花山流域河水同位素年內(nèi)變化及采樣方案優(yōu)化

廖愛(ài)民 李薛剛 劉九夫 張建云 王越 王文種 李志恒

摘要：小流域河水同位素特征和采樣方案研究對(duì)深入理解流域降水徑流關(guān)系和構(gòu)建同位素水文站網(wǎng)具有重要意義。針對(duì)江淮過(guò)渡帶代表流域花山流域總控?cái)嗝婕捌溧徑短鬃恿饔虺隹跀嗝?，開(kāi)展了1個(gè)完整水文年的高頻率采樣，分析河水氫氧同位素年內(nèi)變化特征，為制定小流域河水采樣方案提供依據(jù)。結(jié)果表明：① 花山流域兩斷面河水氫氧同位素的變化一致，但流域總控?cái)嗝婧铀畾溲跬凰匾哂谥Я鞒隹跀嗝?。?河水的氫氧同位素在年內(nèi)從汛期開(kāi)始呈現(xiàn)4個(gè)階段的變化，即夏季波動(dòng)下降期、秋季上升期、冬季平穩(wěn)期和春季上升期。③ 河水同位素對(duì)暴雨過(guò)程有3種響應(yīng)類型：暴雨中期陡降型、暴雨中期緩降型和暴雨后期緩降型。④ 推薦的河水常規(guī)采樣方案為：夏季2 d采集1次，其他季節(jié)每15 d采集1次;推薦的降雨期間河水采樣方案為：對(duì)夏、秋、春季出現(xiàn)中大雨以上的降雨，從降雨開(kāi)始到降雨結(jié)束后的每隔4 h采集1次斷面水樣。研究成果可為中小流域站網(wǎng)河水同位素監(jiān)測(cè)采樣提供借鑒。

關(guān)鍵詞：小流域;河水;氫氧同位素;年內(nèi)變化;采樣方案;江淮過(guò)渡帶

中圖分類號(hào)：P334

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1001-6791（2023）06-0887-14

收稿日期：2023-04-19;網(wǎng)絡(luò)出版日期：2023-10-07

網(wǎng)絡(luò)出版地址：https：∥link.cnki.net/urlid/32.1309.P.20230928.1531.004

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（92047203;91847301）

作者簡(jiǎn)介：廖愛(ài)民（1985—），男，江西贛州人，高級(jí)工程師，博士，主要從事水文實(shí)驗(yàn)、水文地球物理學(xué)和同位素水文學(xué)等研究。

E-mail：seamsun1226@163.com

通信作者：劉九夫，E-mail：jfliu@nhri.cn

徑流是流域水文循環(huán)中的核心要素，流域出口斷面的流量過(guò)程是流域水文循環(huán)的積分輸出響應(yīng)［1］。為了解流域的降雨徑流關(guān)系、單位線和匯流特性，傳統(tǒng)上采用簡(jiǎn)單但缺乏物理機(jī)制的圖解法劃分流量過(guò)程線［2］。目前大多數(shù)水文過(guò)程研究為經(jīng)驗(yàn)關(guān)系，流域內(nèi)部仍為結(jié)構(gòu)不清的“黑箱”，所以傳統(tǒng)的水文學(xué)方法無(wú)法識(shí)別流域各類水源和匯流路徑。由于穩(wěn)定水同位素是研究水循環(huán)過(guò)程的一種理想的天然示蹤劑［3-5］，越來(lái)越多的學(xué)者采用基于同位素的流量過(guò)程劃分方法來(lái)劃分事件前水和事件水的比例［6-8］，解析降雨過(guò)程中徑流的水源和路徑［9-10］。利用環(huán)境同位素劃分流量過(guò)程線的基本前提之一是必須考慮降水、河水和地下徑流中同位素含量的時(shí)程變化［11］。為了獲取徑流同位素的長(zhǎng)系列變化和空間分布格局，從2002年開(kāi)始，國(guó)際原子能機(jī)構(gòu)（IAEA）與聯(lián)合國(guó)教科文組織（UNESCO）合作，在全球42條大江大河（包括中國(guó)長(zhǎng)江在內(nèi)）建立了全球河川徑流同位素網(wǎng)絡(luò)（GNIR）。中國(guó)也相應(yīng)建立了中國(guó)大江大河的同位素網(wǎng)絡(luò)（CHNIR），觀測(cè)站點(diǎn)主要分布在長(zhǎng)江和黃河干流上。

回顧中國(guó)30多年河水同位素研究，前期對(duì)河水氫氧同位素的探索主要集中于以長(zhǎng)江［12-15］、黃河［16-18］、雅魯藏布江［19-20］為代表的大河流域的時(shí)空變化特征。在20世紀(jì)80年代，顧慰祖教授開(kāi)展了中小流域同位素示蹤劃分流量過(guò)程線的試驗(yàn)研究［2，11，21］，近年來(lái)又有很多學(xué)者開(kāi)展了中小流域河水同位素的時(shí)空變化［22-26］和徑流劃分［6，10，27-29］，但這些研究周期較短，一般是針對(duì)1 a內(nèi)有限場(chǎng)次的降雨徑流過(guò)程進(jìn)行采樣、測(cè)試分析，未積累長(zhǎng)時(shí)間系列的河水同位素?cái)?shù)據(jù)，難以揭示與常規(guī)水文站測(cè)驗(yàn)相匹配的同位素水文變化規(guī)律。截至2021年底，中國(guó)針對(duì)中小河流累計(jì)完成治理河長(zhǎng)超過(guò)10萬(wàn)km，同步改建、新建了大量中小河流水文站，為建設(shè)完善中小流域同位素網(wǎng)絡(luò)提供了站網(wǎng)基礎(chǔ)。由于河水采樣和同位素分析需要巨大的經(jīng)濟(jì)開(kāi)銷(xiāo)，所以，中小河流河水同位素觀測(cè)迫切需要采樣間隔時(shí)間和采樣時(shí)機(jī)的試驗(yàn)指導(dǎo)。在此背景下，本文選取位于中國(guó)江淮過(guò)渡帶的典型丘陵山區(qū)代表流域花山流域及其嵌套小流域監(jiān)測(cè)斷面，以1個(gè)完整的水文年作為研究期，采用高頻次的采樣試驗(yàn)方案，獲取大量的河水同位素?cái)?shù)據(jù)，分析河水氫氧同位素值變化特征，在此基礎(chǔ)上制定合適的監(jiān)測(cè)采樣方案，以期為中國(guó)建立完善的河水同位素網(wǎng)絡(luò)提供有益的參考和借鑒。

1 研究區(qū)概況

花山流域地處中國(guó)南北氣候分界的江淮過(guò)渡帶，位于安徽省滁州市中南部，距滁州市主城區(qū)約10 km，介于118°8′25″—118°18′E、32°13′7″—118°10′27″N之間，干流長(zhǎng)13.7 km，流域總面積約80 km2。從水系位置上看，花山流域位于長(zhǎng)江三級(jí)支流小沙河的上游（圖1（a）），水流經(jīng)小沙河、清流河、干流滁河，最終流入長(zhǎng)江。該流域?qū)倥瘻貛О霛駶?rùn)季風(fēng)氣候區(qū)，氣候溫和，四季分明，多年平均氣溫為15.2 ℃，最高月平均氣溫為28.2 ℃（7月），最低月平均氣溫為1.6 ℃（1月）。流域內(nèi)多年平均降水量為1 007.7 mm，降雨主要集中在汛期6—9月份，梅雨期明顯，通常發(fā)生在每年的6月中旬至7月上旬，梅雨量約占全年總降水量的30%左右。流域內(nèi)多年平均水面蒸發(fā)量為891.0 mm，出口斷面多年平均年徑流深為300.0 mm。

花山流域四面環(huán)山，山脈的延伸走向形成了南高北低、東西基本對(duì)稱、略向東傾斜的地勢(shì)，分水嶺高程為175～352 m，流域閉合程度良好。花山流域水系呈扇形分布，河道坡度為4.7‰，形狀系數(shù)為1.5。流域水系為“三源一溝”的格局：東源、中源、西源和竹園溝（圖1（b）和圖1（c））。東源流域面積約為8.83 km2;中源為小沙河的上游干流，流域面積約為50.46 km2，與東源支流匯合于胡莊滾水壩，即中、東源匯合斷面;西源流域面積約為17.96 km2，在三岔河斷面（后文簡(jiǎn)稱SCH）附近匯入小沙河;竹園溝流域面積約為2.63 km2，于胡莊（三）斷面（后文簡(jiǎn)稱HZS）上游附近匯入小沙河。圖1（c）給出花山流域內(nèi)各支流（藍(lán)色線）與干流（紅色線）監(jiān)測(cè)斷面之間的位置關(guān)系：西源在A點(diǎn)匯入小沙河干流，竹園溝在B點(diǎn)匯入小沙河干流，B點(diǎn)在A點(diǎn)下游約315 m處。中源、東源匯合斷面至A點(diǎn)距離約130 m，SCH至A點(diǎn)距離約115 m，竹園溝斷面至B點(diǎn)距離約220 m，B點(diǎn)至HZS距離約180 m，SCH至HZS的距離約為610 m。

2 樣品采集與測(cè)試

2.1 河水樣品的采集

選取花山流域出口斷面HZS、西源支流控制斷面SCH，在兩斷面進(jìn)行河道氫氧同位素同步監(jiān)測(cè)試驗(yàn)，采樣時(shí)間為2015年6月2日至2016年5月31日，采樣點(diǎn)分布如圖1（c）所示。取樣點(diǎn)位于距離右岸2 m、自水面向下0.5 m處。

在無(wú)降水時(shí)期采取常規(guī)采樣，選擇每天8：00和20：00各采樣1次;降雨時(shí)采取加密采樣，每小時(shí)采樣1次。整個(gè)采樣期間利用自動(dòng)采樣器（ISCO6712型，美國(guó)）采集水樣，它能通過(guò)選擇不同的程序方式設(shè)定采樣頻次，其工作原理是由自動(dòng)采樣儀的蠕動(dòng)泵產(chǎn)生負(fù)壓采集水樣，再通過(guò)控制器分配到1 L的采樣瓶中，后由采樣人員封裝于預(yù)先清洗過(guò)的200 mL聚乙烯塑料瓶?jī)?nèi)，密封冷藏保存。在HZS和SCH分別采集水樣909個(gè)和906個(gè)。在研究期內(nèi)，同步監(jiān)測(cè)了降水、徑流量、空氣溫度，用于分析河水同位素年內(nèi)變化的影響因素。

2.2 次暴雨的選擇

日降水量測(cè)量采用水文站的常規(guī)業(yè)務(wù)做法：當(dāng)天8：00至第2天8：00的累積降水量，記作當(dāng)日降水量。次降雨的開(kāi)始和結(jié)束采用0.1 mm的日降水量進(jìn)行劃分，即連續(xù)出現(xiàn)的雨日歸為1個(gè)降雨過(guò)程［30］。據(jù)此，表1給出研究期內(nèi)的暴雨場(chǎng)次。研究期內(nèi)總降水量為1 329.1 mm，其中日降水量大于50 mm的有8 d：2015-06-16、2015-06-26、2015-06-27、2015-07-08、2015-07-16、2015-07-23、2015-08-10、2016-05-31，日降水量分別為152.0、53.5、96.5、55.5、119.5、61.0、106.0和75.5 mm，其中2015年6月26日和27日是連續(xù)2 d的暴雨，合并到1次暴雨過(guò)程，即表1中S2暴雨。

2.3 水同位素分析方法

河水氫氧穩(wěn)定同位素測(cè)試在南京水利科學(xué)研究院滁州綜合水文實(shí)驗(yàn)基地完成，采用液態(tài)水同位素分析儀（IWA-912，LGR，美國(guó)）測(cè)試水樣的D與18O，測(cè)試精度：δD＜0.3‰，δ18O＜0.1‰。測(cè)試結(jié)果采用相對(duì)于國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)V-SMOW的千分差來(lái)表示：

δX=RsRV-smow-1×1 000（1）

式中：Rs和RV-smow分別為水樣和V-SMOW中的D/H或18O/16O的比率，‰。

3 結(jié)果與討論

3.1 河水氫氧同位素年內(nèi)變化特征

圖2（a）和圖2（b）給出了SCH和HZS河水氫氧同位素的年內(nèi)變化?？傮w可分為4個(gè)階段：① 夏季波動(dòng)下降期，從6月初到9月上旬，這個(gè)階段的河水同位素主要受暴雨的影響，并且僅在暴雨條件下，河水同位素出現(xiàn)顯著降低（δ18O降低1‰，δD降低10‰）;② 秋季上升期，從9月上旬到11月初;③ 冬季平穩(wěn)期，從11月初到次年3月底;④ 春季上升期，從3月底到5月底。后3個(gè)時(shí)期很少出現(xiàn)暴雨，河水氫氧同位素在短時(shí)間內(nèi)未出現(xiàn)明顯下降。秋、春兩季的同位素上升期間氣溫呈相反的變化趨勢(shì)（見(jiàn)圖2（d））。秋季內(nèi)河水同位素上升的可能原因是降雨減少，河水流量不大，空氣相對(duì)濕度降低而增強(qiáng)蒸發(fā)［31］;春季河水同位素上升的原因主要由于空氣溫度升高導(dǎo)致河水在少雨期的蒸發(fā)作用增加。

圖3給出HZS和SCH年內(nèi)各月河水氫氧同位素變化和統(tǒng)計(jì)值。在2015年6月初至2016年5月末，SCH河水δD變化范圍為-28.5‰～-64.9‰、δ18O變化范圍為-3.8‰～-9.4‰;HZS河水δD變化范圍為-25.8‰～-62.4‰、δ18O變化范圍為-3.5‰～-9.1‰。兩斷面河水同位素組成變化范圍基本一致，均呈現(xiàn)先降低再升高的變化趨勢(shì)。但下游HZS的δD和δ18O要系統(tǒng)性高于上游SCH，在12月差值最大（4.5‰），在7月份差值最?。?.2‰）。考慮到SCH和HZS之間的河道距離約580 m，直線距離約330 m，所以從SCH流出的河水到HZS過(guò)程同位素組成基本不會(huì)發(fā)生變化，進(jìn)一步可推斷：導(dǎo)致HZS的δD和δ18O要系統(tǒng)性高于上游SCH的原因是其他主要支流（中源、東源和竹園溝）匯入的河水δD和δ18O高于SCH河水。

從同位素各月變化看，兩斷面河水的δD、δ18O均在2015年6月波動(dòng)范圍最大、離散度最高，δD的標(biāo)準(zhǔn)差、極差分別約為12‰、35‰，之后月份總體降低，從2015年10月至2016年5月份（即汛前）趨于平穩(wěn)，波動(dòng)范圍較小。根據(jù)兩斷面附近氣象觀測(cè)得到2015年6月至2016年5月的月降水量，可以發(fā)現(xiàn)，在2015年6月該流域降水量高達(dá)436.5 mm，占全年降水量的32.1%（圖4）。在δD、δ18O變化相對(duì)穩(wěn)定的月份中，2015年11月SCH的同位素的波動(dòng)比HZS明顯，這是由于11月SCH上游水庫(kù)放水灌溉所致。

圖5給出花山流域大氣降水線和兩斷面河水氫氧同位素的關(guān)系（簡(jiǎn)稱“河水線”）。其中，大氣降水線是綜合2013—2021年降水同位素?cái)?shù)據(jù)得到的，可代表花山流域當(dāng)?shù)氐慕邓畾溲跬凰仃P(guān)系，該線與全球大氣降水線（δD=8δ18O+10）很接近，表明該地區(qū)降水的主要來(lái)源是海洋性氣團(tuán)。受氣候、水汽來(lái)源以及地形地貌的影響，不同地區(qū)河水線差別較大，對(duì)HZS、SCH的河水樣品進(jìn)行δD—δ18O相關(guān)性分析，得到兩斷面的河水線方程，即SCH：δD=6.07δ18O-3.86（R2=0.965 5）;HZS：δD=6.51δ18O-1.97（R2=0.958 9）。從圖5可看出，兩斷面河水線方程的斜率、截距與當(dāng)?shù)卮髿饨邓€相比發(fā)生較明顯偏離。河水線方程的斜率較當(dāng)?shù)卮髿饨邓€偏低，通常反映了蒸發(fā)效應(yīng)的影響［26］。SCH和HZS河水線與當(dāng)?shù)卮髿饨邓€的交點(diǎn)分別是（-8.01‰，-52.38‰）和（-9.28‰，-62.39‰），HZS的交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的δ18O、δD相比SCH分別低1.3‰和10.0‰。江淮過(guò)渡帶河水線與當(dāng)?shù)卮髿饨邓€的交點(diǎn)高于黃土丘陵溝壑區(qū)的岔巴溝流域（-10‰，-70‰）［32］。HZS的河水線斜率略大于SCH，說(shuō)明作為支流的三岔河流域的蒸發(fā)分鎦效應(yīng)比全流域要強(qiáng)烈，這與西源流域河道長(zhǎng)而多彎的特征相符。兩斷面的河水線在高值區(qū)非常接近，并相交于點(diǎn)（-4.30‰，-25.99‰），對(duì)應(yīng)于冬、春兩季的枯水期。

3.2 河水氫氧同位素季節(jié)變化特征

由圖2可劃分出兩斷面4個(gè)季節(jié)河水δ18O、δD變化，可知在夏季河水同位素組成的變化受強(qiáng)降水的影響顯著，δ18O和δD貧化幅度分別達(dá)到1‰～5‰和5‰～30‰，而在其他季節(jié)因降雨導(dǎo)致的δ18O和δD貧化幅度一般都小于1‰和5‰。

研究期內(nèi)的夏季（6—8月）降水量為844.9 mm，占總降水量的62.2%，降水日數(shù)39 d，其中小雨、中雨、大雨、暴雨及以上等級(jí)降雨分別發(fā)生23、6、6、6 d。夏季期間發(fā)生強(qiáng)降水較多，河水δD、δ18O相應(yīng)發(fā)生急劇變化的次數(shù)也較多，兩斷面河水δD下降超過(guò)6‰均出現(xiàn)了6次，最大下降幅度達(dá)到了28.6‰;δ18O下降超過(guò)1‰也出現(xiàn)了6次，最大下降幅度達(dá)到了4.1‰。在2015年6月16日，日降水量達(dá)到149.2 mm，SCH河水δD由-31.6‰降到-60.5‰、δ18O由-4.5‰降到-8.5‰，HZS河水δD由-27.2‰降到-56.6‰、δ18O由-3.7‰降到-8.4‰;在強(qiáng)降水結(jié)束后的3 d內(nèi)，SCH河水δD、δ18O分別上升至-45.4‰、-6.8‰，HZS河水δD、δ18O分別上升至-44.6‰、-6.6‰，表現(xiàn)出短時(shí)間內(nèi)迅速上升的特征。

秋季（9—11月）降雨均以中、小雨為主，河水δD、δ18O整體波動(dòng)較小。秋季初期降水量為31.8 mm，造成兩斷面河水同位素小幅度貧化;之后到11月上旬之間，降水量很少，河水同位素呈緩慢富集趨勢(shì);之后間歇性的降雨使河水同位素富集趨勢(shì)停止。

冬季（12月至次年2月）降水極少，兩斷面河水δ18O、δD基本處于平穩(wěn)狀態(tài)，河水δD、δ18O總體上在有限范圍內(nèi)波動(dòng)，δD穩(wěn)定在-40.0‰左右，δ18O穩(wěn)定在-6.0‰左右，沒(méi)有明顯的上升或下降趨勢(shì)，水源主要來(lái)自基流;在2016年3月上旬之前，下游HZS河水同位素都大于上游支流SCH，之后二者非常接近。

春季（3—5月）初期河水同位素繼續(xù)延續(xù)冬季的平穩(wěn)狀態(tài)，從4月份起，間歇性的降雨增多，兩斷面河水出現(xiàn)總體持續(xù)緩慢富集的趨勢(shì)，原因可能是在這個(gè)時(shí)期氣溫開(kāi)始增加，從而導(dǎo)致蒸發(fā)分餾作用的增大，以及上游水庫(kù)放水灌溉使水庫(kù)中同位素富集的水流入下游。

圖6給出兩斷面河水同位素的季節(jié)變化范圍。在各個(gè)季節(jié)，上游支流SCH的河水同位素平均值都要低于下游干流的HZS，夏、秋、冬、春的δ18O均值分別低0.48‰、0.64‰、0.62‰、0.45‰，δD均值分別低1.81‰、2.38‰、3.52‰、2.93‰。兩斷面的同位素在夏季平均值最低，δ18O均值約為7‰，但變化幅度最大，并出現(xiàn)較多異常偏大的點(diǎn)，原因是夏季初期極端暴雨之前河水延續(xù)春季同位素的高值；秋季δ18O比夏季增加約1‰，δD增加約5‰;冬季的河水同位素與秋季基本持平，但冬季變化幅度更小，原因是冬季降雨比秋季更少，水源主要來(lái)自基流；春季的河水同位素達(dá)到最高值，與夏季異常偏大的點(diǎn)在相同范圍內(nèi)，表現(xiàn)出由春季向夏季過(guò)渡的特征。

圖7給出兩斷面不同季節(jié)的河水氫氧同位素關(guān)系。由圖7可知，兩斷面河水線在季節(jié)上存在明顯的差異。從河水線的斜率大小順序上看，SCH夏>春>秋>冬，HZS夏>秋>春>冬。在夏季，二者河水線斜率最大且接近（分別為6.01和6.44），但SCH截距要小于HZS;其他季節(jié)的河水線的斜率小于夏季，反映出更強(qiáng)的蒸發(fā)效應(yīng)，尤其在冬季，河水主要來(lái)源于地下水或水庫(kù)放水，流量小，從上游到下游發(fā)生蒸發(fā)分鎦，導(dǎo)致SCH和HZS冬季河水線斜率最?。ǚ謩e為4.40和2.01）。

從河水氫氧同位素值的分布來(lái)看，夏季從6月中旬開(kāi)始，河水同位素點(diǎn)據(jù)基本分布在降水線附近，但在夏季早期（6月上、中旬）和春季河水樣品組成相近，這說(shuō)明在6月中旬后的夏季，降水成為河水的主要補(bǔ)給來(lái)源，這從實(shí)測(cè)降水量得到輔證：夏季6月中旬前，降水量只有45 mm，而6月中旬到8月底，降水量達(dá)到了800 mm。之后，從秋季到冬季，再到次年春季，河水同位素點(diǎn)據(jù)逐漸偏離大氣降水線，基本位于降水線下方，說(shuō)明河水可能主要受地下水的補(bǔ)給，這也是造成兩斷面河水線斜率偏低的主要原因。

3.3 次暴雨期間河水氫氧同位素的時(shí)程變化特征

圖8給出6次典型暴雨過(guò)程造成的河水同位素響應(yīng)。由圖8可得到河水同位素對(duì)暴雨有3種響應(yīng)類型：暴雨中期陡降型、暴雨中期緩降型和暴雨后期緩降型。

第1種響應(yīng)類型是暴雨中期陡降型，如圖8（a）和圖8（b）。圖8（a）給出汛期后的第1次暴雨，總降水量為160.4 mm，降雨較為集中，6月16日降水量高達(dá)149.2 mm。降雨開(kāi)始時(shí)，兩斷面的河水同位素值并未立即發(fā)生大幅變化，在16日14：00時(shí)，降水量已達(dá)71.9 mm，但河水δD僅降低5.29‰，說(shuō)明前期的降雨主要用于冠層截留、填充包氣帶、填洼等，未顯著產(chǎn)生徑流并匯流至監(jiān)測(cè)斷面。SCH河水δD（-31.85‰）從16日14：00起迅速下降，16日21：00降低至-60.51‰，7 h內(nèi)的降幅達(dá)到28.65‰，占到全年δD極差（37.03‰）的77.4%;HZS河水δD（-30.24‰）從16日17：00起迅速下降，17日02：00降低至-56.83‰，9 h內(nèi)的降幅達(dá)到26.59‰，占到全年δD極差（41.03‰）的64.8%。在暴雨間歇中，河水同位素會(huì)小幅度回升;當(dāng)暴雨繼續(xù)時(shí)，河水同位素繼續(xù)降低;當(dāng)暴雨停止后，河水同位素開(kāi)始緩慢回升，直到河水同位素趨于平穩(wěn)（δD約為-48‰）。圖8（b）給出汛期后的第2次暴雨過(guò)程，總降水量為228.8 mm，SCH和HZS河水δD的降幅分別為16.61‰和20.03‰，小于第1次降雨造成的河水同位素。這種類型的河水氫氧同位素的時(shí)程變化同樣出現(xiàn)在夏季的秦嶺森林小流域［10］和姜灣流域上游的和睦橋流域［28］。

第2種響應(yīng)類型是暴雨中期緩降型，3次暴雨過(guò)程如圖8（c）、圖8（d）和圖8（e）。圖8（e）給出2015-08-09T12：00/08-11T01：00期間的基本連續(xù)降雨強(qiáng)過(guò)程，總降水量為118 mm，引發(fā)SCH和HZS河水δD的降幅分別為9.98‰和9.90‰。

第3種響應(yīng)類型是暴雨后期緩降型，如圖8（f）給出2015-07-16T13：00/07-17T22：00為基本連續(xù)強(qiáng)降雨過(guò)程，總降水量為105.8 mm，SCH和HZS河水δD的達(dá)峰點(diǎn)滯后于降雨峰值約5 h，并在達(dá)峰緩慢降低，降幅分別為6.63‰和5.12‰。

對(duì)于研究期內(nèi)日降水量在50 mm以下的大、中、小雨，河水同位素的特征是雨中小幅緩降或基本沒(méi)有變化，如圖8（b）的2015年6月28—30日間降雨引起的河水同位素變化。河水同位素時(shí)程變化呈現(xiàn)不同類型是降雨時(shí)空分布、前期土壤水分和植被等綜合作用的結(jié)果。對(duì)于暴雨級(jí)別以下的降雨，河水同位素的時(shí)程變化主要由事件前水同位素控制，導(dǎo)致降雨期間河水同位素變化不大。影響河水同位素的因素主要是降雨輸入的同位素變化、因蒸發(fā)造成的同位素分鎦和徑流沿程的水體混合交換。在暴雨期間，歷時(shí)短，蒸發(fā)相對(duì)小，因蒸發(fā)造成的同位素分鎦作用小，所以降雨輸入的同位素變化、徑流沿程的水體混合交換是影響暴雨期間河水同位素的主要因素。由于本研究未同步監(jiān)測(cè)降雨的時(shí)程變化，受限了進(jìn)一步分析降雨輸入的同位素變化與河水同位素的影響，有待采用干濕沉降自動(dòng)采樣器實(shí)現(xiàn)與河水樣品的同步采集。

3.4 河水采樣方案優(yōu)化

因兩斷面河水同位素值變化趨勢(shì)基本一致，下面以HZS河水δD變化分析河水采樣方案。從季節(jié)和次降雨2個(gè)尺度進(jìn)行分析，分別對(duì)應(yīng)常規(guī)采樣方案和降雨期間采樣方案。河水的氫氧同位素組成存在不同季節(jié)變化特征，故需要對(duì)不同季節(jié)的常規(guī)和次暴雨過(guò)程河水采取不同的采樣方案，具體如下：

3.4.1 不同季節(jié)常規(guī)采樣方案

將HZS常規(guī)采集的水樣作為接近河水氫氧同位素值真實(shí)變化的系列，然后采用不同時(shí)間間隔抽樣的方式（夏季采用1、2、3、5 d抽樣;其他季節(jié)采用1、5、10、15 d抽樣）獲得不同的δD系列，再與原始系列值進(jìn)行對(duì)比分析，以獲得不同季節(jié)常規(guī)采樣方案（圖9）。

在夏季，因降雨特別是暴雨較多，波動(dòng)劇烈，導(dǎo)致河水δD多變，1 d和2 d間隔采樣獲得的系列值都與原始系列值匹配較好;3 d和5 d間隔抽樣系列與原始系列出現(xiàn)偏差，但總體還可以反應(yīng)波動(dòng)下降的特征。所以，在夏季推薦每2 d進(jìn)行采樣;考慮到采樣、測(cè)樣成本，可以放寬到5 d采集1次。

秋、冬、春三季，河水δD波動(dòng)變化幅度較?。ㄔ?‰以內(nèi)），在整體上存在升高趨勢(shì)，為了充分反映這個(gè)趨勢(shì)，可以每月采集2次（建議取每月的5日和20日）采集水樣，得到的系列值可以代表該季度河水δD的變化趨勢(shì)?？紤]到采樣、測(cè)樣成本，可以放寬到1個(gè)月采集1次，即每月的15日采集1次。

綜上，推薦的河水常規(guī)采樣方案為夏季2 d采集1次，其他季節(jié)每15 d采集1次;經(jīng)濟(jì)方案為夏季5 d采集1次，其他季節(jié)1個(gè)月采集1次。

3.4.2 降雨期間采樣方案

降雨期間，河水氫氧同位素值變化情況比較復(fù)雜，對(duì)于不同季節(jié)、不同強(qiáng)度的降雨，河水氫氧同位素波動(dòng)程度不同。研究期間劃分了51次降雨，2015年6月至2016年5月內(nèi)，小雨（日降水量＜10 mm）占一年中降雨次數(shù)的23.53%，次平均降水量較小，河水氫氧同位素值波動(dòng)微弱，可不采樣，下面針對(duì)中雨及以上降雨分析采樣方案。

花山流域夏季時(shí)暴雨較多，暴雨及以上等級(jí)降雨有6次，平均降水量為126.9 mm，同時(shí)河水δD變化很劇烈，可以針對(duì)暴雨及以上降雨，將2、4、6 h抽樣系列與1 h采樣系列進(jìn)行對(duì)比（圖10），可以看出，2 h和4 h采集1次斷面水樣系列與1 h采樣系列匹配度好，從6 h開(kāi)始匹配度變差，所以在夏季暴雨期間可采用4 h采集1次的方案；秋、春季時(shí)，降水量減少，河水δD整體呈上升趨勢(shì)，在中大雨時(shí)可以選擇性采樣，每隔4 h采集1次；冬季時(shí)，因降水量最少，河水δD比較穩(wěn)定，可僅開(kāi)展常規(guī)采樣。

綜上，推薦的降雨期間河水采樣方案為：對(duì)夏、秋、春季出現(xiàn)中大雨以上的降雨，從降雨開(kāi)始到降雨結(jié)束后的每隔4 h采集1次斷面水樣，如果采用自動(dòng)采樣器，采樣頻率可設(shè)置為1次/4 h，一般情況自動(dòng)采樣器配置24個(gè)采樣瓶，這樣就可滿足降雨期間連續(xù)4 d的河水采樣。

4 結(jié)? 論

通過(guò)對(duì)花山流域內(nèi)三岔河、胡莊（三）2個(gè)監(jiān)測(cè)斷面的河水進(jìn)行為期1 a的密集采樣，并從年、季節(jié)、次降雨3個(gè)時(shí)間尺度分析河水同位素特征，得到以下主要結(jié)論：

（1） 從整個(gè)水文年看，花山流域河水的氫氧同位素從汛期開(kāi)始呈現(xiàn)4個(gè)階段的變化，分別是夏季波動(dòng)下降期、秋季上升期、冬季平穩(wěn)期和春季上升期。兩斷面河水同位素變化趨勢(shì)基本一致，但流域出口控制斷面處河水同位素要高于支流斷面。

（2） 從季節(jié)上看，夏季降水量較多，河水同位素發(fā)生急劇變化的次數(shù)較多，胡莊（三）斷面河水同位素波動(dòng)范圍覆蓋全年內(nèi)河水的變化范圍;秋季降水量顯著減少，河水同位素整體波動(dòng)較小，呈上升趨勢(shì);冬季降水量在全年中最少，河水同位素沒(méi)有明顯的變化趨勢(shì);春季降水量有所增加，整體保持上升趨勢(shì)，春季末，河水氫氧同位素組成逐步恢復(fù)到上一年夏季初的水平。

（3） 從次降雨上看，河水同位素對(duì)暴雨過(guò)程有3種響應(yīng)類型：暴雨中期陡降型、暴雨中期緩降型和暴雨后期緩降型?；ㄉ搅饔蚝铀臍溲跬凰亟M成受夏季暴雨影響顯著，其他量級(jí)的次降雨對(duì)河水同位素影響較小。

（4） 根據(jù)河水氫氧同位素組成年內(nèi)化特征，推薦的河水常規(guī)采樣方案為：夏季2 d采集1次，其他季節(jié)每15 d采集1次；推薦降雨期間的河水采樣方案為：夏、秋、春季出現(xiàn)中大雨以上的降雨時(shí)，從降雨開(kāi)始到降雨結(jié)束后的每隔4 h采集1次斷面水樣。

通過(guò)對(duì)花山流域斷面氫氧同位素組成年內(nèi)變化的分析，初步制定了該流域內(nèi)的河水采樣方案，希望經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間系列的累積可用于水文過(guò)程理論的研究，減少黑箱模擬在水文系統(tǒng)研究方法中的應(yīng)用，對(duì)中國(guó)河川徑流同位素站網(wǎng)監(jiān)測(cè)采樣提供借鑒。

參考文獻(xiàn)：

［1］顧慰祖.同位素水文學(xué)［M］.北京：科學(xué)出版社，2011：199.（GU W Z.Isotope hydrology［M］.Beijing：Science Press，2011：199.（in Chinese））

［2］顧慰祖.論流量過(guò)程線劃分的環(huán)境同位素方法［J］.水科學(xué)進(jìn)展，1996，7（2）：105-111.（GU W Z.On the hydrograph separation traced by environmental isotopes［J］.Advances in Water Science，1996，7（2）：105-111.（in Chinese））

［3］KLAUS J，MCDONNELL J J.Hydrograph separation using stable isotopes：review and evaluation［J］.Journal of Hydrology，2013，505：47-64.

［4］KIRCHNER J W.Quantifying new water fractions and transit time distributions using ensemble hydrograph separation：theory and benchmark tests［J］.Hydrology and Earth System Sciences，2019，23（1）：303-349.

［5］藺銘益，金釗，余云龍.降水產(chǎn)流同位素徑流分割研究進(jìn)展與展望［J］.地球環(huán)境學(xué)報(bào)，2022，13（6）：667-678.（LIN M Y，JIN Z，YU Y L.Research progress and prospects of isotopic hydrograph separation in rainfall-runoff generation［J］.Journal of Earth Environment，2022，13（6）：667-678.（in Chinese））

［6］勾建峰，瞿思敏，石朋，等.和睦橋流域同位素示蹤劑劃分事件水的試驗(yàn)研究［J］.水電能源科學(xué)，2017，35（10）：29-32.（GOU J F，QU S M，SHI P，et al.Research of event water contributions using isotope hydrograph separation in Hemuqiao watershed［J］.Water Resources and Power，2017，35（10）：29-32.（in Chinese））

［7］潘釗，孫自永，馬瑞，等.黑河上游高寒山區(qū)降雨-徑流形成過(guò)程的同位素示蹤［J］.地球科學(xué)，2018，43（11）：4226-4236.（PAN Z，SUN Z Y，MA R，et al.Isotopic investigation of rainfall-runoff generation in an alpine catchment in headwater regions of Heihe River，Northeast Qinghai-Tibet Plateau［J］.Earth Science，2018，43（11）：4226-4236.（in Chinese））

［8］雷義珍，曹生奎，曹廣超，等.基于氫氧穩(wěn)定同位素和水化學(xué)的青藏高原高寒內(nèi)陸流域水文過(guò)程示蹤研究［J］.地理研究，2021，40（5）：1239-1252.（LEI Y Z，CAO S K，CAO G C，et al.Hydrological process tracing study of the alpine inland basin of the Tibetan Plateau based on hydrogen and oxygen stable isotopes and hydrochemistry［J］.Geographical Research，2021，40（5）：1239-1252.（in Chinese））

［9］王國(guó)帥，史海濱，李仙岳，等.河套灌區(qū)耕地-荒地-海子系統(tǒng)間不同類型水分運(yùn)移轉(zhuǎn)化［J］.水科學(xué)進(jìn)展，2020，31（6）：832-842.（WANG G S，SHI H B，LI X Y，et al.Study on migration of different types water during farmland-wasteland-lake system in Hetao Irrigation District［J］.Advances in Water Science，2020，31（6）：832-842.（in Chinese））

［10］馬天文，徐國(guó)策，趙超志，等.基于氫氧穩(wěn)定同位素示蹤的秦嶺森林小流域徑流水源解析［J］.地球科學(xué)與環(huán)境學(xué)報(bào)，2022，44（3）：545-557.（MA T W，XU G C，ZHAO C Z，et al.Water source analysis of runoff in Qinling forest small watershed，China based on H-O stable isotope tracing［J］.Journal of Earth Sciences and Environment，2022，44（3）：545-557.（in Chinese））

［11］顧慰祖，謝民.同位素示蹤劃分藤橋流域流量過(guò)程線的試驗(yàn)研究［J］.水文，1997，17（1）：29-32，23.（GU W Z，XIE M.Experimental study on the division of discharge hydrograph in Tengqiao basin by isotope tracing［J］.Hydrology，1997，17（1）：29-32，23.（in Chinese））

［12］顧鎮(zhèn)南，金德秋，周錫煌，等.長(zhǎng)江水中氫氧同位素組成的季節(jié)性變化［J］.北京大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），1989，25（4）：408-411.（GU Z N，JIN D Q，ZHOU X H，et al.The seasonal variation of isotopic content in the water of Yangtze River［J］.Acta Scicentiarum Naturalum Universitis Pekinesis，1989，25（4）：408-411.（in Chinese））

［13］丁悌平，高建飛，石國(guó)鈺，等.長(zhǎng)江水氫、氧同位素組成的時(shí)空變化及其環(huán)境意義［J］.地質(zhì)學(xué)報(bào)，2013，87（5）：661-676.（DING T P，GAO J F，SHI G Y，et al.Spacial and temporal variations of H and O isotope compositions of the Yangtze River water and their environmental implications［J］.Acta Geologica Sinica，2013，87（5）：661-676.（in Chinese））

［14］孫婷婷.長(zhǎng)江流域水穩(wěn)定同位素變化特征研究［D］.南京：河海大學(xué)，2007.（SUN T T.Study on the variable characteristic of the water stable isotopic compositions in the Yangtze River basin［D］.Nanjing：Hohai University，2007.（in Chinese））

［15］陸寶宏，孫婷婷，許寶華，等.長(zhǎng)江干流徑流同位素同步監(jiān)測(cè)［J］.河海大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2009，37（4）：378-381.（LU B H，SUN T T，XU B H，et al.Isotopic synchronous monitoring of runoff of main stem of Yangtze River［J］.Journal of Hohai University （Natural Sciences），2009，37（4）：378-381.（in Chinese））

［16］蘇小四，林學(xué)鈺，廖資生，等.黃河水δ18O、δD和3H的沿程變化特征及其影響因素研究［J］.地球化學(xué)，2003，32（4）：349-357.（SU X S，LIN X Y，LIAO Z S，et al.Variation of isotopes in the Yellow River along the flow path and its affecting factors［J］.Geochimica，2003，32（4）：349-357.（in Chinese））

［17］范百齡，張東，陶正華，等.黃河水氫、氧同位素組成特征及其氣候變化響應(yīng)［J］.中國(guó)環(huán)境科學(xué)，2017，37（5）：1906-1914.（FAN B L，ZHANG D，TAO Z H，et al.Compositions of hydrogen and oxygen isotope values of Yellow River water and the response to climate change［J］.China Environmental Science，2017，37（5）：1906-1914.（in Chinese））

［18］高建飛，丁悌平，羅續(xù)榮，等.黃河水氫、氧同位素組成的空間變化特征及其環(huán)境意義［J］.地質(zhì)學(xué)報(bào)，2011，85（4）：596-602.（GAO J F，DING T P，LUO X R，et al.δD and δ18O variations of water in the Yellow River and its environmental significance［J］.Acta Geologica Sinica，2011，85（4）：596-602.（in Chinese））

［19］劉忠方，田立德，姚檀棟，等.雅魯藏布江流域河水中氧穩(wěn)定同位素的時(shí)空變化［J］.冰川凍土，2008，30（1）：20-27.（LIU Z F，TIAN L D，YAO T D，et al.The temporal and spatial variations of δ18O in river water of the Yarlung Zangbo River basin［J］.Journal of Glaciology and Geocryology，2008，30（1）：20-27.（in Chinese））

［20］劉佳駒，郭懷成.雅魯藏布江河水氫氧同位素時(shí)空變化特征［J］.中國(guó)環(huán)境科學(xué)，2021，41（11）：5194-5200.（LIU J J，GUO H C.Temporal and spatial variation characteristics of hydrogen and oxygen isotopes in Yarlung Zangbo River［J］.China Environmental Science，2021，41（11）：5194-5200.（in Chinese））

［21］GU W Z.Experimental research on isotopic hydrograph separation［R］.Vienna：IAEA，1994，No.5001/RB：1-71.

［22］張荷惠子，于坤霞，李占斌，等.黃土丘陵溝壑區(qū)小流域不同水體氫氧同位素特征［J］.環(huán)境科學(xué)，2019，40（7）：3030-3038.（ZHANG H H Z，YU K X，LI Z B，et al.Characteristics of hydrogen and oxygen isotopes in different water bodies in hilly and gully regions of the Loess Plateau［J］.Environmental Science，2019，40（7）：3030-3038.（in Chinese））

［23］田立德，姚檀棟，沈永平，等.青藏高原那曲河流域降水及河流水體中氧穩(wěn)定同位素研究［J］.水科學(xué)進(jìn)展，2002，13（2）：206-210.（TIAN L D，YAO T D，SHEN Y P，et al.Study on stable isotope in river water and precipitation in Naqu River basin，Tibetan Plateau［J］.Advances in Water Science，2002，13（2）：206-210.（in Chinese））

［24］宋獻(xiàn)方，劉相超，夏軍，等.基于環(huán)境同位素技術(shù)的懷沙河流域地表水和地下水轉(zhuǎn)化關(guān)系研究［J］.中國(guó)科學(xué) D輯：地球科學(xué)，2007，37（1）：102-110.（SONG X F，LIU X C，XIA J，et al.Study on the transformation relationship between surface water and groundwater in Huaisha River basin based on environmental isotope technology［J］.Science in China Series D：Earth Sciences，2007，37（1）：102-110.（in Chinese））

［25］黃一民，宋獻(xiàn)方，章新平，等.洞庭湖流域不同水體中同位素研究［J］.地理科學(xué)，2016，36（8）：1252-1260.（HUANG Y M，SONG X F，ZHANG X P，et al.Stable water isotopes of different water bodies in the Dongting Lake basin［J］.Scientia Geographica Sinica，2016，36（8）：1252-1260.（in Chinese））

［26］郭巧玲，熊新芝，姜景瑞.窟野河流域不同水體同位素及水化學(xué)特征分析［J］.水土保持學(xué)報(bào)，2016，30（2）：237-242.（GUO Q L，XIONG X Z，JIANG J R.Analysis of isotopic and hydrochemical characteristics of different waters in the Kuye River basin［J］.Journal of Soil and Water Conservation，2016，30（2）：237-242.（in Chinese））

［27］謝林環(huán)，江濤，曹英杰，等.城鎮(zhèn)化流域降水徑流氫氧同位素特征及洪水徑流分割［J］.地理學(xué)報(bào)，2019，74（9）：1733-1744.（XIE L H，JIANG T，CAO Y J，et al.Characteristics of hydrogen and oxygen isotopes in precipitation and runoff and flood hydrograph separation in an urbanized catchment［J］.Acta Geographica Sinica，2019，74（9）：1733-1744.（in Chinese））

［28］王軼凡，瞿思敏，李代華，等.小流域降雨徑流氫氧同位素特征分析及其對(duì)徑流分割的指示意義［J］.河海大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2017，45（4）：365-371.（WANG Y F，QU S M，LI D H，et al.Characteristics of hydrogen and oxygen isotopes in rainfall-runoff in small watershed and their implications for runoff separation［J］.Journal of Hohai University （Natural Sciences），2017，45（4）：365-371.（in Chinese））

［29］常啟昕，孫自永，潘釗，等.高寒山區(qū)河道徑流的形成與水文調(diào)節(jié)機(jī)制研究進(jìn)展［J］.地球科學(xué)，2022，47（11）：4196-4209.（CHANG Q X，SUN Z Y，PAN Z，et al.Stream runoff formation and hydrological regulation mechanism in mountainous alpine regions：a review［J］.Earth Science，2022，47（11）：4196-4209.（in Chinese））

［30］廖愛(ài)民，劉九夫，張建云，等.基于多類型雨量計(jì)的降雨特性分析［J］.水科學(xué)進(jìn)展，2020，31（6）：852-861.（LIAO A M，LIU J F，ZHANG J Y，et al.Analysis of rainfall characteristics based on multiple types of rain gauges［J］.Advances in Water Science，2020，31（6）：852-861.（in Chinese））

［31］葉林媛，魯漢，秦淑靜，等.長(zhǎng)江流域1960—2019年蒸發(fā)皿蒸發(fā)和實(shí)際蒸散發(fā)演變規(guī)律［J］.水科學(xué)進(jìn)展，2022，33（5）：718-729.（YE L Y，LU H，QIN S J，et al.Changes in pan evaporation and actual evapotranspiration of the Yangtze River basin during 1960—2019［J］.Advances in Water Science，2022，33（5）：718-729.（in Chinese））

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

［32］宋獻(xiàn)方，劉鑫，夏軍，等.基于氫氧同位素的岔巴溝流域地表水-地下水轉(zhuǎn)化關(guān)系研究［J］.應(yīng)用基礎(chǔ)與工程科學(xué)學(xué)報(bào)，2009，17（1）：8-20.（SONG X F，LIU X，XIA J，et al.Interactions between surface water and groundwater in chabagou catchment using hydrogen and oxygen isotopes［J］.Journal of Basic Science and Engineering，2009，17（1）：8-20.（in Chinese））

Annual variation in hydrogen and oxygen isotopes of river water

in the Huashan watershed and sampling scheme optimization

The study is financially supported by the National Natural Science Foundation of China （No.92047203;No.91847301）.

LIAO Aimin1，2，LI Xuegang1，2，LIU Jiufu2，3，ZHANG Jianyun2，WANG Yue3，WANG Wenzhong3，LI Zhiheng1

（1. Chuzhou Scientific Hydrology Laboratory，Nanjing Hydraulic Research Institute，Chuzhou 239080，China;

2. State Key

Laboratory of Water Disaster Prevention，Nanjing Hydraulic Research Institute，Nanjing 210029，China;

3. Nanjing Research

Institute of Hydrology and Water Conservation Automation，Ministry of Water Resources，Nanjing 210012，China）

Abstract：The investigation on river water isotope characteristics of small watersheds and the sampling scheme are of great significance for a better understanding of the precipitation-runoff relationship，and for the establishment of an isotope hydrological station network.This study conducted high-frequency sampling in the main control section of the Huashan watershed，which is the representative watershed of the Jianghuai transition zone，and its adjacent nested sub-watershed outlet sections for a whole hydrological year.The annual variation in hydrogen and oxygen isotopes in river water was analyzed to provide a basis for the development of river water sampling schemes for small watersheds.The results showed that：① The hydrogen and oxygen isotopes in river water for the two sections of the Huashan watershed varied consistently，but the isotopes in the main control section were higher than those in the tributary outlet section.② The hydrogen and oxygen isotopes in river water showed four stages of variation from the flood season，namely the fluctuation and decline period in summer，the rising period in autumn，the stable period in winter，and the rising period in spring.③ River water isotopes showed three types of response to heavy rainfall，namely rapid decline during mid-heavy rainfall，gradual decline during mid-heavy rainfall，and gradual decline during late heavy rainfall.④ The recommended routine sampling scheme for river water is to collect samples every 2 days in summer and every 15 days during other seasons.The recommended sampling scheme for river water during the rainy season is to sample the section water every 4 hours，from the beginning of rainfall until the end of rainfall for heavy rainfall in summer，autumn，and spring.These research findings may provide a reference for the sampling of river water isotopes in China′s mid and small watershed station networks.

Key words：small watershed;river water;hydrogen and oxygen isotopes;annual variation;sampling scheme;Jianghuai transition zone