鄱阳湖流域河水、湖水及地下水同位素特征分析

陈建生,彭 靖,詹泸成,张时音

(1.河海大学地球科学与工程学院,江苏 南京 210098; 2.河海大学岩土工程科学研究所,江苏 南京 210098)



鄱阳湖流域河水、湖水及地下水同位素特征分析

陈建生1,2,彭 靖1,詹泸成2,张时音1

(1.河海大学地球科学与工程学院,江苏 南京 210098; 2.河海大学岩土工程科学研究所,江苏 南京 210098)

鄱阳湖流域;河水;湖水;井水;稳定同位素;特征分析

鄱阳湖是中国第一大淡水湖。三峡蓄水改变了长江天然的流态,对鄱阳湖水位有一定影响。三峡水库的汛末蓄水将导致湖区水位下降0.3～1.2 m[1-2]。1949年以来实施的围垦,对鄱阳湖水位有明显影响,并且造成鄱阳湖水域面积呈逐渐缩小的趋势[3],同时还伴随着大量的土地沙化、水土流失、湖区湿地退化、湿地植被严重退化、洪涝灾害日益频繁等生态问题,鄱阳湖流域生态环境的退化对长江水系造成了不可挽回的严重影响[4-5]。

降水是鄱阳湖湖水的主要补给源,一部分降水形成了地表径流,另一部分则入渗转化成为土壤水或地下水。对于地表径流,根据蓄满产流理论,当降水入渗土壤水达到饱和时,产生地表径流;但当降水强度较大时,土层的渗透系数小于降水速率,则发生超渗产流,形成地表径流。鄱阳湖流域这两种原因形成的地表径流都存在,尤其在雨季,超渗产流是地表径流的主要形式。而在鄱阳湖地区,除了地表径流以外,大部分降水直接入渗转化为地下水。前人利用同位素技术对鄱阳湖流域的径流进行研究，结果表明,鄱阳湖流域河水由23%的直接径流(降水)和77%的基流(浅层地下水)组成[6]。在不同季节条件下,地表径流与基流的关系随着降水量、蒸发量的变化而改变,降水、地表水、地下水之间的复杂转换过程仍然需要进一步的研究。

1 鄱阳湖流域概况

鄱阳湖位于115°47′～116°45′E,28°22′～29°45′N之间,流域面积约为16.2万km2。湖泊分为南北两部分,以都昌和吴城间的松门山为界,其西北为北湖,湖面狭窄;其东南为南湖,湖面辽阔,是湖区主体。鄱阳湖流域河流纵横交错,水系发育错综复杂,主要水系由赣江、抚河、信江、饶河、修水5条河流组成(图1),这5条河流汇集到鄱阳湖之后流速逐渐变缓。由于鄱阳湖特殊的断陷盆地构造,显著的水体入侵河谷、阶地的地貌特征[12],加上湖泊连接长江的河道较窄,湖泊水经过一段时间的滞留后,最终由湖口汇入长江,造成鄱阳湖湖水面积出现季节性的周期变化,湖泊面积最大时可达4 000 km2,最小时不足500 km2。鄱阳湖与长江之间存在着密切的关系,湖泊的蓄水量随着长江水位的升高而增加,“江涨湖蓄”是江湖关系的主要特征。

图1 鄱阳湖区域采样点分布

鄱阳湖流域属于亚热带湿润季风性气候,降水主要受亚洲夏季季风和西伯利亚冬季高压冷槽控制[13]。冬季多寒冷气流,夏季高温湿润,年降水量在1 400～1 900 mm之间,降水受季风影响一年内雨量分配不均,主要集中在3—6月,约占全年降水量的一半。年平均气温为17.4℃,7、8月气温最高,极端最高气温40.6℃,1、2月气温最低,极端最低气温-11.9℃。鄱阳湖流域地势南高北低,北部为由5大水系冲积而形成的平原地区[14]。5大河流中赣江是鄱阳湖水系第一大河,流量最大。赣江、信江、抚河是供给鄱阳湖水量的最主要的3条河流,三者径流量之和超过总入湖径流量的80%。

2 采样点分布及实验数据分析方法

鄱阳湖湿地是湖泊型、过水型湿地,主要接受降水形成的地表径流与地下径流补给,水位变化剧烈明显,湖水中的同位素响应与水位变化存在相关关系,地下水中同位素的变化与湖水的水力联系有关,成为研究地下水补给、径流、排泄的主要依据。为了研究鄱阳湖流域降水、河水、湖水、地下水之间的转化关系,笔者根据降水同位素受季风影响出现年度周期性变化的特征,选择降水同位素变化较为明显的季节进行采样分析,同时考虑到降水量的变化,采样选在雨季开始的4月与雨季结束的7月。2013年4月中旬和7月下旬笔者两次赴鄱阳湖流域采集样品。针对降水、河水、湖水与地下水之间的补给、径流、排泄关系,选取了有代表性的入湖河水和附近地区的浅层井水。由于鄱阳湖区域水系复杂,支流繁多,考虑到水样应具有一定的代表性,所以采样主要针对鄱阳湖湖体和较大一级的支流,采样点选在每个支流入湖的河口附近,并同时采集河口附近井水样。由于鄱阳湖面积变化很大,湖区内部水流受到河流与降水的影响,同位素数据的离散程度较高,分析存在一定的困难,为了能得到混合均匀的湖水,选择在湖泊出口处定点采样,因为出口处的湖水基本上充分混合了,可作为典型的湖水值。2013年4月9—15日采集样品长江水3个、河水10个、湖水5个、井水6个;7月23—30日采集样品长江水4个、河水14个、湖水4个、井水9个,两次共计采样55个,鄱阳湖区域采样点分布见图1。图1中样品标号的第一个字母代表采样时间与水样种类,大写字母C,L,R,W分别代表4月份的长江水、湖水、河水与井水,而小写字母c,l,r,w分别代表7月份的长江水、湖水、河水与井水。

3 水样同位素分析

3.1 鄱阳湖流域降水同位素分析

由于鄱阳湖没有常年的同位素观测站,因此采用邻近的长沙站的降水同位素加权平均值进行对比分析。长沙观测站位于鄱阳湖西南部大约300 km处,其观测结果表明,降水同位素主要受季风影响[15]。由于鄱阳湖的位置更靠近东海,两地之间没有能够影响降水过程的高大山脉,降水的同位素特征基本上是相同的,华南地区的降水都遵从这种分布规律[16-18]: 4—6月属于雨季,降水量集中,9—12月为旱季,降水同位素在6—9月贫化,其余月份相对富集。鄱阳湖流域周边的长沙、武汉、南京的降水同位素相似,数据全部来自于全球大气降水稳定同位素监测网(GNIP)。所以,笔者采用长沙的降水同位素与鄱阳湖的河水、湖水与地下水进行对比分析。

图2 长沙地区月降水量、氘氧同位素变化特征

图3 鄱阳湖流域4月份、7月份样品～δD关系

3.2 鄱阳湖流域水样同位素分析

3.3 丰水期各类水体之间的转化关系

3.4 干旱期河流、湖泊与地下水之间的转化关系

2013年夏,鄱阳湖出现严重干旱少雨的极端天气,1—6月水位与历史同期水位相差不大,但是总体小于历史同期;7—12月水位较历史平均水位下降明显;湖水面积与鄱阳湖水位正相关,也呈现同样的变化趋势。2013年鄱阳湖持续干旱,最严重的县市崇仁县、武宁县干旱持续时间达37 d(7月14日—8月20日)。干旱造成了鄱阳湖水位急剧下降,星子站的水位自7月3日的16.96 m到8月22日的13.62 m,累积下降了3.34 m。

4 讨 论

5 结 论

a.鄱阳湖地区雨季出现在3—6月,降水中的氘氧同位素富集,夏季的降水同位素贫化;将降水中周期性变化的同位素关系作为天然示踪剂,是一种很好的研究短周期降水入渗的方法,成功地应用于鄱阳湖流域地表水、地下水、河水与湖水之间的转化关系的研究。

b.地表水同位素受到前期降水累积作用的影响,4月份的地表水同位素值与2—3月份降水同位素平均值较接近,而7月份的地表水同位素值接近6月份降水同位素平均值,地表水的来源均为大气降水。

c.雨季鄱阳湖对长江的补给量大,汇入长江的水影响到水中的同位素变化;旱季长江补给鄱阳湖流域的地下水,但影响范围有限;在干旱期间,长江水受到的蒸发强度很大,鄱阳湖水对长江水的同位素影响很小,鄱阳湖向长江的输水量较小。

d.鄱阳湖流域的降水大部分入渗到松散的含水层与岩体裂隙中,降水入渗土壤后很快下渗成为潜流,河流中的氘氧同位素与潜水中的基本上相同,表明河水与地下水之间的转化频繁;降水直接形成地表径流量较小,河流与地下水互补的特性,对于抑制洪水起到了一定的作用,而且有利于枯水期河流仍然保持一定的径流量。

e.同位素数据表明,河水同位素与降水相比存在1个月左右的滞后现象,由此推断鄱阳湖流域的降水在入渗地下成为潜水后,大约要经过1个月的时间才能补给到河流中;但是湖泊周围的降水补给到湖泊的时间相对较短,因为周边地层的渗透性较小,降水容易形成地表径流直接入湖。

f.鄱阳湖流域雨季地表水受到蒸发程度较小,大部分降水都能入渗到地下成为潜流;在持续高温少雨的旱季,河水与湖水受到的蒸发程度很强,随着河流与湖泊水位的降低,地下水向河流与湖泊补给,地下水位随着湖泊水位的下降而急剧下降,地表水与地下水的水质变差。

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·会讯·

会议预告

2015年10月下旬，中国水利学会环境水利专业委员会2015年年会暨“水生态文明建设理论、技术及管理”学术研讨会、《水资源保护》第八届编委会会议、《水资源保护》理事会会议将在河海大学召开。

中国水利学会环境水利专业委员会2015年年会暨“水生态文明建设理论、技术及管理”学术研讨会的主办单位是中国水利学会环境水利专业委员会、水利部水利水电规划设计总院和河海大学，承办单位是《水资源保护》编辑部、河海大学环境学院以及七大流域水资源保护局，协办单位有河海大学浅水湖泊综合治理与资源开发教育部重点实验室、江苏省水利学会水环境与水生态专业委员会。

中国水利学会环境水利专业委员会2015年年会暨“水生态文明建设理论、技术及管理”学术研讨会的报名处在水利部水利水电规划设计总院，联系人：康珍 010-63206231，13520668825，张建永 010-63206465，13810223226，E-mail：kangzhen@giwp.org.cn；《水资源保护》第八届编委会会议、《水资源保护》理事会会议的报名处在《水资源保护》编辑部，联系人：彭桃英，电话：025-83786642，13770823281, E-mail:bh1985@vip.163.com。3个会议回执均可在《水资源保护》网站信息公告栏下载，网址是http://www.hehaiqikan.cn/szybh/ch/index.aspx.

欢迎相关人员积极参会，踊跃报名。

Analysis of isotopes characteristics of river water, lake water and groundwater in Poyang Lake Basin

CHEN Jiansheng1, 2, PENG Jing1, ZHAN Lucheng2, ZHANG Shiyin1

(1.SchoolofEarthScienceandEngineering,HohaiUniversity,Nanjing210098,China;2.GeotechnicalResearchInstitute,HohaiUniversity,Nanjing210098,China)

Poyang Lake Basin; river water; lake water; well water; stable isotope; characteristics analysis

10.3880/j.issn.1004-6933.2015.04.001

国家重点基础研究发展计划(973计划)(2012CB417005);国家自然科学基金(61301025)

陈建生(1955—),男,教授,博士生导师,主要从事同位素水文学研究。 E-mail:jschen@hhu.edu.cn

詹泸成,博士研究生。E-mail:zhanhucheng@126.com

P343

A

1004-6933(2015)04-0001-07

2015-01-07 编辑：徐 娟)