稳定同位素在干旱内陆河流域水文循环研究中的应用

廖雯　杨海娇　雷金平　杨延均

摘要 我国西北干旱内陆河流域水文循环机理复杂，径流的形成受多种因素的影响，河流冲积平原区地表水和地下水转化频繁，深刻影响着流域水文过程、生态环境和人类活动。稳定同位素示踪技术可以指示水的来源、识别不同环境下各类水体的运移。主要介绍了稳定同位素在干旱内陆河流域水文循环机理中的研究进展，并阐述了稳定同位素的应用方法及存在的问题。

关键词 稳定同位素;干旱内陆河流域;水文循环;降水;地表水—地下水转化

中图分类号：TV213 文献标志码：B 文章编号：2095–3305（2021）11–0176–03

干旱内陆河流域降雨量少，蒸发强烈，地表水资源匮乏，水文循环机理十分复杂。受氣候、水文、地质、构造条件的共同控制，山区径流形成时补给因素复杂，河流冲积平原区地表水和地下水转化频繁，并深刻影响着流域水文过程、生态环境和人类活动。水文循环系统都是由河流贯穿联系的地表水和地下水的统一体，构成独立的水系统和完整的生态系统[1]。

气候变化和人类活动的影响必然改变原有的水量平衡与生态平衡。尤其在人类活动强烈地区，大量灌溉引水和地下水开采能改变地表水和地下水的循环，导致河道径流减少和生态退化，如绿洲迁移或萎缩、灌区地下水上升等问题[2-3]。因此，摸清流域水文循环机理，有效利用水资源、改善生态环境，是干旱内陆河流域水资源管理中重要的环节。

在干旱内陆河流域水文循环的研究方法中，传统的估算含水层补给（如测渗计、水平衡、达西定律等）存在方法上的困难[4]。稳定同位素示踪技术可以指示水的来源，识别不同环境下各类水体的运移，为认识水文循环机制提供了重要的依据。

1 稳定同位素示踪

同位素广泛分布于水文圈内，有助于解决水文和生物地球化学问题。环境同位素的典型用途包括确定水源和溶质、确定水流路径、阻止风化反应的发生、评估生态系统中营养物质的生物循环，以及测试水流路径、水平衡和地球化学模型。同位素追踪技术的基本原理是利用稳定同位素的分馏作用和放射性同位素的衰变作用来对水文循环过程进行标记和计时[5]。

1.1 稳定同位素的分馏作用

稳定同位素的特点是不随时间变化，并保持母体的特征。氧同位素（16O、17O和18O）和氢同位素（H、2H和3H）是理想的水源和运动的示踪剂，因为它们是水分子的稳定组成部分，而不是像其他示踪剂（如氯或硅）那样会在水中分解。在大多数低温环境中，稳定的氢、氧同位素表现保守，当它们在土壤或基岩中移动时，同位素比例在水分子中的变化很小。

同位素分馏作用指的是水在蒸发和冷凝的过程中引起不同水体中同位素组成的变化，通常用分馏系数来衡量，即[6]：

式（1）中，RA和RB分别为2种物质中重同位素与轻同位素的比值。

由于分馏的结果，水体往往产生独特的同位素组成（重同位素与轻同位素的比例），这可以表明它们的来源或形成的过程。也就是说，对于处于水文循环系统中不同的水体，通过分析不同环境中的水同位素，可以示踪其来源和运移方式。

1.2 应用同位素追踪技术的一般程序

应用同位素追踪技术研究水文循环一般要进行样品采集、分析测试和结果分析。首先，要按照一定要求，采集待测试的降水、河水、湖水或地下水样品，并按规定进行蜡封，因为采样过程中水的蒸发和扩散对同位素成分影响很大，样品采集、运输、保存过程中要避免同位素分馏。其次，在实验室需4℃环境保存，且要尽快把样品进行抽滤后进行测试。最后，根据测试结果进行数据分析。

2 稳定同位素在水文循环中的应用

2.1 大气降水方程及水汽来源

降水中稳定同位素的研究主要集中在2H（D）、18O。因为水分子中轻同位素（1H、16O）的蒸发效应大于重同位素（D、18O），水汽在蒸发过程中轻同位素在气态富集，冷凝过程中重同位素在液态富集，分别表现为D、18O、T的贫化和富集现象。Craig H[7]提出了全球大气方程：

式（2）中，δD为氘（2H）同位素相对含量（‰）;δ18O为氧（18O）同位素相对含量（‰）。

（2）式绘制出的直线称为全球大气降水线（GMWL）。同时，大气降水氘盈余（d-excess）被定义为[8]：

d-excess值的大小与水汽来源有关，在水汽运移过程中与局地蒸发的水汽混合，也可能影响d-excess值的大小，在雨滴降落过程中的二次蒸发作用也可能影响d-excess值的大小。一般来自高纬度内陆蒸发的降水d-excess值>10‰，而来自低纬度海洋蒸发的降水d-excess值<10‰[9]，在干旱气候条件下雨滴在降落过程中蒸发强烈也会造成降水d-excess 值偏低[10]，据此结合大气降水气团传输途径和过程研究，可以反映局部地区的水汽来源及其环境特征。表1汇总了各干旱内陆河流域大气降水方程及水汽来源。

由此可知，受水汽来源及气候变化影响，干旱地区水体受蒸发的影响较大，干旱内陆河地区大气降水线斜率和截距均小于GMWL。同时，降水中18O同位素值随季节发生周期性变化，且与降雨量直接存在着某种关系。降水中的D和18O也会受到高度、水汽资源的环境条件、移动的距离、蒸汽源的环境、纬度和湿度的影响。

2.2 河水和地下水补给来源

干旱区大多数河流中的水有3个来源：降水、地下水和冰川融雪水。这些水源的相对贡献因流域而异，取决于流域的物理环境（如地形、土壤类型、基岩深度、植被和裂缝）、气候参数（如降水量、不同季节的降水、温度和潜在蒸散发）以及人类活动（如大坝、水库、灌溉设施、农业用地和河道改造）。河流的这3个来源的同位素特征可以用来研究区域水文循环，根据端元混合模型[6]计算补给比重：

式（4）中，δ为稳定同位素示踪剂浓度，‰;fu，fv，为其中2个端元在混合端元中的占比;t，u，v，z为代表混合后水体和3个来源。66B17F49-F3A7-4B8E-9151-52BC7AC11439

干旱内陆河流域因降水稀少、地表水资源稀缺，在进行地下水资源评估时，需考虑降水是否入渗补给地下水以及如何补给地下水，同理依靠地下水中18O和D含量的存在也可推断出地下水的来源。河流的δD和δ18O同位素值反映降水和地下水随时间的变化，以及同位素组成随时间的变化。

以降水和冰川融雪为主要来源的河流季节性变化大，4—5月冰川和积雪开始融化，以冰川融雪为主要补给的河流会出现春汛，6—9月随着干旱区降水的增加，以降水为补给的河流流量逐渐加大，冬季干涸的季节性河流出现，甚至大量补给上级河流。随着地形的变化和流域面积的增大，河流的同位素组成会受蒸发作用的影响，尤其是气候干旱地区，蒸发量远远大于降水量，河水和地下潜水均会受到强烈的蒸发作用，这一点也会被稳定同位素特征所验证。

2.3 地表水—地下水转化

同位素指证地表水—地下水转化是借鉴了水文地球化学方法。对比沿河纵向河水和地下水中的δ18O富集/贫化趋势，表征该河段河水与地下水的水力联系及补给关系。如典型干旱内陆河在径流形成后从出山口流出，在山前平原河水大量渗漏地下，地下水中的δ18O的变化幅度较大，河水中的δ18O呈现出较为稳定的趋势，地下水中的δ18O呈现出富集的趋势，说明上游地下水接受河水的入渗补给;下游地下水中的δ18O的变化幅度较大，呈现先贫化后富集的趋势，河水中的δ18O呈现出较为平稳的沿程变化，在该河段河水与地下水氧稳定同位素沿程变化有多次交叉，说明此河段河水与地下水的转换关系发生了改变，且转换次数较多。地同位素追踪技术虽然指征了河水和地下水在某个区域存在转化，但不能准确确定水的地理来源，也不能直接确定实际的径流机制，因此仍需结合传统的测渗方法、水化学方法等。

目前地表水—地下水转化关系的研究方法包括水动力学、水化学及温度场等，结合同位素追踪技术，可以通过分析补给高程等研究地下水的来源[17]。同位素结合水文地球化学等方法的研究也逐渐兴起，文广超等[18]结合水文地球化学方法及同位素方法，利用TDS，C1-、δ18O定性分析了巴音河流域不同河段地表水与地下水之间的转化关系和各类水体之间的补给比例;肖勇[19]在分析诺木洪河流域与格尔木河流域地质及水文地质的基础上，综合应用水文地球化学、环境同位素、数值模拟等技术方法，分析了柴达木盆地地下水补给和循环特征，建立了典型地下水文循环演化模式，模拟了地下水文循环对盆地气候变化及人类活动的响应规律。

3 存在的问题及展望

3.1 存在的问题

（1）为保证研究结果的可靠性，稳定同位素示踪技术的应用需要高频率、高密度的样品采集工作，有时受气候、交通、地理等条件限制，不能采集所需样品，致使有些高寒高海拔地区的流域缺少此类研究。

（2）干旱内陆河流域同位素观测站点数量少，区域分布范圍小，观测数据年限短，对有些区域水文循环机理研究还不透彻，小流域的水文循环研究很难推广到大尺度区域范围。

（3）稳定同位素示踪法的一个主要局限性是仅从当时对水的了解，既不能直接确定水是如何进入河流的（如水的地理来源），也不能直接确定实际的径流机制。

3.2 展望

稳定同位素的应用为研究水文循环提供了新的示踪手段，其主要用途是追踪各类水体的来源，识别地表水-地下水相互补给等，结合水文学、水化学、水力学等方法可以获得更好的效果。如建立实验模型，通过自然及人工降雨，对降水、产汇流、入渗过程等进行同位素取样分析，研究三水转化关系及其水文循环机理[20]。总的来说，综合运用水化学、同位素及数值模拟技术等多种方法研究流域水文循环规律及演化机制已成为干旱内陆河流域水文循环研究的发展趋势。

参考文献

[1] 师彦武，康绍忠，简艳红.干旱区内陆河流域水资源开发对水土环境效应的评价指标体系设计[J].水土保持通报，2003（3）：24-27.

[2] 朱金峰，刘悦忆，章树安，等.地表水与地下水相互作用研究进展[J].中国环境科学，2017，37（8）：3002-3010.

[3] 马瑞，董启明，孙自永，等.地表水与地下水相互作用的温度示踪与模拟研究进展[J].地质科技情报，2013，32（2）：131-137.

[4] Ye H F， Chen J F， Lee C H. Application of a water budget to evaluate rainfall re-charge and slope stability[J]. Environ-ment， 2004， 14（1）： 227-237.

[5] 汪集旸，陈建生，陆宝宏，等.同位素水文学的若干回顾与展望[J].河海大学学报（自然科学版），2015，43（5）：406-413.

[6] 顾慰祖.同位素水文学[M].北京：科学出版社，2011：114-119.

[7] Craig H. Isotopic Variations in meteoric waters[J].Science，1961（133）： 34-65.

[8] Dansgaard W. Stable isotopes in precipi-tation[J]. Tellns， 1964， 16（4）： 436-468.

[9] 章新平，刘晶淼，中尾正义，等.我国西南地区降水中过量氘指示水汽来源[J].冰川冻土，2009，31（4）：613-619.

[10] 田立德，姚檀栋，孙维贞，等.青藏高原南北降水中δD和δ18O关系及水汽循环[J].中国科学（D辑：地球科学），2001（3）：214 -220.

[11] 张应华，仵彦卿.黑河流域大气降水水汽来源分析[J].干旱区地理，2008（3）：403-408.66B17F49-F3A7-4B8E-9151-52BC7AC11439

[12] 吴锦奎，杨淇越，丁永建，等.黑河流域大气降水稳定同位素变化及模拟[J].环境科学，2011，32（7）：1857-1866.

[13] 李小飞，张明军，李亚举，等.西北干旱区降水中δ18O变化特征及其水汽输送[J].环境科学， 2012，33（3）：711-719.

[14] 赵鹏，徐先英，屈建军，等.石羊河下游青土湖大气降水氢氧同位素特征及水汽来源[J].干旱区资源与环境，2019，33（3）：80-85.

[15] 曾康康，杨余辉，胡义成，冯先成.喀什河流域降水同位素特征及水汽来源分析[J].干旱区研究，2021，38（5）：1263-1273.

[16] 宋洋，王圣杰，张明军，等.塔里木河流域东部降水稳定同位素特征与水汽来源[J/OL].环境科学：1-15[2021-12-22].https：//doi.org/10.13227/j.hjkx.202104210.

[17] 苏小四，林学钰.包头平原地下水水循环模式及其可更新能力的同位素研究[J].吉林大学学报（地球科学版），2003（4）：503-508， 529.

[18] 文广超，王文科，段磊，等.基于水化学和稳定同位素定量评价巴音河流域地表水与地下水转化关系[J].干旱区地理，2018， 41（4）：734-743.

[19] 肖勇.柴达木盆地南緣地下水循环演化模式及其变化趋势研究[D].北京：中国地质大学，2018.

[20] 张应华，仵彦卿，温小虎，等.环境同位素在水循环研究中的应用[J].水科学进展， 2006（5）：738-747.

责任编辑：黄艳飞

Application of Stable Isotope in the Study of Hydrologic Cycle in Arid Inland River Basin

LIAO Wen et al（School of Water Conserv-ancy and Electric Power， Qinghai University， Xining， Qinghai 810016）

Abstract The hydrologic cycle mechanism of arid inland river basins in northwest China is complex. The formation of runoff is affected by many factors， the conversion of surface water and groundwater is frequent in alluvial plain， these profoundly affect the hydrological process， ecological environment and human activities. Stable isotope tracing technique can indicate the source of water and identify the migration of various water bodies in different environments. In this paper， the research progress of stable isotopes in the hydrologic cycle mechanism of arid inland river basin was introduced， and the application methods and existing problems are described.

Key words Stable isotope; Arid inland river basin; Water cycle; Precipitation; Interaction between surface water and groundwater

基金项目 青海大学中青年科研基金项目（2018-QGY-9）;清华大学水沙科学与水利水电工程国家重点实验室开放基金项目（sklhse-2019-A-04）。

作者简介 廖雯（2000—），女，青海湟中人。#通信作者：杨海娇（1989—），女，青海共和人，讲师，主要从事水文及水资源研究。

收稿日期 2021-08-2166B17F49-F3A7-4B8E-9151-52BC7AC11439