湟水流域高山径流时空变化及不同水源贡献率分析

张伟峰，蒲军竹，杜喜龙

（青海省引大济湟工程建设运行局，青海 西宁810000）

1 流域概况

湟水流域发源于青海省海晏县，是黄河上游一级支流，省内长度为335.5 km，流域面积1.59 km2，流域地势南高北地，且蜿蜒于群山之中，在西宁西郊河处流经石头峡水库库区，库区以上地带为海拔高度1780 m～4400 m的山区，山体主要为安山岩和花岗岩，山坡顶部岩石裸露，部分区域植被覆盖率高达70%～85%，代表性植被主要是侧柏、油松、苹果、荆条、酸枣等寒温带早生阔叶林亚带植物；库区以下主要为丘陵地带，海拔高度在350 m～1780 m之间，表层主要覆盖着棕壤褐土和黄土砾石土壤，棕壤褐土主要分布在海拔350 m～650 m的中低山及丘陵地区，黄土砾石分布在丘陵沟谷地带。流域水资源总量呈逐年下降态势，当前水资源利用率为50%～60%，已远远超出世界公认的40%的极限水平，流域水资源大规模开发利用的潜力已经基本丧失。海东及西宁等县目前修建起的拦蓄水设施在发挥拦蓄湟水支流作用的同时，导致湟水流域及支流水量持续降低。

2 研究方法

2.1 样本采集

为便于对比分析，以石头峡水库库区为界限将湟水流域划分为高海拔集水区域和低海拔集水区域，在湟水流域主流和支流共设置1个低海拔采样点和1个高海拔采样点，低海拔采样区域海拔高度为1065 m，高海拔采样区域海拔高度为3090 m，在2019年3月（枯水期）、6月（平水期）和9月（丰水期）分三次采样。在3月枯水期和6月平水期内，各测点分别在上午10：00、中午13：00和下午16：00进行取样，间隔取样3 d；在9月丰水期内，取样主要围绕一次降雨历程而展开，即在各测点均按照降雨开始时采样1次，此后按2 h的间隔采样，并保证各测点所收集到的样品共为9份。河水取样通过容量为1 L的混合式采样器将全部样本收集起来后即刻装入容积250 mL的塑料瓶常温密封存放；降水取样则由流域气象部门提供的雨量器收集盛装。

2.2 室内测定及计算方法

湟水流域大气降水氢稳定同位素样品室内测定结果通常采用与平均海水SMOW标准相对的千分差［1］表示，并采用Thermal Finnigan MAT DelTaplus XP同位素质谱仪进行样品的测定。湟水流域不同水源对高山径流、平水径流和洪峰径流过程的贡献率按照二元混合模型［2］计算，具体如下：

式中：δM为河水/降水混合后氢同位素含量；fA为基流贡献程度，%；fB为降雨/地下水贡献程度，%；δA为枯水期/平水期基流氢同位素含量；δB为降雨/地下水氢同位素含量。

考虑到湟水流域降水中氢同位素高度效应较为显著，故集水区域内特定高度降水所对应的氢同位素含量δD值可通过以下换算关系［3］得出：

式中：δy为集水区域内特定高度降水所对应的δD值；δx为已知高度降水所对应的δD值；Δδ为该集水区域内随高度变化的δD值；Δh为特定高度和已知高度之差。

3 研究过程及结果

3.1 高山径流时间变化

通过分析和比较春季、夏季、秋季等不同季节条件下氢稳定同位素取值（图1）可以看出，在不同季节湟水流域河水的氢稳定同位素取值存在一定变化，但其均值随季节变动逐渐变负，也就是说，在每年3月份（春季）流域河水所富集的氢氧原子较多，在9月份（秋季）河水所富集的氢氧原子较少；此外，高海拔集水区域和低海拔集水区域流域河水氢稳定同位素取值均随季节改变而呈现出明显且相同的变化趋势。降水是湟水流域河水的初始来源，现有研究成果也显示，大气降水中氢稳定同位素取值本身就存在一定季节效应，所以，湟水流域河水内氢稳定同位素的变动趋势直接反映了降水中氢稳定同位素的变动规律。

图1 不同季节条件下氢稳定同位素取值

3.2 高山径流空间差异

根据所进行的湟水流域高海拔集水区域和低海拔集水区域氢稳定同位素取值的时间序列比较分析可知，在同一历史时期，随着海拔的不断降低氢稳定同位素取值逐渐由负变正，也即高海拔集水区域的河水富集氢原子量较少，而低海拔集水区域河水富集的氢原子量较多，见图2，而且在湟水流域的高海拔山区，降雨过程中可能出现的非平衡分馏会导致氢稳定同位素过多的富集在高海拔山区，所以低海拔集水区富集更多氢原子的现象在高山区域表现的更为明显。

由于湟水流域内氢稳定同位素存在明显的海拔效应，故能通过海拔差及所对应的氢氧稳定同位素取值的变动，求得海拔高度变化所引起的氢稳定同位素的变动情况，具体见表1。

表1 海拔高度变化所引起的氢稳定同位素的变幅

由表1结果可以看出，对于枯水期、平水期和洪水期，湟水流域值在每100 m内的变动幅度差异较大，这种差异是不同水文过程的体现：枯水期湟水流域河水主要通过冰川融雪补给，平水期流域河水补给来源中还包括地下水，洪峰期补给水源中又加入了降水因素。然而，由于湟水流域地下水因素较为活跃，表1中不考虑地下水的影响而仅根据湟水流域不同季节河水量所得出的数值无法代替大气降水δD值的变动趋势，但可以通过洪峰期径流均值和平水期径流均值之差表示大气降水中δD值变动率。所以，湟水流域大气降水随海拔高度变化的δD值为-0.20%，且因为不同支流水源在洪峰期内的汇合而造成值δD变幅较大。

图2 高海拔和低海拔区域氢稳定同位素取值的比较

3.3 不同水源贡献率

3.3.1 枯水期

根据上述分析，湟水流域平水期雨后混合径流主要受地下水和枯水期基流（即冰川融雪）影响较大，按照本文所采用的二元混合模型进行不同水源对湟水流域平水期径流和洪峰期径流贡献率的分析，具体见表2。

表2 地下水与枯水期基流对平水期雨后混合径流的贡献率

通过量化分析不同水源对湟水流域高山径流平水期雨后混合径流的贡献率表明，在平水期内，枯水期基流对高海拔和低海拔区域平水期雨后混合径流的贡献率分别为89.15%和85.71%，地下水对高海拔和低海拔区域平水期雨后混合径流的贡献率分别为119.85%和124.40%。表明地下水是湟水流域河水的主要补给来源，但对于不同海拔的集水区域，地下水水源的贡献程度不同，即低海拔集水区比高海拔集水区来源于地下水的补给量更大；枯水期基流（即冰川融雪）对高海拔集水区的贡献更大。

3.3.2 丰水期

湟水流域洪峰期径流主要受降水的影响，采用二元混合模型进行不同水源对湟水流域降水对洪峰期径流贡献率的分析，结果见表3。其中的基流包括降水和冰川融雪，由公式（3）求得不同海拔条件下降水的δD值；平水期基流反映的是降雨前的情况，洪峰期径流则是降雨后混合径流的体现。

表3 降水对洪峰期径流的贡献率

在丰水期，平水期基流对于高海拔集水区和低海拔集水区的贡献率分别为79.23%和96.49%，降雨的贡献比分别为115.70%和113.27%，表明降水是湟水流域洪峰期径流的主要来源，高海拔集水区降水的贡献率略大于低海拔集水区；此外，平水期基流对低海拔集水区的贡献程度比对高海拔集水区大。

4 结论

通过本文的分析可知，湟水流域河道径流呈现出较为明显的时空变化趋势。本文主要通过氢稳定同位素的变化进行流域河道径流变化的表征与反映，主要原因在于氢元素是构成水分子的主要元素，也是较为理想的水源示踪及水文演变过程的分析方法。流域河水中氢稳定同位素所表现出的时空变化其实是降水形成机制与地形格局之间互相影响和作用的必然结果，氢稳定同位素在大气降水的影响下表现出明显的季节效应，流域在地形格局影响下表现出一定的海拔效应。湟水流域所在区域随季节变动在3月～9月蒸发较强烈，富集较轻氢稳定同位素的水汽在运动过程中不断增多，所以氢稳定同位素的取值随季节变化而逐渐由正变负。在降水自然下落的过程中，随着地形格局（即海拔）的降低温度升高，蒸发变强，导致氢稳定同位素分馏作用增强，所以低海拔降水更容易富集较重的氢原子，也即海拔降低后氢稳定同位素的值会由负变正。

本文的研究还表明，在枯水期、平水期和洪峰期等不同径流时期以及不同海拔条件下，不同水源对湟水流域河水贡献率不同，对于这种贡献率方面的差异，影响因素也较为复杂，如海拔差异所对应的温度差异、气候条件差异、蒸发量差异等。而且在平水期，无论海拔情况如何，地下水水源的贡献程度均大于枯水期基流（即冰川融雪）的贡献程度；在丰水期，无论海拔情况如何，降水的贡献程度均大于平水期基流的贡献。