基于稳定同位素的策勒河流域山区河流蒸发损失估算

吕雯改， 刘云飞， 殷昌军， 桂东伟， 王 鹏

(1.中国科学院新疆生态与地理研究所 荒漠与绿洲生态国家重点实验室， 新疆 乌鲁木齐 830011； 2.新疆策勒荒漠草地生态系统国家野外科学观测研究站， 新疆 策勒 848300； 3.中国科学院大学， 北京 100049)

1 研究背景

陆面蒸发是影响陆地生态系统水平衡和能量交换的重要变量，也是陆地水循环的重要环节之一，主要包括水体蒸发、植物蒸腾和土壤蒸发[1-2]。其中，地表水体蒸发对区域气候调节和水分交换具有重要作用，是影响陆地水文循环的重要因素[3-4]。因此，分析地表水体蒸发损失以及时空变化对区域环境演变研究具有重要的意义。

山区是河流的主要集水区域，其水文过程会影响下游生态景观的演替和水资源的利用，研究山区流域水文过程变化有助于对区域水资源进行规划与管理[5-7]，其中由于山区区域蒸发损失影响着河流的水资源量，反映了流域的气候环境变化过程，因此蒸发损失是流域水文过程研究的关键部分。然而，由于山区布设水文气象站点难度较大，站点稀少，气象水文数据稀缺，故难以对山区河流蒸发损失进行全面的分析[8-9]。同时，山区水体蒸发受气候条件和下垫面条件等多种因素的影响，在缺少连续气象水文监测数据的情况下，利用传统方法分析山区流域蒸发损失存在困难，从而影响了对流域内水体蒸发损失的估计[10-11]。

估算水面蒸发损失的方法主要有能量平衡法[12]、质量传输法[13]、水量平衡法和经验方法[14]等，然而，这些方法需要长期的站点观测数据，且对整个流域蒸发损失计算较为困难[15]。与这些方法相比，稳定同位素(18O和2H)技术不需要大量连续的气象参数，便于获取与分析，适合于数据缺乏的偏远地区的水文研究。随着稳定同位素技术的发展，它被更多地应用在区别水分来源[16]、水体蒸发[17]和同位素分馏模拟[18]等方面。Craig 等[19]最早提出利用稳定同位素方法计算水面蒸发，建立一个水面蒸发模型用来评估蒸发过程中水的蒸发通量的同位素组成；Murad等[20]利用稳定同位素对阿联酋的地下水蒸发损失进行了估算，并用碳同位素进行地下水循环研究；Wassenaar等[21]利用稳定同位素对加拿大欧肯纳根湖的同位素蒸发损失进行估算，得出约有35%上的湖水因蒸发而损失的结论；郭鑫等[22]基于稳定同位素质量平衡法对达里湖水体蒸发进行计算，发现湖水蒸发损失量约为初始水体的 41%～46%；Mohammed等[23]根据稳定的同位素组成估算出尼罗河流域旧冲积平原地下水蒸发损失为31%～36%；Sun等[24]基于同位素方法对石羊河流域地表水蒸发损失进行了计算。但大多数研究集中在湖泊，对干旱区山区河流垂直变化研究较少，尚不清楚山区流域地表水随海拔变化的蒸发损失情况。

位于昆仑山北坡中段的策勒河流域为典型的极端干旱区内陆河流，是维系策勒绿洲生存和发展的重要河流，是发展当地社会经济和保护生态环境的重要资源，此外，昆仑山对全球气候变化敏感，该区域河流水文研究对了解山区生态系统机制及其对全球气候变化的响应具有重要意义。根据上述背景，本文将策勒河流域按海拔分为高山区、中山区和荒漠区(包括绿洲和山前荒漠)，首先，分析不同海拔、不同水体稳定同位素特征及空间变化；其次，结合不同水体同位素特征，明确策勒河主要补给来源；最后，利用蒸发富集模型估算策勒河流域不同海拔水体蒸发损失的变化，这些研究可以确定流域内不同海拔蒸发损失的情况，能够更好地揭示极端干旱区内陆河流域的水循环机制。

2 资料来源与研究方法

2.1 研究区概况

策勒河流域(80°07′E～81°00′E，36°02′N～37°08′N)，发源于中国新疆维吾尔自治区南部的昆仑山北坡中段，自南向北流入塔里木盆地。流域面积为2 905.16 km2，景观格局自北向南为干旱区典型的沙漠-绿洲-山区，流域内山地与绿洲气候差异大，山区气温较绿洲地区低，降水量较绿洲地区大。该流域属于温带大陆性气候，昼夜温差大，多年平均气温为12 ℃，降水稀少，蒸发量大。策勒河流域地理位置及水样采样点分布见图1。

图1 策勒河流域地理位置及水样采样点分布

2.2 样品采集与测试

本文选取策勒河流域为研究区域，于2016年5-12月的每月月初按照不同点位C1、C2、C3、C4、C5、C6进行野外水样采集，由于流域降水主要集中在夏季，因此在5-9月定点收集水样。研究周期内共采集样品175个，其中降水样品117个、井水样品6个、泉水样品21个、河水样品31个，各采样点分布见图1，采样点具体信息见表1。所有的降水样本均在降雨事件期间采集。在进行取样之前，将所有的盛样瓶现场清洗3次，取完样品后立即将盛样瓶密封于塑料袋中，并储存在-18 ℃的实验室冰箱中。样品在分析前置于4 ℃冰箱中逐渐解冻，避免蒸发损失。

表1 策勒河流域水样采样点信息

所有样品均在中国科学院地质与地球物理研究所稳定同位素实验室进行分析，使用Thermo Finnegan MAT-253质谱仪测定δ18O和δD，δ18O和δD的精密度分别为0.02‰和0.2‰。测试结果相对于维也纳标准平均海水 (Vienna standard mean ocean water, VSMOW)的千分偏差，用δ表示：

(1)

式中：δsample为样品的同位素浓度值，‰；Rsample为水样中同位素丰度比值(18O/16O或2H/H)；RVSMOW为维也纳标准平均海水中同位素丰度比值(18O/16O或2H/H)。

2.3 蒸发损失估算

利用蒸发富集模型来估算策勒河水流中稳定同位素的平均蒸发损失，该模型虽然不能量化某一特定水体的蒸发损失量，但可以通过水体中的稳定同位素的蒸发损失来反映水体的蒸发强度。用以下公式表示[20-25]：

δ18Oi-δ18Op=ε18Ototal·lnf=Δ18O

(2)

式中：下标i、p分别表示河水、降水；f为剩余水比率，%，蒸发损失为(1-f)；ε18Ototal为同时考虑平衡和动力学效应的同位素分馏系数，可采用公式(3)进行计算[26]。

ε18Ototal=ε18Ov-l+Δε18Ov-bl

(3)

公式(3)中动力学分馏因子(Δε18Ov-bl)受湿度h的影响，可用公式(4)估计[27]：

Δε18Οv-bl=-14.2(1-h)

(4)

公式(3)中平衡分馏系数(ε18Ov-l)在瑞利分馏过程中取决于温度T(K)的变化，可采用公式(5)进行计算[28]：

(5)

根据由策勒河流域气象站获取的月平均温度和湿度等气象资料和水体同位素数据，估算了夏季策勒河不同海拔地区的平均蒸发损失情况。

3 结果与分析

3.1 不同水体的稳定同位素组成特征

表2给出了策勒河流域不同海拔地区水体的稳定同位素值。由表2可知，高山区河水的稳定同位素δ18O的变化范围为-11‰～-5.29‰，平均值为-7.72‰，δ2H的变化范围为-74.66‰～-32.02‰，平均值为-43.46‰；中山区河水的稳定同位素δ18O的变化范围为-9.28‰～-5.68‰，平均值为-7.34‰，δ2H的变化范围为-60.75‰～-30.08‰，平均值为-39.58‰；荒漠区河水的稳定同位素δ18O的变化范围为-8.93‰～-5.98‰，平均值为-6.81‰，δ2H的变化范围为-58.61‰～-30.11‰，平均值为-35.67‰。表明河水的稳定同位素从高山区到荒漠区逐渐富集，高山区的同位素较为贫化，而荒漠区较为富集。策勒河流域从高山区到中山区再到荒漠区，降水和地下水(泉水和井水)中的δ18O、δ2H和氘盈余值呈现相似的变化趋势，即随着海拔的降低而逐渐增大。

表2 策勒河流域不同海拔地区各类型水体的稳定同位素特征值

根据策勒河流域不同海拔地区降水的稳定同位素数据，得到高山区、中山区、荒漠区当地大气降水线(local meteoric water line，LWML)方程分别为：δD=6.4185δ18O+18.732、δD=6.3463δ18O+16.009、δD=5.6244δ18O+19.530，如图2所示。可见从高山区到荒漠区，不同海拔地区的当地大气降水线的斜率呈减小趋势，且均小于全球降水线(global meteoric water line，GWML)，即δD=8δ18O+10。主要是由于研究区处于极端干旱区，雨水在降落过程中会产生一定程度的蒸发，从而表现出降水中重同位素富集现象。

当地蒸发线(local evaporation line，LEL)通常指一个地区的地表水体随着δ18O和δD值的增加而表现出的低斜率曲线，斜率一般在4 ～7之间，这取决于蒸发季节的当地大气条件，主要是相对湿度、温度等气象要素[29]。高山区、中山区、荒漠区的当地蒸发线见图2。由图2可知，策勒河流域高山区与中山区的当地蒸发线斜率较为接近，而荒漠区当地蒸发线斜率较小，且与当地大气降水线相差较大，这主要与荒漠区的温度和蒸发条件有关。

3.2 策勒河补给源分析

图3为策勒河流域不同水体的δD-δ18O关系。由图3可看出，策勒河流域大气降水中的δ18O和δD之间存在显著的线性关系，回归得到当地大气降水线(LWML)方程为δD=7.3651δ18O+17.830(R2=0.9185)，符合干旱区降水的同位素特征。策勒河流域LWML斜率和截距均小于全球降水线，表明同位素动态分馏存在明显的不平衡，这主要是由于二次蒸发的增加和受局部再循环水汽的影响。河水与地下水的同位素主要集中在LWML的左下方，降水与河水、地下水(泉水和井水)之间有明显的分离，这可能是由于在降雨从云层降落到地面的过程中发生了云下蒸发的过程。河水、地下水的同位素组成均分布在当地大气降水线附近，说明河水和地下水受到降水一定程度上的补给；河水与地下水采样点分布集中，表明两者之间存在水力联系。

图3 策勒河流域不同水体δD-δ18O关系

图4为策勒河流域不同水体的δ18O随海拔变化趋势。图4表明，流域内降水、河水和地下水的δ18O值随海拔的升高大致呈减小趋势，不同水体同位素的高程效应较为明显，海拔对于策勒河流域不同水体同位素含量的影响较大。图4还显示出策勒河流域大气降水的同位素值比地下水和河水的值更为富集，这可能是由于干旱区在降雨过程中受到云下蒸发作用的影响。由于海拔3 500 m位于高山区，地形复杂，降水丰富，地下水在海拔3 500 m处的δ18O值有所升高，表明此处地下水受到了降雨补给。在海拔1 500～3 000 m范围内，流域内河水和地下水的混合作用较为显著，河水与地下水的δ18O值较为相近，表明两者之间存在一定的水力交换，与δD-δ18O关系图得出的结论一致。同时河水在沿程汇流过程中受蒸发作用的影响，其δ18O值随海拔降低而逐渐增大，在约1 500 m处河水δ18O值有所回落，表明此处受到了地下水的补给。

图4 策勒河流域不同水体的δ18O随海拔变化趋势

图5为策勒河流域河水和地下水中氘盈余与TDS(total dissolved solids)浓度的关系。由图5可知，流域内河水中氘盈余的变化范围为10.29‰ ～ 23.74‰，地下水的氘盈余变化范围为14.95‰ ～22.86‰。由于水体中氘盈余值大小与δD/δ18O分馏速率相关，在瑞利平衡条件下，随着温度的升高，水体受到强烈蒸发，发生动力同位素分馏效应，因而δD/δ18O逐渐变小，氘盈余值也随之减小。地下水的TDS随氘盈余的减小而增大，两者呈负相关，地下水的TDS空间差异显著，变化范围明显，可能是由于研究区内除主河流策勒河外，支流较少，地表多封闭洼地，水分易聚集，加之地下循环不发达，蒸发强烈，使其同位素富集，同时地下水化学成分发生变化，盐分增高。河水的氘盈余与TDS无相关性，其TDS变化相对稳定。

图5 策勒河流域氘盈余与TDS的关系图

3.3 策勒河流域蒸发损失计算

2016年6-9月策勒河流域不同海拔地区蒸发损失变化如图6所示。由图6可以看出，高山区在7月蒸发损失达到最大，为31.66%，中山区、荒漠区在6月蒸发损失达到最大，分别为34.97%、43.27%；2016年6-9月策勒河流域高山区、中山区及荒漠区的平均蒸发损失分别为24.99%、29.04%和35.00%；从高山区到荒漠区河流的同位素蒸发损失呈增大趋势，高山区蒸发损失最小，荒漠区蒸发损失最大，说明荒漠区河水蒸发是造成河流水分损失的主要原因。

图6 2016年6-9月策勒河流域不同海拔地区蒸发损失变化

4 讨 论

2016年5-12月策勒河流域降水及河水的δD-δ18O关系如图7所示。分析图7可知，降水与河水稳定同位素δD和δ18O在5月主要集中在左下角(图中以虚线椭圆标出)，明显偏离其他月份的同位素数据，说明策勒河流域5月份降水和河水同位素有明显的贫化现象，可能受到了其他气团的影响。根据Kong等[30]的研究，研究区在该时段内可能受到其他湿润气流的影响，使得水体的同位素值偏负。另外，水汽来源差异影响着降水同位素的空间变化，策勒河流域处于特殊的地理位置，受多个气团尤其是西风带的影响，在不同季节还会受到太平洋和印度洋湿润气流的影响，带来少量的降雨，与代述勇等[31]和HAN等[32]的研究结果一致。未来可对昆仑山北坡中段其他流域大气降水同位素进行分析，可以进一步明确影响该区域的主导气团。

图7 2016年5-12月策勒河流域降水及河水的δD-δ18O关系

从蒸发富集模型来看，温度和相对湿度是影响水体同位素蒸发富集的两个主要因素，策勒河的长期气象数据显示，高山区、中山区及荒漠区的0 ℃以上的累积气温分别为1 784.78、3 417.52和4 841.16 ℃，多年平均相对湿度分别为50.85%、40.36%和33.36%。流域内从高山区到荒漠区的海拔在3 513～1 672 m之间，温度随海拔的降低而升高，相对湿度随海拔的降低而减小。流域内河水在高山区、中山区及荒漠区的平均蒸发损失分别为24.99%、29.04%及35.00%，反映出流域内河水蒸发损失具有明显的垂直差异，与Chen等[33]对开都河流域的研究结果相似。

除气候条件外，人类活动如农业灌溉、水库建设等也对河水的蒸发损失有一定的影响[34]。策勒河流域地处极端干旱区，降水稀少，河水是维系策勒地区人民生存和经济发展的主要水源[35]，策勒绿洲使用的河水主要是通过先锋水库调配，其总库容量为566×104m3，根据Yin等[36]的研究，水域面积的增大会使得水体的蒸发量增加。对于干旱区而言，随着绿洲的不断扩张和农业经济的迅速发展，农业灌溉也成为影响蒸发损失的一个重要因素。策勒绿洲农作物的灌溉方式主要是以大水漫灌为主，这种灌溉模式既耗费大量的水资源，又导致水体蒸发损失[37- 38]。

5 结 论

本文以昆仑山北坡中段策勒河流域为研究区，基于稳定同位素数据分析了策勒河流域不同海拔地区的水体同位素特征变化，并结合水化学数据明确策勒河流域主要的补给来源和各水体之间的水力联系，通过蒸发富集模型估算了夏季期间策勒河流域不同海拔地区的水分损失情况，主要结论如下：

(1)基于策勒河流域不同海拔地区的水体稳定同位素数据，分别得到了不同海拔地区的当地大气降水线方程(高山区：δD=6.4185δ18O+18.732；中山区：δD=6.3463δ18O+16.009；荒漠区：δD=5.6244δ18O+19.530)，并分析了其空间变化特征，从高山区到中山区再到荒漠区，策勒河水体的δ18O、δ2H和氘盈余值呈现出随着海拔的降低而逐渐增大的趋势。

(2)建立策勒河流域当地大气降水线为： δD=7.3651δ18O+17.830(R2=0.9185)，通过对不同水体随海拔变化趋势的分析得出：地下水与河水水力联系密切，降水对河水的补给较弱；结合水化学数据得出：地下水的TDS随氘盈余的减小而增大，两者呈负相关。

(3)基于蒸发富集模型估算出策勒河流不同海拔的稳定同位素蒸发损失，高山区的蒸发损失最小，平均值为24.99%，荒漠区的蒸发损失最大，平均值为35.00%，蒸发损失呈现出从高山区到中山区再到荒漠区递增的趋势。蒸发损失主要受气象要素和人类活动因素的影响。

本研究对了解山区河流水资源垂直变化机制和生态环境保护具有重要作用，可为策勒河流域水资源管理与绿洲农业可持续发展提供参考依据，同时也为其他干旱区山区河流水文研究提供了新的思路。