夏怡潔， 王圣杰， 張明軍

（1.西北師范大學(xué)地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，甘肅蘭州 730070；2.甘肅省綠洲資源環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展重點實驗室，甘肅蘭州 730070）

氫氧穩(wěn)定同位素是水循環(huán)過程的天然示蹤劑，被廣泛運用于水文循環(huán)過程的研究中［1-4］。自來水是人文環(huán)境與自然環(huán)境聯(lián)系的紐帶，自來水中氫氧穩(wěn)定同位素可以示蹤水源以及分析水源地的環(huán)境特征［5-6］。關(guān)于自來水中氫氧穩(wěn)定同位素的研究多關(guān)注大尺度的空間調(diào)查，通過廣泛的采樣獲知自來水同位素的分布規(guī)律。Bowen 等［7］對美國自來水中的氫氧穩(wěn)定同位素進(jìn)行了時空調(diào)查，獲取了美國第一份自來水穩(wěn)定同位素景觀圖譜，并發(fā)現(xiàn)其與降水同位素在大尺度上的空間相關(guān)性；West 等［8］研究了南非自來水穩(wěn)定氫氧同位素景觀圖譜，發(fā)現(xiàn)自來水中同位素與地下水中的氫氧穩(wěn)定同位素在空間變化上具有一致性；此外，其他全國或區(qū)域尺度的研究也有不少［9-13］。隨著研究的深入，科學(xué)家們越來越關(guān)注自來水同位素在水資源管理中的應(yīng)用。一般認(rèn)為，自來水的處理工藝，不會產(chǎn)生較為明顯的同位素分餾［14］，因此，可以對水分來源有較好的指示意義。Good 等［15］從水資源調(diào)配的角度對自來水進(jìn)行解讀，發(fā)現(xiàn)在大多數(shù)情況下，美國西部自來水中的氫氧穩(wěn)定同位素與當(dāng)?shù)亟涤曛械臍溲醴€(wěn)定同位素差異較大，而與當(dāng)?shù)氐乇硭械臍溲醴€(wěn)定同位素相似；Tipple 等［16］對比了不同年份舊金山自來水同位素的差異，發(fā)現(xiàn)水源地的年際豐枯特征可以體現(xiàn)在自來水同位素中；Jameel 等［17］在城市地區(qū)采用自來水中的同位素質(zhì)量平衡分析了自來水蒸發(fā)損失在年內(nèi)與年際上的變化；Wang等［18］利用覆蓋全國的實測樣品，繪制了高分辨率的中國自來水同位素景觀圖譜，并且進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)地表水和地下水的不同水體來源可以體現(xiàn)在自來水同位素的年內(nèi)變化上；Du 等［19］也發(fā)現(xiàn)不同水源類型的差異可以明顯地體現(xiàn)在甘肅南部的自來水中，從而可以辨識地下水和地表水的貢獻(xiàn)。

新疆位于亞洲內(nèi)陸腹地，氣候干旱，降水匱乏，城鄉(xiāng)居民用水的供給極大受到山區(qū)降水影響。研究該地區(qū)自來水中氫氧穩(wěn)定同位素的變化特征能夠加強(qiáng)對干旱區(qū)水資源的認(rèn)識，為優(yōu)化水資源管理提供依據(jù)。前人雖對新疆自來水中的氫氧穩(wěn)定同位素變化開展過部分監(jiān)測工作［9,18］，但采樣點仍相對較少，影響了對自來水同位素時空格局的認(rèn)識。因此，本研究利用新疆352個自來水樣品，分析了自來水中氫氧穩(wěn)定同位素的年內(nèi)變化和空間分布，同時利用BW模型對新疆自來水中氫氧穩(wěn)定同位素進(jìn)行模擬。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 樣品采集

于2018年5月—2020年10月在新疆的35個站點采集了186 個自來水樣品。其中，采集自來水樣品個數(shù)在8 個及以上的采樣點有10 個（庫爾勒、阿圖什、烏恰、喀什、巴楚、莎車、塔什庫爾干、岳普湖、皮山、鐵干里克），均以月頻次進(jìn)行采樣；其余采樣點分別有1次采樣。每次采樣時，在打開水龍頭10 s后，將水樣收集在50 mL的高密度聚乙烯瓶中，然后擰緊瓶蓋并用防水膠帶密封。隨后將樣品送至西北師范大學(xué)地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院穩(wěn)定同位素實驗室，為了防止樣品蒸發(fā)，在分析前將樣品儲存在4 ℃的陰涼環(huán)境下。

除此之外，還收集了Zhao等［9］自2014年12月—2015年12月新疆的5個采樣點（烏魯木齊、庫爾勒、阿克蘇、喀什、克拉瑪依）所采集的43個樣品數(shù)據(jù)以及Wang 等［18］自2014 年8 月—2015 年11 月的12 個站點（烏魯木齊、哈密、庫爾勒、阿克蘇、拜城、阿圖什、烏恰、伊寧、奎屯、沙灣、福海、五家渠）采集的123 個樣品數(shù)據(jù)（圖1）。Zhao 等［9］采樣點中采集樣品個數(shù)在8 個及以上的采樣點有4 個，Wang 等［18］采樣點中采集樣品個數(shù)在8 個及以上的采樣點有10個。

圖1 新疆自來水采樣點空間分布Fig.1 Spatial distribution of the sampling sites of tap water in Xinjiang

為了得到覆蓋全年的自來水同位素月序列，本研究將3 個數(shù)據(jù)源中站點相同的數(shù)據(jù)進(jìn)行整合，對連續(xù)缺測不多于3 個月的站點（克拉瑪依、五家渠、塔什庫爾干、皮山、阿克蘇）進(jìn)行了內(nèi)插，從而得到20個月序列完整的站點。

1.2 實驗分析

收集的自來水樣品在西北師范大學(xué)地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院穩(wěn)定同位素實驗室利用T-LWIA-45-EP型液態(tài)水同位素分析儀（ABB-Los Gatos Research 公司）進(jìn)行分析測定，其中δ2H的測試誤差不超過±1‰，δ18O 的測試誤差不超過±0.3‰。分析得出的δ2H 和δ18O以相對于維也納標(biāo)準(zhǔn)平均海洋水（V-SMOW）的千分差值表示：

式中：R樣品為自來水中的氫氧穩(wěn)定同位素比率；R標(biāo)準(zhǔn)為維也納標(biāo)準(zhǔn)平均海洋水的同位素比率。

雖然本研究與Zhao 等［9］和Wang 等［18］使用了不同型號的分析儀器，但其測量原理一致，均為激光光譜法，且每月取樣過程和分析程序基本相同。Zhao等［9］采用Picarro水同位素分析儀（L2130i），其δ2H的測試誤差不超過±1‰，δ18O 的測試誤差不超過±0.1‰；Wang等［18］利用Los Gatos Research 水同位素分析儀（DLT-100）對樣品進(jìn)行分析，其δ2H的測試誤差不超過±0.6‰，δ18O的測試誤差不超過±0.2‰。

氘盈余是基于氫氧穩(wěn)定同位素的參數(shù)［20］，可用于評價降水氫氧同位素偏離全球平均水平的程度，即：

1.3 BW模型

Bowen和Wilkinson［21］根據(jù)緯度效應(yīng)和海拔效應(yīng)對全球降水氫氧穩(wěn)定同位素進(jìn)行空間模擬，又稱為BW模型，該方法利用了二階回歸數(shù)學(xué)模型，其公式如下

式中：L是緯度；A是海拔；a、b、c、d是經(jīng)驗參數(shù)。將BW模型得到的各采樣點模擬值與相應(yīng)的實測值相減得到殘差，在ArcGIS軟件中利用反距離加權(quán)的方法，將各采樣點的殘差插值到整個區(qū)域，最后將插值的殘差結(jié)果與BW 模型得到的預(yù)測值疊加，從而實現(xiàn)對預(yù)測結(jié)果的訂正。

2 結(jié)果與分析

2.1 自來水水線

在降水、地表水和地下水等自然水體中，δ2H與δ18O 一般存在著明顯的正相關(guān)關(guān)系，二者的變化存在同步性，以自然水體為水源的自來水中同樣也會保留這樣的相關(guān)性。本文利用最小二乘法分析了新疆352個自來水樣品中δ2H 與δ18O 的關(guān)系，從而得出新疆的自來水水線（圖2a），即δ2H=7.67δ18O+10.54（R2=0.92，n=352），該自來水水線的斜率（7.67）低于全球大氣降水線［22］斜率（8）。就降水來說，如果大氣降水線的斜率低于8，則意味著降水很可能受到了蒸發(fā)的影響，使其斜率發(fā)生偏離。新疆氣候干旱，自來水的水源同樣也容易受到蒸發(fā)的影響，使得自來水水線斜率低于全球平均水平。相較于以往文獻(xiàn)中西北地區(qū)的大氣降水線δ2H=7.48δ18O+1.01（R2=0.94）［23］和δ2H=7.24δ18O+1.96（R2=0.95）［24］，本研究得到的新疆自來水水線斜率略高。

此外，以往國內(nèi)學(xué)者曾基于實測資料提出過全國尺度的自來水水線，Zhao 等［9］通過全國780 個自來水樣品得出自來水水線為δ2H=7.72δ18O+6.57（R2=0.95，n=780），而Wang 等［18］根據(jù)全國2879個樣品得出自來水水線為δ2H=7.57δ18O+5.14（R2=0.93，n=2879）。本研究所得到的新疆自來水水線與Zhao等［9］、Wang 等［18］得到的全國自來水水線相比（圖2b），其斜率接近，但新疆自來水水線的截距相對較大。

圖2 新疆自來水水線及其在全國自來水水線中的位置Fig.2 Tap water line of Xinjiang and its position in the Chinese tap water line

2.2 同位素的月變化和季節(jié)變化

鑒于部分站點采樣頻次較少，不能反映出自來水中氫氧穩(wěn)定同位素的年內(nèi)變化，下面主要分析20個完整序列站點的逐月自來水氫氧穩(wěn)定同位素值（表1）。研究表明，新疆自來水中氫氧穩(wěn)定同位素值存在年內(nèi)波動。北疆δ2H 月均值在-82.5‰～-80.0‰之間變化，算數(shù)平均值為-81.0‰；δ18O月均值在-12.1‰～-11.6‰之間變化，算數(shù)平均值為-11.8‰。南疆δ2H 月均值在-68‰～-64.2‰之間變化，算數(shù)平均值為-66.0‰；δ18O 月均值在-10.4‰～-9.7‰之間變化，算數(shù)平均值為-10.1‰。北疆δ2H和δ18O在3月或者5月達(dá)到最大值，其最小值都出現(xiàn)在8 月。南疆δ2H 和δ18O 的最大值都出現(xiàn)在5 月，最小值都出現(xiàn)在10 月?？傮w而言，無論是δ2H 還是δ18O，南疆的年均值普遍高于北疆，南疆的δ2H 較北疆的δ2H 高15.0‰，南疆的δ18O 較北疆的δ18O 高1.8‰。這與新疆大氣降水同位素的分布規(guī)律［25］具有一定的相似性，即南疆更為干旱的氣候背景使得降水中重同位素更容易富集，但是相較于降水同位素，自來水中氫氧穩(wěn)定同位素的年內(nèi)變化要小得多。此外，北疆的d在11.8‰～14.9‰之間波動，平均值為13.5‰，北疆d的最大值出現(xiàn)在4 月，最小值出現(xiàn)在1月；南疆的d在13.5‰～15.3‰之間波動，平均值為14.5‰，南疆d的最大值出現(xiàn)在9 月，最小值出現(xiàn)在5月。

表1 新疆自來水中的δ2H和δ18O以及d的月變化Tab.1 Monthly variations of δ2H,δ18O and d of tap water in Xinjiang

從季節(jié)變化上看（圖3），自來水同位素值總體呈現(xiàn)春季最大的特點。北疆的δ2H 和δ18O 最大值均出現(xiàn)在春季（-80.2‰和-11.7‰），南疆的δ2H 和δ18O最大值也都出現(xiàn)于春季（-65.0‰和-9.9‰）。在新疆，山區(qū)降水是重要的水資源，并在山區(qū)形成了冰川、積雪和凍土，發(fā)源于山區(qū)的諸多河流為中下游的綠洲生態(tài)和居民生產(chǎn)生活用水提供了基本保障［26］。進(jìn)入春季以后，隨著溫度的升高，山區(qū)的冰雪融水開始匯入河流、水庫，補(bǔ)給地表水和地下水，而湖泊、水庫等水面的蒸發(fā)逐漸增強(qiáng)，雪的升華和凍土中水分蒸發(fā)也會引起融水中的同位素值發(fā)生變化［27］。在夏秋季新疆山區(qū)的降雨較盆地多［28］，特別是短時間的強(qiáng)降雨會使得自來水水源地中的氫氧穩(wěn)定同位素貧化［29］，降水迅速補(bǔ)給地表水和地下水進(jìn)而轉(zhuǎn)化為自來水的水源，同時夏季用水需求增大，不同地表水或地下水為主的水源地轉(zhuǎn)換可能在一定程度上還受到水資源調(diào)配管理的影響。北疆d的最大值出現(xiàn)在夏季，最小值出現(xiàn)在冬季；南疆d的最大值出現(xiàn)在秋季，最小值出現(xiàn)在夏季?？傮w而言，南疆的d整體上比北疆高1.2‰，這也從側(cè)面反映了南疆更為干旱的氣候背景。

圖3 新疆自來水中的δ2H和δ18O以及d的季節(jié)變化Fig.3 Seasonal variations of δ2H,δ18O and d of tap water in Xinjiang

統(tǒng)計年鑒中的水資源供給結(jié)構(gòu)可以為理解自來水的來源構(gòu)成提供基礎(chǔ)的信息，涉及到的水源類型一般包括地表水和地下水，在全國尺度上尤其以地表水為主，有時還包括污水處理再利用、集雨工程以及海水淡化等其他類型，但比例很低。根據(jù)統(tǒng)計年鑒［30］，新疆自來水的主要供應(yīng)來源中，地表水占主導(dǎo)地位，其貢獻(xiàn)率高達(dá)81%，地下水的比例相對較?。ū?）；從空間分布來看，南疆自來水水源更多地使用了地表水，其自來水水源中的地表水占南疆供水總量的83%，而北疆自來水水源中的地表水占北疆供水總量的77%。一般來說，以地表水為主要來源時，自來水中的同位素年內(nèi)波動更大，而以地下水為主要來源時則相對穩(wěn)定，但水源的切換也會造成自來水同位素的劇烈變化［18］。表2展現(xiàn)出的供水特征差異與南北疆的水文氣候條件差異相吻合，顯然當(dāng)?shù)乇硭鳛樽詠硭饕獊碓葱问綍r，自來水同位素特征可能會與地表水同位素有明顯聯(lián)系，而地表水則受到降水的直接影響。

表2 新疆地表水在水資源供給中占比Tab.2 Percentage of surface water in water resources supply in Xinjiang

2.3 基于監(jiān)測記錄的同位素空間變化

由圖4可知，自來水中δ2H的實測值表現(xiàn)出從南向北遞減的特征，南疆同位素值偏高，北疆則同位素偏低，與降水同位素的空間分布有相似之處。δ2H的高值點主要出現(xiàn)在南疆的皮山和鐵干里克，這2個站點δ2H 值均在-55‰～-35‰之間波動；δ2H 的低值點出現(xiàn)在北疆的福海，其值在各月均較低。由于自來水中的δ2H 和δ18O 之間存在正相關(guān)關(guān)系，δ18O 的分布規(guī)律與δ2H類似（圖略）。

圖4 新疆自來水中δ2H的逐月空間分布Fig.4 Spatial distribution of δ2H of tap water in Xinjiang for each month

與氫氧穩(wěn)定同位素相比，自來水中d的空間變化具有較大的波動（圖5）。在北疆，烏魯木齊、奎屯、克拉瑪依的自來水中d值較高，其值在10‰～15‰；而福海的d值較低，在其值0‰～10‰之間變化。在南疆，岳普湖的d值較高，其值在20‰以上，阿克蘇、巴楚的d值較低，在其值10‰～15‰之間變化。結(jié)果表明，南疆的d值較北疆的高，且南疆的高值點也較多。

圖5 新疆自來水中d的逐月空間分布Fig.5 Spatial distribution of d of tap water in Xinjiang for each month

2.4 基于BW模型的同位素空間分布模擬

考慮到新疆人口的空間分布特點，自來水采樣點的分布不可能絕對均勻，這使得對于山區(qū)和沙漠邊緣等區(qū)域的聚落研究可能不夠細(xì)致，由此有必要結(jié)合地理位置或氣象條件等輔助變量預(yù)測自來水同位素的理論空間分布。利用20 個站點的實測數(shù)據(jù)通過BW模型對新疆自來水中氫氧穩(wěn)定同位素在理論上的空間變化進(jìn)行模擬（圖6）。BW 模型中的輔助變量為海拔和緯度，基于經(jīng)度、緯度、海拔等常規(guī)參數(shù)即可實現(xiàn)對降水同位素空間分布的預(yù)測。

圖6 基于BW模型的新疆自來水中δ2H的逐月空間分布Fig.6 Spatial distribution of δ2H of tap water in Xinjiang for each month based on BW model

與實測資料得到的認(rèn)識類似，模擬結(jié)果顯示自來水中的δ2H 在各月中表現(xiàn)出南疆大于北疆的特征，δ2H的變化呈現(xiàn)出一定的緯度梯度。除此之外，模擬結(jié)果更加突出地顯示了自來水中δ2H的高程效應(yīng)。在低海拔地區(qū)（吐魯番-哈密盆地、準(zhǔn)噶爾盆地和塔里木盆地），δ2H偏高；而在高海拔地區(qū)（阿爾泰山、天山和昆侖山），δ2H 較低。地形與自來水同位素表現(xiàn)出明顯的對應(yīng)性，與降水同位素的空間分布

存在密切的聯(lián)系，以往的大量研究表明新疆山區(qū)降水同位素值相較于平原地區(qū)要低［25,32］。

3 結(jié)論

本文利用新疆自來水樣品的實測數(shù)據(jù)，對自來水中氫氧穩(wěn)定同位素的時空變化進(jìn)行了探討，得出以下結(jié)論：

（1）本文得出的新疆自來水水線為δ2H=7.67δ18O+10.54（R2=0.92），該方程與全球的大氣降水線相比，斜率較低，而與全國自來水水線相比，斜率較為接近。

（2）新疆自來水中的氫氧穩(wěn)定同位素呈現(xiàn)出季節(jié)變化特征，總體可以概括為春季富集，秋季貧化。

（3）利用BW 模型對新疆自來水中氫氧穩(wěn)定同位素的空間變化進(jìn)行模擬，南疆自來水中同位素值明顯高于北疆，且海拔對自來水同位素值的理論空間分布有明顯影響。