三门峡库区湿地水体氢氧同位素变化特征研究

王富强, 普隽泽, 康萍萍

(1.华北水利水电大学,河南 郑州 450046; 2.河南省黄河流域水资源节约集约利用重点实验室,河南 郑州 450046)

大气降水、地表水、地下水和土壤水是湿地水循环中的重要组成部分。自然界中的水由氢、氧两种化学元素组成,这两种化学元素都存在质量不同的同位素[1],稳定同位素D和18O可以在不同水体中发挥十分重要的示踪作用。杜康等[2]针对典型黄土丘陵区不同水体中氢氧同位素的研究发现,不同水体中的氢氧同位素随时间变化较大;何明霞等[3]解析白洋淀湿地各水体的氢氧同位素组成特征时发现,白洋淀地区水体中的氢氧同位素在枯水期富集、丰水期贫化,水体来源差异和蒸发作用程度影响着水体中稳定氢氧同位素的组成;谢金艳等[4]采用同位素示踪技术,得出δD值在从浅至深的土壤水中表现出周期变化规律。林聪业等[5]依据采样结果,对拉萨河流域中的氢氧同位素开展研究,探寻不同水体间的补给关系和时空变化特征。任行阔等[6]分析研究慕士塔地区大气水汽氢氧稳定同位素组成,得出其变化特征及相关关系。通过调查研究不同水体中氢氧同位素的分布特征,可以判别不同水体的变化趋势和转化关系。

湿地、森林与海洋生态系统被称为三大生态系统,对维护区域生态稳定具有重要意义[7]。三门峡库区地处黄河中游,是水资源匮乏区,水资源的合理利用已经成为推动三门峡市发展的关键因素[8]。三门峡水库的修建对于三门峡库区湿地的形成和演变有重大影响。三门峡库区湿地是一个多种湿地类型并存且开放统一的复合型湿地,其中最具代表性的是多泥沙河流湿地,该湿地对该地区的水沙平衡、生态区域健康等具有重要意义。近年来,由于水资源的过度开采和水体污染,三门峡库区湿地资源大幅减少,湿地面积锐减,水体中污染物含量升高[9],湿地生态系统功能减弱,生态安全受到威胁。为阻止三门峡库区湿地生态系统的衰退,探究三门峡水库特殊运行方式下的湿地水文循环特征和水体间的相互关系,为湿地的保护和管理寻找科学依据。

文中基于稳定同位素技术,对三门峡库区湿地不同水体中的氢氧同位素特征及其空间分布进行分析,探究这些水体中氢氧同位素的变化趋势和水库不同运行方式下湿地的水循环过程。

1 研究区域

1.1 区域概况

三门峡水库工程于1960年9月建成并开始蓄水运用,作为兴建在黄河干流上的第一个水利工程,数年来,主要承担防汛、发电等任务。三门峡库区地处陕西、山西、河南三省交界处。库区内河流湿地长约110 km、平均宽度3 km,某些区域最宽可达6 km,生长有芦苇、白茅等植物。三门峡库区属于典型暖温带大陆性季风气候,年气温均值为13 ℃左右,年降水量为400～600 mm,7—9月是降水集中的丰水期[10]。依据现有水文资料及水库运行规律可知,7—9月为三门峡水库泄水期,其余月份为蓄水期。三门峡水库史家滩水文观测站为坝前水文观测站,其水位高低对水库的正常运行及库区湿地的生态环境稳定具有重要意义,结合史家滩水文观测站1974—2017年运行水位数据可知,4月份水位为一年中最高水位,7月份水位为一年中最低水位。

1.2 研究区域的界定

选定的研究区域为潼关水文断面至三门峡大坝断面间的多泥沙河流湿地,长约160 km,如图1所示,研究区域内包含的城市主要有河南省的三门峡市、陕西省的渭南市和山西省的运城市。

图1 研究区地理位置

2 样品采集与分析

2.1 样品采集

依据与研究区域相关的水文气象资料,并结合三门峡库区湿地的主要特征及三门峡水库的运行方式和库区形成条件,最终确定采集样品的时间和地点,于2018年4月和8月、2019年1月和7月、2020年6月进行水体样品采集工作。采样地点如图2所示。

图2 野外取样点位分布

2.1.1 河流水样品

为避免水体表面其他物质的影响[11],在潼关水文观测站、杨家湾控导工程等5个地方的河道靠近岸边距离水面10 cm以下的位置,共取得19个河流水样品。

2.1.2 地下水样品

为保证检测结果的准确性,采样前,抽取地下水静置5 min左右,以排除抽水管道先前存有的余水[12],在杨家湾控导工程、潼关水文观测站断面等地方,共取得9个村庄自打井的地下水样品。

2.1.3 土壤水样品

因为土壤是一个不均体,影响检测结果的因素较多,且土壤水不能直接获得,需要对含水土壤提取分离后获得。因此在采集土壤水样品时,使用专业取土器分别取10、20、30、40 cm左右深度的库区湿地土壤水样品。在山西西王村、天鹅湖湿地等取得49个土壤水样品。

2.2 样品检测

同位素比值用来表征某一元素的重同位素原子与轻同位素原子的丰度之比。由于同位素比值的测定仪器质谱仪中存在同位素分馏,并且在实践中,稳定同位素在自然界中含量较低,用绝对量表达同位素的差异比较困难,难以直接测量同位素比值,因此通常采用相对的方法获取结果。即将待测样品中同位素比值(标准物质同位素比值)进行比较,计算结果称为同位素含量,定义如下:水样中稳定同位素18O含量δ18O=18O/16O和同位素D的含量δD=2H/1H的高低采用相对于标准海洋水(SMOW)的千分差[13-14]来表示:

(1)

式中Rsample为样品重同位素与轻同位素之比,以Vienna Standard Mean Ocean Water[15]为比值标准Rstandard。全部样品的稳定氢氧同位素分析试验均在中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所实验室完成。样品检测采用高温裂解元素分析仪,δD和δ18O同位素的检测精度分别为±1‰和±0.2‰。

2.3 分析方法

运用Excel软件和SPSS软件完成样品检测数据的整理及δ18O和δD含量相关关系拟合分析;选用ArcGIS和Origin 2018完成制图。

3 结果与分析

3.1 不同水体稳定氢氧同位素总体特征

三门峡库区湿地5次水体样品采集结果如表1和图3所示。蒸发作用、含水介质等因素对不同水体中的稳定氢氧同位素含量存在不同程度的影响,结合5次水体样品采集的结果(表1和图3)可以看出:土壤水中的δ18O和δD最为富集,河流水中的次之,地下水中的最为贫化,这是由于较轻的原子会在河流水和土壤水的强烈蒸发中发生分馏,并随空气蒸发而留下较重的δ18O和δD,因此河流水和土壤水中的稳定氢氧同位素含量高于地下水中稳定氢氧同位素的含量。总体来看,河流水中δ18O和δD的变化幅度最小,水中同位素18O和D含量最为稳定;而土壤水中δ18O和δD含量的变化幅度最大,水中同位素18O和D的含量波动较大。

表1 三门峡库区湿地不同水体中δD和δ18O平均值 ‰

图3 三门峡库区湿地不同水体中δD与δ18O关系

3.2 不同水体中稳定氢氧同位素的时空变化特征

3.2.1 时间变化特征

三门峡库区湿地不同水体中δD与δ18O点位分布如图4所示。从图4中总体来看,河流水中的稳定氢氧同位素含量2018年蓄水期的最高,2020年蓄水期的最低,且在三门峡水库2020年蓄水期,河流水中稳定氢氧同位素含量出现了相差较大的极小值,这很有可能是河流水从上游到下游的过程中,受到了水库用水供给严重不平衡以及自然地理环境被破坏的影响。

图4 三门峡库区湿地不同水体中δD与δ18O点位分布

通过对比图4(a)中同一地点不同年份的水样中的稳定氢氧同位素含量可发现:潼关断面处,河流水中的稳定氢氧同位素含量2018年蓄水期的最高,2020年蓄水期的最低;西王村处,泄水期河流水中的稳定氢氧同位素含量2018年的较2019年的高;杨家湾控导工程处,蓄水期河流水中的稳定氢氧同位素含量2018年的最高,2019年的最低;天鹅湖湿地处,蓄水期河流水中的稳定氢氧同位素含量2018年的最高,2019年的最低;三门峡大坝处,河流水中的稳定氢氧同位素含量2018年蓄水期的最高,泄水期2019年的最低。

通过对比图4(b)中结果可知,三门峡库区湿地所采地下水样品中,各月份中稳定氢氧同位素的含量相差不大;进而比较在相同位置3年不同时期的地下水采样结果发现:潼关水文站内水井处,2018年泄水期地下水中的稳定氢氧同位素含量较蓄水期的高;杨家湾控导工程处,地下水中的稳定氢氧同位素含量2018年蓄水期较2019年泄水期的高;辛店村内水井处,泄水期地下水中的稳定氢氧同位素含量2018年较2019的高。总体而言,地下水中的稳定氢氧同位素含量泄水期的较蓄水期的高。这可能与地下水在水库泄水期时受到的蒸发作用更强有关。

通过对比图4(c)中结果可知,三门峡库区湿地土壤水中的稳定氢氧同位素含量2018年泄水期的最高,2019年蓄水期的最低。分析比较不同取样时间同一地点的土壤水中稳定氢氧同位素含量知:天鹅湖湿地处,土壤水中的稳定氢氧同位素含量2019年泄水期的最高,2018年泄水期的和2020年蓄水期的次之,2018年蓄水期的最低;潼关水文站处,土壤水中的稳定氢氧同位素含量2020年蓄水期的最高,2019年泄水期的和2018年泄水期的次之,2019年蓄水期的最低;西王村处,土壤水中的稳定氢氧同位素含量2020年蓄水期的最高,2018年泄水期的次之,2019年泄水期的最低;三门峡大坝处,土壤水中的稳定氢氧同位素含量2018年蓄水期的最高,2019年蓄水期的最低;杨家湾控导工程处,土壤水中的稳定氢氧同位素含量2020年蓄水期的最高,2018年蓄水期的最低。就总体情况而言,土壤水中的稳定氢氧同位素含量泄水期的较蓄水期的高。

3.2.2 空间变化特征

三门峡库区湿地水体中δ18O和δD沿程变化如图5所示。

图5 三门峡库区湿地不同水体中δD与δ18O沿程变化

由图5(a)可知,蓄水期三门峡库区湿地河流水中稳定氢氧同位素含量如下:①2018年、2019年和2020年,δ18O值总体沿程增加;②2018年、2019年,δD值总体沿程减小,2020年δD值总体沿程增加。水库蓄水时,河流水中稳定氢氧同位素含量2018年的高于2020年和2019年的,2020年的高于2019年的。结合史家滩水文观测站观测到的水位全年变动情况,三门峡水库最高水位出现在2018年水库蓄水期,说明2018年水库蓄水期时的水面面积最大。随着气温逐渐升高,伴随着强烈的蒸发作用,水体体积逐渐缩小,氢氧离子含量随之升高,重同位素富集,促使氢氧同位素含量升高。在泄水期,2018年和2019年,δ18O值和δD值均呈现出沿程先降低后增加的变化趋势,总体来看均降低。水库泄水时,河流水中稳定氢氧同位素含量2018年的高于2019年的。2018年,当三门峡水库处于敞开敞泄的泄水期,湿地水位下降,伴随着降水增多,使得河流水中的氢氧同位素含量降低。2019年泄水期采集样品时,降水集中,河流水中稳定氢氧同位素含量受到降水量较大影响,导致2019年泄水期水样品中稳定氢氧同位素含量较2018年泄水期同期水样品中的低。

由图5(b)可知,水库蓄水期时地下水中稳定氢氧同位素含量沿程减小,在水库泄水期该含量沿程略增加。这是由于地下水远离地面,不能直接受到大气降水的补给,只受到较小的蒸发作用,且地下水的构成极其复杂,稳定氢氧同位素含量的沿程分布特征也存在差异,加之三门峡库区湿地地下水系统是一个独立的系统,导致三门峡库区湿地地下水中的稳定氢氧同位素含量出现水库蓄水期沿程减小,泄水期沿程增加的趋势。

由图5(c)可知:2018年蓄水期土壤水中δ18O和δD呈现先减少后增加的趋势;2018年泄水期、2019年蓄水期、2019年泄水期和2020年蓄水期的土壤水样品中的δ18O和δD呈现波动变化,总体呈降低的趋势。在泄水期和蓄水期,三门峡库区湿地的土壤水中稳定氢氧同位素含量总体均呈现出沿程降低的趋势,这可能与土壤水的存在形式多样及这些水体间会发生不同程度的混合有关。

3.3 不同水体中δD和δ18O的相关关系

CRAIG H[16]研究了全球的降水样品,发现δD和δ18O间存在着一定线性关系。DANSGAARD W[17]在经过相关具体研究分析之后,首先提出了氘盈余这一观点,用d表示,计算公式为:d=δD-8δ18O。大气降水与蒸发水汽凝结是否平衡稳定可以用氘盈余d来判断,判断的依据是d值越偏正且越小,则说明该地区降水与蒸发的不平衡程度越大,反之,d值偏负且其绝对值越大,说明该地区降水与蒸发的不平衡程度就越小。尹观等[18]在研究不同水体间的运移过程时,把氘盈余引入生态水文研究中,并作为一项判断标准,发现如果某一地区的大气降水线可以确定,其氘盈余d的值也能经大气降水线方程逆推计算后确定,且不受相关地理因素和人为因素的影响。

不同水体氘盈余d值计算结果见表2。由表2可知,不同水体中的氘盈余d值是有差异的,d河流水>d地下水>d土壤水,河流水虽然可能同时受到降水和蒸发的作用,但总体来看,河流水中的同位素18O和D含量是最稳定的,地下水中的次之,土壤水中的最不稳定。

表2 不同水体中的氘盈余d值

对于某一个确定的研究区域,大气降水线表示的是该地区降水中δD和δ18O的线性方程关系,徐学选等[19]根据1961—2001年间GNIP对全国324对和全球3 281对大气降水氢氧同位素含量数据进行线性拟合,得到全球大气降水线(δD=7.977δ18O+9.126(n=3 281,R2=0.988))、全国大气降水线(δD=7.887δ18O+8.609(n=324,R2=0.976))。

因三门峡市地处西安市和郑州市交界之处,对比三门峡市、郑州市、西安市3个地区的纬度、气候等影响大气降水的主要因素,可以看出3个地区都属于温带季风气候,其年降水量相差不大,且年降水量集中分布时间段基本相同,都集中于夏季,因此可以选用高建飞等[20]所收集的郑州站与西安站的大气降水数据,去推求当前研究区域的大气降水线(LMWL),得到研究区域大气降水线为δD=6.71δ18O-6.07。

再对三门峡库区湿地的河流水、地下水和土壤水样品中的δ18O值和δD值进行拟合,得到这3种水样中δD和δ18O相关关系的线性方程分别为:δD=6.342δ18O-2.873(n=19,R2=0.967),δD=4.928δ18O-19.425(n=9,R2=0.944),δD=6.390δ18O-3.588(n=49,R2=0.898)。三门峡库区湿地水体中δD和δ18O相关关系如图6所示。

图6 三门峡库区湿地水体δD与δ18O相关关系

由图6可以看出:全球、全国大气降水线的斜率和截距高于当地大气降水线的,这是因为研究区域地处内陆,降水较少,并受到强烈的蒸发作用;河流水和土壤水中δD和δ18O相关关系的线性方程斜率和截距相近,且均小于3条大气降水线的斜率与截距,表明河流水和土壤水受到一定的蒸发作用,并且在受到大气降水补给时出现了程度不一的同位素富集情况。地下水中δD和δ18O相关关系的线性方程的斜率和截距与其他水体中的相比最小,受较强的蒸发作用,与大气降水、河流水和土壤水关系密切。降水落到地面,一部分供给动植物生长,另一部分会直接补给河流水和土壤水,再经土壤层下渗,间接补给地下水。从大气降水到土壤水,δD和δ18O相关关系线性方程的相关系数在逐渐变小,表明随着大气降水的不断渗透,不同水体之间发生了相互转换。

4 结论

以三门峡库区湿地为研究区域,结合5次野外采样收集的水库蓄水期和泄水期稳定氢氧同位素数据,分析了库区湿地大气降水、河流水、地下水和土壤水中稳定氢氧同位素的组成特征及其时空变化特征,利用SPSS等软件探究了这些水体中δ18O和δD的相关关系,并推测库区湿地不同水体间相互转换的关系,得出以下主要结论:

1)三门峡库区湿地中,土壤水中稳定氢氧同位素含量最为富集,河流水中的次之,地下水中的最为贫乏。

2)三门峡库区湿地各水体中稳定氢氧同位素特征为:河流水中稳定氢氧同位素含量在水库蓄水期时2018年的较2020年的和2019年的高,在水库泄水期时2018年的较2019年的高;地下水中稳定氢氧同位素含量在水库蓄水期时的低于泄水期时的;土壤水中稳定氢氧同位素含量在水库泄水期的较蓄水期的高。不同水体中稳定氢氧同位素含量在不同水库运行时期呈现不同的变化趋势,蓄水期时,河流水中的稳定氢氧同位素含量呈现总体增加的趋势,地下水和土壤水中的呈总体减小的趋势;泄水期时,河流水和土壤水中的稳定氢氧同位素含量呈现总体减小的趋势,地下水中的呈总体增加的趋势。

3)对三门峡库区湿地内河流水、地下水和土壤水中的δ18O与δD值进行线性回归拟合,得到各类水体中δ18O与δD的相关关系方程分别为:δD=6.342δ18O-2.873(n=19,R2=0.967),δD=4.928δ18O-19.425(n=9,R2=0.944),δD=6.390δ18O-3.588(n=49,R2=0.898)。不同水体之间存在不同程度的转换,且均受到大气降水的补给。