董國強(qiáng)，翁白莎，嚴(yán)登華，王 浩

(1.東華大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，上海 201620；2. 中國水利水電科學(xué)研究院 流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100038)

0 引 言

由于蒸發(fā)和凝結(jié)等作用，自然界中的水體在水循環(huán)過程中發(fā)生不同程度的同位素分餾，且分餾程度主要受控于氣溫、相對(duì)濕度、地形地貌和緯度等因素，可以據(jù)此研究降水和地表水蒸發(fā)及混合[1]和水文循環(huán)[2]等。自然水體中的氫氧穩(wěn)定同位素(D和18O)是區(qū)別于水體中不同介質(zhì)的理想指標(biāo)，能夠?qū)Νh(huán)境條件變化做出靈敏地響應(yīng)和反映自然水體在水循環(huán)過程中穩(wěn)定同位素的分餾作用[3]。

在水文循環(huán)過程中，水中穩(wěn)定同位素的產(chǎn)生的規(guī)律性變化，主要是多種因素相互作用的結(jié)果以及因物理?xiàng)l件(如降水、蒸發(fā)等)改變導(dǎo)致同位素發(fā)生分餾作用。降水中δ18O和δD的時(shí)空變化，不僅受氣候因子(氣溫、大氣濕度和降水量等)的影響，還受到區(qū)域大氣水汽來源及水汽傳輸過程的影響[4]。不同來源的水汽具有不同的同位素組成特征，而水在循環(huán)過程中的蒸發(fā)和擴(kuò)散作用等會(huì)引起同位素的分餾，因此可以通過水體中氫氧同位素組成變化來揭示降水水汽來源、示蹤水循環(huán)過程[5]。

我國是世界上季風(fēng)氣候最顯著的國家之一，每年6-9月青藏高原地區(qū)盛行西南季風(fēng)，降水豐沛，對(duì)青藏高原降水中穩(wěn)定同位素的研究發(fā)現(xiàn)，青藏高原西南季風(fēng)最北可達(dá)唐古拉山附近[6]。受控于氣候和水汽來源等因素，降水中穩(wěn)定同位素的波動(dòng)范圍較大，用降水來建立δ18O與海拔的關(guān)系不確定性較大；由于降水、冰雪融水、地表蒸發(fā)與蒸騰等因素的作用，消除了季節(jié)等因素的影響，河水中穩(wěn)定同位素能較好地反映同位素與海拔的關(guān)系[7,8]。

由于各種氣候與地理因素的影響，高原上降水與河水的δ18O和δD特征存在空間變化差異，這些差異能夠很好地解釋區(qū)域氣候和水文過程[9,10]。目前，許多科研工作者已經(jīng)對(duì)青藏高原水體中穩(wěn)定同位素開展了研究。田立德等[11]研究了那曲河流域河水的δ18O變化特征；劉光生等[12]分析了風(fēng)火山流域降水和河水穩(wěn)定同位素特征；Yao等[13]研究了青藏高原瑪旁雍錯(cuò)流域湖水、河水、雨水和雪水的同位素特征及流域水循環(huán)特征；Yao等[14]和Wen等[15]分析了青藏高原河水同位素與高程效應(yīng)的相關(guān)關(guān)系。楊玉忠等[16]探討了北麓河降水同位素與氣溫、降水量之間的相關(guān)關(guān)系，并對(duì)北麓河降水和河水的同位素變化特征進(jìn)行了比較分析。

那曲流域處于青藏高原季風(fēng)區(qū)與非季風(fēng)區(qū)過渡區(qū)，降水水汽來源比較復(fù)雜，其降水和河水對(duì)那曲水文過程有很大影響，本文基于2017年7月與8月的河水、降水和湖水同位素?cái)?shù)據(jù)，分析了那曲流域降水和河水同位素時(shí)空變化特征，探討了那曲流域降水水汽來源及河水的補(bǔ)給特征。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于怒江源區(qū)那曲流域(圖1)，地處唐古拉山脈和念青唐古拉山脈之間，總面積達(dá)1.70 萬km2，屬于怒江水系的上游。流域內(nèi)有河流湖泊分布，植被為草甸，土地利用以草地為主。流域多山，但坡度較為平緩，屬高原丘陵地形。地形呈西北向東南緩坡狀，西北部絕對(duì)海拔高，東南海拔低，但地勢險(xiǎn)峻，山峰林立。

圖1 研究區(qū)地理位置及采樣點(diǎn)分布Fig.1 Location of study area and sampling sites

流域?qū)倥c高原亞寒帶季風(fēng)半濕潤氣候區(qū)。平均海拔4 500 m以上，高寒缺氧，氣候干燥，氣溫低，日溫差大，年平均氣溫-2 ℃，降水主要受夏季西南季風(fēng)的影響，多年平均降水量為473.9 mm，年平均相對(duì)濕度為50%左右。每年的5-9月相對(duì)溫暖濕潤，是該流域的雨季，降雨量占全年的80%。

2 數(shù)據(jù)采集及分析

2.1 樣品采集

本文分析的水樣類型為降水、河水和湖水水樣，具體采樣位置見圖1。其中，干流上采樣點(diǎn)如下，1：小唐古拉山，2：安多北，3：錯(cuò)那湖，4：班戈大橋，5：那曲大橋，6：達(dá)薩鄉(xiāng)北，7：達(dá)薩鄉(xiāng)，1-1：小唐古拉山南，7-1：查龍水庫(下同)。

2017年7月和8月分別在流域內(nèi)收集8個(gè)和10個(gè)降水樣品。其中，7月份收集的降水樣品是有降水事件發(fā)生時(shí)，現(xiàn)場采集，有1個(gè)位冰雹樣品；8月份收集的是球封式降水采樣裝置中的降水。7月在流域不同的地點(diǎn)采集24個(gè)河水樣品；8月共采集25個(gè)河水樣品和1個(gè)湖水樣品。樣品采集后立刻裝入10 mL高密度線性聚乙烯(HDPE)瓶中，密封并放入冰箱冷藏，以防止蒸發(fā)作用引起的同位素分餾。采樣的同時(shí)，用GPS記錄采樣點(diǎn)的地理位置信息。

A Star Selection Model Based on Improved Discrete Particle Swarm Optimization

那曲流域7與8月份的降水相對(duì)集中，且降水與河水采樣點(diǎn)基本覆蓋流域的上游、中游和下游，可以很好體現(xiàn)水體同位素的空間性變化特征。河水水樣主要取自河流中間或流動(dòng)部分，以確保河流水體充分混合和避免受表面水的蒸發(fā)等影響同位素的分餾而影響樣品的代表性。

2.2 水樣δ18O和δD分析

采用L2130-i 超高精度液態(tài)水和水汽同位素分析儀(Picarro，美國)進(jìn)行分析測試，穩(wěn)定同位素比率用相對(duì)于Vienna “標(biāo)準(zhǔn)平均海水”(VSMOW)的千分差來表示，δ18O和δD的分析誤差分別為± 0.002 5%和±0.01%。過量氘(d-excess = δD - 8δ18O)是降水中δD、δ18O組成的二級(jí)指標(biāo)，其受到形成降水的水汽源地氣象條件(溫度、相對(duì)濕度和風(fēng)速)、雨滴在降落過程中的蒸發(fā)富集作用以及水汽來源的影響[4,17]。它可以較直觀地反映地區(qū)大氣降水蒸發(fā)、凝結(jié)過程的不平衡程度與水汽來源的基本信息。

采用SPSS 22進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析并檢驗(yàn)數(shù)據(jù)之間的顯著性，用字母法標(biāo)記，顯著水平為p<0.05。

3 結(jié)果與討論

3.1 夏季大氣降水線

在全球尺度下，大氣降水中δD與δ18O之間的關(guān)系—全球大氣降水線( global meteoric water line，GMWL)的關(guān)系表現(xiàn)為[18]： δD=8δ18O+10

(1)

大氣降水線的斜率反映穩(wěn)定同位素D和18O分餾速率的對(duì)比關(guān)系，常數(shù)項(xiàng)表示氘對(duì)平衡狀態(tài)的偏離程度[19]。因此，大氣降水線對(duì)于研究水循環(huán)過程中穩(wěn)定同位素的變化具有重要意義。

從局地尺度上來看，不同地區(qū)都有反映各自降水規(guī)律的降水線，即地區(qū)大氣降水線( local meteoric water line，LMWL) 也不同。根據(jù)采樣期間降水δD、δ18O數(shù)據(jù)，利用最小二乘法建立了那曲流域夏季大氣降水線方程(圖2)：

δD=7.52δ18O-0.85

(2)

可以看出，夏季大氣降水線的斜率和截距小于全球大氣降水線。斜率稍小于8表明該地區(qū)降水的水汽水源地不同，穩(wěn)定氧同位素比率不同，同時(shí)也說明了其降水過程受到一定的蒸發(fā)分餾作用，蒸發(fā)程度稍大于降雨[20]。

圖2 那曲流域夏季大氣降水線Fig.2 Meteoric water line for summer precipitation in Naqu River Basin

表1 采樣點(diǎn)穩(wěn)定同位素測試結(jié)果Tab.1 Average δ18O and d-excess for precipitation, river and lake water in July and August

從表1中可以看出，那曲流域2017年7月降水的δ18O平均值(-1.727%)明顯大于8月降水的δ18O平均值(-2.003%)。這主要是由于那曲流域降水穩(wěn)定同位素主要受不同季節(jié)環(huán)流模式的影響，夏季受印度季風(fēng)影響時(shí)，流域降水中穩(wěn)定同位素值比較低。在夏季季風(fēng)降水期間，水汽主要來源于印度季風(fēng)，由于季風(fēng)的頻繁活動(dòng)、水汽的厚層輸送以及喜馬拉雅山的屏障作用等都會(huì)導(dǎo)致降水中的穩(wěn)定同位素變小[21]。由于7月初是季風(fēng)降水爆發(fā)初期，降水還比較少；8月份季風(fēng)降水大規(guī)模爆發(fā)，降水量增大，從而導(dǎo)致降水中δ18O值變低[11]。

3.2 夏季降水δ18O及過量氘空間變化特征

以往的研究表明，降水中穩(wěn)定同位素的組成具有顯著的空間變化特征，降水中穩(wěn)定同位素的空間變化不僅受到地理要素(如緯度、海拔、海陸位置等)和氣象要素(如溫度、相對(duì)濕度、降水量等)的影響[4]，還受到水汽源地與水汽輸送過程的影響[5,22]。總之，降水中穩(wěn)定同位素的空間變化是這些要素相互作用、綜合影響的結(jié)果。

以前的研究表明，在青藏高原中南部地區(qū)降水中δ18O夏季變化同季風(fēng)活動(dòng)的強(qiáng)弱有密切關(guān)系，即有很強(qiáng)的降雨量效應(yīng)[23]；在夏季季風(fēng)期間，降水中δ18O主要受降雨量影響，而在季風(fēng)爆發(fā)前，降水中δ18O值與氣溫之間有顯著的正相關(guān)關(guān)系，而夏季季風(fēng)降水削弱了降水中δ18O與溫度的關(guān)系[11,24]。從圖3和圖4可以發(fā)現(xiàn)，那曲流域夏季7月與8月降水δ18O和過量氘呈現(xiàn)出一定的緯度效應(yīng)和高程效應(yīng)；降水δ18O隨緯度的升高呈降低趨勢，隨海拔的增大呈減小趨勢；降水過量氘隨緯度的升高呈增大趨勢，隨海拔的增大呈增大趨勢。但是，降水δ18O和過量氘與緯度和高程的相關(guān)性不顯著，說明此段時(shí)期內(nèi)緯度和海拔不是降水δ18O和過量氘的主要影響因素，降水量對(duì)降水δ18O和過量氘的影響作用可能占主導(dǎo)地位。中緯度地區(qū)同位素的變化受到溫度和降水量的共同影響[25]，且此階段正處于夏季季風(fēng)爆發(fā)期，季風(fēng)活動(dòng)增強(qiáng)，降水量增多。

圖3 夏季大氣降水δ 18O和過量氘與緯度的相關(guān)關(guān)系Fig.3 The correlation between latitude and δ 18O and d-excess in precipitation

圖4 夏季大氣降水δ 18O和過量氘與海拔的相關(guān)關(guān)系Fig.4 The correlation between altitude and δ 18O and d-excess in precipitation

3.3 河水中δD和δ18O的變化及其關(guān)系

從那曲流域采集的49個(gè)地表河水穩(wěn)定同位素測試結(jié)果可以看出，那曲流域夏季河水中δD變化范圍為-12.913%～-8.071%，平均值為-10.568%；δ18O變化范圍為-1.669%～-0.969%，平均值為-1.409%。過量氘變化范圍為-0.443%～1.303%，平均值為0.700%。

天然水來源及水蒸發(fā)的影響程度可以通過河水氫氧穩(wěn)定同位素關(guān)系與全球大氣降水線的比較來判斷，根據(jù)采樣期間地表水δD、δ18O數(shù)據(jù)，利用最小二乘法得到那曲流域夏季地表水線(surface water line，SWL)方程[圖5(b)]：

δD=6.36δ18O-16.44

(3)

可以看出，河水線的斜率和截距均小于流域大氣降水線的斜率和截距，這是由于河水受到大氣降水補(bǔ)給后，還要受到蒸發(fā)分餾作用的影響；但其落點(diǎn)都在LMWL附近，說明該地區(qū)河水的主要補(bǔ)給源是大氣降水?？臻g變化上，河水氫氧同位素分布在GMWL右下方，這是由于那曲屬于較大流域，且流域內(nèi)主要是高原丘陵地形，坡度較為平緩，而流域面積廣，河流緩慢導(dǎo)致蒸發(fā)作用增大，這種現(xiàn)象在干旱半干旱區(qū)比較常見[7]。

由表1和圖5(a)可以發(fā)現(xiàn)，流域2017年7月河水的δ18O平均值(-1.331%)同樣大于8月河水的δ18O平均值(-1.483%)，這與同時(shí)期的降水變化趨勢一致，體現(xiàn)了降水對(duì)河水的補(bǔ)給特征。7月河水線的斜率和截距均大于流域8月河水線的斜率和截距，這表明與7月相比，8月份的河水經(jīng)歷著更為嚴(yán)重的蒸發(fā)分餾。

圖5 那曲流域河水氫氧同位素關(guān)系Fig.5 The δ 18O-δD diagram of Naqu River water

3.4 河水中δ18O及過量氘空間分布特征

錯(cuò)那湖(31.8°N附近)是流域內(nèi)最大的湖泊，8月湖水δ18O值為-0.921%，同位素比率較高；由于湖水中穩(wěn)定同位素含量比較富集，其附近采樣點(diǎn)的水汽和降水中的氫氧穩(wěn)定同位素比率也較高[26]；以錯(cuò)那湖為界，分析湖泊以南和以北的穩(wěn)定同位素空間分布特征，見圖6，圖7。

圖6 河水中δ 18O和過量氘與緯度相關(guān)關(guān)系Fig.6 The correlation between latitude and δ 18O and d-excess in river water

圖7 河水中δ 18O和過量氘與海拔相關(guān)關(guān)系Fig.7 The correlation between altitude and δ 18O and d-excess in river water

結(jié)果表明，流域河水中δ18O隨緯度增加而升高，主要原因是夏季河水的主要來源為大氣降水，而流域中水汽主要來源于印度季風(fēng)，越往北，局地蒸發(fā)水汽組成的大陸性氣團(tuán)所占比例越大，同時(shí)西風(fēng)帶輸送水汽也越多[10,27]。然而可能受到了局地蒸發(fā)的影響[28,29]，主要是錯(cuò)那湖的水面蒸發(fā)，河水中δ18O與緯度的相關(guān)性并不顯著。

一般來說，若降水和河水來自同一水汽源地，其高程效應(yīng)越顯著[30]；水汽源地越復(fù)雜，高程效應(yīng)越不顯著[31]。研究區(qū)河水δ18O雖然具有一定的高程效應(yīng)，但并不顯著，這說明流域河水水汽來源不僅受印度季風(fēng)影響，還受到局地水汽蒸發(fā)、西風(fēng)帶等影響[10]。

流域河水中過量氘在錯(cuò)那湖以南區(qū)域表現(xiàn)為隨緯度升高而降低；在錯(cuò)那湖以北區(qū)域呈現(xiàn)出隨緯度升高而增大的趨勢。河水中過量氘與緯度之間具有較好的線性相關(guān)。顯然，河水中過量氘在錯(cuò)那湖附近表現(xiàn)為低值，錯(cuò)那湖湖水過量氘值僅為-0.838%，說明錯(cuò)那湖附近河水水汽主要來源于湖水的蒸發(fā)。

研究發(fā)現(xiàn)，流域河水中過量氘與海拔之間具有較好的正相關(guān)關(guān)系，其線性方程為d=0.019H-81.12(R2=0.45，p<0.001)。這與劉琴等在該區(qū)域的研究結(jié)論一致[31]，同時(shí)，在安第斯山和南極等地同樣發(fā)現(xiàn)過量氘隨海拔升高而增大[32,33]。

3.5 干流河水中δ 18O分布特征

對(duì)于一個(gè)大河系統(tǒng)來說，沿途會(huì)有諸多的支流匯入干流，這些支流中穩(wěn)定同位素的組成同樣受到其小流域中地理與氣候因素的影響，從而影響到干流河水中穩(wěn)定同位素的變化[34]?？傮w上，以錯(cuò)那湖為分界點(diǎn)，在錯(cuò)那湖以北，干流河水中δ18O表現(xiàn)為逐漸增大的趨勢；而在錯(cuò)那湖以南，干流河水中δ18O表現(xiàn)為逐漸減小的趨勢。

河流在夏季以大氣降水和高山冰雪融水補(bǔ)給為主，錯(cuò)那湖以北河流發(fā)育在唐古拉山脈地區(qū)，平均海拔4 600 m以上，受大氣降水中δ18O的高程效應(yīng)影響，河水中δ18O也比較低。

錯(cuò)那湖以南的主河道受湖泊的調(diào)節(jié)，導(dǎo)致河水中δ18O變大。支流河水同位素值均小于湖水同位素值，隨著沿途支流流入干流，河水中δ18O逐漸減小。湖泊對(duì)河道徑流的調(diào)節(jié)及其穩(wěn)定同位素的變化起著重要的作用[35]。下游河水中同位素的組成直接受上游及中游、湖泊水體間交換影響尤為顯著。河水中δ18O的空間變化是一個(gè)復(fù)雜的過程，除了受上述因素影響外，還要受到地下水、冰雪融水、蒸發(fā)和人類活動(dòng)等的影響。

由圖8可以看出，7月份和8月份6號(hào)采樣點(diǎn)(達(dá)薩鄉(xiāng)北，詳見上文)的河水δ18O值出現(xiàn)異常變大的現(xiàn)象。造成這種現(xiàn)象的原因可能是采樣點(diǎn)上游支流(稱曲)匯入。稱曲在匯入干流前，流經(jīng)那曲縣城區(qū)的人工河道，其河床變寬、流速變慢導(dǎo)致河水蒸發(fā)變大，從而使δ18O變大。同時(shí)，也可能受到其他人類活動(dòng)的影響，比如生活或工業(yè)污水的排入等。

圖8 干流與支流河水中δ18O的空間分布Fig.8 The spatial distribution of δ18O in the main stream and the tributary river

4 結(jié) 語

(1)那曲流域大氣降水線為：δD = 7.52 δ18O-0.85，這個(gè)關(guān)系式與全球大氣降水線方程相比，截距和斜率都偏低。斜率稍小于8表明該區(qū)降水的水汽來自于具有不同穩(wěn)定氧同位素比率的源地，同時(shí)也反映了其降水歷經(jīng)了一定的蒸發(fā)過程，蒸發(fā)程度稍大于降雨。

(2)那曲流域河水線δD = 6.36 δ18O -16.44的斜率和截距卻明顯小于LMWL，這表明河水中穩(wěn)定同位素經(jīng)歷了強(qiáng)烈的蒸發(fā)分餾效應(yīng)。但河水點(diǎn)都落在了LMWL附近，說明流域河水夏季主要為大氣降水補(bǔ)給。

(3)在青藏高原夏季季風(fēng)降水期間，7月份降水中δ18O的平均值為-1.727%，河水中δ18O的平均值為-1.331%，8月份降水中δ18O的平均值為-2.003%，河水中δ18O的平均值為-1.483%，7月份降水和河水中的同位素要高于8月份，造成這種差異的主要原因在于8月份降水增多和河水中的穩(wěn)定同位素又通過蒸發(fā)發(fā)生分餾。河水中δ18O的緯度效應(yīng)和高程效應(yīng)都不顯著，降水量是主要影響因素；但河水中過量氘有顯著的緯度效應(yīng)和高程效應(yīng)；過量氘在錯(cuò)那湖北部隨緯度增大而減小，在南部反之；過量氘與高程成正相關(guān)關(guān)系。

(4)總體上，以錯(cuò)那湖為分界點(diǎn)，干流河水中δ18O表現(xiàn)為先增大后減小的趨勢。可見，湖泊對(duì)徑流及穩(wěn)定同位素的調(diào)節(jié)有著重要的作用。