淮河流域水库（群）对河流氢氧同位素组成的影响

瞿思敏，郑何声园，孙苗苗，石 朋，2，徐时进，胡友兵

（1.河海大学水文水资源学院，南京 210098；2.河海大学水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，南京 210098；3.淮河水利委员会水文局（信息中心），安徽蚌埠 233001）

0 引 言

水利工程是为了控制和调配自然界的水资源，满足人类生产生活需要，达到兴利除害目的而修建的工程，20世纪以来，水利工程建设在世界范围内达到顶峰。据不完全统计，全球大型水利工程的累计蓄水容量从1900年的不到1 000 亿m3增加到2000年的约83 000 亿m3［1，2］。到21 世纪初，世界上约60%的河流被各种水库和闸门所调控［3］，预计到2025年这一比例将达到70%［4］。水利工程在防洪、供水、发电、航运等方面发挥了重要的作用，极大地促进了社会经济的发展。与此同时，水利工程也产生了一定的消极影响。水利工程使河川径流的天然情况被改变，河流的连通性减少，集水区分裂，流域下垫面发生巨大变化，导致水文过程发生改变，对水文特征产生重要的影响，被认为是对河流影响最大的因素［5-7］。因此，评价和分析水利工程建设对水文过程的影响具有重要的科学意义［8-12］。

淮河流域是我国水利工程建设最密集的地区之一，在1970-1980年间流域内水利工程建设达到顶峰。自20 世纪70年代以来，流域内出现了泥沙淤积、河流干涸等一系列问题［13］，并且，流域干流的洪水特征发生了明显的变化。这些问题是否受到了水利工程建设的影响以及如何定量评估水利工程建设对流域水循环过程的影响，是水文学的研究前沿与热点。

在流域水文循环过程中，组成水分子的稳定同位素D或18O主要受不同水源混合以及一些物理过程如蒸发、凝结等影响而构成同位素分馏，引起同位素含量变化，且以不同水源的混合影响为主。这些稳定同位素可以提供物质迁移以及降雨与流域上蓄量混合的信息并因此被广泛应用在水文学的各个研究领域［14，15］。主要包括：大气降水、河水、地下水中稳定同位素变化趋势［16，17］，利用同位素分析了解地下水年龄、补给来源、地下水资源评价［18］，指示水流路径［19］，地表水与地下水的转换［20］等。但是，现有的研究对河流不同水库组合影响下水环境过程的关注较少，对水利工程影响下水环境演变规律难以准确把握。因此，本文选取淮河流域支流史灌河上2座大型水库，梅山水库和鲇鱼山水库为研究对象，通过对不同水库组合下各水体的氢氧同位素组成进行研究与分析，结合电导率和水化学特征，分析水库拦截作用下氢氧同位素的时空分布变化规律，并探讨其主要影响因素及不同水库类型对氢氧同位素组成的影响程度，对研究水利工程对水环境过程的影响有重要的现实意义。

1 研究区域概况

1.1 流域概况

淮河流域（N30°55'～36°36'，E111°55'～121°25'），是我国第六大流域，流域总控制面积约27万km2，全长约1 250 km。山丘区面积约占全流域面积的1/3，平原、湖泊、洼地面积约占2/3。此外，流域内还星罗棋布地分布着一些湖泊、洼地。

以淮河与苏北灌溉总渠为界，流域南部属副热带湿润区，北部属暖温带半湿润区。流域年平均气温在14～15.7 ℃之间，由北向南逐渐升高。流域内相对湿度较大，年均相对湿度67%～80%。年均水面蒸发量在800～1 200 mm 之间，由北向南、由东向西呈减小趋势。而年均陆面蒸发量在500～800 mm 之间，呈现南多北少、东大西小的趋势。流域多年平均降水量为910 mm，总体呈现由南向北减小的趋势。山区降水量最多，其中大别山区年降水量大于1 400 mm，桐柏山和伏牛山年降水量为1 000～1 200 mm。降水量年内分配不均，年际间变化也较大。流域内主要有两种类型暴雨：一种是6、7月份的流域大暴雨，其范围广、雨量足、持续时间长，这种暴雨主要由切变线和低空急流等天气系统引起；另一种是8月份的台风雨，其范围小、历时短但强度极大。流域多年平均径流深为237 mm，分布特征与降水量大致相同。山丘区年径流较大，超过300 mm，而淮北地区径流深不足100 mm。年径流年内分配不均匀度大于降水量，6-9月径流量可占全年的55%～85%。而年际间变化幅度剧烈，极值间相差悬殊，丰枯变化频繁。

本文的研究区域为史灌河及淮河干流上王家坝到润河集河段。研究区域拓扑关系见图1。

图1 研究区域概化图及采样点分布Fig.1 The region generalization map and the distribution of sampling points

1.2 水利工程概况

淮河流域是我国水利工程建设密度最高的地区之一，目前全流域已经修建了5 700 多座水库和5 400 多座闸门，总库容达到近300 亿m³，约占整个流域年均径流量的50%。流域平均每50 km2有一个水库，平均每条支流有近10 个闸门或水库。其中，大型水库有38 座，总库容约190 亿m³，兴利库容约74 亿m³，防洪库容约56 亿m³。淮河流域38 座大型水库中，有20 座位于淮河流域，其中燕山水库和白莲崖水库修建于2000年以后，另外18 座位于沂沭泗流域。这38 座水库控制面积约达3.5 万km2，约占整个流域山丘区面积的1/3。中型水库166座，总库容达48 亿m³。在水闸中，大中型闸门有600 多座，主要用于拦蓄河水，调节径流以及补充地下水。

本文选取史灌河上2 座大型水库，鲇鱼山水库和梅山水库作为研究对象，水库基础数据见表1。

表1 水库基础数据Tab.1 Basic data of reservoirs

2 样品采集及分析

2020年12月7日-13日，分别对史河及淮河干流上5 个采样点进行采样。为了考虑水利工程对水库及河流氢氧同位素组成的影响，在鲇鱼山水库、梅山水库，2 座水库下游的蒋家集站（水库影响很大）采样，同时在淮河干流史灌河汇集点以上的王家坝站（水库影响较小）和汇集点以下的润河集站（水库影响较大）进行采样。采集样品共计70个，采样点的分布见图1。

河水和水库水采集主要在河道和水库中心处，将30 mL 聚乙烯采样瓶置于水下大约10 cm 处，用采样瓶收集河水和水库水（注意一定采满水样，用以防止蒸发）。采集两瓶水样，一瓶用来分析同位素、电导率及水化学离子，另一瓶备用。采样在每天上午8∶00和下午4∶00各进行一次。

野外采集的水样在河海大学国家重点实验室由质谱仪（MAT253）进行同位素分析（δ2H 和δ18O），通过高温裂化下的H2-H2O 平衡法得到氘的样本，而氧的样本则通过CO-H2O 平衡法得到。其中，18O 测试精度为±0.2‰，2H 测试精度为±2‰。用相对于维也纳标准平均海水（V-SMOW）的千分偏差δ值（‰）来表示同位素组成：

式中：R为2H/1H或18O/16O。

采用离子色谱法测定Cl-，便携式电导率仪测定电导率。

3 结果与讨论

3.1 水化学及同位素一般组成

5 个采样点的电导率（EC），氯离子（Cl-）及同位素的平均值、最大值和最小值见表2。

表2 水化学及同位素特征Tab.2 Water chemistry and isotopic characteristics

Cl-浓度变化范围为1.68～44.07 mg/L，梅山水库浓度最低，为1.85 mg/L，上游王家坝浓度最高，为36.22 mg/L，蒋家集和润河集浓度降低主要受水库下泄水的影响，蒋家集离水库近，影响更大，下降更多。EC的变化范围为76～490 μs，变化跟Cl-一致，也是梅山水库最低，为78.46 μs，王家坝最高，为409.6 μs，蒋家集和润河集EC降低主要受水库下泄水的影响，蒋家集离水库近，影响更大，下降更多。

δ18O 的变化范围为-9.52‰～-6.72‰，梅山水库值最小，为-9‰。δD 的变化范围为-64.56‰～42.43‰，梅山水库值最小，为-58.83‰，蒋家集和润河集相差不大，一个为-46.76‰，一个为-49.79‰。

3.2 同位素含量的时空变化特征

一般来说，大气降水输入、支流汇入以及湖泊等是影响氢氧同位素在水库水体中分布的主要因素［21］。研究表明，大气降水是影响淮河流域氢氧同位素分布的主要因素。而大气降水中氢氧同位素含量变化主要包括以下几方面因素的影响：①降水水汽来源以及水汽输送过程，比如大陆效应和纬度效应；②局地气象因素，比如气温、降水量、湿度等；③研究区的海拔，比如高程效应［22］。除此之外，还包括汇集过程中蒸发作用的影响等等。这些因素的影响程度及相互关系还没有一致的结论［23-25］。

3.2.1 时间变化

各水库库区水及下游断面和干流上下游断面δ18O 随时间变化如图2～图6 所示。总体上看，2 个水库库区水同位素变化比较平缓（图2 和图3），除了极个别点，因为受上游同位素贫化降雨影响，同位素含量偏低。有水库支流汇入点以上断面王家坝氧同位素变化比较平稳（图4），12月11日受降水影响（表3），同位素贫化。水库下游断面蒋家集、干流上有水库支流汇入点以下断面润河集同位素波动较大（图5 和图6），可能跟影响因素较多有关系。

表3 气象要素表Tab.3 meteorological elements

图2 梅山水库氧18时程变化图Fig.2 Temporal variation of oxygen-18 in Meishan Reservoir

图3 鲇鱼山水库氧18时程变化图Fig.3 Temporal variation of oxygen-18 in the Nianyushan Reservoir

图4 王家坝站氧18时程变化图Fig.4 Temporal variation of oxygen-18 at Wangjiaba station

图5 蒋家集站氧18时程变化图Fig.5 Temporal variaton of oxygen-18 at Jiangjiaji Station

图6 润河集站氧18时程变化图Fig.6 Temporal variation of oxygen-18 at Runheji station

3.2.2 空间变化

综合12月7日-13日王家坝、梅山水库、鲇鱼山水库、蒋家集和润河集5个采样点70次水样δ18O和δD沿流向的变化情况，如图7～图8 所示。各水体氢氧同位素组成沿河流流向上变化趋势一致，总体偏正。出现这种情况的原因可能是：①河水的氢氧同位素组成一定程度上受到水库作用的影响，由于河水被水库所拦截，滞留时间上游水体较下游更短，这就使得蒸发作用时间更短，水体中氢氧同位素分馏程度也相对较低，导致上游水体相对偏负；②另一方面，两种同位素在降水中的含量随着采样点纬度的降低而增大，这是纬度效应影响同位素在大气降水中的组成。

图7 氧18沿流向变化Fig.7 δ18O variation along the flow direction

图8 氘沿流向变化Fig.8 δD variation along the flow direction

3.3 水体水线

随着水相态的转化，氢氧同位素在大气降水中的含量也会随之改变，可以用大气降水线来表现氢氧同位素组成在降水过程中存在的差异［26］。大气降水线表示了δ18O 和δD 之间的线性关 系［27］，Craig［28］在1961年首次建立了全球大气降水线（GWML）：δD=8δ18O+10。D 相对平衡状态的偏离程度由截距表示，18O 和D 之间分馏速率的关系由斜率表示。水汽来源、水汽输送方式、湿度、温度等是影响大气降水线的主要因素。每个区域由于地理位置和气候条件的不同，当地的大气降水线会有较大差别。淮河流域有郑州、烟台、南京3 个观测站在GNIP观测网中，本文研究区域靠近南京市，所以选取南京降水线跟水库和河水进行比较，见图9。

图9 水体氢氧同位素与LMWL的比较Fig.9 Comparison of Hydrogen and Oxygen Isotopes and LMWL in Water

总体来看，数据点整体较大程度偏离LMWL。数据点主要集中于南京降水线（代表LWML）下方，水库水体点集中于左下方，河水水体点集中于右下方，只有少部分水库水体点落在南京降水线上。淮河流域水的氢氧同位素组成主要是受大气降水输入影响，出现以上情况可以说明，水库段的蒸发作用较强。有水库的河流相对一般的河流平均流速有所降低，蒸发作用随水体滞留时间加长而加强，水体氢氧同位素值与大气降水相比分馏程度较大，从而造成河水氢氧同位素偏离LMWL。

4 结 论

时间变化上，两个水库水体的同位素变化比较平稳，干流上，王家坝站比较平稳，12月11日受降水影响，同位素贫化。蒋家集和润河集同位素变化波动较大，影响因素较多。

空间变化上，水体氢氧同位素组成沿河流流向上变化趋势一致，总体偏正。一是河水受到水库的拦截，水体的滞留时间加长，蒸发作用时间加长，上游氢氧同位素较下游偏负，二是纬度效应的影响。

河水和水库氢氧同位素组成偏离当地大气降水线，主要是由于河流的流速因水库的拦截作用而变缓，水体的滞留时间延长等水力条件改变，使得蒸发作用比一般河流更加强烈。

两个水库的Cl-浓度和电导率都很低，干流上游王家坝Cl-和电导率最大，下游蒋家集和润河集Cl-和电导率受水库下泄水影响，值有所下降，其中，蒋家集离水库比较近，影响更大。 □