珠江泗河水流域降水事件中氫氧同位素特征分析

胡海英，謝雨釗，劉 琳

(華南理工大學土木與交通學院，廣州 510640)

0 引 言

同位素技術自20世紀中葉被引入到水文學研究領域以來，為水循環(huán)機理的研究提供了一種快捷有效的途徑。在水循環(huán)過程中，各種水分氫氧同位素組成具有廣泛的時空分布異質性，不同來源的水體具有不同的同位素組成。利用同位素示蹤技術，可以了解大氣降水、河水和地下水同位素的分布，探討大氣降水水汽來源、形成條件，估計水面蒸發(fā)、土壤水蒸發(fā)下滲及地下水的補給量，揭示大氣降水、土壤水及地下水等水體之間的相互關系[1-19]。國內外已有許多針對水循環(huán)過程中不同水體同位素特征變化的研究。例如，NEWMAN B D等[20]利用同位素示蹤了美國新墨西哥州北部森林土壤水運動過程。FRITZ P等[21]應用穩(wěn)定同位素研究了單個流域徑流組成中前期降水和本次降水組分。BAZEMORE D E等[22]采用3水源2種示蹤劑過程線分割模型對Virginia Shenandoah國家公園的小森林流域洪水進行劃分。MCCARTHY K A等[23]研究了俄勒岡州波特蘭附近哥倫比亞河河水與地下水之間的水力聯(lián)系。歐美許多研究機構如美國的俄勒岡州立大學、瑞士的環(huán)境科學與技術聯(lián)邦研究所、加拿大滑鐵廬大學、美國地質調查局等利用同位素技術在流域水源示蹤實驗、流域產(chǎn)流機制、不同水源間的轉化關系等方面進行了大量研究。在國內，顧慰祖[1,2]利用環(huán)境同位素氚和18O作為示蹤劑對各種徑流成分的數(shù)量和產(chǎn)生的先后順序、相互轉化關系進行了研究。宋獻方等[4]利用環(huán)境同位素技術研究了懷沙河流域地表水和地下水的轉化關系。鄧文平等通過對降水、土壤水、泉水氫氧同位素的變化特征分析，研究了北京低山區(qū)的降水、土壤水和泉水的轉化關系[24]。包為民等研究了降水入滲條件下土壤水同位素的變化[13]。吳華武等分析了青海湖流域夏季河水和降水中氫氧同位素時空變化特征[25]。汪敬忠等運用環(huán)境同位素和水化學技術，分析了河套平原不同類型水體氫氧同位素和水化學特征，示蹤了地下水的補給來源[26]。張兵等應用同位素和水化學方法分析了三江平原地表水和地下水的相互關系[27]。成玉婷等通過相關分析和ANOVA分析等方法研究丹江流域不同水體的氫氧同位素的變化特征和影響因素[28]。

目前的同位素水文學研究大多集中在干旱半干旱地區(qū)，對濕潤地區(qū)天然流域場次降水事件中氫氧同位素變化特征鮮有研究。本文選擇珠江具有典型氣象地理特征的泗合水小流域進行降雨徑流水文示蹤實驗研究，通過野外考察、實時采樣和室內分析的方法，研究流域內場次降水事件中各水源同位素時空分布特征、變化規(guī)律及其影響因素，探討流域水文響應機理和不同水源間的轉化關系。

1 數(shù)據(jù)來源與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

泗合水流域位于廣東省江門市鶴山市雙合鎮(zhèn)(珠江三角洲西部)，東經(jīng)112°25′～112°36′，北緯22°34′～22°44′。流域植被覆蓋較好，森林率為81.5%，地形呈西北往東南方向傾斜，最低海拔為27.2 m。流域面積為131 km2，主河長約26 km，河床比降為0.281%，流域下游有雙橋水文站，流域內部設立了布尚、坂村、棠密、吉塘4個雨量站。流域屬亞熱帶季風氣候，雨量充足，年平均氣溫 21～22.4 ℃，多年平均降水量為1 661.1 mm，多年平均蒸發(fā)量為877.7 mm，多年平均徑流量1.145 3 億m3。流域內土壤主要為麻赤紅壤和頁赤紅壤，土地利用類型以林地和耕地為主。

1.2 樣品采集和分析

同位素采集工作發(fā)生在2014年5-9月，分別采集泗合水流域場次降水事件中大氣降水、河水和地下水水樣。通過野外現(xiàn)場取樣，一共采集了2014年5-9月泗合水流域4次完整的降水過程，降水事件分別編號為140504，140520，140820，140916。4次降水事件中，一共收集到40次降雨樣品，76次河水樣品，21次地下水樣品。選擇泗合水小流域雙橋雨量站作為觀測站點，使用自動雨量計記錄雨量站的降雨過程，同時人工采集降雨水樣。一般情況下，當降雨強度較大時，每隔15 min取樣一次；當降雨強度減小時，每隔60 min取樣一次。在流域出口斷面雙橋水文站設立徑流監(jiān)測點，觀測流量并同時采樣。采樣開始時刻為降雨開始后不久水位起漲時，河水采樣時間間隔為1 h一次，當流量變小后，2 h采集一次，采樣持續(xù)至降雨結束后的若干小時，以小流域出口斷面徑流量基本恢復正常水平為準。在流域出口斷面雙橋水文站附近設置地下水監(jiān)測點(橋下村(又稱雙橋西元村)內水井)，進行地下水同位素取樣分析。降雨開始后不久即對地下水進行取樣，約4～6 h采集一次，采樣持續(xù)至降雨結束后的若干小時。由于水樣中的氫氧同位素主要通過凝結和蒸發(fā)發(fā)生分餾，因此在樣品采集和儲存過程中，要嚴格避免發(fā)生同位素分餾。收集的水樣裝入高密度聚乙烯取樣瓶中，水樣滿瓶，瓶內不留空氣，瓶口用蠟或膠帶密封。

所有樣品的氫氧同位素在中國科學院地理科學與資源研究所用LGR液態(tài)同位素分析儀進行測試分析。氫氧同位素測試精度分別達到0.3‰和0.1‰。測得的水樣中氫氧同位素含量用δ值表示[29]。δ值是指樣品中某元素的同位素比值(Rm)相對于標準水樣同位素比值(RVSMOW)的千分偏差, 即：

(1)

式中：R為同位素比值，是指稀有同位素與常見同位素含量之比，如R(D)=D含量/H含量，R(18O)=18O/16O。

2 結果與分析

2.1 降雨氫氧同位素特征

降水是生態(tài)系統(tǒng)水循環(huán)中重要的輸入因子，其同位素組成會直接影響地表水、土壤水和地下水等水體中氫氧同位素的分布。大氣降水線可為研究水循環(huán)，分析地表水與地下水的運動及其混合等水文循環(huán)研究提供基礎。

(1)當?shù)卮髿饨邓€。經(jīng)實驗室測試分析得到：泗合水流域雨季大氣降水中δD的變化介于-98.05‰～-24.16‰，算術平均值為-49.19‰，δ18O的變化介于-13.33‰～-4.54‰，算術平均值為-7.34‰。降水氫氧同位素值變化較大，這主要是由于降水氫氧同位素組成主要受水汽凝結溫度、大氣濕度、水蒸氣團來源和運移方式等因素的綜合影響，而不同時期研究區(qū)的大氣溫度、濕度以及蒸發(fā)作用時空分布極不均勻造成的。依據(jù)泗合水流域大氣降水H、O同位素的實測數(shù)據(jù)，建立并得到泗河水流域雨季的降水線方程為：δD=7.81δ18O+9.29，如圖1所示。結果表明泗河水流域雨季大氣降水線與全球大氣降水線(δD=8δ18O+10)[30]存在差異，流域雨季大氣降水線的斜率小于8，反映其降水過程經(jīng)歷了一定的蒸發(fā)作用。

圖1 泗河水流域雨季降水線方程Fig.1 The meteoric water line equation of Sihe River Basin in rainy season

(2)氘盈余變化。泗河水流域雨季大氣降水線與全球大氣降水線在斜率和截距上均有不同程度的偏移，反映了大氣降水形成時水汽來源和運移過程中受環(huán)境變化影響導致的同位素分餾不平衡的差異。為了量化各地大氣降水形成的這種差異，DANSGAARD W[31]提出了氘盈余的概念，d=δD-8δ18O，d值越小，表明蒸發(fā)、凝結過程的不平衡程度越強。經(jīng)測試分析計算可知，泗河水流域降水事件中d(氘盈余)含量變化介于-6.97‰～17.30‰，平均值為9.55，比全球平均d值(10‰)略低。

分析泗河水流域2014年5-9月，共4場降水事件氘盈余值的變化情況，如圖2所示。從圖2可知，4次降水事件中降雨的氘盈余平均值先減小，后期略有增加，變化較為明顯。華南地區(qū)5-9月期間盛行夏季風，來自于熱帶和副熱帶大洋的溫暖潮濕氣團帶來了大量降水。泗河水流域的水汽來源主要來自低緯度熱帶海洋，5月初是雨季初期，蒸發(fā)較大，氘較富集，6-8月，隨著降雨增多，源區(qū)空氣濕度增大，水汽中氫氧穩(wěn)定同位素分餾小或者雨滴在下降過程中受到二次再蒸發(fā)作用導致雨滴中氫氧穩(wěn)定同位素的分餾比增大[32,33]，d值減小，直到9月中旬，隨著降雨頻率的逐漸減小，季風活動減弱，空氣濕度開始減小，d值開始略有增加。

圖2 4場降水事件中降雨氘盈余變化分布Fig.2 Distribution of deuterium surplus in four precipitation events

(3)降水事件過程分析。泗河水流域2014年5-9月4次降水事件降雨情況如表1所示。結果表明，降水事件140820和140916，降雨歷時時間較長，分別為 480 min 和250 min。按降雨量大小類型分類，降雨事件140504，140520，140820，140916分別對應于暴雨、大雨、暴雨、小雨。4次降水事件中降雨氫氧同位素變化特征如圖3所示。從圖3可以看出，不同月份降水事件中氫氧同位素含量有明顯的變化趨勢，2014年5月份2場降水事件(140504，140520)降雨氫氧同位素含量比8、9月份2場降水事件降雨氫氧同位素組成更富集。可能的原因是，泗河水流域受典型的季風氣候控制，夏季盛行的偏南風從太平洋洋面帶來了大量的水汽，不同時期降水水汽來源有很大差異。大氣水汽從海洋上空向內陸運移的過程中，形成降水的次數(shù)不同，水汽中氫氧同位素含量也不同。春末夏初5月份2場降水事件中氫氧同位素值較富集，在往后的多次降水過程中，由于水汽在海陸間長距離輸送及在此過程中受夏季強烈蒸發(fā)作用的影響，導致殘余水汽受到較強的同位素分餾作用而使穩(wěn)定同位素比例逐漸貧化，使得后續(xù)降水事件中降雨氫氧同位素含量一次比一次低。

表1 降水事件降雨情況Tab.1 Precipitation characteristic of precipitation events

圖3 不同時期4場降雨事件氫氧同位素變化分布Fig.3 Distribution of hydrogen and oxygen isotopes in four rainfall events in different periods

2014年4場降水事件有一個共同特點，隨著降雨的進行，降雨中氫氧同位素含量開始表現(xiàn)出明顯的貧化趨勢，隨著降雨歷時的延長，后期雨水中氫氧同位素含量逐漸富集。可能的原因是，降雨初期大氣水汽重同位素D和18O優(yōu)先凝結成雨滴，雨水中富集重同位素，隨著降雨的延續(xù)，水汽團中氫氧同位素逐漸貧化，降雨氫氧同位素降低。降雨后期，降雨強度不大，降雨量逐漸變小，小降雨在降落過程中受到較強的云下二次蒸發(fā)，不平衡蒸發(fā)引起的同位素分餾而使降雨的重同位素富集，表現(xiàn)為后期雨水中氫氧同位素又偏富集[34]。降雨是河水和地下水的主要補給來源，不同時期降雨氫氧同位素特征的變化，將會對河水和地下水同位素變化產(chǎn)生積極的影響。

2.2 河水、地下水氫氧同位素特征

對泗合水流域4次降水事件中河水及地下水中δ18O和δD含量變化特征進行統(tǒng)計分析，得到4次降水事件中降雨的δD值變化介于-98.05‰～-24.16‰，δ18O值變化介于-13.33‰～-4.54‰；河水δD值變化介于-62.95‰～-29.61‰，δ18O值變化介于-9.23‰～-3.88‰，地下水δD值變化介于-42.00‰～-39.99‰，δ18O值變化介于-6.46‰～-5.38‰。不同場次降雨事件中，降雨和河水的氫氧同位素變化范圍較大，地下水氫氧同位素組成較穩(wěn)定。其中5月份2場降水事件中河水的氫氧同位素含量較富集，8、9月份2次降水事件中河水氫氧同位素較貧化。由于泗合水流域河水主要接受大氣降水的補給，其變化特征與降雨氫氧同位素變化特征較一致。此外，河水氫氧同位素的變化還受到地下水的混合作用和河水沿途運動過程中發(fā)生的蒸發(fā)作用的影響，其2者的綜合作用在某種程度上也影響了河水氫氧同位素含量。4場降水事件中地下水氫氧同位素組成較穩(wěn)定，表明場次降水事件中地下水對大氣降水的響應較滯后，隨時間變化不明顯。

分析泗合水流域2014年4場降水事件河水、地下水在不同季節(jié)內δ18O和δD含量的變化規(guī)律，并與降雨作對比，探討3者間的關系，如圖4所示。降雨、河水和地下水的δ18O和δD關系線斜率分別是7.81，7.14和1.02。研究結果表明，河水、地下水δ18O和δD關系線均偏離大氣降水線，位于當?shù)卮髿饨邓€右下方，反映出泗合水流域河水和地下水經(jīng)歷了蒸發(fā)分餾過程。其中，泗合水流域河水δ18O和δD關系線和大氣降水線的斜率更接近，表明河水主要接受大氣降水的補給。地下水δ18O和δD關系線斜率比大氣降水小，表明地下水在接受入滲補給后，經(jīng)過較長時間的轉化和運移，地下水的同位素發(fā)生蒸發(fā)分餾，蒸發(fā)分餾作用導致地下水中輕同位素優(yōu)先從地下水中分離出來，重同位素被富集，使得輕同位素與重同位素間的分餾速率比不斷增大，進而導致地下水δ18O～δD關系線較大地偏離當?shù)卮髿饨邓€。

圖4 4場降雨事件中各水源氫氧同位素變化Fig.4 Changes of hydrogen and oxygen isotopes of water sources in four rainfall events

3 結 論

(1)珠江泗河水流域雨季的降水線方程為：δD=7.81δ18O+9.29，與全球大氣降水線相比，斜率和截距偏小，反映其降水過程經(jīng)歷了一定的蒸發(fā)。

(2)泗河水流域不同時期場次降水事件中降雨氘盈余平均值差異較大。雨季初期，蒸發(fā)較大，氘較富集，隨著夏季降雨的增多，源區(qū)空氣濕度增大，場次降水事件中降雨d值減小，9月中旬降雨頻率減小，季風活動減弱，空氣濕度開始減小，d值略有增大。

(3)不同季節(jié)降水事件中降雨氫氧同位素組成差異顯著。春末夏初降雨氫氧同位素組成較富集，在往后的多次降水過程中，受夏季強烈蒸發(fā)作用的影響，殘余水汽中穩(wěn)定同位素比例持續(xù)減輕，使得后續(xù)降水事件中降雨氫氧同位素含量一次比一次低。單場降水事件中，降雨氫氧同位素值呈現(xiàn)先貧化后富集的現(xiàn)象。

(4)不同場次降水事件中，降雨的δD、δ18O 變化范圍較大，河水次之，地下水變化最小。不同水體δ18O～δD 關系線斜率的大小為：地下水<河水<降雨，河水和地下水δ18O～δD關系線均偏離大氣降水線，反映出泗合水流域河水和地下水經(jīng)歷了蒸發(fā)分餾過程。