水库与城市建设对湟水河流域氢氧同位素特征的影响

刘思妤 刘盈斐 王坤 李相南

摘要：水利工程和城市建设改变了流域的天然属性和下垫面特征，进而影响了流域水循环过程。以湟水河流域为研究对象，基于不同的土地利用格局和水库特征划分河段，分别采集水样，分析了湟水河水的氢氧同位素组成及其沿程分布特征。结果表明：水库水和城区水的氢氧同位素（δ18O和δD）相较于入库水和非城区水有明显的偏正现象。为了探究该现象的普遍性，广泛搜集了以往研究中水库水和城区水的氢氧同位素数据。研究发现：在水库影响区域，入库水和水库水的稳定同位素差异与水库的表面积和平均滞留时间有较强的正比关系;在城市影响区域，非城区水和城区水的稳定同位素差异与河段两岸的不透水域面积占比有较强的正比关系。这表明水库建设和城市化都促进了河水氢氧同位素的蒸发分馏。研究成果对从微观尺度探究人类活动影响下的水循环特征具有一定的参考意义。

关 键 词：氢氧同位素; 水循环; 水库; 城市建设; 湟水河流域

中图法分类号： P641.3;X143

文献标志码： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2022.04.009

0 引 言

近几十年来，随着人类社会的高速发展，社会对水资源的需求日益增加，加速了对河流的开发利用，水利工程建设迅猛。目前，全球约70%的河流被大坝拦截[1]。大坝的拦截干扰了水体的天然循环。水库蓄水后，水体的动力条件、水体滞留时间、水源的混合方式等发生了显著的变化[2]。水利工程改变了河流物质入海通量及其时空特性，并影响了河流的自然环境和生物地球化学过程[3]。同时，城市建设也直接干预着水循环。城市化使得流域下垫面条件发生改变，导致蒸发的时空分布发生了变化。因此，无论是从宏观的角度还是微观的角度，研究水利工程和城市建设对水循环的影响都具有重要的意义。

同位素技术是研究水循环过程的重要手段。该技术可以利用水中的稳定同位素（如δ18O和δD等）来确定水的滞留时间、特征、来源及组成。自然条件下不同水源的氢氧同位素丰度会存在一定的差异，氢氧同位素能够敏感地响应环境变化，反映水体相变过程中同位素分馏[4-5]。受到不同因素的影响，河水中的δ18O和δD的空间分布特征存在较大的差异，基于这些差异可以有效解释区域的气候和水文特征。

以往的研究中，氢氧同位素方法多集中于研究气候和水循环的关系。最近相关学者利用氢氧同位素开展了水利工程或者梯级水库群对水文循环的影响[6-7]。张俊等分析了嘉陵江筑坝拦截对梯级水库水体氢氧同位素组成的影响[8]，Wang等分析了长江梯级水库对河水氢氧同位素的影响[9]。但是现有研究的探索对象主要集中于某个单一流域的水库，而对于不同类型的流域或水库影响的差异和城市周边河流的强人类活动影响关注较少。

湟水河属于黄河支流，地处高原干旱半干旱大陆性气候区，作为青海省的重要河流，受到不同水源补给的影响，对其河水氢氧同位素特征的研究目前并不清晰。本文基于2018年10月对湟水河流域河水氢氧同位素的采样与分析数据，在空间上探究了湟水河氢氧同位素的沿程分布特征，以及在不同土地利用类型和水库影响下氢氧同位素的分布及其变化情况。同时，为了研究现象的普遍性，搜集了以往研究中多个流域的氢氧同位素数据，探讨了河水的氢氧同位素特征与水库和城市建设的关系，可为研究水利工程和城市建设对水文循环的影响提供参考。

1 研究区概况

湟水河位于中国青海省东部，属于黄河的第三大支流，发源于青海省包呼图山。湟水河长251 km，流域面积15 500 km2，海拔1 700～4 900 m，属于高原干旱半干旱大陆性气候。流域地势西高东低，并有盆地、高山影响，所以气候垂直变化明显，且地域差异大。愈向上游气温愈低，降水量增大，蒸发量减小，多潮湿沼泽地。流域年平均气温0.6～7.9 ℃，年平均降水量300～500 mm，年平均流量21.6亿m3，年输沙量0.24亿t。湟水河段包括沙塘川河、北川河等多个重要支流。干流流经的西宁市是青海省的政治、经济、文化和交通中心。

2 数据采集和分析

本文分析的水样类型主要为河水和湖水水样。为了分别研究水利工程和人类活动对湟水河水循环的影响，根据湟水河流域特征和土地利用格局将湟水河干流和支流划分为不同的河段，主要包括：天然河流河段、弱人类活动影响河段、强人类活动影响河段、综合影响河段和天然湖泊。针对不同的河流分段类型分别进行采样，采样点的分布和位置及河流分段类型分别如图1所示和表1所列。为了排除降雨的影响，这些样品均在冬季干燥时期采样。其中，共包括26个河水样品、1个湖水样品。河水水样主要取自河流中间或流动部分，以确保河流水体充分混合，水樣采集后立刻装入10 mL高密度聚乙烯（HDPE）瓶中，拧紧瓶盖，并用封口膜进行密封，然后放入冰箱冷藏，以防止同位素的蒸发分馏。

采用L2130-i超高精度液态水和水汽同位素分析仪进行分析测试，δ18O和δD的分析误差分别为±0.025‰和±0.1‰。测样方式为标准高精度方式：每个样品测6针，取后3针平均值作为测试结果。

为了进一步分析入库水和水库水氢氧同位素受到水库影响而引起的变化差异，搜集了其他相关文献中水库的氢氧同位素数据，这些水库的特征和氢氧同位素测量值分别如表2和表3所列。

为了进一步分析城区和非城区氢氧同位素的差异，搜集了其他相关高强度开发城市的氢氧同位素数据。这些数据样本在空间都是连续的，它们之间没有其他支流流入，以减少其他因素的干扰。同时选取2个采样点之间的河段，分析了河段10，20，50 km范围内的土地利用情况，分别计算了该范围下城市不透水面积所占的比例，具体分别如表4和表5所列。

以上所有稳定同位素的比率均以相对于Vienna“标准平均海水”（V-SMOW）的千分差来表示。本文中的土地利用数据来自于globeland30的土地利用栅格数据（www.globeland30.com）。

3 结果与分析

3.1 河水氢氧同位素的沿程变化特征

湟水河干流河水中，δ18O的变化范围为-8.628‰～-7.920‰，δD的变化范围为-54.835‰～-49.175‰。如图2所示，从河流上游到下游，δ18O和δD沿程变化趋势总体一致，且都有不明显的增加趋势。水库水和城市区河水的δ18O和δD值比其附近采样点的值明显偏正，表明这些水域可能经历着更强烈的蒸发过程，这样的现象在支流中也可以明显发现，如图3所示。除了支流T1和T2，支流的δ18O和δD值一般都小于干流。同时，青海湖明显比流域内其余采样点δ18O和δD值偏正，这也显示出青海湖相对于河流水受到的蒸发作用影响更强烈。

3.2 δD和δ18O的关系

Craig（1961）等首次把大气降水中的δ18O与δD的线性关系称为大气水线（MWL），它对研究水循环过程中稳定同位素的变化具有重要的意义[15]。全球尺度上所建立的全球大气水线（GMWL）：

δD=8.17δ18O+10.35（1）

可以比较不同区域所建立的大气降水线与GMWL的差别来判断引起大气降水同位素变化的原因，如：不同水汽来源、雨滴在降落过程中的蒸发作用和局地水汽再循环补充作用等。吴华武等通过实测数据和GNIP监测网络，给出了青海省西宁市地区的大气降水线方程（LMWL）[16]：

δD=8.69δ18O+17.5（2）

根据采样得到的地表水δ18O和δD的数据，可以得到湟水河流域冬季的地表水线（SWL）方程（见图4）。

δD=7.84δ18O+15.06（3）

可以发现，湟水河流域地表水线方程的斜率小于当地大气降水线和全球大气降水线的斜率，表明地表水在受到降水补给后，经历了不同程度的蒸发分馏作用，导致地表水线的斜率偏小。由于湟水河流域属于半干旱地区，降水量较少，且流域内地形坡度平缓，河水中同位素的蒸发蒸馏作用更强。

3.3 水库对氢氧同位素的影响

正如3.1节分析，湟水河流域水库水样氢氧同位素比入库或周边水样有明显的偏正现象，河流水体的滞留时间一般会在筑坝后增加，这导致蒸发引起的氢氧同位素差异会随着滞留时间的延长而增大，导致重同位素明显富集。

采用最小二乘法的线性拟合方程模型来分析氢氧同位素的变化量和水库总库容、水库表面积和平均滞留时间3个因素之间的关系，并进行了显著性分析。可以发现，入库水和水库水的氢氧同位素变化差异与总库容没有明显的关系，而与水库表面积和平均滞留时间都有明显的正比关系，均满足p<0.01或p<0.05的显著性差异（见图5）。水库的这种作用类似于湖泊，表面积越大，水体滞留时间越长，导致水体中氢氧同位素蒸发速率加快，蒸发分馏作用时间延长，从而改变了水库水和入库水的氢氧同位素组成。这种效应在梯级水库建设的河流中可能更加明显，这也是导致一般河流的氢氧同位素会随着河流的上游到下游逐级增加，而且在水库水中有着明显的富集现象的重要原因[9]。

3.4 城市对氢氧同位素的影响

湟水河流域西宁市区水样的氢氧同位素比非市区水样也有明显的偏正现象。城市区与非城区的主要区别就在于城市建设的强弱，尤其在城市快速建设的背景下，城市地表大气温度往往高于周边非城市地区，这种城市热岛效应不仅影响着城市生态环境，可能也影响着城市中河流氢氧同位素的蒸发分馏过程。相关研究表明，不同土地利用的地表热容量、热传导和热扩散不同，不透水面区域构成的城市下垫面对温度的影响比植被和水体更强[17]。

采用最小二乘法的线性拟合方程模型，来分析同一河流经过的城区与非城区氢氧同位素的变化量和不同范围内城市不透水面积占比之间的关系，并进行了显著性分析。研究发现：除了岳阳市，城区和非城区的氢氧同位素变化差异与河流两岸的不透水面积占比具有明显的正相关关系，距离河流越近的不透水域对河流的间接影响也越强，尤其对于δ18O，10 km范围内不透水域面积占比与δ18O变化量线性关系较强，相关系数达到0.867 2，如图6所示。由于岳阳市南部紧邻洞庭湖，湖泊和城市的共同作用导致岳阳市采样点的氢氧同位素变化较大，明显偏离了拟合曲线，因此在分析时将该点作为异常点处理，未作为线性拟合模型的样本点。

上述结果表明：城市不透水域面积的扩张可能间接影响着城市河流中同位素的蒸发分馏，建设用地密度越高，同位素的重度富集效果越强。

4 讨 论

本文从河水的氢氧同位素特征出发，基于湟水河流域的同位素样品以及已发布的文献数据，通过分析，发现了氢氧同位素特征在经过水库和城市区域后有明显的变化。

水库修建后，水体的表面积和滞留时间增加，这促进了氢氧同位素的蒸发分馏，导致水库水和入库水的氢氧同位素特征有较大的差异，其变化量也与水库的表面积和平均滞留时间有正相关。已有研究发现，在湖泊中也有类似的效应[9]。在大坝修建较多的河流上，河流整体的滞留时间也会增加，导致整條河的水龄可能比过去更老，例如，有研究表明长江流域现在的河流水龄比20世纪80年代老化了约1.4个月[7]。同时，在这些河流上氢氧同位素也会沿着河流从上游到下游，呈现锯齿状增加的趋势[7]，河流开发程度越高，水龄可能也越老，因此，氢氧同位素可以作为指示河流开发程度的重要指标。

本研究发现在城市区域，氢氧同位素的变化量与城区不透水面积的占比有着较强的正相关关系。城市不透水域面积的增加，反映了城市的开发扩张，增加了城市的热岛效应。城市热岛效应可以影响城区的气温、降雨和气压等气象要素，而这些要素都与稳定同位素的蒸发分馏过程密切相关[5，17]。热岛效应影响云的形成和运动，对局部地区降雨及降雨机制产生影响，一般认为城市热岛可以增加城市的降雨[18]。同时，局部气温的升高，也促进了河水的同位素分馏。因此，城市的扩张，通过影响温度、降水和水汽压等因素间接影响着城区降水和河水中氢氧同位素的特征。另外，在城市区域，河水经历了取水、用水、排水等过程，节水措施的推广导致了水的循环利用。这些过程使城市流域的水滞留时间比自然流域的水滞留时间更长。然而，人类活动在城市中的作用是比较复杂的，不仅是城市的大小，城市的人口、水源、河流的流速等因素也会影响河流水同位素的值。鉴于现有数据的精确性和城市的复杂性，这些因素之间的相关性很难解释清楚，未来还需要更深入的研究。

5 结 论

（1） 湟水河水中氢氧同位素沿程呈现不明显的增加趋势，地表水线方程的斜率小于GMWL，这表明河水中的稳定同位素经历了明显的蒸发分馏作用。

（2） 水库和城市建设影响水体的氢氧同位素特征，水库水和城区水的氢氧同位素相较于入库水和非城区水有明显的偏正现象。河水经过水库，存在明显的同位素富集现象，氢氧同位素的变化量与水库的表面积和平均滞留时间存在正相关关系;河水经过城区，氢氧同位素也存在富集现象，城区与非城区的氢氧同位素变化量与河流两岸的不透水域面积比例存在正相关关系。这表明水库建设和城市化都促进了河水氢氧同位素的蒸发分馏。

（3） 河水中氢氧同位素的变化不仅受到不同水源补给或蒸发作用的影响，也会受到人类活动如水库建设和城市建设的影响。

本文初步探究了河水氢氧同位素的水库和城市效应。由于水库和城市建设对水循环的影响机理比较复杂，水库的来水和排水等过程都会改变水库水的氢氧同位素特征，而城市中的河水受到人类活动的影响更大，河水的取、用、耗、排等环节也都会影响河水的同位素特征。这些因素的综合考虑，还需要开展进一步的深入研究。

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（編辑：刘 媛）

Effects of reservoir and urban construction on hydrogen and oxygen isotope characteristics

in Huangshui River Basin

LIU Siyu，LIU Yingfei，WANG Kun，LI Xiangnan

（China Institute of Water Resources and Hydropower Research，Beijing 100038，China）

Abstract：

Reservoirs and urban construction have changed the natural attributes and underlying surface characteristics of river basins，thus affecting the water cycle of basins.Taking the Huangshui River Basin as the research object，the river sections were divided based on different land use patterns and reservoir characteristics，and water samples were collected respectively，and the hydrogen and oxygen isotopic compositions of the Huangshui River water and their distribution characteristics were analyzed.The results showed that the hydrogen and oxygen isotope （δD and δ18O） values of river water in urban areas and reservoir were significantly higher than those in non-urban areas and inflowing water.In order to explore the universality of the phenomenon，the isotopes data of reservoirs and urban areas in previous studies were extensively collected.The study found that in the reservoir-affected area，the difference between the stable isotope values of the reservoir water and the inflowing water was positively correlated with the reservoir surface area and retention time;in the urban impact areas，the difference between the stable isotope values of the urban water and the non-urban water was positively correlated with the proportion of artificial surface area around the river.This indicates that reservoir and urban construction have promoted the evaporation and fractionation of hydrogen and oxygen isotopes in the river water.This study used the stable isotope method to analyze the impact of reservoir and urbanization on the river water cycle，which has reference significance for studying the characteristics of water cycle under influence of human activities at the micro scale.

Key words：

hydrogen and oxygen isotopes;water cycle;reservoir;urban construction;Huangshui River Basin