

表2 地表水体δD、δ18O值与水体属性的Pearson相关性Tab.2 The Pearson correlation of δD, δ18O values and water properties in the surface water

注 ：*表示P<0.05, **表示P<0.01。

4 讨 论

4.1 澜沧江云南段地表水在枯水期的氢氧同位素组成及其影响因素

鉴于地表水成因的复杂性，单由地表水的氢氧同位素组成难以反映不同河段水体补给来源的差异性，而河水氘过量参数的变化能够反映水体蒸发、冰雪融水与大气降水形成过程中的同位素分馏效应。通过对流域冰融水、地表水等水体的氘过量参数特征进行研究，可揭示流域水循环转化过程中大气降水、冰融水、地表水之间的相互关系。故为便于对澜沧江云南段流域水体氘过量参数进行分析，将全球大气降水方程δD=8δ18O+10(d=1.0%)及当d值为2.0%、1.0%、0%、-1.0%、-2.0%时的情况绘制于图4、图5。

图4 在枯水期澜沧江云南段地表水体d值的分布特征Fig.4 Distribution characteristics of the d value of the surface water of Lancang River in Yunnan Province in the dry season

图5 在丰水期澜沧江云南段地表水体d值的分布特征Fig.5 Distribution characteristics of the d value of the surface water of Lancang River in Yunnan Province in the wet season

图4为在枯水期澜沧江云南段流域地表水体的氘过量参数特征。可以发现研究区上游自然河段(YJ1-DHQ)地表水d值位于-2.0%～-1.0%，导致这种情况发生的原因是由于该区域地处干旱河谷区，气候常年干燥，干湿季分明，在枯水期降雨量较少，使地表水受到强蒸发作用，故导致水样氘过量d值均小于全球d=1.0%的平均水平。同时该河段水体δD与高程呈极显著负相关，2者间R2达到0.894(P<0.01)，这进一步表明该河段从高海拔流向低海拔的过程中受蒸发分馏作用影响，使重同位素逐渐富集。从图2可以发现该河段地表水δD、δ18O值明显贫化，出现这一现象的原因是该河段位于云南省西北部，西岸有海拔5 000 m以上的梅里雪山(最高峰卡瓦格博海拔6 740 m)和大米勇雪山，东岸有察里雪山、甲午雪山和白芒雪山等，每年2月(枯水期)此区域的月平均温度为5～10 ℃，冰雪融水对地表水的贡献已经很明显，使该河段地表水受氢氧同位素值较低的冰雪融水补给，并导致其δD、δ18O值贫化。这种现象与蒲焘[9]对丽江-玉龙雪山周边流域河水氧同位素的研究发现冰雪融水是雪山周边地区地表径流的主要补给来源，以及高晶等[11]在普莫雍错表层湖水的研究中发现以冰雪融水补给为主的河流具有稀释作用，使河流入湖口附近湖水δ18O 较贫化的现象相似。因此可推断该时期研究区上游自然河段地表水δD、δ18O主要受蒸发作用与冰雪融水影响。

在枯水期研究区中游水库河段(MV1-JH2)地表水d值位于0%～1.0%。同时该河段水体δD、δ18O值与表层水温和水面宽度呈显著正相关，δD、δ18O值与表层水温间R2为0.942、0.765(P<0.01)，δD、δ18O值与水面宽度间R2为0.574、0.541(P<0.05)。这表明该河段受一定蒸发作用影响，导致这种情况发生的原因是是在枯水期各水库以蓄水为主，放水量降低，流域面积增大，且该时期降雨量较少，从而导致水体的蒸发分馏作用增强。从图2可以发现该河段地表水δD、δ18O值沿河流方向基本呈逐渐富集趋势，但在糯扎渡库区出现突增现象，该库区内的δD、δ18O值较自然河段与水库段δD、δ18O值富集，这种现象与小黑江和黑河2条支流相继汇入糯扎渡库区有关。由于小黑江的左岸与右岸上均存在不同程度的废水排放，且支流短小，蒸发量大，使支流小黑江与黑河具有较高的δD、δ18O值，它们的加入必然导致该库区δD、δ18O值富集。这种现象与丁悌平等[7]在对长江流域氢氧同位素的研究中发现支流的相继汇入使得长江干流的δD、δ18O值不断富集的现象相似。因此可得出该时期研究区中游水库河段地表水δD、δ18O主要受一定蒸发作用与支流汇入影响。

与上游自然河段不同的是，在枯水期研究区下游自然河段(GL-GLK)地表水d值均位于1.0%左右，且水体氢氧同位素组成位于GMWL附近。这种情况发生的原因是该区域属北热带湿润季风气候，年平均降水量大于1 200 mm，由此可见该区域降雨量充沛，大气降水是其主要补给来源。这种现象与蒋保刚等[30]在对汉江上游金水河流域氢氧同位素的研究中发现金水河干流水体由于受大气降水补给影响，使δD、δ18O值位于全球大气降水线附近的现象相似。因此我们可得出该时期研究区下游自然河段地表水δD、δ18O主要受大气降水补给。

4.2 澜沧江云南段地表水在丰水期的氢氧同位素组成及其影响因素

图5为在丰水期澜沧江云南段流域地表水体的氘过量参数特征。可以发现在该时期整个澜沧江云南段干流地表水d值均位于1.0%左右，变化范围不大，说明其水汽来源一致，且大气降水为该流域地表水的主要补给来源。另外，在中游水库河段氘过量参数d值出现一定波动，其主要原因是该流域的中游地区建有一定规模的水库，将河水拦截、蓄积，导致地表水更容易发生同位素分馏效应，从而导致氘过量参数的变化。吉磊[31]对玛纳斯流域地表水氢氧同位素研究发现平原水库和渠系的修建，会使地表水中的δD、δ18O 更加富集的现象与本研究相似。同时由图2可知，在该时期糯扎渡库区的δD、δ18O值明显高于其余干流样点与枯水期的现象一致，表明在该时期支流的汇入对水库有一定影响。由丰水期δD与δ18O值相关性分析可知，研究区下游自然河段δD值与δ18O值未呈现出显著相关性，而上游自然河段δD与δ18O值的相关系数为0.991(P<0.01)，呈极显著正相关，这种情况发生的原因是下游自然河段水体受到大坝拦截和城镇生活污水排放及流域面积等因素的作用，而上游自然河段水体氢氧同位素受到的影响相对较小，故使下游自然河段地表水δD与δ18O值相关性比上游自然河段更弱。此现象与成玉婷等[32]对丹江流域氢氧同位素的研究发现由于丹江干流水体受到城镇生产生活用水和污水处理排放等人为因素的作用，而其小流域水体氢氧同位素受到的影响相对较小，使丹江干流较小流域水体的氢氧同位素相关性弱类似。综上可得出在丰水期，整个澜沧江云南段地表水主要受大气降水影响，同时中游水库段受支流汇入影响，下游自然河段受一定人类活动影响。

5 结 论

(1)在枯水期与丰水期，澜沧江云南段流域地表水体δD与δ18O值的变化趋势基本一致，均表现出一定季节变化，枯水期的δD、δ18O值均显著低于丰水期。同时该区域干流地表水体δD与δ18O值存在明显的线性关系(枯水期为δD=12.26δ18O+80.16、R2=0.83，丰水期为δD=7.25δ18O+1.1、R2=0.85)。

(2)在枯水期，研究区上游自然河段地表水体主要受冰雪融水与蒸发作用影响，中游水库段受一定蒸发作用与支流汇入影响，下游自然河段主要受大气降水补给。在丰水期，整个澜沧江云南段地表水主要受大气降水影响，同时中游水库段受一定支流汇入影响，下游自然河段受一定人类活动影响。

澜沧江为我国西南地区最大的河流之一，对其水资源状况与演变趋势的研究很有意义。为深入探讨澜沧江水文资源变化情况与水循环模式，还需对该流域冰雪融水、大气降水、地下水等水体的氢氧同位素组成进行分析，并对与河水之间的相互作用进行更深入研究。由于资料有限，目前无法利用氢氧同位素组成来追溯其水循环模式的详细演化过程。但若对其展开一定的氢氧同位素研究，对探讨澜沧江流域水循环将具有重要的指示作用。