珠江泗河水流域降水事件中氢氧同位素特征分析

胡海英，谢雨钊，刘 琳

(华南理工大学土木与交通学院，广州 510640)

0 引 言

同位素技术自20世纪中叶被引入到水文学研究领域以来，为水循环机理的研究提供了一种快捷有效的途径。在水循环过程中，各种水分氢氧同位素组成具有广泛的时空分布异质性，不同来源的水体具有不同的同位素组成。利用同位素示踪技术，可以了解大气降水、河水和地下水同位素的分布，探讨大气降水水汽来源、形成条件，估计水面蒸发、土壤水蒸发下渗及地下水的补给量，揭示大气降水、土壤水及地下水等水体之间的相互关系[1-19]。国内外已有许多针对水循环过程中不同水体同位素特征变化的研究。例如，NEWMAN B D等[20]利用同位素示踪了美国新墨西哥州北部森林土壤水运动过程。FRITZ P等[21]应用稳定同位素研究了单个流域径流组成中前期降水和本次降水组分。BAZEMORE D E等[22]采用3水源2种示踪剂过程线分割模型对Virginia Shenandoah国家公园的小森林流域洪水进行划分。MCCARTHY K A等[23]研究了俄勒冈州波特兰附近哥伦比亚河河水与地下水之间的水力联系。欧美许多研究机构如美国的俄勒冈州立大学、瑞士的环境科学与技术联邦研究所、加拿大滑铁庐大学、美国地质调查局等利用同位素技术在流域水源示踪实验、流域产流机制、不同水源间的转化关系等方面进行了大量研究。在国内，顾慰祖[1,2]利用环境同位素氚和18O作为示踪剂对各种径流成分的数量和产生的先后顺序、相互转化关系进行了研究。宋献方等[4]利用环境同位素技术研究了怀沙河流域地表水和地下水的转化关系。邓文平等通过对降水、土壤水、泉水氢氧同位素的变化特征分析，研究了北京低山区的降水、土壤水和泉水的转化关系[24]。包为民等研究了降水入渗条件下土壤水同位素的变化[13]。吴华武等分析了青海湖流域夏季河水和降水中氢氧同位素时空变化特征[25]。汪敬忠等运用环境同位素和水化学技术，分析了河套平原不同类型水体氢氧同位素和水化学特征，示踪了地下水的补给来源[26]。张兵等应用同位素和水化学方法分析了三江平原地表水和地下水的相互关系[27]。成玉婷等通过相关分析和ANOVA分析等方法研究丹江流域不同水体的氢氧同位素的变化特征和影响因素[28]。

目前的同位素水文学研究大多集中在干旱半干旱地区，对湿润地区天然流域场次降水事件中氢氧同位素变化特征鲜有研究。本文选择珠江具有典型气象地理特征的泗合水小流域进行降雨径流水文示踪实验研究，通过野外考察、实时采样和室内分析的方法，研究流域内场次降水事件中各水源同位素时空分布特征、变化规律及其影响因素，探讨流域水文响应机理和不同水源间的转化关系。

1 数据来源与研究方法

1.1 研究区概况

泗合水流域位于广东省江门市鹤山市双合镇(珠江三角洲西部)，东经112°25′～112°36′，北纬22°34′～22°44′。流域植被覆盖较好，森林率为81.5%，地形呈西北往东南方向倾斜，最低海拔为27.2 m。流域面积为131 km2，主河长约26 km，河床比降为0.281%，流域下游有双桥水文站，流域内部设立了布尚、坂村、棠密、吉塘4个雨量站。流域属亚热带季风气候，雨量充足，年平均气温 21～22.4 ℃，多年平均降水量为1 661.1 mm，多年平均蒸发量为877.7 mm，多年平均径流量1.145 3 亿m3。流域内土壤主要为麻赤红壤和页赤红壤，土地利用类型以林地和耕地为主。

1.2 样品采集和分析

同位素采集工作发生在2014年5-9月，分别采集泗合水流域场次降水事件中大气降水、河水和地下水水样。通过野外现场取样，一共采集了2014年5-9月泗合水流域4次完整的降水过程，降水事件分别编号为140504，140520，140820，140916。4次降水事件中，一共收集到40次降雨样品，76次河水样品，21次地下水样品。选择泗合水小流域双桥雨量站作为观测站点，使用自动雨量计记录雨量站的降雨过程，同时人工采集降雨水样。一般情况下，当降雨强度较大时，每隔15 min取样一次；当降雨强度减小时，每隔60 min取样一次。在流域出口断面双桥水文站设立径流监测点，观测流量并同时采样。采样开始时刻为降雨开始后不久水位起涨时，河水采样时间间隔为1 h一次，当流量变小后，2 h采集一次，采样持续至降雨结束后的若干小时，以小流域出口断面径流量基本恢复正常水平为准。在流域出口断面双桥水文站附近设置地下水监测点(桥下村(又称双桥西元村)内水井)，进行地下水同位素取样分析。降雨开始后不久即对地下水进行取样，约4～6 h采集一次，采样持续至降雨结束后的若干小时。由于水样中的氢氧同位素主要通过凝结和蒸发发生分馏，因此在样品采集和储存过程中，要严格避免发生同位素分馏。收集的水样装入高密度聚乙烯取样瓶中，水样满瓶，瓶内不留空气，瓶口用蜡或胶带密封。

所有样品的氢氧同位素在中国科学院地理科学与资源研究所用LGR液态同位素分析仪进行测试分析。氢氧同位素测试精度分别达到0.3‰和0.1‰。测得的水样中氢氧同位素含量用δ值表示[29]。δ值是指样品中某元素的同位素比值(Rm)相对于标准水样同位素比值(RVSMOW)的千分偏差, 即：

(1)

式中：R为同位素比值，是指稀有同位素与常见同位素含量之比，如R(D)=D含量/H含量，R(18O)=18O/16O。

2 结果与分析

2.1 降雨氢氧同位素特征

降水是生态系统水循环中重要的输入因子，其同位素组成会直接影响地表水、土壤水和地下水等水体中氢氧同位素的分布。大气降水线可为研究水循环，分析地表水与地下水的运动及其混合等水文循环研究提供基础。

(1)当地大气降水线。经实验室测试分析得到：泗合水流域雨季大气降水中δD的变化介于-98.05‰～-24.16‰，算术平均值为-49.19‰，δ18O的变化介于-13.33‰～-4.54‰，算术平均值为-7.34‰。降水氢氧同位素值变化较大，这主要是由于降水氢氧同位素组成主要受水汽凝结温度、大气湿度、水蒸气团来源和运移方式等因素的综合影响，而不同时期研究区的大气温度、湿度以及蒸发作用时空分布极不均匀造成的。依据泗合水流域大气降水H、O同位素的实测数据，建立并得到泗河水流域雨季的降水线方程为：δD=7.81δ18O+9.29，如图1所示。结果表明泗河水流域雨季大气降水线与全球大气降水线(δD=8δ18O+10)[30]存在差异，流域雨季大气降水线的斜率小于8，反映其降水过程经历了一定的蒸发作用。

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

(2)氘盈余变化。泗河水流域雨季大气降水线与全球大气降水线在斜率和截距上均有不同程度的偏移，反映了大气降水形成时水汽来源和运移过程中受环境变化影响导致的同位素分馏不平衡的差异。为了量化各地大气降水形成的这种差异，DANSGAARD W[31]提出了氘盈余的概念，d=δD-8δ18O，d值越小，表明蒸发、凝结过程的不平衡程度越强。经测试分析计算可知，泗河水流域降水事件中d(氘盈余)含量变化介于-6.97‰～17.30‰，平均值为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场降水事件氘盈余值的变化情况，如图2所示。从图2可知，4次降水事件中降雨的氘盈余平均值先减小，后期略有增加，变化较为明显。华南地区5-9月期间盛行夏季风，来自于热带和副热带大洋的温暖潮湿气团带来了大量降水。泗河水流域的水汽来源主要来自低纬度热带海洋，5月初是雨季初期，蒸发较大，氘较富集，6-8月，随着降雨增多，源区空气湿度增大，水汽中氢氧稳定同位素分馏小或者雨滴在下降过程中受到二次再蒸发作用导致雨滴中氢氧稳定同位素的分馏比增大[32,33]，d值减小，直到9月中旬，随着降雨频率的逐渐减小，季风活动减弱，空气湿度开始减小，d值开始略有增加。

图2 4场降水事件中降雨氘盈余变化分布Fig.2 Distribution of deuterium surplus in four precipitation events

(3)降水事件过程分析。泗河水流域2014年5-9月4次降水事件降雨情况如表1所示。结果表明，降水事件140820和140916，降雨历时时间较长，分别为 480 min 和250 min。按降雨量大小类型分类，降雨事件140504，140520，140820，140916分别对应于暴雨、大雨、暴雨、小雨。4次降水事件中降雨氢氧同位素变化特征如图3所示。从图3可以看出，不同月份降水事件中氢氧同位素含量有明显的变化趋势，2014年5月份2场降水事件(140504，140520)降雨氢氧同位素含量比8、9月份2场降水事件降雨氢氧同位素组成更富集。可能的原因是，泗河水流域受典型的季风气候控制，夏季盛行的偏南风从太平洋洋面带来了大量的水汽，不同时期降水水汽来源有很大差异。大气水汽从海洋上空向内陆运移的过程中，形成降水的次数不同，水汽中氢氧同位素含量也不同。春末夏初5月份2场降水事件中氢氧同位素值较富集，在往后的多次降水过程中，由于水汽在海陆间长距离输送及在此过程中受夏季强烈蒸发作用的影响，导致残余水汽受到较强的同位素分馏作用而使稳定同位素比例逐渐贫化，使得后续降水事件中降雨氢氧同位素含量一次比一次低。

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

图3 不同时期4场降雨事件氢氧同位素变化分布Fig.3 Distribution of hydrogen and oxygen isotopes in four rainfall events in different periods

2014年4场降水事件有一个共同特点，随着降雨的进行，降雨中氢氧同位素含量开始表现出明显的贫化趋势，随着降雨历时的延长，后期雨水中氢氧同位素含量逐渐富集。可能的原因是，降雨初期大气水汽重同位素D和18O优先凝结成雨滴，雨水中富集重同位素，随着降雨的延续，水汽团中氢氧同位素逐渐贫化，降雨氢氧同位素降低。降雨后期，降雨强度不大，降雨量逐渐变小，小降雨在降落过程中受到较强的云下二次蒸发，不平衡蒸发引起的同位素分馏而使降雨的重同位素富集，表现为后期雨水中氢氧同位素又偏富集[34]。降雨是河水和地下水的主要补给来源，不同时期降雨氢氧同位素特征的变化，将会对河水和地下水同位素变化产生积极的影响。

2.2 河水、地下水氢氧同位素特征

对泗合水流域4次降水事件中河水及地下水中δ18O和δD含量变化特征进行统计分析，得到4次降水事件中降雨的δD值变化介于-98.05‰～-24.16‰，δ18O值变化介于-13.33‰～-4.54‰；河水δD值变化介于-62.95‰～-29.61‰，δ18O值变化介于-9.23‰～-3.88‰，地下水δD值变化介于-42.00‰～-39.99‰，δ18O值变化介于-6.46‰～-5.38‰。不同场次降雨事件中，降雨和河水的氢氧同位素变化范围较大，地下水氢氧同位素组成较稳定。其中5月份2场降水事件中河水的氢氧同位素含量较富集，8、9月份2次降水事件中河水氢氧同位素较贫化。由于泗合水流域河水主要接受大气降水的补给，其变化特征与降雨氢氧同位素变化特征较一致。此外，河水氢氧同位素的变化还受到地下水的混合作用和河水沿途运动过程中发生的蒸发作用的影响，其2者的综合作用在某种程度上也影响了河水氢氧同位素含量。4场降水事件中地下水氢氧同位素组成较稳定，表明场次降水事件中地下水对大气降水的响应较滞后，随时间变化不明显。

分析泗合水流域2014年4场降水事件河水、地下水在不同季节内δ18O和δD含量的变化规律，并与降雨作对比，探讨3者间的关系，如图4所示。降雨、河水和地下水的δ18O和δD关系线斜率分别是7.81，7.14和1.02。研究结果表明，河水、地下水δ18O和δD关系线均偏离大气降水线，位于当地大气降水线右下方，反映出泗合水流域河水和地下水经历了蒸发分馏过程。其中，泗合水流域河水δ18O和δD关系线和大气降水线的斜率更接近，表明河水主要接受大气降水的补给。地下水δ18O和δD关系线斜率比大气降水小，表明地下水在接受入渗补给后，经过较长时间的转化和运移，地下水的同位素发生蒸发分馏，蒸发分馏作用导致地下水中轻同位素优先从地下水中分离出来，重同位素被富集，使得轻同位素与重同位素间的分馏速率比不断增大，进而导致地下水δ18O～δD关系线较大地偏离当地大气降水线。

图4 4场降雨事件中各水源氢氧同位素变化Fig.4 Changes of hydrogen and oxygen isotopes of water sources in four rainfall events

3 结 论

(1)珠江泗河水流域雨季的降水线方程为：δD=7.81δ18O+9.29，与全球大气降水线相比，斜率和截距偏小，反映其降水过程经历了一定的蒸发。

(2)泗河水流域不同时期场次降水事件中降雨氘盈余平均值差异较大。雨季初期，蒸发较大，氘较富集，随着夏季降雨的增多，源区空气湿度增大，场次降水事件中降雨d值减小，9月中旬降雨频率减小，季风活动减弱，空气湿度开始减小，d值略有增大。

(3)不同季节降水事件中降雨氢氧同位素组成差异显著。春末夏初降雨氢氧同位素组成较富集，在往后的多次降水过程中，受夏季强烈蒸发作用的影响，残余水汽中稳定同位素比例持续减轻，使得后续降水事件中降雨氢氧同位素含量一次比一次低。单场降水事件中，降雨氢氧同位素值呈现先贫化后富集的现象。

(4)不同场次降水事件中，降雨的δD、δ18O 变化范围较大，河水次之，地下水变化最小。不同水体δ18O～δD 关系线斜率的大小为：地下水<河水<降雨，河水和地下水δ18O～δD关系线均偏离大气降水线，反映出泗合水流域河水和地下水经历了蒸发分馏过程。