汾河源頭水源穩(wěn)定同位素特征及水源解析

　　摘　要：針對汾河源頭水的來源不清楚的問題，以寧武地區(qū)汾河源頭流域?yàn)檠芯繀^(qū)，通過系統(tǒng)采集區(qū)域內(nèi)河水、湖水以及淺層地下水樣品，運(yùn)用水體化學(xué)離子分析和氫氧同位素技術(shù)，確定區(qū)內(nèi)各水體的水化學(xué)特征、氫氧同位素特征及其水力聯(lián)系，運(yùn)用端元混合模型(EMMA)量化河水的水分來源. 研究表明，河水與淺層地下水的電導(dǎo)率沿程變化從上游至下游呈上升趨勢，且兩者對比變化不明顯. 汾河源頭區(qū)域淺層地下水、河水的優(yōu)勢陰陽離子為和Ca2+，湖水的優(yōu)勢陰陽離子為Na+和，淺層地下水、河水的水化學(xué)類型以Ca·Mg-HCO3為主，湖水的水化學(xué)類型主要為Na- HCO3，河水與淺層地下水的離子來源主要是巖石風(fēng)化作用. 以太原地區(qū)大氣降水氫氧同位素值建立汾河源頭區(qū)域大氣降水(LMWL)方程，當(dāng)?shù)睾铀�、湖水、地下水蒸發(fā)線方程為δD=4.9δ18O-21.4，蒸發(fā)線方程的斜率與截距均比全球大氣降水和當(dāng)?shù)卮髿饨邓�方程小，表明河水在運(yùn)移路徑中經(jīng)歷了一定的蒸發(fā)作用. 河水的δ18O、δD值從下游至上游區(qū)域呈現(xiàn)出下降趨勢，并有一定的海拔效應(yīng). 河水、湖水、地下水的同位素值基本落在當(dāng)?shù)卮髿饨邓�線兩側(cè)，證明大氣降水為汾河源頭區(qū)域各類水體的主要來源，并且河水、地下水離子含量變化相似，穩(wěn)定同位素值相近，結(jié)合電導(dǎo)率沿程變化，證明地下水和河水存在緊密的水力聯(lián)系. 以dexcess作為示蹤劑對河水進(jìn)行二元端元混合模型計(jì)算。

　　關(guān)鍵詞：穩(wěn)定同位素，汾河源頭區(qū)域，水化學(xué)，水力聯(lián)系

　　河流生態(tài)系統(tǒng)，作為生物圈物質(zhì)循環(huán)和能量流動(dòng)的主要通道之一，在區(qū)域氣候調(diào)節(jié)、水質(zhì)凈化以及維持物種生物多樣性等方面起到了重要的作用[1−2]. 氣候變化和人類活動(dòng)被認(rèn)為是影響河流水文循環(huán)的兩個(gè)主要因素[3−6]. 在氣候變化和人類活動(dòng)的影響下[7]，水文循環(huán)速率和路徑的改變[8]導(dǎo)致大氣和地表之間的水量和能量通量發(fā)生變化[9−10]，從而影響了整個(gè)流域的水文循環(huán)[11]. 因此，深入了解現(xiàn)代河流流域水文循環(huán)過程對恢復(fù)河流徑流以及保護(hù)流域的生態(tài)環(huán)境具有重要意義.液態(tài)水穩(wěn)定同位素方法被廣泛地應(yīng)用于流域水循環(huán).

　　根據(jù)不同水體中氘(D)與氧(18O)同位素組成差異[12]，被廣泛的用于揭示水體的形成、運(yùn)移和補(bǔ)給關(guān)系等過程. 如郭亞文等[13]分析了黃土高原溝壑區(qū)南小河溝流域地表水和地下水的氫氧穩(wěn)定同位素和水化學(xué)特征，揭示了地表水與地下水之間的相互關(guān)系;梅亮等[14]對黑河上游葫蘆溝流域的各水體穩(wěn)定同位素特征及各水體的水力聯(lián)系進(jìn)行分析探討，運(yùn)用端元混合分析模型將凍土活動(dòng)層的水分來源定量化;車存?zhèn)サ萚15]測定了蘭州市南北兩山的降水、河水及土壤樣品中的氫氧穩(wěn)定同位素，闡明了南北兩山土壤蒸發(fā)的時(shí)空變化;劉鑫等[16]分析了整個(gè)汾河流域淺層地下水的水化學(xué)和氫氧穩(wěn)定同位素分布特征及其影響因素，揭示了汾河流域水循環(huán)和水質(zhì)演化過程.

　　汾河作為黃河的第二大支流，是山西省最大的河流. 近些年來，受降水減少、蒸發(fā)增大以及人類活動(dòng)加劇等因素的影響，汾河流域的水資源和水環(huán)境狀況已經(jīng)受到嚴(yán)重破壞，出現(xiàn)了河道斷流、地下水水位下降、泉水干涸、水質(zhì)污染等現(xiàn)象[4,17−18]，流域經(jīng)濟(jì)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境建設(shè)已受到嚴(yán)重制約. 汾河上游流域作為汾河流域重要的生態(tài)屏障，同時(shí)是山西省會(huì)太原的水源涵養(yǎng)地和供水區(qū)，其水資源質(zhì)量對汾河上游甚至整個(gè)流域的人民生產(chǎn)和生活有著重要影響. 為了讓這條山西的母親河“水量豐起來”，開展汾河上游的水源解析是十分必要的. 因此，本研究以汾河上游為研究對象，利用穩(wěn)定同位素方法，闡明不同水源的同位素特征和補(bǔ)給關(guān)系，為汾河上游的河流生態(tài)保護(hù)提供科學(xué)依據(jù).

　　1 實(shí)驗(yàn)部分(Experimentalsection)

　　1.1 研究區(qū)概況

　　以流域地形地貌及河流特征為根據(jù)，汾河干流分為上、中、下游的3段. 寧武縣管涔山雷鳴寺至太原市蘭村為汾河上游段，上游段全長217.6 km，流域面積7705km2，其屬于山區(qū)性河流. 汾河干流自北向南流動(dòng)，由萬榮縣廟前匯入黃河[19].寧武縣地處山地，平均海拔約2000 m，東臨云中山，其最高峰海拔2756m. 管涔山、蘆芽山組成寧武西側(cè)山地，呂梁山位于寧武西南部，洪濤山位于北部，禪房山位于東北部，共有99座山峰. 寧武縣地勢呈東北、西南走向，自西向東傾斜，由中部高峰向南北兩翼下滑[14].

　　寧武縣總面積的95%為山地，共計(jì)1888.32km2. 就水資源而言，寧武地區(qū)主要包括兩個(gè)流域，汾河和恢河流域. 汾河流域基本位于高山之間，沿河谷區(qū)從東寨到石家莊鎮(zhèn)，而恢河流域地勢較低，沿河谷地分布. 汾河流域東寨北部地層為寒武奧陶紀(jì)，以石灰?guī)r為主，東寨南部為石炭二疊紀(jì)巖層，以石灰?guī)r和頁巖為主，恢河流域絕大部分為三迭二迭紀(jì)地層[20].汾河源頭區(qū)為溫帶大陸性氣候，高山嚴(yán)寒區(qū)和寒冷干燥區(qū). 氣候寒冷多風(fēng)，冬季時(shí)間長，無霜期短，溫差大. 年平均氣溫6.2 ℃，極端最低氣溫−27 ℃，無霜期120 d至130 d，日照總時(shí)數(shù)平均為2835時(shí)，日照百分率67%，年平均太陽總輻射142.3 kcal·cm2，年平均氣溫為2—6 ℃，平均降水量470—770 mm，各季降水占全年降水量的百分比為：春季13%、夏季65%、秋季20%、冬季2%[21].

　　1.2 樣品采樣與測試

　　野外采樣于2020年9月進(jìn)行，河水樣品采集圍繞汾河發(fā)源的“三川九溝”進(jìn)行，自下游至上游均勻布設(shè)取樣點(diǎn);汾河源區(qū)外采集嵐漪河、蔚汾河和恢河的河水作為對照，共采集河水樣品19個(gè). 湖水樣品主要采自寧武高山湖泊群，包括天池、琵琶海、公海樣品，共計(jì)4個(gè). 源區(qū)居民稀少，分布散落，且大部分居民使用給水管網(wǎng)供水，供水區(qū)為淺層地下水.

　　采集樣品時(shí)先用水體清洗采樣瓶和瓶蓋3次，河水及湖水選擇水流平緩且靠近中間的位置進(jìn)行，使水體灌滿采樣瓶，避免留有氣泡，并在采樣瓶上標(biāo)注編號. 同時(shí)使用GPS測定采樣點(diǎn)的經(jīng)緯度及高程. 電導(dǎo)率(EC)使用便攜式電導(dǎo)率儀測定(雷磁：DDBJ-350). 水樣送至山西農(nóng)業(yè)大學(xué)水環(huán)境分析實(shí)驗(yàn)室在4 ℃保存至測試分析. 總?cè)芙庑怨腆w(TDS)使用TDS計(jì)進(jìn)行測定. 水化學(xué)分析采用離子色譜儀(DX-12)測定，相對誤差為1%，和使用雙指示劑中合法(稀鹽酸-酚酞指示劑-甲基橙指示劑)測定. 穩(wěn)定同位素δ18O 和δD采用液態(tài)水同位素分析儀(LGR)進(jìn)行測定. 對于δ18O的測量精度為±0.2‰，δD的測量精度為±2‰.

　　2 結(jié)果與討論(Resultsanddiscussion)

　　2.1 電導(dǎo)率變化特征分析

　　電導(dǎo)率 (EC) 是水體中總?cè)芙怆x子含量的總體反映，在一定程度上反映了水流在區(qū)域水循環(huán)過程中徑流途徑和滯留時(shí)間的長短[25]. 根據(jù)不同水體中電導(dǎo)率的空間分布特征，可以大致推斷水的運(yùn)移路徑，從而進(jìn)一步揭示地表水與地下水的相互作用關(guān)系[26].

　　通過對比不同水體的電導(dǎo)率發(fā)現(xiàn)，汾河源區(qū)內(nèi)外的地下水電導(dǎo)率變化范圍較大，為72.2—910 μS·cm−1，其中，J3(恢河上游)的電導(dǎo)率最高(910 μS·cm−1)可能是由于溶解周邊礦物質(zhì)所導(dǎo)致. 汾河源區(qū)內(nèi)，河水的電導(dǎo)率變化范圍為179.5—458 μS·cm−1, 平均值為276.8 μS·cm−1. 以嵐漪河與黃河匯入口作為出山口，沿嵐漪河至汾河的取樣點(diǎn)由下游至上游探討電導(dǎo)率沿程變化，汾河源頭區(qū)的水體電導(dǎo)率較低，汾河水在山區(qū)沿坡度陡峭的河道順地勢向下流動(dòng)時(shí)，電導(dǎo)率沿程呈增加趨勢. 將河水與地下水的電導(dǎo)率進(jìn)行對比，兩者的差異并不明顯，說明地下水與河水存在緊密的聯(lián)系.

　　2.2水化學(xué)組成特征

　　HCO−3CO2−3SO2−4HCO−3CO2−3SO2−4汾河源頭區(qū)域不同類型的陰、陽離子濃度分析結(jié)果. 汾河源頭區(qū)不同類型水體的陰離子當(dāng)量濃度之和為195.07 mol·L−1，陽離子當(dāng)量濃度之和為191.04 mol·L−1，陰陽離子當(dāng)量濃度的相對誤差為2.1%. 河水陰離子濃度的高低順序?yàn)?gt;>>C1−，陽離子濃度的高低順序?yàn)镃a2+>Mg2+>Na+>K+，TDS平均值為244 mg·L−1，最高可達(dá)792 mg·L−1.

　　地下水的陰、陽離子濃度的高低順序與河水水體離子相似，并且地下水的TDS平均值為211 mg·L−1，略高于河水TDS，體現(xiàn)出河水與地下水相似的離子影響因素. 湖水的水體離子濃度與河水、地下水偏差較大，湖水陽離子濃度順序?yàn)镹a+>K+>Ca2+>Mg2+，陰離子濃度順序?yàn)?gt;>C1−>，反映出較大的空間差異性，湖水的離子濃度和TDS均高于河水、地下水，這一現(xiàn)象可能與湖水因具有開闊的水域環(huán)境導(dǎo)致的蒸發(fā)能力強(qiáng)有關(guān).

　　2.3 各水體同位素特征分析

　　2.3.1 大氣降水同位素特征分析

　　由于太原市和汾河源區(qū)處于同緯度，因此，本研究大氣降水中的同位素采用國際原子能機(jī)構(gòu)(IAEA)于1986 —1988年太原站的降水同位素?cái)?shù)據(jù)，依據(jù)最小二乘法繪制得出當(dāng)?shù)卮髿饨邓�曲線(LMWL)：δD = 6.4δ18O−4.7(R² =0.9452)[30]. 太原地區(qū)大氣降水的δ18O值為−13.83‰—1.07‰，δD值為−94.26‰—10.57‰，降水氘盈余值(dexcess)為−13.91‰—18.08‰. 太原地區(qū)的大氣降水同位素值隨季節(jié)變化明顯.

　　冬季受西伯利亞西北季風(fēng)，其含有的水汽穩(wěn)定同位素值較低，夏季主要受太平洋東南季風(fēng)和印度洋西南季風(fēng)，季風(fēng)中含有穩(wěn)定同位素值較高的水汽，故太原地區(qū)的大氣降水同位素值呈現(xiàn)出夏季高，冬季低的特點(diǎn). 氘盈余參數(shù)(d=δD-8δ18O)反映水汽蒸發(fā)過程中不平衡的參數(shù)，其變化主要依賴于水分在蒸發(fā)和凝結(jié)過程中同位素分餾的實(shí)際條件[31]，太原地區(qū)內(nèi)氘盈余值的平均值為6.62‰，小于全球的氘盈余平均值10%，說明降水可能來自于局部循環(huán)水分.太原地區(qū)大氣降水線落在了GMWL的右下方，該區(qū)LMWL的斜率和截距均偏離全球的平均水平，斜率小于8說明該地區(qū)降水經(jīng)歷了一定的蒸發(fā)過程.

　　在降水-地表徑流-地下水的轉(zhuǎn)化過程中，推斷大氣降水主要補(bǔ)給地表徑流和地下水，由于地下水在接受大氣降水的補(bǔ)給后一定程度的補(bǔ)給河水，在補(bǔ)給的過程中受河流蒸發(fā)作用的影響導(dǎo)致氫氧同位素不斷富集，三者的同位素值變化趨于均一化，反映了時(shí)間、空間的混合. 湖水中的δD和δ18O全部位于全球雨水線的右下方，各湖水樣品的穩(wěn)定同位素值明顯大于河水和地下水的同位素值，說明寧武地區(qū)的高山湖泊水在開闊的水域環(huán)境下受到了強(qiáng)烈的蒸發(fā)作用影響，使得湖水的同位素過度分餾而導(dǎo)致δD和δ18O富集[33]，側(cè)面印證了寧武地區(qū)蒸發(fā)量大于降雨量的事實(shí).

　　蒸發(fā)線具有較高的相關(guān)性，說明河水、地下水和湖水均主要接受大氣降水的補(bǔ)給，擁有相似的水源特征，而水樣的穩(wěn)定同位素落在蒸發(fā)線的不同部位說明不同的水樣在遭受不平衡蒸發(fā)程度中存在差異. 與河南濟(jì)源盆地的河水蒸發(fā)線斜率4.7563[34]和陜西延安延河水蒸發(fā)斜率5.22[35]對比發(fā)現(xiàn)，汾河源頭區(qū)各類水體的蒸發(fā)程度與濟(jì)源盆地河水和延河水均相近，但略小于濟(jì)源盆地河水的蒸發(fā)程度且略大于延河水的蒸發(fā)程度.

　　3 結(jié)論(Conclusion)

　　(1)汾河源頭區(qū)域河水與地下水沿汾河走勢電導(dǎo)率總體上有上升的趨勢，地下水的電導(dǎo)率總體上略大于河水電導(dǎo)率，兩者的相對變化不明顯，說明河水與地下水之間存在緊密的水力聯(lián)系，兩者有一定的補(bǔ)給關(guān)系.HCO−3HCO−3(2)汾河源頭區(qū)域淺層地下水、河水的優(yōu)勢陰陽離子為和Ca2+，湖水的優(yōu)勢陰陽離子為和Na+，淺層地下水、河水的水化學(xué)類型以Ca·Mg-HCO3為主，湖水的水化學(xué)類型主要為NaHCO3，河水離子含量變化與地下水相似，證明地下水和河水存在緊密的水力聯(lián)系，與由電導(dǎo)率變化得出的結(jié)論相一致，湖水的水化學(xué)類型與淺層地下水、河水的差別較大. 由Gibbs圖可知，淺層地下水、河水的主要離子來源于巖石風(fēng)化作用，而湖水會(huì)更多的受到人為活動(dòng)的影響.

　　(3)河水的δ18O、δD值從下游至上游區(qū)域呈現(xiàn)出下降趨勢，具有一定的海拔效應(yīng). 以太原地區(qū)大氣降水同位素值建立汾河源頭區(qū)域當(dāng)?shù)卮髿饨邓�方程�?delta;D = 6.4δ18O - 4.7，將汾河源頭區(qū)的河水、地下水和湖水的穩(wěn)定同位素進(jìn)行回歸模擬，得到區(qū)域的蒸發(fā)趨勢線方程：δD=4.9δ18O-21.4，蒸發(fā)線方程具有明顯的相關(guān)性，證明各類水體具有相同的水源特征，通過對比發(fā)現(xiàn)，蒸發(fā)線方程的斜率與截距均比全球大氣降水和當(dāng)?shù)卮髿饨邓�方程小，表明河水在運(yùn)移路徑中經(jīng)歷了強(qiáng)烈的蒸發(fā)作用. 同時(shí)，河水、湖水、地下水的同位素值基本落在當(dāng)?shù)卮髿饨邓�線兩側(cè)，證明大氣降水為汾河源頭區(qū)域各類水體的主要來源.(4)通過二元端元混合模型分析大氣降水與淺層地下水對河水的貢獻(xiàn)率發(fā)現(xiàn)，以δ18O作為示蹤劑，大氣降水為77.18%，淺層地下水為22.82%，以dexcess作為示蹤劑，大氣降水為76.8%，淺層地下水為23.2%，再次證明大氣降水為汾河源頭區(qū)域河水的主要水分來源。

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　　作者：馬浩天　甄志磊**　武小鋼

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