大渡河丰水期水体氢氧同位素特征及其影响因素

谢姝 孟玉川 刘国东 李璐汐

摘要：大渡河干流规划了29座梯级水电站，已建成13座。为了解环境和水电开发对大渡河河水氢氧同位素组成的影响，应用数理统计等方法对2020年9月采集的大渡河流域河水氢氧同位素和相关水文资料进行分析。结果表明：① 大渡河水体 δ D和 δ   18 O的分布范围分别为-120.60‰～-77.98‰和-16.67‰～ -11.90‰ ，河水的 δ D與 δ   18 O关系线为 δ D=8.01 δ   18 O+14.43（ R  2=0.97， ρ <0.01）;② 氘盈余的范围为 11.72‰ ～18.15‰，河水氘盈余值全部偏正，体现了大渡河水接受冰雪融水补给的特征;③  δ D和 δ   18 O沿程增加，表明从上游至下游重同位素逐渐富集，反映了该区域氢氧同位素分布具有海拔效应;④ 水电站的大坝拦截会对水体氢氧同位素含量产生一定影响，水库水体滞留时间较长会使得坝前水体重同位素富集。

关 键 词：氢氧同位素; 海拔效应; 水体滞留; 大渡河

中图法分类号：  X143

文献标志码：  A

DOI： 10.16232/j.cnki.1001-4179.2022.03.008

0 引 言

水的  2 H和  18 O是广泛存在于水体中的稳定同位素，因其自身的稳定性，可作为研究各类水体补给来源的天然示踪剂，是进行水循环研究的重要手段  [1-3] 。不同来源的水具有不同的同位素组成，利用水中的  2 H和  18 O能够揭示区域降水规律、水体补给来源、径流途径及河流与湖泊或水库的混合作用等，有助于理解区域水循环格局、机制及演化信息  [4-6] 。

河水是水文循环过程的重要环节，其通过多种方式与大气降水、地下水、冰雪融水等不断发生相互转化  [7] 。影响河流水体  18 O和  2 H组成的因素较多，主要有气候条件、补给来源、蒸发等  [8] 。也有研究发现，梯级水库的建设影响了河水氢氧同位素沿程变化规律  [9-10] 。大渡河是位于青藏高原东南坡的一条大型河流，河源到河口高程变化大，平均水力坡度达到 0.4% ，水量丰沛，水能资源丰富，因此在干流规划了29座梯级水力发电站，已建成13座。目前，有关大渡河水体氢氧稳定同位素的研究甚少。本文根据2020年9月在大渡河采集水样检测的  2 H和  18 O含量 δ D和 δ   18 O，探讨丰水期大渡河干、支流河水 δ D和 δ   18 O的空间分布特征，并分析区域环境（雪融水、海拔）及梯级水电站对大渡河流域河水 δ D和 δ   18 O的影响，为大渡河流域水文循环研究提供参考。

1 研究区概况

大渡河位于青藏高原东南边缘与四川盆地的过渡带，发源于青海省阿尼玛卿山脉的果洛山南麓  [11] 。上源足木足河经阿坝县于马尔康县境接纳梭磨河、绰斯甲河后称大金川，向南流经金川县、丹巴县，于丹巴县城东接纳小金川后始称大渡河，再经泸定县、石棉县转向东流，经汉源县、峨边县，于乐山市城南注入岷江，全长1 062 km，流域面积7.77万km  2 ，多年平均流量 1 510  m  3 /s，是长江流域岷江水系最大的支流。大渡河的主要支流有梭磨河、绰斯甲河、革什扎河、小金川、南桠河、流沙河、青衣江等，流域内径流主要由降雨补给。

大渡河流域内地形复杂，流经高山丘原、高山峡谷、低山丘陵等地貌单元，海拔高程由发源地4 579 m过渡到入岷江河口的404 m。泸定县以上的上游段，河流穿行于大雪山与邛崃山之间，河谷束狭，河流下切，部分高山山顶常年积雪。中游泸定至石棉，地势蜿蜒险峻，河流水深流急，其中右岸接收发源于常年积雪的贡嘎山的海螺沟和燕子沟河水补给;石棉县以下的下游段，河流急转东流，进入四川盆地西南部的丘陵地带，沿河两岸山势渐缓，河谷渐阔，有河漫滩、沙洲分布。流域上游上段冬冷夏凉，属全年少雨的高原山地气候，年降水量500～750 mm，以降雪为主，积雪期可达5个月。其余地区属季风气候，一般具冬暖、夏热、湿润多雨的特征，年降水量1 000 mm，泸定、石棉县右岸地区年降水量1 200～1 500 mm，下游部分地区降水量可到 1 400 ～1 900 mm。

大渡河水电规划开发较早，干流规划29级水电站，其中猴子岩、黄金坪、泸定、大岗山、龙头石、瀑布沟、深溪沟、枕头坝、沙坪、龚嘴、铜街子、安谷、沙湾等13个电站已建成发电。

2 样品采集与方法

2.1 样品采集

2020年9月对大渡河流域进行了水样采集，主要采集了梯级水库的坝前水、下泄水和主要支流的表层水体。本次研究共采集水样50组，其中干流42组，支流8组，采样点位如图1所示。

采样过程中，利用打水器采集了水面以下15 cm左右的水样，原位测定了水体水温。采集水样时先用待取水体润洗采样瓶，然后将水样装入PE瓶中，瓶口和瓶盖间不留空隙、避免气泡产生，用封口膜密封瓶口以防止蒸发分馏，并在瓶身做好标记，放置于冰箱低温保存。

2.2 氢氧同位素分析

样品在四川大学水利水电学院资源实验室进行测定分析，先将所有的水样通过0.45 μm的有机滤膜除去水中杂质，再吸取过滤样品约1 mL于分析瓶中，利用LGR液态水同位素分析仪（Triple Liquid Water Isotopie Analyzer，型号T-LWIA-45-EP（912-0050））进行测量。测量后由LGR Post-Processing 后处理软件进行分析，得到不同水体样品中 δ D、 δ   18 O的值。同位素含量分别用 δ D、 δ   18 O表示，测定结果以相对于V-SMOW标准的千分差表示：

δ= R   sample  -R   standard   R   standard   ×1000 ‰  （1）

式中： R   sample 和 R   standard 分別为河水样品和标准样品中的同位素比率，测定精度分别为±0.3‰和±0.08‰。

2.3 数据处理

运用AutoCAD软件制作采样点分布图。运用Excel对50组水样的实验结果进行整理，并计算氘盈余的值。应用Origin 2018对每组数据进行绘图分析。

3 结果与讨论

3.1 特征因子沿程变化规律

河水在自上游至下游的流动过程中，会受到其他水体补给及环境因素的影响，致使河水内部氢氧稳定同位素、温度等会随着汇流过程产生一系列的变化  [12] 。图2为大渡河干流和主要支流温度、 δ D、 δ   18 O和氘盈余的沿程变化。

采样期间大渡河流域水体温度在14.2～21.0 ℃之间波动，温差6.8 ℃，平均温度为17.11 ℃。除安谷、龚嘴、铜街子水电站外，其余水电站坝前水体的温度都大于坝后水体的温度，可能是由于库区水存在垂向上的温度分层，水库下泄底层低温水，使得坝后水体温度较低。瀑布沟水电站坝前水体的温度最高，坝前坝后水体的温差也最大，相差2.7 ℃。支流水体的平均温度低干流水体，但两者相差不大。总体来看，瀑布沟水电站上游地区温度比下游地区波动大，沿着大渡河从上游到下游，温度呈现出上升的趋势。

河水 δ D和 δ   18 O的范围分别为-120.60‰～ -77.98‰ 和-16.67‰～-11.90‰，均值分别为 -108.41‰ 和-15.35‰。支流水体中 δ D的均值为 -106.03‰ ， δ   18 O的均值为-15.12‰，支流水体的同位素均值要比干流水体略微偏正。整体来看，大渡河 δ D变化幅度较大， δ   18 O变化幅度相对较小， δ D和 δ   18 O有相似的沿程变化，从上游到下游重同位素逐渐富集。对于水体滞留时间 T（T=V/Q，V为库容，Q为平均流量） 较长的水库，如猴子岩、瀑布沟水库（见表1），其坝前水体的同位素值总是比坝后水体富集重同位素，这与Wang等  [10] 在乌江流域的研究结果一致。

氘盈余取决于形成降雨时水汽来源的相对湿度，可作为判断水体补给排泄过程中的同位素交换以及蒸发影响程度指标  [12] 。大渡河流域氘盈余值的变化范围为11.72‰～18.15‰，均值为 14.28‰ ，均大于全球降水氘盈余均值（10‰），体现了大渡河接受冰雪融水补给的特征，且研究区地形复杂，区内高山河谷相间，本地蒸发水汽也对降水补给产生影响。氘盈余沿程表现出明显的波动，可能是由于河流自高海拔地区向低海拔地区流动过程中不仅接受降雨补给还会受到冰雪融水补给和支流汇入的影响。

3.2 大渡河水中 δ D和 δ   18 O的相关分析

Craig通过研究不同地区的降水样品，提出了全球大气降水线（Global Meteoric Water Line，GMWL） δ D=8 δ   18 O+10  [13] 。但由于不同地区气候和环境条件的差异，得到的降水 δ D- δ   18 O关系线会出现地域差异性，这种差异性可通过当地大气降水线（Local Meteoric Water Line，LMWL）来刻画  [14-15] 。针对大渡河所在的西南地区，不少学者进行了当地大气降水氢氧同位素的研究，得到了西南地区降水线 δ D=7.96 δ   18 O+ 9.52 ，本文将其作为当地大气降水线  [16] 。将大渡河水 δ D和 δ   18 O数据进行线性拟合（见图3），得到流域内河水的 δ D和 δ   18 O关系线 δ D=8.01 δ   18 O+14.43（ R   2 = 0.97 ， ρ <0.01），其斜率和截距都高于当地大气降水线LMWL，一般来说，由于降水补给河水后，受到不同程度的蒸发富集作用，河水线方程的斜率和截距都要小于当地大气降水线  [17] 。但两者斜率相差不大，说明河水易受大气降水的影响。河水的 δ D- δ   18 O关系线位于LMWL的上方，表明大渡河除了接受降雨补给之外还有其他的补给来源。大渡河中上游数据点位于河水线的下部，这是由于大渡河上游地区海拔较高，上游最高点海拔为2 579.5 m，且采样时间是雨季温度较高，河水接受了部分冰雪融水补给。与同时期收集的岷江干流水体同位素相比，数据点基本落在了岷江河水线的左下方，说明与其干流岷江相比大渡河水体重同位素更贫化。

3.3  δ D和 δ   18 O的高程效应

Siegenthaler等通过对瑞士不同海拔降水中同位素的研究发现， δ   18 O值呈现随着海拔升高而减小的线性下降趋势，这种现象被称为高程效应  [18-19] 。大渡河流域地表水氢氧同位素表现出一定程度的高程效应（见图4）。随着海拔的升高， δ D和 δ   18 O值总体表现出下降的趋势，这与姚檀栋等在青藏高原地区的研究结果一致  [20] 。大渡河水体 δ   18 O和 δ D值随海拔高度变化的梯度分别为1.05‰/km和8.70‰/km，小于全球降水 δ   18 O梯度值（2.80‰/km）。在拉萨河流域，水体 δ   18 O随海拔变化的梯度为1.58‰/km  [16] ;对喜马拉雅山地区的研究结果表明，由于高程效应 δ D的递减率为 26.10‰ /km  [21] ;贡嘎山地区（位于大渡河右岸）海拔每升高1 000 m， δ   18 O平均下降3.00‰， δ D平均下降 24.10‰   [22] ;虽然大渡河流域海拔效应与其他研究区相比较弱，但是符合 δ D和 δ   18 O随海拔升高而减小的规律。大渡河上游至下游地势起伏较大，本次采样的最高点海拔达到了2 579.5 m，与最低点相差 2 205.4  m，通过线性拟合，高程与 δ   18 O和 δ D表现出了明显的负相关关系，其相关系数分别为-0.65和-0.66，表明高程效应可能是大渡河水中重同位素沿程富集的主要原因。

3.4 电站水库建设对 δ D和 δ   18 O的影响

随着社会的发展，人类对水资源和水能资源的需求日益增加，加速了对河流的开发利用，水利工程的建设得到迅速发展。目前，世界上大约70%的河流都被大坝拦截  [10] 。大坝的拦截调蓄作用在带来经济效益的同时，也带来了负面效应，它改变了河水流动特征，使得河水在水库中长时间滞留接受蒸发，必将对水体中的同位素含量产生影响  [23] 。大渡河流域目前已建13座不同类型的梯级水库（见表1），在采集的库区水样中，坝前坝后水体氢氧同位素值发生了变化。

为探究梯级水库建设对河流水体氢氧同位素的影响，本文利用采集的坝前、坝后氢氧同位素差值Δ（Δ δ   18 O= δ   18 O  坝前 - δ   18 O  坝后 ，Δ δ D= δ D  坝前 - δ D  坝后 ）与水库滞留时间进行相关性分析（见图5）。结果发现水库水体滞留时间与同位素差值Δ表现出正相关关系，即河水滞留时间越长的水库，其坝前水体重同位素越富集，这与Wang等  [10] 在乌江流域的研究结果一致。主要是由于水体滞留时间较长的水库，可能会出现热分层现象使得库区表层水体温度更高，水体蒸发更为强烈。该区域的13座水库绝大部分都出现了坝前水体温度高于坝后水体温度的现象，温度更高的坝前水体相比坝后水体蒸发会更为强烈，水体重同位素也更加富集。但坝前、坝后水体氢氧同位素差值也出现了负值的情况，这是由于研究区的水库水体滞留时间相对较短，对氢氧同位素特征的影响较小。

4 结 论

大渡河流域水体温度在14.2～21.0 ℃之间波动，从上游至下游表现出逐渐增加的趋势。河水 δ D和  δ   18 O 的范围分别为-120.60‰～-77.98‰和 -16.67‰ ～-11.90‰。水体 δ D和 δ   18 O有着相似的沿程变化，且都表现出逐渐偏正的趋势。大渡河流域氘盈余的变化范围为11.72‰～18.15‰，均值为 14.28‰ ，大于全球雨水氘盈余均值（10‰），体现了大渡河接受冰雪融水补给的特征。

流域内河水的 δ D和 δ   18 O关系线为 δ D=8.01 δ   18 O+14.43（ R  2=0.97， ρ <0.01），其斜率和截距都高于當地大气降水线LMWL和同时期岷江河水线。数据点全部位于LMWL的上方，表明大渡河除了接受降雨补给之外还有其他的补给来源。

大渡河流域水体氢氧同位素表现出一定的高程效应，其水体 δ   18 O和 δ D值随海拔高度变化的梯度分别为1.05‰/km和8.70‰/km。通过线性拟合，高程与 δ   18 O和 δ D表现出了明显的负相关关系（相关系数分别为-0.65和-0.66），说明高程效应可能是大渡河水中重同位素沿程富集的主要原因。

大坝的拦截改变了河水流动特征，使得河水在水库中长时间滞留接受蒸发，对水体中的同位素含量产生影响。通过相关性分析，发现河水滞留时间越长的水库，其坝前水体重同位素越富集。

参考文献：

[1]  张贵玲，角媛梅，何礼平，等.中国西南地区降水氢氧同位素研究进展与展望[J].冰川冻土，2015，37（4）：1094-1103.

[2] GIBSON J J，PROWSET D.Stable isotopes in river ice：identifying primary over‐winter streamflow signals and their hydrological significance[J].Hydrological Processes，2002，16（4）：873-890.

[3] LAMBS L，BALAKRISHNA K，BRUNET F，et al.Oxygen and hydrogen isotopic composition of major Indian rivers：a first global assessment[J].Hydrological Processes，2005，19（17）：3345-3355.

[4] LI L S，YUE F J，LIU C Q，et al.The O and H isotope characteristics of water from major rivers in China[J].Chinese Journal of Geochemistry，2015，34（1）：28-37.

[5] KABEYA N，KUBOTA T，SHIMIZU A，et，al.Isotopic investigation of river water mixing around the confluence of the Tonle Sap and Mekong rivers[J].Hydrological Processes，2008，22：1351-1358.

[6] ZHAO P，GUO Z S，SHE D L，et al.Spatial distribution of the oxygen-18 in precipitation in China based on a new empirical model[J].Journal of Mountain Science，2019，16（11）：2605-2614.

[7] 丁悌平，高建飞，石国钰，等.长江水氢、氧同位素组成的时空变化及其环境意义[J].地质学报，2013，87（5）：661-676.

[8] ALLISON G B.The relationship between   18 O and deuterium inwater in sand columns undergoing evaporation[J].Journal of Hydrology，1982，55：163-169.

[9] LI C，YANG S Y，LIAN E G，et al.Damming effect on the Changjiang（Yangtze River）River water cycle based on stable hydrogen and oxygen isotopic records[J].Journal of Geochemical Exploration，2016，165：125-133.

[10]  WANG B L，ZHANG H T，LIANG X，et al.Cumulative effects of cascade dams on river water cycle：evidence from hydrogen and oxygen isotopes[J].Journal of Hydrology，2018，568：604-610.

[11] SUHAIL H A，YANG R，Chen H L，et al.The impact of river capture on the landscape development of the Dadu River drainage basin，eastern Tibetan plateau.[J].Journal of Asian Earth Sciences，2020：104377-104388.

[12] 吴华武，章新平，李小雁，等.湘江流域中下游长沙地区不同水体中 δ   18 、 δ D的变化[J].地理科学，2014，34（4）：488-495.

[13] CRAIG H.Isotopic variations in meteoric waters.[J].Science，1961，133（3465）：1702-1703.

[14] PENG H，MAYER B，HARRIS S，et al.A 10-yr record of stable isotope ratios of hydrogen and oxygen in precipitation at Calgary，Alberta，Canada[J].Tellus B：Chemical and Physical Meteorology，2004，56（2）：147-159.

[15] 謝林环，江涛，曹英杰，等.东江下游大气降水氢氧同位素特征及水汽来源[J].中山大学学报（自然科学版），2020，59（1）：86-95.

[16] 林聪业，高柏，华恩祥，等.拉萨河流域水环境氢氧同位素特征及其指示意义[J].有色金属（冶炼部分），2020（11）：99-106.

[17] 李静，吴华武，周永强，等.长江中下游地区丰水期河、湖水氢氧同位素组成特征[J].环境科学，2020，41（3）：1176-1183.

[18] SIEGENTHALER U，OESCHGER H.Correlation of   18 O in precipitation with temperature and altitude[J].Nature，1980，285（5763）：314-317.

[19] ARAGUáS‐ARAGUáS L，FROEHLICH K，ROZANSKI K.Stable isotope composition of precipitation over southeast Asia[J].Journal of Geophysical Research （Atmospheres），1998，103（D22）：28721-28742.

[20] 姚檀栋，周行，杨晓新.印度季风水汽对青藏高原降水和河水中δ  18 O高程递减率的影响[J].科学通报，2009，54（15）：2124-2130.

[21] SARAVANA KUMAR U，BHISHM K，RAI S P，et al.Stable isotope ratios in precipitation and their relationship with meteorological conditions in the Kumaon Himalayas，India[J].Journal of Hydrology，2010，391（1-2）：1-8.

[22] 宋春林，孙向阳，王根绪.贡嘎山亚高山降水稳定同位素特征及水汽来源研究[J].长江流域资源与环境，2015，24（11）：1860-1869.

[23] 张俊，崔高仰，李亲凯，等.筑坝拦截对梯级水库水体氢氧同位素组成的影响：以嘉陵江为例[J].生态学杂志，2018，37（3）：679-687.

（编辑：刘 媛）

Variations of hydrogen and oxygen isotopes in waterbody of Dadu River during  flood period and their influencing factors

XIE Shu，MENG Yuchuan，LIU Guodong，LI Luxi

（ State Key Laboratory of Hydraulics and Mountain River Engineering，Sichuan University，Chengdu 610065，China ）

Abstract：

There are 29 cascade hydropower stations planned in the main stream of Dadu River，and 13 have been constructed.In order to understand the influence of environment and hydropower development on the stable isotope composition of river water in the Dadu River，mathematical statistic was applied to analyze the δ  18 O and δD of river water and related hydrological data collected in Dadu River in September 2020.The results indicated that：① the range of δD and δ18O were-120.60‰～-77.98‰ and-16.67‰～-11.90‰ respectively.The relationship between δD and δ  18 O of river water was δD=8.01δ  18 O+14.3（ R  2=0.97， ρ <0.01）.② The d-excess values varied from 11.72‰ to 18.15‰，and all of the values were positive，indicating the Dadu River was recharged by melting water of ice and snow.③ δD and δ  18 O increased along the river，suggesting that heavy isotopes were gradually enriched from upstream to downstream，which was likely to result from the “altitude effect” of hydrogen and oxygen isotopes in this area.④ Dam interception had an impact on the hydrogen and oxygen isotope composition of the river water.The long residence time of water in the reservoir will lead to the enrichment of water isotopes before the dam.