黃劍鋒， 吳 攀， 張依章

(1.貴州省水利投資(集團(tuán))有限責(zé)任公司， 貴陽(yáng) 550002; 2.貴州大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院， 貴陽(yáng) 550001；3.中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院環(huán)境基準(zhǔn)與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，流域水生態(tài)保護(hù)技術(shù)研究室， 北京 100012)

水分子由氫原子與氧原子所構(gòu)成，由于氫元素存在2種、氧元素存在3種穩(wěn)定同位素，所以水分子有著9種不同的同位素組合。由于質(zhì)量不同，其展現(xiàn)出的熱力學(xué)性質(zhì)也有所不同，在凝聚、降落、徑流、滲透、蒸發(fā)的水循環(huán)當(dāng)中的進(jìn)行速率有差異，從而產(chǎn)生同位素的分餾效應(yīng)。因?yàn)樵撔?yīng)的存在，水體中的氫氧同位素的含量可以用于水的循環(huán)過(guò)程的研究[1]。因?yàn)樽匀唤缰蟹€(wěn)定同位素組成的變化很微小，國(guó)際上一般用δ值表示元素的同位素含量。

氫氧同位素技術(shù)在水文學(xué)中的天然降水同位素分布、水體蒸發(fā)過(guò)程中同位素的變化、地下水補(bǔ)給來(lái)源的判定、地下水年齡的測(cè)定、流域產(chǎn)流機(jī)制的研究、流量過(guò)程線劃分等方面都得到了好的運(yùn)用[2]。如：利用水體中氫氧同位素的組成來(lái)區(qū)分水分的來(lái)源[3]；Craig在中性、弱堿性地?zé)崴芯恐邪l(fā)現(xiàn)地?zé)釁^(qū)噴出的熱水及蒸汽的δD基本保持不變，δ18O卻變化不定，紅海地區(qū)中部裂谷的鹵水的氫氧同位素落在紅海海水的同位素組成線上，從而確定了該地區(qū)鹵水的來(lái)源[4]；Clayton[5]研究了海灣地區(qū)水體中的氫氧同位素，發(fā)現(xiàn)這些鹵水的來(lái)源是更新世時(shí)期的降水，而非海水衍生物。

氫氧同位素不僅可以用于地?zé)崴望u水的來(lái)源研究，還可以用于淺層地表水的研究當(dāng)中。Payne等人[6]研究厄瓜多爾地區(qū)淺層地下水中氫氧同位素的組成，并推算出了河水補(bǔ)給地下水的比例和范圍；Morgante等[7]研究了意大利Isonzo河流對(duì)Gorizia平原地區(qū)的地下水的補(bǔ)給作用； Brown和Taylor研究[8]了新西蘭Kaikoura平原河流對(duì)地下水的側(cè)向補(bǔ)給，并評(píng)價(jià)了山洪對(duì)地下水的補(bǔ)給作用。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域背景

西苕溪流域(E119°14′～120°29′，N30°23′～31°11′)位于太湖上游地區(qū)，東臨嘉興，西依天目山，南抵余杭，西接皖南。發(fā)源于海拔1 587 m的龍王山，流經(jīng)安吉縣、長(zhǎng)興縣和湖州市后匯入太湖，是太湖上游的重要來(lái)水支流。干流全長(zhǎng)逾165 km，多年平均流量52 m3/s[10]，流域內(nèi)土地面積約1 873 km2，約占太湖流域總面積的6 %[11]。流域地勢(shì)總體為西南高，東北低，依次呈現(xiàn)山地、丘陵、平原的地形分布，西南部最高海拔1 587.4 m，中部丘陵區(qū)海拔50～500 m，是流域內(nèi)最主要的地貌類(lèi)型，至湖州市郊，海拔一般為1.6～3.1 m，是主要的?；~(yú)塘區(qū)[12]。西苕溪流域地處亞熱帶，受太平洋季風(fēng)影響，氣候溫暖濕潤(rùn)，雨量充沛，四季分明，水熱同期，日照充足，熱量豐富。平均氣溫15.5 ℃，多年平均降水量為1 465.8 mm[13]。汛期在6～9月，降水量約占全年的50 %。干旱期為11、12月，降水量?jī)H占全年的7 %。多年平均陸上水面蒸發(fā)量在800～900 mm之間。蒸發(fā)量最大發(fā)生在5～8月，約占全年的50 %[12]。西苕溪流域內(nèi)支流眾多，但大多較為短小，上游主要是西溪和南溪，在安吉縣匯合后流入長(zhǎng)興平原，與北部泗安塘水系、烏溪水系和箬溪水系連接形成水網(wǎng)。西苕溪干流在安城馬家渡斷面以上為山溪河道，橫塘以下為平原河道，由于流域產(chǎn)流快，匯流時(shí)間短，干流在雨季暴漲暴落，水文過(guò)程線峰值大，歷時(shí)短。徑流流量主要取決于降雨，其年內(nèi)變化基本與降水相一致，呈雙峰型，峰值位于5、6和9月，5～9月徑流量占全年總流量的45 %～54 %[14]。

1.2 樣品采集與分析

分別于2012年10月與2013年8月沿河流流向，采集了西苕溪流域地表水、附近地下水降雨等樣品(圖1)。

水樣中的氫氧同位素氘和氧-18分別用Zn還原法和CO2平衡法通過(guò)Delta S plus氣體源穩(wěn)定同位素質(zhì)譜儀測(cè)定，測(cè)定結(jié)果相對(duì)于VSMOW標(biāo)準(zhǔn)的千分差表示，測(cè)定精度分別為±0.20 ‰和±0.10 ‰。水樣的氫氧同位素在中國(guó)科學(xué)院地理研究所進(jìn)行測(cè)定。

圖1 研究區(qū)采樣點(diǎn)分布

2 結(jié)果與討論

2.1 電導(dǎo)率(EC)

EC值反映了水中溶解的離子濃度的大小，在一定程度上反映了水在流域水循環(huán)過(guò)程中的徑流路徑和滯留時(shí)間的長(zhǎng)短。水在運(yùn)移過(guò)程中，水流路徑和滯留時(shí)間的延長(zhǎng)，不斷溶解周?chē)鷰r石和土壤中的可溶性鹽類(lèi)，在不與電導(dǎo)較小的水體混合、沒(méi)有氣體析出和固體沉淀的情況下，水體的EC應(yīng)該是逐漸上升的。根據(jù)流域內(nèi)不同水體的EC的空間分布，可以大致推斷出水的運(yùn)移路徑，進(jìn)而估計(jì)流域內(nèi)地表水和地下水的補(bǔ)給、排泄關(guān)系[15]。西苕溪流域平水期地表、地下水體電導(dǎo)率見(jiàn)圖2。

由圖2可見(jiàn)，平水期，西苕溪流域內(nèi)地表水的EC值沿徑流方向呈現(xiàn)出明顯的增長(zhǎng)趨勢(shì)，而地下水中的EC值普遍高于附近地表水的EC值，其平均值是地表水體EC平均值的2.52倍。豐水期西苕溪流域地表水的EC變化范圍為80.7～358.0 μs/cm，地下水的EC變化范圍為107.5～971.0 μs/cm(圖 3)。豐水期地下水的EC值高于周?chē)乇硭?，約為地表水的2.04倍。

圖2 西苕溪流域平水期地表、地下水體電導(dǎo)率

上游賦石水庫(kù)支流(10號(hào)、2號(hào)樣點(diǎn)一支)的地表、地下水EC值比較接近，豐水期時(shí)地表水略高于地下水，平水期時(shí)地下水略高于地表水，這表明地表水接受降雨和地下水的雙重補(bǔ)給，并且豐水期時(shí)降雨帶來(lái)了更多的溶解性離子。而老石坎水庫(kù)一支(11號(hào)、1號(hào)樣點(diǎn)一支)，地下水經(jīng)運(yùn)移之后EC上升較多，豐水期、平水期時(shí)地表水與地下水的EC值差別都比較大，表明地下水與地表水相互補(bǔ)給量有限。在3號(hào)點(diǎn)匯流之后地下水系統(tǒng)的EC值有所中和，而地表水則比匯合之前更低，表明此階段地表水還接受離子含量較低的水源補(bǔ)給。中游地區(qū)，對(duì)比豐水期與平水期的數(shù)據(jù)和變化形式可以看出，4號(hào)、6號(hào)采樣點(diǎn)，兩個(gè)時(shí)期內(nèi)地下水的變化形式和實(shí)際測(cè)量值都比較固定，而地表水則因降雨的原因豐水期EC較平水期略有下降，這表明此段流域內(nèi)地表水接受地下水和降雨的雙重補(bǔ)給。下游平原區(qū)，地表水與地下水的EC上升都比較大，由土壤性質(zhì)和相對(duì)高程差決定了淺層地下水會(huì)受到地表水的補(bǔ)給，其更高的地下水EC值或許與較強(qiáng)的人類(lèi)活動(dòng)有關(guān)。豐水期農(nóng)田水中的EC值在250～270 μs/cm左右，高于附近地表水，略低于地下水。進(jìn)入城市河段以后，地表、地下水的EC增幅都比較大，這表明水體受城市人類(lèi)活動(dòng)的影響比較大。

圖3 西苕溪流域豐水期地表、地下水體電導(dǎo)率

圖4 平水期派帕三線圖

圖5 豐水期派帕三線圖

2.2 δD和δ18O

地表水中δD和δ18O變化范圍介于-32.4 ‰～-60.9 ‰和-5.92 ‰～-10.50 ‰之間，平均值為-7.84 ‰和-46.4 ‰。地下水中δD和δ18O范圍為-37.9 ‰～-58.6 ‰和-7.08 ‰～-8.50 ‰，平均值為-7.80 ‰和-48.9 ‰(圖6)。相似的δD和δ18O組成說(shuō)明西苕溪地表水與地下水有著密切的聯(lián)系。當(dāng)?shù)亟邓€數(shù)據(jù)來(lái)源于全球降水同位素監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，該數(shù)據(jù)基于江蘇省南京站的月降水?dāng)?shù)據(jù)分析，其表達(dá)式為：δ(D)=8.51δ(18O)+17.9[16]，西苕溪流域地表水δD和δ18O的關(guān)系表達(dá)式為：δD=7.75δ18O+11.7 (R2=0.68, n=7)，地下水中δD和δ18O的關(guān)系表達(dá)式為：δD=9.27δ18O+23.4 (R2=0.28, n=8)，二者都很接近當(dāng)?shù)亟邓€，說(shuō)明西苕溪流域地表、地下水體起源于大氣降水的補(bǔ)給。沿河水流動(dòng)方向，西苕溪流域地表水體δD、δ18O明顯增加，入湖口附近的S8與S9點(diǎn)的水體中δD (-32.4 ‰～-39.9 ‰)、δ18O (-5.92 ‰～-0.60 ‰) 值最高，表明了河水在流動(dòng)的過(guò)程中存在著蒸發(fā)作用而不斷富集重同位素。地表水同位素δD、δ18O直線方程與LMWL交匯點(diǎn)的同位素組成特征為：δ18O =-8.16 ‰、δD=-51.5 ‰。理論上，交點(diǎn)的同位素代表未受到蒸發(fā)分餾作用而直接補(bǔ)給地表水的大氣降水最初的同位素值，其值略小于該流域地表水平均同位素組成δ18O=-7.50 ‰、δD=-46.1 ‰，這也說(shuō)明了補(bǔ)給到地表水體的大氣降水在流動(dòng)過(guò)程中受到蒸發(fā)分餾作用而逐漸富集重同位素。

圖6 平水期氫氧同位素組成

地下水同位素相關(guān)曲線與LMWL交匯點(diǎn)的同位素組成特征為：δ18O=-7.24‰、δD=-43.7 ‰，表現(xiàn)出顯著的富集重同位素的特征。根據(jù)前期對(duì)江蘇省大氣降水穩(wěn)定同位素分布研究結(jié)果，1～5月降水中明顯富集重同位素δ18O、D，而6～12月降水則貧化重同位素。由于采樣時(shí)間為10月與8月，因此受降水影響，此時(shí)西苕溪的地表水可能表現(xiàn)為貧化重同位素的特點(diǎn)。因此，對(duì)地下水而言，可以認(rèn)為1～5月份的降水為西苕溪流域淺層地下水的重要補(bǔ)給源。而本次采樣測(cè)得的地下水平均同位素組成δ18O與δD分別為-7.80 ‰和-49.0 ‰，接近但略輕于地表水平均同位素組成，而且地表、地下水同位素δ18O、δD的關(guān)系曲線相交處的同位素δ18O、δD是-7.70‰與-48.0‰，該值介于地表、地下水平均同位素組成點(diǎn)之間(圖6)，反映了地表水與地下水交換時(shí)的平均同位素組成特征，同時(shí)也表明了西苕溪流域地下水與地表水有著密切的水力聯(lián)系。西苕溪流域雨季主要集中在6～9月份，可以推斷雨季含有較輕同位素的大量降雨不僅能夠補(bǔ)給到流域淺層地下水系統(tǒng)還能夠蓄滿產(chǎn)流，使得地表水由于蒸發(fā)分餾作用使得水體重同位素逐漸富集，而地下水則由于新、舊地下水混合作用而表現(xiàn)出重同位素貧化的趨勢(shì)，從而使其平均同位素含量較地表水輕。從流域的上游到下游，地下水的δ18O和δD值逐漸升高，而地下水平均埋深卻由上游的3.6 m降到下游的0.9 m，導(dǎo)致西苕溪流域的地下水可能經(jīng)歷了不同程度的蒸發(fā)作用，特別是地下水G1，G2和G7。G1位于西苕溪上游山區(qū)老石坎水庫(kù)附近，G2和G7緊鄰河流，受到強(qiáng)烈蒸發(fā)的地表水體在下滲補(bǔ)給淺層地下水的過(guò)程中δ18O不斷富集，使得該地區(qū)淺層地下水呈現(xiàn)出明顯的重同位素特征。

地表水的δD、δ18O變化范圍介于-43.9 ‰～-61.3 ‰和-7.16 ‰～-9.75 ‰，平均值為-8.73 ‰和-56.2 ‰。地下水中δD、δ18O范圍為-47.8 ‰～-72.0 ‰和-7.87 ‰～-11.49 ‰，其平均值為-9.09 ‰和-60.0 ‰(圖7)。由于降水量比較大，使得地表、地下水體的δD和δ18O均向當(dāng)?shù)卮髿饨邓€靠近。同時(shí)，相對(duì)于平水期來(lái)說(shuō)，豐水期的氫氧同位素組成更貧化重同位素。地下水中一些離河流較遠(yuǎn)的樣點(diǎn)(G13，G14，G15)呈現(xiàn)出貧化重同位素的特點(diǎn)，而離河流較近的地下水(G3和G6)在豐水期的補(bǔ)給關(guān)系則表現(xiàn)為地下水補(bǔ)給地表水。位于圖6右上角的是一些山泉或接受山泉補(bǔ)給的地下水 (G4，G10，G11)，由于水體滯留時(shí)間較長(zhǎng)，蒸發(fā)或其他作用使得水樣中重同位素富集。而離太湖較近的地下水G16，也呈現(xiàn)出富集重同位素特點(diǎn)，可能是受到久經(jīng)蒸發(fā)作用的太湖水影響所致。

圖7 豐水期西苕溪各類(lèi)水體的氫氧同位素組成

3 結(jié)論

總體來(lái)說(shuō)，沿著河流流向，地表水和地下水的EC呈上升趨勢(shì)。

西苕溪地表、地下水體δD和δ18O的分析表明，西苕溪流域地表、地下水體主要接受降雨補(bǔ)給。西苕溪流域上、中游丘陵地區(qū)地表、地下水體相互聯(lián)系緊密，補(bǔ)排作用明顯，具體補(bǔ)排關(guān)系為3號(hào)、4號(hào)、6號(hào)樣點(diǎn)處地表水接受地下水補(bǔ)給，其余樣點(diǎn)處為地表水補(bǔ)給地下水。在下游，農(nóng)田密集區(qū)地下水接受河水補(bǔ)給較少，而沿河的地下水中，無(wú)論是豐水期還是平水期，部分表現(xiàn)出富集重同位素的特征。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 石輝, 劉世榮, 趙曉廣. 穩(wěn)定性氫氧同位素在水分循環(huán)中的應(yīng)用[J]. 水土保持學(xué)報(bào), 2003, 17(2): 163-166.

[2] 胡海英, 包為民, 王濤, 等. 氫氧同位素在水文學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用[J]. 中國(guó)農(nóng)村水利水電, 2007(5): 4-8.

[3] Craig H. The isotopic geochemistry of water and carbon in geothermal areas[A]// Nuclear geology on geothermal areas[C],Italy：Spoleto,1963: 17-53.

[4] Craig H. Isotopic composition and origin of the Red Sea and Salton Sea geothermal brines[J]. Science, 1966, 154(3756): 1544-1548.

[5]Clayton R N, Friedman I, Graf D L, et al. The origin of saline formation waters: 1. Isotopic composition[J]. Journal of Geophysical Research, 1966, 71(16): 3869-3882.

[6]Payne B R, Schroeter P. Importance of infiltration from the Chimbo River in Ecuador to groundwater： a study based on environmental isotope variations[M]. Neuherberg Germany,1979.

[7]Morgante S, Onofrir. Ricerche sulle falde idriche nella zona compresa fra Terzo di Aquikeia el Isonzo-Boll[J]. Soc. Adriatica Sc，1963：62.

[8]Brown L J, Taylor C B. Geohydrology of the Kaikoura Plain, Marlborough, New Zealand[R]. Dept. of Scientific and Industrial Research, Christchurch, New Zealand, 1974.

[9]黃劍鋒, 張依章，張遠(yuǎn)，等. 太湖西苕溪流域地表水、地下水污染特征及來(lái)源解析[J]. 環(huán)境科學(xué)研究, 2012, 25(11):1230-1236.

[10] 聶澤宇. 太湖流域苕溪面源污染源解析與過(guò)程控制技術(shù)研究[D]. 杭州: 浙江大學(xué), 2011.

[11] 于興修, 楊桂山. 西苕溪流域土地利用/覆被變化及其水環(huán)境效應(yīng)研究[C]. 土地覆被變化及其環(huán)境效應(yīng)學(xué)術(shù)會(huì)議論文集. 2002.

[12] 薛麗娟. 太湖西苕溪流域徑流過(guò)程模擬[D].大連：大連理工大學(xué), 2006.

[13] 高俊峰. 流域數(shù)據(jù)組織與分布式水文過(guò)程[D]. 南京：中國(guó)科學(xué)院南京地理與湖泊研究所, 2004.

[14] 許朋柱, 曹文清. 太湖地區(qū)西苕溪流域水文模型的設(shè)計(jì)與驗(yàn)證[J]. 地域研究與開(kāi)發(fā), 1996, 15(3): 49-54.

[15] 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, 2007, 37(1): 102-110

[16] 張洪平, 劉恩凱, 王東生，等.中國(guó)大氣降水穩(wěn)定同位索組成及影響因素[A]. 中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院水文地質(zhì)工程地質(zhì)研究所文集 (7)[C]，1991.