大渡河豐水期水體氫氧同位素特征及其影響因素

謝姝 孟玉川 劉國東 李璐汐

摘要：大渡河干流規(guī)劃了29座梯級水電站，已建成13座。為了解環(huán)境和水電開發(fā)對大渡河河水氫氧同位素組成的影響，應(yīng)用數(shù)理統(tǒng)計等方法對2020年9月采集的大渡河流域河水氫氧同位素和相關(guān)水文資料進行分析。結(jié)果表明：① 大渡河水體 δ D和 δ?? 18 O的分布范圍分別為-120.60‰～-77.98‰和-16.67‰～ -11.90‰ ，河水的 δ D與 δ?? 18 O關(guān)系線為 δ D=8.01 δ?? 18 O+14.43（ R? 2=0.97， ρ <0.01）;② 氘盈余的范圍為 11.72‰ ～18.15‰，河水氘盈余值全部偏正，體現(xiàn)了大渡河水接受冰雪融水補給的特征;③ ?δ D和 δ?? 18 O沿程增加，表明從上游至下游重同位素逐漸富集，反映了該區(qū)域氫氧同位素分布具有海拔效應(yīng);④ 水電站的大壩攔截會對水體氫氧同位素含量產(chǎn)生一定影響，水庫水體滯留時間較長會使得壩前水體重同位素富集。

關(guān) 鍵 詞：氫氧同位素; 海拔效應(yīng); 水體滯留; 大渡河

中圖法分類號： ?X143

文獻標志碼： ?A

DOI： 10.16232/j.cnki.1001-4179.2022.03.008

0 引 言

水的? 2 H和? 18 O是廣泛存在于水體中的穩(wěn)定同位素，因其自身的穩(wěn)定性，可作為研究各類水體補給來源的天然示蹤劑，是進行水循環(huán)研究的重要手段? [1-3] 。不同來源的水具有不同的同位素組成，利用水中的? 2 H和? 18 O能夠揭示區(qū)域降水規(guī)律、水體補給來源、徑流途徑及河流與湖泊或水庫的混合作用等，有助于理解區(qū)域水循環(huán)格局、機制及演化信息? [4-6] 。

河水是水文循環(huán)過程的重要環(huán)節(jié)，其通過多種方式與大氣降水、地下水、冰雪融水等不斷發(fā)生相互轉(zhuǎn)化? [7] 。影響河流水體? 18 O和? 2 H組成的因素較多，主要有氣候條件、補給來源、蒸發(fā)等? [8] 。也有研究發(fā)現(xiàn)，梯級水庫的建設(shè)影響了河水氫氧同位素沿程變化規(guī)律? [9-10] 。大渡河是位于青藏高原東南坡的一條大型河流，河源到河口高程變化大，平均水力坡度達到 0.4% ，水量豐沛，水能資源豐富，因此在干流規(guī)劃了29座梯級水力發(fā)電站，已建成13座。目前，有關(guān)大渡河水體氫氧穩(wěn)定同位素的研究甚少。本文根據(jù)2020年9月在大渡河采集水樣檢測的? 2 H和? 18 O含量 δ D和 δ?? 18 O，探討豐水期大渡河干、支流河水 δ D和 δ?? 18 O的空間分布特征，并分析區(qū)域環(huán)境（雪融水、海拔）及梯級水電站對大渡河流域河水 δ D和 δ?? 18 O的影響，為大渡河流域水文循環(huán)研究提供參考。

1 研究區(qū)概況

大渡河位于青藏高原東南邊緣與四川盆地的過渡帶，發(fā)源于青海省阿尼瑪卿山脈的果洛山南麓? [11] 。上源足木足河經(jīng)阿壩縣于馬爾康縣境接納梭磨河、綽斯甲河后稱大金川，向南流經(jīng)金川縣、丹巴縣，于丹巴縣城東接納小金川后始稱大渡河，再經(jīng)瀘定縣、石棉縣轉(zhuǎn)向東流，經(jīng)漢源縣、峨邊縣，于樂山市城南注入岷江，全長1 062 km，流域面積7.77萬km? 2 ，多年平均流量 1 510 ?m? 3 /s，是長江流域岷江水系最大的支流。大渡河的主要支流有梭磨河、綽斯甲河、革什扎河、小金川、南椏河、流沙河、青衣江等，流域內(nèi)徑流主要由降雨補給。

大渡河流域內(nèi)地形復(fù)雜，流經(jīng)高山丘原、高山峽谷、低山丘陵等地貌單元，海拔高程由發(fā)源地4 579 m過渡到入岷江河口的404 m。瀘定縣以上的上游段，河流穿行于大雪山與邛崍山之間，河谷束狹，河流下切，部分高山山頂常年積雪。中游瀘定至石棉，地勢蜿蜒險峻，河流水深流急，其中右岸接收發(fā)源于常年積雪的貢嘎山的海螺溝和燕子溝河水補給;石棉縣以下的下游段，河流急轉(zhuǎn)東流，進入四川盆地西南部的丘陵地帶，沿河兩岸山勢漸緩，河谷漸闊，有河漫灘、沙洲分布。流域上游上段冬冷夏涼，屬全年少雨的高原山地氣候，年降水量500～750 mm，以降雪為主，積雪期可達5個月。其余地區(qū)屬季風氣候，一般具冬暖、夏熱、濕潤多雨的特征，年降水量1 000 mm，瀘定、石棉縣右岸地區(qū)年降水量1 200～1 500 mm，下游部分地區(qū)降水量可到 1 400 ～1 900 mm。

大渡河水電規(guī)劃開發(fā)較早，干流規(guī)劃29級水電站，其中猴子巖、黃金坪、瀘定、大崗山、龍頭石、瀑布溝、深溪溝、枕頭壩、沙坪、龔嘴、銅街子、安谷、沙灣等13個電站已建成發(fā)電。

2 樣品采集與方法

2.1 樣品采集

2020年9月對大渡河流域進行了水樣采集，主要采集了梯級水庫的壩前水、下泄水和主要支流的表層水體。本次研究共采集水樣50組，其中干流42組，支流8組，采樣點位如圖1所示。

采樣過程中，利用打水器采集了水面以下15 cm左右的水樣，原位測定了水體水溫。采集水樣時先用待取水體潤洗采樣瓶，然后將水樣裝入PE瓶中，瓶口和瓶蓋間不留空隙、避免氣泡產(chǎn)生，用封口膜密封瓶口以防止蒸發(fā)分餾，并在瓶身做好標記，放置于冰箱低溫保存。

2.2 氫氧同位素分析

樣品在四川大學水利水電學院資源實驗室進行測定分析，先將所有的水樣通過0.45 μm的有機濾膜除去水中雜質(zhì)，再吸取過濾樣品約1 mL于分析瓶中，利用LGR液態(tài)水同位素分析儀（Triple Liquid Water Isotopie Analyzer，型號T-LWIA-45-EP（912-0050））進行測量。測量后由LGR Post-Processing 后處理軟件進行分析，得到不同水體樣品中 δ D、 δ?? 18 O的值。同位素含量分別用 δ D、 δ?? 18 O表示，測定結(jié)果以相對于V-SMOW標準的千分差表示：

δ= R?? sample? -R?? standard?? R?? standard?? ×1000 ‰? （1）

式中： R?? sample 和 R?? standard 分別為河水樣品和標準樣品中的同位素比率，測定精度分別為±0.3‰和±0.08‰。

2.3 數(shù)據(jù)處理

運用AutoCAD軟件制作采樣點分布圖。運用Excel對50組水樣的實驗結(jié)果進行整理，并計算氘盈余的值。應(yīng)用Origin 2018對每組數(shù)據(jù)進行繪圖分析。

3 結(jié)果與討論

3.1 特征因子沿程變化規(guī)律

河水在自上游至下游的流動過程中，會受到其他水體補給及環(huán)境因素的影響，致使河水內(nèi)部氫氧穩(wěn)定同位素、溫度等會隨著匯流過程產(chǎn)生一系列的變化? [12] 。圖2為大渡河干流和主要支流溫度、 δ D、 δ?? 18 O和氘盈余的沿程變化。

采樣期間大渡河流域水體溫度在14.2～21.0 ℃之間波動，溫差6.8 ℃，平均溫度為17.11 ℃。除安谷、龔嘴、銅街子水電站外，其余水電站壩前水體的溫度都大于壩后水體的溫度，可能是由于庫區(qū)水存在垂向上的溫度分層，水庫下泄底層低溫水，使得壩后水體溫度較低。瀑布溝水電站壩前水體的溫度最高，壩前壩后水體的溫差也最大，相差2.7 ℃。支流水體的平均溫度低干流水體，但兩者相差不大?？傮w來看，瀑布溝水電站上游地區(qū)溫度比下游地區(qū)波動大，沿著大渡河從上游到下游，溫度呈現(xiàn)出上升的趨勢。

河水 δ D和 δ?? 18 O的范圍分別為-120.60‰～ -77.98‰ 和-16.67‰～-11.90‰，均值分別為 -108.41‰ 和-15.35‰。支流水體中 δ D的均值為 -106.03‰ ， δ?? 18 O的均值為-15.12‰，支流水體的同位素均值要比干流水體略微偏正。整體來看，大渡河 δ D變化幅度較大， δ?? 18 O變化幅度相對較小， δ D和 δ?? 18 O有相似的沿程變化，從上游到下游重同位素逐漸富集。對于水體滯留時間 T（T=V/Q，V為庫容，Q為平均流量） 較長的水庫，如猴子巖、瀑布溝水庫（見表1），其壩前水體的同位素值總是比壩后水體富集重同位素，這與Wang等? [10] 在烏江流域的研究結(jié)果一致。

氘盈余取決于形成降雨時水汽來源的相對濕度，可作為判斷水體補給排泄過程中的同位素交換以及蒸發(fā)影響程度指標? [12] 。大渡河流域氘盈余值的變化范圍為11.72‰～18.15‰，均值為 14.28‰ ，均大于全球降水氘盈余均值（10‰），體現(xiàn)了大渡河接受冰雪融水補給的特征，且研究區(qū)地形復(fù)雜，區(qū)內(nèi)高山河谷相間，本地蒸發(fā)水汽也對降水補給產(chǎn)生影響。氘盈余沿程表現(xiàn)出明顯的波動，可能是由于河流自高海拔地區(qū)向低海拔地區(qū)流動過程中不僅接受降雨補給還會受到冰雪融水補給和支流匯入的影響。

3.2 大渡河水中 δ D和 δ?? 18 O的相關(guān)分析

Craig通過研究不同地區(qū)的降水樣品，提出了全球大氣降水線（Global Meteoric Water Line，GMWL） δ D=8 δ?? 18 O+10? [13] 。但由于不同地區(qū)氣候和環(huán)境條件的差異，得到的降水 δ D- δ?? 18 O關(guān)系線會出現(xiàn)地域差異性，這種差異性可通過當?shù)卮髿饨邓€（Local Meteoric Water Line，LMWL）來刻畫? [14-15] 。針對大渡河所在的西南地區(qū)，不少學者進行了當?shù)卮髿饨邓畾溲跬凰氐难芯浚玫搅宋髂系貐^(qū)降水線 δ D=7.96 δ?? 18 O+ 9.52 ，本文將其作為當?shù)卮髿饨邓€? [16] 。將大渡河水 δ D和 δ?? 18 O數(shù)據(jù)進行線性擬合（見圖3），得到流域內(nèi)河水的 δ D和 δ?? 18 O關(guān)系線 δ D=8.01 δ?? 18 O+14.43（ R?? 2 = 0.97 ， ρ <0.01），其斜率和截距都高于當?shù)卮髿饨邓€LMWL，一般來說，由于降水補給河水后，受到不同程度的蒸發(fā)富集作用，河水線方程的斜率和截距都要小于當?shù)卮髿饨邓€? [17] 。但兩者斜率相差不大，說明河水易受大氣降水的影響。河水的 δ D- δ?? 18 O關(guān)系線位于LMWL的上方，表明大渡河除了接受降雨補給之外還有其他的補給來源。大渡河中上游數(shù)據(jù)點位于河水線的下部，這是由于大渡河上游地區(qū)海拔較高，上游最高點海拔為2 579.5 m，且采樣時間是雨季溫度較高，河水接受了部分冰雪融水補給。與同時期收集的岷江干流水體同位素相比，數(shù)據(jù)點基本落在了岷江河水線的左下方，說明與其干流岷江相比大渡河水體重同位素更貧化。

3.3 ?δ D和 δ?? 18 O的高程效應(yīng)

Siegenthaler等通過對瑞士不同海拔降水中同位素的研究發(fā)現(xiàn)， δ?? 18 O值呈現(xiàn)隨著海拔升高而減小的線性下降趨勢，這種現(xiàn)象被稱為高程效應(yīng)? [18-19] 。大渡河流域地表水氫氧同位素表現(xiàn)出一定程度的高程效應(yīng)（見圖4）。隨著海拔的升高， δ D和 δ?? 18 O值總體表現(xiàn)出下降的趨勢，這與姚檀棟等在青藏高原地區(qū)的研究結(jié)果一致? [20] 。大渡河水體 δ?? 18 O和 δ D值隨海拔高度變化的梯度分別為1.05‰/km和8.70‰/km，小于全球降水 δ?? 18 O梯度值（2.80‰/km）。在拉薩河流域，水體 δ?? 18 O隨海拔變化的梯度為1.58‰/km? [16] ;對喜馬拉雅山地區(qū)的研究結(jié)果表明，由于高程效應(yīng) δ D的遞減率為 26.10‰ /km? [21] ;貢嘎山地區(qū)（位于大渡河右岸）海拔每升高1 000 m， δ?? 18 O平均下降3.00‰， δ D平均下降 24.10‰?? [22] ;雖然大渡河流域海拔效應(yīng)與其他研究區(qū)相比較弱，但是符合 δ D和 δ?? 18 O隨海拔升高而減小的規(guī)律。大渡河上游至下游地勢起伏較大，本次采樣的最高點海拔達到了2 579.5 m，與最低點相差 2 205.4 ?m，通過線性擬合，高程與 δ?? 18 O和 δ D表現(xiàn)出了明顯的負相關(guān)關(guān)系，其相關(guān)系數(shù)分別為-0.65和-0.66，表明高程效應(yīng)可能是大渡河水中重同位素沿程富集的主要原因。

3.4 電站水庫建設(shè)對 δ D和 δ?? 18 O的影響

隨著社會的發(fā)展，人類對水資源和水能資源的需求日益增加，加速了對河流的開發(fā)利用，水利工程的建設(shè)得到迅速發(fā)展。目前，世界上大約70%的河流都被大壩攔截? [10] 。大壩的攔截調(diào)蓄作用在帶來經(jīng)濟效益的同時，也帶來了負面效應(yīng)，它改變了河水流動特征，使得河水在水庫中長時間滯留接受蒸發(fā)，必將對水體中的同位素含量產(chǎn)生影響? [23] 。大渡河流域目前已建13座不同類型的梯級水庫（見表1），在采集的庫區(qū)水樣中，壩前壩后水體氫氧同位素值發(fā)生了變化。

為探究梯級水庫建設(shè)對河流水體氫氧同位素的影響，本文利用采集的壩前、壩后氫氧同位素差值Δ（Δ δ?? 18 O= δ?? 18 O? 壩前 - δ?? 18 O? 壩后 ，Δ δ D= δ D? 壩前 - δ D? 壩后 ）與水庫滯留時間進行相關(guān)性分析（見圖5）。結(jié)果發(fā)現(xiàn)水庫水體滯留時間與同位素差值Δ表現(xiàn)出正相關(guān)關(guān)系，即河水滯留時間越長的水庫，其壩前水體重同位素越富集，這與Wang等? [10] 在烏江流域的研究結(jié)果一致。主要是由于水體滯留時間較長的水庫，可能會出現(xiàn)熱分層現(xiàn)象使得庫區(qū)表層水體溫度更高，水體蒸發(fā)更為強烈。該區(qū)域的13座水庫絕大部分都出現(xiàn)了壩前水體溫度高于壩后水體溫度的現(xiàn)象，溫度更高的壩前水體相比壩后水體蒸發(fā)會更為強烈，水體重同位素也更加富集。但壩前、壩后水體氫氧同位素差值也出現(xiàn)了負值的情況，這是由于研究區(qū)的水庫水體滯留時間相對較短，對氫氧同位素特征的影響較小。

4 結(jié) 論

大渡河流域水體溫度在14.2～21.0 ℃之間波動，從上游至下游表現(xiàn)出逐漸增加的趨勢。河水 δ D和? δ?? 18 O 的范圍分別為-120.60‰～-77.98‰和 -16.67‰ ～-11.90‰。水體 δ D和 δ?? 18 O有著相似的沿程變化，且都表現(xiàn)出逐漸偏正的趨勢。大渡河流域氘盈余的變化范圍為11.72‰～18.15‰，均值為 14.28‰ ，大于全球雨水氘盈余均值（10‰），體現(xiàn)了大渡河接受冰雪融水補給的特征。

流域內(nèi)河水的 δ D和 δ?? 18 O關(guān)系線為 δ D=8.01 δ?? 18 O+14.43（ R? 2=0.97， ρ <0.01），其斜率和截距都高于當?shù)卮髿饨邓€LMWL和同時期岷江河水線。數(shù)據(jù)點全部位于LMWL的上方，表明大渡河除了接受降雨補給之外還有其他的補給來源。

大渡河流域水體氫氧同位素表現(xiàn)出一定的高程效應(yīng)，其水體 δ?? 18 O和 δ D值隨海拔高度變化的梯度分別為1.05‰/km和8.70‰/km。通過線性擬合，高程與 δ?? 18 O和 δ D表現(xiàn)出了明顯的負相關(guān)關(guān)系（相關(guān)系數(shù)分別為-0.65和-0.66），說明高程效應(yīng)可能是大渡河水中重同位素沿程富集的主要原因。

大壩的攔截改變了河水流動特征，使得河水在水庫中長時間滯留接受蒸發(fā)，對水體中的同位素含量產(chǎn)生影響。通過相關(guān)性分析，發(fā)現(xiàn)河水滯留時間越長的水庫，其壩前水體重同位素越富集。

參考文獻：

[1]? 張貴玲，角媛梅，何禮平，等.中國西南地區(qū)降水氫氧同位素研究進展與展望[J].冰川凍土，2015，37（4）：1094-1103.

[2] GIBSON J J，PROWSET D.Stable isotopes in river ice：identifying primary over‐winter streamflow signals and their hydrological significance[J].Hydrological Processes，2002，16（4）：873-890.

[3] LAMBS L，BALAKRISHNA K，BRUNET F，et al.Oxygen and hydrogen isotopic composition of major Indian rivers：a first global assessment[J].Hydrological Processes，2005，19（17）：3345-3355.

[4] LI L S，YUE F J，LIU C Q，et al.The O and H isotope characteristics of water from major rivers in China[J].Chinese Journal of Geochemistry，2015，34（1）：28-37.

[5] KABEYA N，KUBOTA T，SHIMIZU A，et，al.Isotopic investigation of river water mixing around the confluence of the Tonle Sap and Mekong rivers[J].Hydrological Processes，2008，22：1351-1358.

[6] ZHAO P，GUO Z S，SHE D L，et al.Spatial distribution of the oxygen-18 in precipitation in China based on a new empirical model[J].Journal of Mountain Science，2019，16（11）：2605-2614.

[7] 丁悌平，高建飛，石國鈺，等.長江水氫、氧同位素組成的時空變化及其環(huán)境意義[J].地質(zhì)學報，2013，87（5）：661-676.

[8] ALLISON G B.The relationship between ??18 O and deuterium inwater in sand columns undergoing evaporation[J].Journal of Hydrology，1982，55：163-169.

[9] LI C，YANG S Y，LIAN E G，et al.Damming effect on the Changjiang（Yangtze River）River water cycle based on stable hydrogen and oxygen isotopic records[J].Journal of Geochemical Exploration，2016，165：125-133.

[10]? WANG B L，ZHANG H T，LIANG X，et al.Cumulative effects of cascade dams on river water cycle：evidence from hydrogen and oxygen isotopes[J].Journal of Hydrology，2018，568：604-610.

[11] SUHAIL H A，YANG R，Chen H L，et al.The impact of river capture on the landscape development of the Dadu River drainage basin，eastern Tibetan plateau.[J].Journal of Asian Earth Sciences，2020：104377-104388.

[12] 吳華武，章新平，李小雁，等.湘江流域中下游長沙地區(qū)不同水體中 δ?? 18 、 δ D的變化[J].地理科學，2014，34（4）：488-495.

[13] CRAIG H.Isotopic variations in meteoric waters.[J].Science，1961，133（3465）：1702-1703.

[14] PENG H，MAYER B，HARRIS S，et al.A 10-yr record of stable isotope ratios of hydrogen and oxygen in precipitation at Calgary，Alberta，Canada[J].Tellus B：Chemical and Physical Meteorology，2004，56（2）：147-159.

[15] 謝林環(huán)，江濤，曹英杰，等.東江下游大氣降水氫氧同位素特征及水汽來源[J].中山大學學報（自然科學版），2020，59（1）：86-95.

[16] 林聰業(yè)，高柏，華恩祥，等.拉薩河流域水環(huán)境氫氧同位素特征及其指示意義[J].有色金屬（冶煉部分），2020（11）：99-106.

[17] 李靜，吳華武，周永強，等.長江中下游地區(qū)豐水期河、湖水氫氧同位素組成特征[J].環(huán)境科學，2020，41（3）：1176-1183.

[18] SIEGENTHALER U，OESCHGER H.Correlation of ??18 O in precipitation with temperature and altitude[J].Nature，1980，285（5763）：314-317.

[19] ARAGUáS‐ARAGUáS L，F(xiàn)ROEHLICH K，ROZANSKI K.Stable isotope composition of precipitation over southeast Asia[J].Journal of Geophysical Research （Atmospheres），1998，103（D22）：28721-28742.

[20] 姚檀棟，周行，楊曉新.印度季風水汽對青藏高原降水和河水中δ? 18 O高程遞減率的影響[J].科學通報，2009，54（15）：2124-2130.

[21] SARAVANA KUMAR U，BHISHM K，RAI S P，et al.Stable isotope ratios in precipitation and their relationship with meteorological conditions in the Kumaon Himalayas，India[J].Journal of Hydrology，2010，391（1-2）：1-8.

[22] 宋春林，孫向陽，王根緒.貢嘎山亞高山降水穩(wěn)定同位素特征及水汽來源研究[J].長江流域資源與環(huán)境，2015，24（11）：1860-1869.

[23] 張俊，崔高仰，李親凱，等.筑壩攔截對梯級水庫水體氫氧同位素組成的影響：以嘉陵江為例[J].生態(tài)學雜志，2018，37（3）：679-687.

（編輯：劉 媛）

Variations of hydrogen and oxygen isotopes in waterbody of Dadu River during ?flood period and their influencing factors

XIE Shu，MENG Yuchuan，LIU Guodong，LI Luxi

（ State Key Laboratory of Hydraulics and Mountain River Engineering，Sichuan University，Chengdu 610065，China ）

Abstract：

There are 29 cascade hydropower stations planned in the main stream of Dadu River，and 13 have been constructed.In order to understand the influence of environment and hydropower development on the stable isotope composition of river water in the Dadu River，mathematical statistic was applied to analyze the δ? 18 O and δD of river water and related hydrological data collected in Dadu River in September 2020.The results indicated that：① the range of δD and δ18O were-120.60‰～-77.98‰ and-16.67‰～-11.90‰ respectively.The relationship between δD and δ? 18 O of river water was δD=8.01δ? 18 O+14.3（ R? 2=0.97， ρ <0.01）.② The d-excess values varied from 11.72‰ to 18.15‰，and all of the values were positive，indicating the Dadu River was recharged by melting water of ice and snow.③ δD and δ? 18 O increased along the river，suggesting that heavy isotopes were gradually enriched from upstream to downstream，which was likely to result from the “altitude effect” of hydrogen and oxygen isotopes in this area.④ Dam interception had an impact on the hydrogen and oxygen isotope composition of the river water.The long residence time of water in the reservoir will lead to the enrichment of water isotopes before the dam.