水庫與城市建設(shè)對湟水河流域氫氧同位素特征的影響

劉思妤 劉盈斐 王坤 李相南

摘要：水利工程和城市建設(shè)改變了流域的天然屬性和下墊面特征，進而影響了流域水循環(huán)過程。以湟水河流域為研究對象，基于不同的土地利用格局和水庫特征劃分河段，分別采集水樣，分析了湟水河水的氫氧同位素組成及其沿程分布特征。結(jié)果表明：水庫水和城區(qū)水的氫氧同位素（δ18O和δD）相較于入庫水和非城區(qū)水有明顯的偏正現(xiàn)象。為了探究該現(xiàn)象的普遍性，廣泛搜集了以往研究中水庫水和城區(qū)水的氫氧同位素數(shù)據(jù)。研究發(fā)現(xiàn)：在水庫影響區(qū)域，入庫水和水庫水的穩(wěn)定同位素差異與水庫的表面積和平均滯留時間有較強的正比關(guān)系;在城市影響區(qū)域，非城區(qū)水和城區(qū)水的穩(wěn)定同位素差異與河段兩岸的不透水域面積占比有較強的正比關(guān)系。這表明水庫建設(shè)和城市化都促進了河水氫氧同位素的蒸發(fā)分餾。研究成果對從微觀尺度探究人類活動影響下的水循環(huán)特征具有一定的參考意義。

關(guān) 鍵 詞：氫氧同位素; 水循環(huán); 水庫; 城市建設(shè); 湟水河流域

中圖法分類號： P641.3;X143

文獻標志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2022.04.009

0 引 言

近幾十年來，隨著人類社會的高速發(fā)展，社會對水資源的需求日益增加，加速了對河流的開發(fā)利用，水利工程建設(shè)迅猛。目前，全球約70%的河流被大壩攔截[1]。大壩的攔截干擾了水體的天然循環(huán)。水庫蓄水后，水體的動力條件、水體滯留時間、水源的混合方式等發(fā)生了顯著的變化[2]。水利工程改變了河流物質(zhì)入海通量及其時空特性，并影響了河流的自然環(huán)境和生物地球化學(xué)過程[3]。同時，城市建設(shè)也直接干預(yù)著水循環(huán)。城市化使得流域下墊面條件發(fā)生改變，導(dǎo)致蒸發(fā)的時空分布發(fā)生了變化。因此，無論是從宏觀的角度還是微觀的角度，研究水利工程和城市建設(shè)對水循環(huán)的影響都具有重要的意義。

同位素技術(shù)是研究水循環(huán)過程的重要手段。該技術(shù)可以利用水中的穩(wěn)定同位素（如δ18O和δD等）來確定水的滯留時間、特征、來源及組成。自然條件下不同水源的氫氧同位素豐度會存在一定的差異，氫氧同位素能夠敏感地響應(yīng)環(huán)境變化，反映水體相變過程中同位素分餾[4-5]。受到不同因素的影響，河水中的δ18O和δD的空間分布特征存在較大的差異，基于這些差異可以有效解釋區(qū)域的氣候和水文特征。

以往的研究中，氫氧同位素方法多集中于研究氣候和水循環(huán)的關(guān)系。最近相關(guān)學(xué)者利用氫氧同位素開展了水利工程或者梯級水庫群對水文循環(huán)的影響[6-7]。張俊等分析了嘉陵江筑壩攔截對梯級水庫水體氫氧同位素組成的影響[8]，Wang等分析了長江梯級水庫對河水氫氧同位素的影響[9]。但是現(xiàn)有研究的探索對象主要集中于某個單一流域的水庫，而對于不同類型的流域或水庫影響的差異和城市周邊河流的強人類活動影響關(guān)注較少。

湟水河屬于黃河支流，地處高原干旱半干旱大陸性氣候區(qū)，作為青海省的重要河流，受到不同水源補給的影響，對其河水氫氧同位素特征的研究目前并不清晰。本文基于2018年10月對湟水河流域河水氫氧同位素的采樣與分析數(shù)據(jù)，在空間上探究了湟水河氫氧同位素的沿程分布特征，以及在不同土地利用類型和水庫影響下氫氧同位素的分布及其變化情況。同時，為了研究現(xiàn)象的普遍性，搜集了以往研究中多個流域的氫氧同位素數(shù)據(jù)，探討了河水的氫氧同位素特征與水庫和城市建設(shè)的關(guān)系，可為研究水利工程和城市建設(shè)對水文循環(huán)的影響提供參考。

1 研究區(qū)概況

湟水河位于中國青海省東部，屬于黃河的第三大支流，發(fā)源于青海省包呼圖山。湟水河長251 km，流域面積15 500 km2，海拔1 700～4 900 m，屬于高原干旱半干旱大陸性氣候。流域地勢西高東低，并有盆地、高山影響，所以氣候垂直變化明顯，且地域差異大。愈向上游氣溫愈低，降水量增大，蒸發(fā)量減小，多潮濕沼澤地。流域年平均氣溫0.6～7.9 ℃，年平均降水量300～500 mm，年平均流量21.6億m3，年輸沙量0.24億t。湟水河段包括沙塘川河、北川河等多個重要支流。干流流經(jīng)的西寧市是青海省的政治、經(jīng)濟、文化和交通中心。

2 數(shù)據(jù)采集和分析

本文分析的水樣類型主要為河水和湖水水樣。為了分別研究水利工程和人類活動對湟水河水循環(huán)的影響，根據(jù)湟水河流域特征和土地利用格局將湟水河干流和支流劃分為不同的河段，主要包括：天然河流河段、弱人類活動影響河段、強人類活動影響河段、綜合影響河段和天然湖泊。針對不同的河流分段類型分別進行采樣，采樣點的分布和位置及河流分段類型分別如圖1所示和表1所列。為了排除降雨的影響，這些樣品均在冬季干燥時期采樣。其中，共包括26個河水樣品、1個湖水樣品。河水水樣主要取自河流中間或流動部分，以確保河流水體充分混合，水樣采集后立刻裝入10 mL高密度聚乙烯（HDPE）瓶中，擰緊瓶蓋，并用封口膜進行密封，然后放入冰箱冷藏，以防止同位素的蒸發(fā)分餾。

采用L2130-i超高精度液態(tài)水和水汽同位素分析儀進行分析測試，δ18O和δD的分析誤差分別為±0.025‰和±0.1‰。測樣方式為標準高精度方式：每個樣品測6針，取后3針平均值作為測試結(jié)果。

為了進一步分析入庫水和水庫水氫氧同位素受到水庫影響而引起的變化差異，搜集了其他相關(guān)文獻中水庫的氫氧同位素數(shù)據(jù)，這些水庫的特征和氫氧同位素測量值分別如表2和表3所列。

為了進一步分析城區(qū)和非城區(qū)氫氧同位素的差異，搜集了其他相關(guān)高強度開發(fā)城市的氫氧同位素數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)樣本在空間都是連續(xù)的，它們之間沒有其他支流流入，以減少其他因素的干擾。同時選取2個采樣點之間的河段，分析了河段10，20，50 km范圍內(nèi)的土地利用情況，分別計算了該范圍下城市不透水面積所占的比例，具體分別如表4和表5所列。

以上所有穩(wěn)定同位素的比率均以相對于Vienna“標準平均海水”（V-SMOW）的千分差來表示。本文中的土地利用數(shù)據(jù)來自于globeland30的土地利用柵格數(shù)據(jù)（www.globeland30.com）。

3 結(jié)果與分析

3.1 河水氫氧同位素的沿程變化特征

湟水河干流河水中，δ18O的變化范圍為-8.628‰～-7.920‰，δD的變化范圍為-54.835‰～-49.175‰。如圖2所示，從河流上游到下游，δ18O和δD沿程變化趨勢總體一致，且都有不明顯的增加趨勢。水庫水和城市區(qū)河水的δ18O和δD值比其附近采樣點的值明顯偏正，表明這些水域可能經(jīng)歷著更強烈的蒸發(fā)過程，這樣的現(xiàn)象在支流中也可以明顯發(fā)現(xiàn)，如圖3所示。除了支流T1和T2，支流的δ18O和δD值一般都小于干流。同時，青海湖明顯比流域內(nèi)其余采樣點δ18O和δD值偏正，這也顯示出青海湖相對于河流水受到的蒸發(fā)作用影響更強烈。

3.2 δD和δ18O的關(guān)系

Craig（1961）等首次把大氣降水中的δ18O與δD的線性關(guān)系稱為大氣水線（MWL），它對研究水循環(huán)過程中穩(wěn)定同位素的變化具有重要的意義[15]。全球尺度上所建立的全球大氣水線（GMWL）：

δD=8.17δ18O+10.35（1）

可以比較不同區(qū)域所建立的大氣降水線與GMWL的差別來判斷引起大氣降水同位素變化的原因，如：不同水汽來源、雨滴在降落過程中的蒸發(fā)作用和局地水汽再循環(huán)補充作用等。吳華武等通過實測數(shù)據(jù)和GNIP監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，給出了青海省西寧市地區(qū)的大氣降水線方程（LMWL）[16]：

δD=8.69δ18O+17.5（2）

根據(jù)采樣得到的地表水δ18O和δD的數(shù)據(jù)，可以得到湟水河流域冬季的地表水線（SWL）方程（見圖4）。

δD=7.84δ18O+15.06（3）

可以發(fā)現(xiàn)，湟水河流域地表水線方程的斜率小于當(dāng)?shù)卮髿饨邓€和全球大氣降水線的斜率，表明地表水在受到降水補給后，經(jīng)歷了不同程度的蒸發(fā)分餾作用，導(dǎo)致地表水線的斜率偏小。由于湟水河流域?qū)儆诎敫珊档貐^(qū)，降水量較少，且流域內(nèi)地形坡度平緩，河水中同位素的蒸發(fā)蒸餾作用更強。

3.3 水庫對氫氧同位素的影響

正如3.1節(jié)分析，湟水河流域水庫水樣氫氧同位素比入庫或周邊水樣有明顯的偏正現(xiàn)象，河流水體的滯留時間一般會在筑壩后增加，這導(dǎo)致蒸發(fā)引起的氫氧同位素差異會隨著滯留時間的延長而增大，導(dǎo)致重同位素明顯富集。

采用最小二乘法的線性擬合方程模型來分析氫氧同位素的變化量和水庫總庫容、水庫表面積和平均滯留時間3個因素之間的關(guān)系，并進行了顯著性分析?？梢园l(fā)現(xiàn)，入庫水和水庫水的氫氧同位素變化差異與總庫容沒有明顯的關(guān)系，而與水庫表面積和平均滯留時間都有明顯的正比關(guān)系，均滿足p<0.01或p<0.05的顯著性差異（見圖5）。水庫的這種作用類似于湖泊，表面積越大，水體滯留時間越長，導(dǎo)致水體中氫氧同位素蒸發(fā)速率加快，蒸發(fā)分餾作用時間延長，從而改變了水庫水和入庫水的氫氧同位素組成。這種效應(yīng)在梯級水庫建設(shè)的河流中可能更加明顯，這也是導(dǎo)致一般河流的氫氧同位素會隨著河流的上游到下游逐級增加，而且在水庫水中有著明顯的富集現(xiàn)象的重要原因[9]。

3.4 城市對氫氧同位素的影響

湟水河流域西寧市區(qū)水樣的氫氧同位素比非市區(qū)水樣也有明顯的偏正現(xiàn)象。城市區(qū)與非城區(qū)的主要區(qū)別就在于城市建設(shè)的強弱，尤其在城市快速建設(shè)的背景下，城市地表大氣溫度往往高于周邊非城市地區(qū)，這種城市熱島效應(yīng)不僅影響著城市生態(tài)環(huán)境，可能也影響著城市中河流氫氧同位素的蒸發(fā)分餾過程。相關(guān)研究表明，不同土地利用的地表熱容量、熱傳導(dǎo)和熱擴散不同，不透水面區(qū)域構(gòu)成的城市下墊面對溫度的影響比植被和水體更強[17]。

采用最小二乘法的線性擬合方程模型，來分析同一河流經(jīng)過的城區(qū)與非城區(qū)氫氧同位素的變化量和不同范圍內(nèi)城市不透水面積占比之間的關(guān)系，并進行了顯著性分析。研究發(fā)現(xiàn)：除了岳陽市，城區(qū)和非城區(qū)的氫氧同位素變化差異與河流兩岸的不透水面積占比具有明顯的正相關(guān)關(guān)系，距離河流越近的不透水域?qū)恿鞯拈g接影響也越強，尤其對于δ18O，10 km范圍內(nèi)不透水域面積占比與δ18O變化量線性關(guān)系較強，相關(guān)系數(shù)達到0.867 2，如圖6所示。由于岳陽市南部緊鄰洞庭湖，湖泊和城市的共同作用導(dǎo)致岳陽市采樣點的氫氧同位素變化較大，明顯偏離了擬合曲線，因此在分析時將該點作為異常點處理，未作為線性擬合模型的樣本點。

上述結(jié)果表明：城市不透水域面積的擴張可能間接影響著城市河流中同位素的蒸發(fā)分餾，建設(shè)用地密度越高，同位素的重度富集效果越強。

4 討 論

本文從河水的氫氧同位素特征出發(fā)，基于湟水河流域的同位素樣品以及已發(fā)布的文獻數(shù)據(jù)，通過分析，發(fā)現(xiàn)了氫氧同位素特征在經(jīng)過水庫和城市區(qū)域后有明顯的變化。

水庫修建后，水體的表面積和滯留時間增加，這促進了氫氧同位素的蒸發(fā)分餾，導(dǎo)致水庫水和入庫水的氫氧同位素特征有較大的差異，其變化量也與水庫的表面積和平均滯留時間有正相關(guān)。已有研究發(fā)現(xiàn)，在湖泊中也有類似的效應(yīng)[9]。在大壩修建較多的河流上，河流整體的滯留時間也會增加，導(dǎo)致整條河的水齡可能比過去更老，例如，有研究表明長江流域現(xiàn)在的河流水齡比20世紀80年代老化了約1.4個月[7]。同時，在這些河流上氫氧同位素也會沿著河流從上游到下游，呈現(xiàn)鋸齒狀增加的趨勢[7]，河流開發(fā)程度越高，水齡可能也越老，因此，氫氧同位素可以作為指示河流開發(fā)程度的重要指標。

本研究發(fā)現(xiàn)在城市區(qū)域，氫氧同位素的變化量與城區(qū)不透水面積的占比有著較強的正相關(guān)關(guān)系。城市不透水域面積的增加，反映了城市的開發(fā)擴張，增加了城市的熱島效應(yīng)。城市熱島效應(yīng)可以影響城區(qū)的氣溫、降雨和氣壓等氣象要素，而這些要素都與穩(wěn)定同位素的蒸發(fā)分餾過程密切相關(guān)[5，17]。熱島效應(yīng)影響云的形成和運動，對局部地區(qū)降雨及降雨機制產(chǎn)生影響，一般認為城市熱島可以增加城市的降雨[18]。同時，局部氣溫的升高，也促進了河水的同位素分餾。因此，城市的擴張，通過影響溫度、降水和水汽壓等因素間接影響著城區(qū)降水和河水中氫氧同位素的特征。另外，在城市區(qū)域，河水經(jīng)歷了取水、用水、排水等過程，節(jié)水措施的推廣導(dǎo)致了水的循環(huán)利用。這些過程使城市流域的水滯留時間比自然流域的水滯留時間更長。然而，人類活動在城市中的作用是比較復(fù)雜的，不僅是城市的大小，城市的人口、水源、河流的流速等因素也會影響河流水同位素的值。鑒于現(xiàn)有數(shù)據(jù)的精確性和城市的復(fù)雜性，這些因素之間的相關(guān)性很難解釋清楚，未來還需要更深入的研究。

5 結(jié) 論

（1） 湟水河水中氫氧同位素沿程呈現(xiàn)不明顯的增加趨勢，地表水線方程的斜率小于GMWL，這表明河水中的穩(wěn)定同位素經(jīng)歷了明顯的蒸發(fā)分餾作用。

（2） 水庫和城市建設(shè)影響水體的氫氧同位素特征，水庫水和城區(qū)水的氫氧同位素相較于入庫水和非城區(qū)水有明顯的偏正現(xiàn)象。河水經(jīng)過水庫，存在明顯的同位素富集現(xiàn)象，氫氧同位素的變化量與水庫的表面積和平均滯留時間存在正相關(guān)關(guān)系;河水經(jīng)過城區(qū)，氫氧同位素也存在富集現(xiàn)象，城區(qū)與非城區(qū)的氫氧同位素變化量與河流兩岸的不透水域面積比例存在正相關(guān)關(guān)系。這表明水庫建設(shè)和城市化都促進了河水氫氧同位素的蒸發(fā)分餾。

（3） 河水中氫氧同位素的變化不僅受到不同水源補給或蒸發(fā)作用的影響，也會受到人類活動如水庫建設(shè)和城市建設(shè)的影響。

本文初步探究了河水氫氧同位素的水庫和城市效應(yīng)。由于水庫和城市建設(shè)對水循環(huán)的影響機理比較復(fù)雜，水庫的來水和排水等過程都會改變水庫水的氫氧同位素特征，而城市中的河水受到人類活動的影響更大，河水的取、用、耗、排等環(huán)節(jié)也都會影響河水的同位素特征。這些因素的綜合考慮，還需要開展進一步的深入研究。

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（編輯：劉 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