白洋淀地表水和地下水的稳定氢氧同位素特征

何明霞，张 兵，王义东，王中良

（1.天津师范大学天津市水资源与水环境重点实验室，天津300387；2.天津师范大学地理与环境科学学院，天津300387）

白洋淀是华北平原最大的淡水湖泊，对京津冀以及华北地区的气候调节和生态平衡具有重要作用.白洋淀湿地面积的主要控制因子为地表水位[1].1979年以来，白洋淀上游来水不断减少，中游河道长期断流，导致白洋淀水位下降，蓄水量减少，水面面积萎缩[2-3].由于白洋淀地区地表水和地下水水力联系紧密[4]，且白洋淀的渗漏补给了周边浅层地下水，影响着地下水的水量和水质[5].因此，研究白洋淀地区的水文过程，特别是地表水和地下水的相互关系，是解析白洋淀水问题的基础.

稳定氢氧同位素（δD、δ18O和δ17O）是水循环过程的天然示踪剂，广泛用于研究水文循环过程[6].宋献方等[7]依据氢氧同位素及水化学成分，判明了地下水的补给来源与各含水层的相互关系；徐敬争等[8]通过计算氘盈余值发现湖水蒸发量占湖泊入湖水量的比重是湖水氢氧同位素变化的主要控制因素；朱世丹等[9]系统分析了新疆艾比湖主要入湖河流季节性的水化学特征与氢氧同位素特征.Zhang等[10]比较了成都地区降水的17O盈余值与海水的17O盈余值，发现成都的水汽来源由海洋气团主导；马兴刚等[11]分析了祁连山大气降水中δ17O的特征，发现17O存在显著的温度效应，且该区域大气降水主要受局地水循环和大陆气团控制.

白洋淀地区的浅层地下水易受生态补水等环境变化的影响，且在人类活动影响强烈的地区，浅层地下水和深层地下水之间存在着相互交换[12-13].因此现有研究大多基于稳定氢氧同位素技术，利用δD和δ18O这2个指标研究白洋淀地区地表水和地下水的相互作用，而δ17O的应用并不多见.如袁瑞强等[5]根据白洋淀地区浅层地下水的δ18O值，结合水位埋深有效标记了淀水渗漏影响地下水的范围.但与传统的δD、δ18O和氘盈余（d-excess）值相比，δ17O 和17O 盈余（17O-excess）值在揭示水体来源方面更准确[14].因此综合稳定氢氧同位素（δD、δ18O 和 δ17O）、氘盈余和17O 盈余信息，有利于全面研究水循环过程.

白洋淀是雄安新区建设和京津冀可持续发展的重要生态基础.通过上游水库、南水北调中线和引黄工程等进行持续、长期的生态补水，一方面可以提升白洋淀湿地生态服务功能，另一方面生态补水的渗漏会改变区域地表水与地下水的相互关系.因此，本文以白洋淀为研究区，以南水北调中线首次向白洋淀补水为时机，通过野外采样和室内测试的方法，从稳定氢氧同位素示踪的角度，分析地下水、河水和淀水中δD、δ18O、δ17O、氘盈余值和17O盈余值的基本特征，探究白洋淀周边不同水体间的相互关系，进而为雄安新区白洋淀地区的水循环研究和水环境保护提供理论支持.

1 材料与方法

1.1 研究区概况

白洋淀位于华北平原中部，地处京津保三角腹地（38°43′N~39°02′N，115°38′E~116°07′E），平均海拔7.6 m，正常年份水位为7.3~8.5 m，水域面积336 km2，淀区地势平坦，总体西北高东南低.该地区属温带大陆性季风型气候，流域年均气温约12.7℃，年平均蒸发量1 369 mm，年均降水量为510 mm，75%的雨量集中在6—9月[2-3].白洋淀属海河流域大清河水系，由白洋淀和烧车淀等143个淀泊和3 700多条沟壕组成，对维护华北地区生态环境具有不可替代的作用[15].

近年来9条入淀河流中，只有府河常年有水，其余河流存在大面积季节性干涸和断流现象[16].《河北雄安新区规划纲要》提出，建立多水源补水机制，使白洋淀正常水位保持在6.5~7.0 m，白洋淀淀区水量逐步恢复至360 km2左右[17].为此，2022年前生态需水量为3×108~4×108m3/a；2022年后，随着流域和淀区生态环境治理目标的逐步实现，生态需水量保持在3×108m3/a.2018年，白洋淀首次收到南水北调中线丹江口水库的生态补水，补水时间为4月14日—6月20日，白洋淀及其上游河道共获补水1×108m3，是近十年来最大范围的补水[18].同时，2018年4月—2018年6月，王快和西大洋水库再次联合为白洋淀进行生态补水2.800×107m3[19].地下水是华北平原重要的生产和生活用水水源.研究区域共有4个含水层组，第一和第二含水组（Ⅰ和Ⅱ）为浅层地下水含水层，深度为0~160 m，为农业灌溉的主要水源；第三和第四含水组（Ⅲ和Ⅳ）为深层地下水含水层，深度为330 m以下，主要为居民饮用水源.含水层之间主要为粉黏土，也夹杂有粉土[20].

1.2 样品采集

为了获得白洋淀地区不同水体在不同季节的水体同位素特征，分别于2018年枯水期（4月10日—4月14日）和丰水期（9月19日—9月21日）采集地下水、河水和淀水样品共55组，采样点的具体位置如图1所示.

图1 研究区及采样点分布图Fig.1 Location map for showing study area and the water sampling sites

图1中，枯水期采集样品共19组，包括地下水3个（G1～G3）、河水 7个（R1～R7）和淀水 9个（L1～L9）；丰水期采集样品36组，包括地下水16个（G4～G19）、河水7个（R8～R14）和淀水13个（L10～L22）.

地表水采自白洋淀淀水和入淀河水，地下水采自淀区周边用于农业灌溉和农村生活的水井中.采样前先抽取地下水5～10 min，将水井中存水排出，以保证所采地下水的代表性.采集水样时，先将采样瓶放至水面以下30 cm处，打开瓶盖用水润洗3次后再采集水样，确认瓶中没有气泡后，在水面下将采样瓶瓶盖旋紧后取出，用密封胶带封好瓶口并在瓶身做好标记，带回实验室测定相应指标.

1.3 同位素分析

稳定氢氧同位素测定由液态水同位素分析仪（L2140-i，美国Picarro）完成，设置实验温度为25℃以避免因样品蒸发而造成的同位素分馏，测试结果以千分偏差值（δ值）表示，测量精度为δD＜0.01%、δ18O＜0.002%和δ17O＜0.002%.

式（1）中：Rsample和Rstandard分别为被测样品和标准样品的同位素比率，标准样品为维也纳标准平均海洋水（Vienna standard mean ocean water，VSMOW）.Luz和Barkan[21]指出在处理多种同位素系统中的高精度比率时，应使用修正后的

1.4 数据处理

运用ArcGIS 10.2软件制作采样点分布图.运用Excel对55组水样的实验结果数据进行整理，并计算δD、δ17O、δ18O、氘盈余和17O 盈余的值.应用 SPSS 软件对各指标进行单因素方差分析（one-way ANOVA），采用F检验对每组数据进行显著性分析.

2 结果与分析

2.1 水体中稳定氢氧同位素组分

地下水、河水和淀水3种水体在不同采样日的δD、δ17O、δ18O、氘盈余和17O盈余值如表1所示.由表1可以看出，55份水样δD和δ18O值的变化范围分别为-0.82%～-8.52%和0.107%～-1.152%，均值为-5.22%和-0.620%.δD的标准差（2.11%）大于 δ18O的标准（0.363%）.

表1 白洋淀地表水和地下水的氢氧同位素组分Tab.1 Hydrogen and oxygen isotopic component of surface water and underground water in Baiyangdian Lake %

此外，不同水体中δD值的变化幅度最大，δ18O和δ17O值的变化幅度较小.地表水稳定氢氧同位素值大于地下水，地下水中稳定氢氧同位素最为贫化.淀水和河水的同位素组成相对富集，且由于河水和淀水的水系是连通的，因此二者各同位素值间无显著差异.这一结果与孔晓乐等[22]所得白洋淀地区地表水稳定性同位素值较地下水富集的结论一致.

单因素方差分析（one-way ANOVA）结果显示，各水体的稳定氢氧同位素值（δD、δ18O和δ17O）和氘盈余值在9月差异极显著（n=36，p＜0.01），在4月无差异.在丰水期9月，同一水体的δD、δ18O和δ17O值均比枯水期4月的小，而氘盈余值比枯水期4月的大.3种水体中同位素的组成在枯水期富集，丰水期贫化，说明3种水体在枯水期存在强烈蒸发，造成同位素分馏.氘盈余值在枯水期4月的变化范围为-1.93%～0.04%，平均值为-1.1%，在丰水期9月的变化范围为-1.54%～0.79%，平均值为0.20%.地下水和淀水的17O盈余平均值在丰水期9月有所增加，而河水的17O盈余平均值有所下降.

2.2 氢氧同位素关系

全球大气降水线（global meteoricwater line，GMWL）[23]为δD=8δ18O+10，但由于气候和环境条件的差异，许多区域大气降水线与GMWL有所不同.Wang等[24]根据实验站的降水数据获得白洋淀地区的大气降水线（local meteoric water line，LMWL）δD=6.54δ18O － 2.711.图2为地表水和地下水的δD-δ18O关系图.

图2 地表水与地下水δD-δ18O同位素关系Fig.2 Relationship between δD and δ18O of surface water and underground water

由图2可以看出，氢氧同位素呈离散带状分布表明各水体来源存在较大差异性.氢氧同位素最富集的水样为位于漕河的R3和R6以及孝义河附近的L7，其δD和δ18O值分布在散点图的右上方.此外，地下水δD和δ18O的值相对淀水和河水δD和δ18O的值较为集中，且大部分地下水δD和δ18O的值分布在散点图的左下方；而淀水和河水δD和δ18O的值较为分散.这说明地下水中氢氧同位素相对贫化，而淀水和河水中稳定氢氧同位素较为富集且变化范围较大.浅层地下水G3（井深20 m）与G19（井深50 m）的稳定氢氧同位素组成在地下水中最富集，其δD和δ18O值分布在散点图的中间.深层地下水δD和δ18O的值较小，集中分布在散点图的左下方.浅层地下水受到环境变化的影响，采样点的同位素值分布分散；深层地下水补给水源同位素贫化，且受环境变化的影响小，水样的同位素分布集中.9月水样δD和δ18O的值集中分布在散点图的左下方，4月水样δD和δ18O的值集中分布在散点图的右上方，说明9月白洋淀的水体稳定氢氧同位素值较4月贫化.

图2中，利用55个水样的δD和δ18O值进行线性拟合，白洋淀地区蒸发趋势线为δD=5.777δ18O－16.264.地下水、河水和淀水的δD和δ18O关系分别为δD=5.824δ18O － 16.639（R2=0.919）、δD=5.281δ18O － 17.480（R2=0.981）和 δD=5.710δ18O － 16.513（R2=0.976），淀水蒸发线与孔晓乐等[22]所得白洋淀淀水蒸发线δD=5.027δ18O －19.88（R2=0.998）接近.蒸发线不同程度地偏离GMWL和LMWL，斜率值与截距均小于降水线，且所有水样δD和δ18O值均位于当地大气降水线的下方，这表明水体受到蒸发作用的影响[25].

2.3 氘盈余分析

由Dansgaard[26]提出的氘盈余可以反映该地降水水汽源地的气象条件，以及水汽迁移路径中大陆蒸发水汽的情况[27]，全球大气降水中的氘盈余平均值为1%.图3为白洋淀各水体的δ18O-δD关系图.

图3 白洋淀水样的氘盈余值分布Fig.3 d value distribution of Baiyangdian Lake water samples

由图3可以看出，55个水样的氘盈余值变化范围为-1.93%～0.79%，平均值为-0.25%，氘盈余值与δ18O值呈显著负相关（r=-0.956，P＜0.01，n=55）.地下水、河水和淀水氘盈余的平均值分别为0.39%、-0.52%和-0.62%，强烈的蒸发作用导致淀水和河水的氘盈余值为负值.河水和淀水的氘盈余值变化范围分别为-1.93%～0.65%和-1.70%～0.62%，可以看出两者的氘盈余值均不同程度地偏离了全球大气降水线，而地下水的氘盈余值变化范围为-1.10%～0.79%，且大部分氘盈余值在全球大气降水线附近，说明地表水受蒸发作用强烈，地下水受蒸发作用的影响较小.此外，由图3还可以看出，4月和9月水样的氘盈余值变化范围分别为-1.93%～0.04%和-1.54%～0.79%，平均值分别为-1.10%和0.20%，3种水体的氘盈余值均表现出明显的季节差异，这主要是因为4月和9月白洋淀水体的来源存在较大差异.4月基本无降水，水体来源主要为太行山山区地下水侧向径流补给以及部分水库调水，9月丰水期的主要补给源为上游水库调水、南水北调中线来水以及当地大气降水[28].

2.4 17O盈余分析

由于17O和17O盈余有更低的温度敏感性，因此在水循环过程中所传递的信息远优于传统的D和18O同位素.但17O在自然界中的丰度很低，测量难度大，故在水体研究中的应用较少.本文在D和18O同位素的基础上，加入17O同位素的分析，对白洋淀地区水体的来源特征进行多角度分析.张兆吉等[20]基于全球多个国家和地区降水的δ18O和δ17O数据，得到氧同位素的全球大气降水线 δ17O=0.528δ18O+0.000 033（R2=0.999）.白洋淀地区δ18O和δ17O的关系为δ17O=0.526δ18O+0.013（R2=1.000），斜率略低于全球大气降水线的斜率，表明白洋淀地区的大气降水主要来自海洋气团.分别对4月和9月水样的氧同位素组成进行回归拟合，得到4月和 9月 δ18O和 δ17O的线性方程分别为 δ17O=0.531δ18O+0.024（R2=0.998）和 δ17O=0.527δ18O+0.018（R2=0.999）.图 4为 δ17O-δ18O 的关系图.由图 4可以看出，9月水样的氧同位素回归方程的斜率（0.527）较4月的斜率（0.531）小，且接近全球大气降水线斜率（0.528），这主要是受到丰水期降水补给的影响.

图4 白洋淀4月和9月水体δ17O和δ18O的关系Fig.4 Relationship between δ17O and δ18O of Baiyangdian Lake water in April and September

利用Uemura等[29]定义的17O盈余公式计算白洋淀地区3种水体的17O盈余值.结果表明，白洋淀水体17O值的范围为-0.009%~0.015%，平均值为0.002 74%，表明白洋淀地区水体受蒸发作用影响显著.4月和9月水体中的17O盈余平均值分别为0.000 97%和0.002 75%，说明4月份水体蒸发比9月份强烈，从而使水体残留率降低，水体中的δ18O值增加，17O盈余值减小.由于地表水的补给源较复杂，使得地表水17O盈余值较地下水波动更大、更偏正.地表水和地下水17O盈余值的变化特征不同，具体表现为地下水和淀水的17O盈余平均值从4月到9月有所增加，而河水的17O盈余平均值从4月到9月有所下降，说明白洋淀地区水体的主要来源发生变化，导致17O盈余值的变化.目前将17O同位素技术应用于白洋淀水体方面的研究较少，本文为白洋淀地区的水体研究提供了17O同位素的基础数据，但由于数据积累不足，无法充分地进行横向和纵向对比分析.

3 结论

通过在野外采集枯水期和丰水期的水样，分析白洋淀地区地下水、河水和淀水中稳定氢氧同位素的特征，得到以下主要结论：

（1）白洋淀地区水体中的同位素在枯水期富集，丰水期贫化.水体的δD、δ18O和δ17O的变化范围分别为-0.815%~-8.517%、0.107%~-1.152%和0.056%~-0.606%，河水和淀水中的稳定氢氧同位素比地下水富集.白洋淀淀区水体4月蒸发强烈，δD、δ18O和δ17O值升高，丰水期降水和补水来源增多.

（2）水体来源差异和蒸发作用程度影响着稳定氢氧同位素的组分.各水体的稳定氢氧同位素在丰水期差异极显著，从4月到9月，地下水、河水和淀水δD、δ18O和δ17O的平均值降低，白洋淀水体δD与δ18O以及δ17O与δ18O的关系线均偏离大气降水线.

（3）地表水和地下水的17O盈余值变化特征不同，水体受蒸发作用影响显著，水体来源表现出强烈的季节性差异.稳定氢氧同位素δD、δ18O和δ17O可从不同的维度解析水体蒸发作用和水体来源.白洋淀地区的浅层地下水与地表水水力联系紧密，且白洋淀水体补给来源丰富，在下一步的研究中，需要准确获取补给水源的同位素组分，精细描述稳定氢氧同位素特征，系统解析白洋淀的水循环过程.