王富強(qiáng), 普雋澤, 康萍萍

(1.華北水利水電大學(xué),河南 鄭州 450046; 2.河南省黃河流域水資源節(jié)約集約利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,河南 鄭州 450046)

大氣降水、地表水、地下水和土壤水是濕地水循環(huán)中的重要組成部分。自然界中的水由氫、氧兩種化學(xué)元素組成,這兩種化學(xué)元素都存在質(zhì)量不同的同位素[1],穩(wěn)定同位素D和18O可以在不同水體中發(fā)揮十分重要的示蹤作用。杜康等[2]針對(duì)典型黃土丘陵區(qū)不同水體中氫氧同位素的研究發(fā)現(xiàn),不同水體中的氫氧同位素隨時(shí)間變化較大;何明霞等[3]解析白洋淀濕地各水體的氫氧同位素組成特征時(shí)發(fā)現(xiàn),白洋淀地區(qū)水體中的氫氧同位素在枯水期富集、豐水期貧化,水體來(lái)源差異和蒸發(fā)作用程度影響著水體中穩(wěn)定氫氧同位素的組成;謝金艷等[4]采用同位素示蹤技術(shù),得出δD值在從淺至深的土壤水中表現(xiàn)出周期變化規(guī)律。林聰業(yè)等[5]依據(jù)采樣結(jié)果,對(duì)拉薩河流域中的氫氧同位素開展研究,探尋不同水體間的補(bǔ)給關(guān)系和時(shí)空變化特征。任行闊等[6]分析研究慕士塔地區(qū)大氣水汽氫氧穩(wěn)定同位素組成,得出其變化特征及相關(guān)關(guān)系。通過(guò)調(diào)查研究不同水體中氫氧同位素的分布特征,可以判別不同水體的變化趨勢(shì)和轉(zhuǎn)化關(guān)系。

濕地、森林與海洋生態(tài)系統(tǒng)被稱為三大生態(tài)系統(tǒng),對(duì)維護(hù)區(qū)域生態(tài)穩(wěn)定具有重要意義[7]。三門峽庫(kù)區(qū)地處黃河中游,是水資源匱乏區(qū),水資源的合理利用已經(jīng)成為推動(dòng)三門峽市發(fā)展的關(guān)鍵因素[8]。三門峽水庫(kù)的修建對(duì)于三門峽庫(kù)區(qū)濕地的形成和演變有重大影響。三門峽庫(kù)區(qū)濕地是一個(gè)多種濕地類型并存且開放統(tǒng)一的復(fù)合型濕地,其中最具代表性的是多泥沙河流濕地,該濕地對(duì)該地區(qū)的水沙平衡、生態(tài)區(qū)域健康等具有重要意義。近年來(lái),由于水資源的過(guò)度開采和水體污染,三門峽庫(kù)區(qū)濕地資源大幅減少,濕地面積銳減,水體中污染物含量升高[9],濕地生態(tài)系統(tǒng)功能減弱,生態(tài)安全受到威脅。為阻止三門峽庫(kù)區(qū)濕地生態(tài)系統(tǒng)的衰退,探究三門峽水庫(kù)特殊運(yùn)行方式下的濕地水文循環(huán)特征和水體間的相互關(guān)系,為濕地的保護(hù)和管理尋找科學(xué)依據(jù)。

文中基于穩(wěn)定同位素技術(shù),對(duì)三門峽庫(kù)區(qū)濕地不同水體中的氫氧同位素特征及其空間分布進(jìn)行分析,探究這些水體中氫氧同位素的變化趨勢(shì)和水庫(kù)不同運(yùn)行方式下濕地的水循環(huán)過(guò)程。

1 研究區(qū)域

1.1 區(qū)域概況

三門峽水庫(kù)工程于1960年9月建成并開始蓄水運(yùn)用,作為興建在黃河干流上的第一個(gè)水利工程,數(shù)年來(lái),主要承擔(dān)防汛、發(fā)電等任務(wù)。三門峽庫(kù)區(qū)地處陜西、山西、河南三省交界處。庫(kù)區(qū)內(nèi)河流濕地長(zhǎng)約110 km、平均寬度3 km,某些區(qū)域最寬可達(dá)6 km,生長(zhǎng)有蘆葦、白茅等植物。三門峽庫(kù)區(qū)屬于典型暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候,年氣溫均值為13 ℃左右,年降水量為400～600 mm,7—9月是降水集中的豐水期[10]。依據(jù)現(xiàn)有水文資料及水庫(kù)運(yùn)行規(guī)律可知,7—9月為三門峽水庫(kù)泄水期,其余月份為蓄水期。三門峽水庫(kù)史家灘水文觀測(cè)站為壩前水文觀測(cè)站,其水位高低對(duì)水庫(kù)的正常運(yùn)行及庫(kù)區(qū)濕地的生態(tài)環(huán)境穩(wěn)定具有重要意義,結(jié)合史家灘水文觀測(cè)站1974—2017年運(yùn)行水位數(shù)據(jù)可知,4月份水位為一年中最高水位,7月份水位為一年中最低水位。

1.2 研究區(qū)域的界定

選定的研究區(qū)域?yàn)殇P(guān)水文斷面至三門峽大壩斷面間的多泥沙河流濕地,長(zhǎng)約160 km,如圖1所示,研究區(qū)域內(nèi)包含的城市主要有河南省的三門峽市、陜西省的渭南市和山西省的運(yùn)城市。

圖1 研究區(qū)地理位置

2 樣品采集與分析

2.1 樣品采集

依據(jù)與研究區(qū)域相關(guān)的水文氣象資料,并結(jié)合三門峽庫(kù)區(qū)濕地的主要特征及三門峽水庫(kù)的運(yùn)行方式和庫(kù)區(qū)形成條件,最終確定采集樣品的時(shí)間和地點(diǎn),于2018年4月和8月、2019年1月和7月、2020年6月進(jìn)行水體樣品采集工作。采樣地點(diǎn)如圖2所示。

圖2 野外取樣點(diǎn)位分布

2.1.1 河流水樣品

為避免水體表面其他物質(zhì)的影響[11],在潼關(guān)水文觀測(cè)站、楊家灣控導(dǎo)工程等5個(gè)地方的河道靠近岸邊距離水面10 cm以下的位置,共取得19個(gè)河流水樣品。

2.1.2 地下水樣品

為保證檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性,采樣前,抽取地下水靜置5 min左右,以排除抽水管道先前存有的余水[12],在楊家灣控導(dǎo)工程、潼關(guān)水文觀測(cè)站斷面等地方,共取得9個(gè)村莊自打井的地下水樣品。

2.1.3 土壤水樣品

因?yàn)橥寥朗且粋€(gè)不均體,影響檢測(cè)結(jié)果的因素較多,且土壤水不能直接獲得,需要對(duì)含水土壤提取分離后獲得。因此在采集土壤水樣品時(shí),使用專業(yè)取土器分別取10、20、30、40 cm左右深度的庫(kù)區(qū)濕地土壤水樣品。在山西西王村、天鵝湖濕地等取得49個(gè)土壤水樣品。

2.2 樣品檢測(cè)

同位素比值用來(lái)表征某一元素的重同位素原子與輕同位素原子的豐度之比。由于同位素比值的測(cè)定儀器質(zhì)譜儀中存在同位素分餾,并且在實(shí)踐中,穩(wěn)定同位素在自然界中含量較低,用絕對(duì)量表達(dá)同位素的差異比較困難,難以直接測(cè)量同位素比值,因此通常采用相對(duì)的方法獲取結(jié)果。即將待測(cè)樣品中同位素比值(標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)同位素比值)進(jìn)行比較,計(jì)算結(jié)果稱為同位素含量,定義如下:水樣中穩(wěn)定同位素18O含量δ18O=18O/16O和同位素D的含量δD=2H/1H的高低采用相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)海洋水(SMOW)的千分差[13-14]來(lái)表示:

(1)

式中Rsample為樣品重同位素與輕同位素之比,以Vienna Standard Mean Ocean Water[15]為比值標(biāo)準(zhǔn)Rstandard。全部樣品的穩(wěn)定氫氧同位素分析試驗(yàn)均在中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所實(shí)驗(yàn)室完成。樣品檢測(cè)采用高溫裂解元素分析儀,δD和δ18O同位素的檢測(cè)精度分別為±1‰和±0.2‰。

2.3 分析方法

運(yùn)用Excel軟件和SPSS軟件完成樣品檢測(cè)數(shù)據(jù)的整理及δ18O和δD含量相關(guān)關(guān)系擬合分析;選用ArcGIS和Origin 2018完成制圖。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同水體穩(wěn)定氫氧同位素總體特征

三門峽庫(kù)區(qū)濕地5次水體樣品采集結(jié)果如表1和圖3所示。蒸發(fā)作用、含水介質(zhì)等因素對(duì)不同水體中的穩(wěn)定氫氧同位素含量存在不同程度的影響,結(jié)合5次水體樣品采集的結(jié)果(表1和圖3)可以看出:土壤水中的δ18O和δD最為富集,河流水中的次之,地下水中的最為貧化,這是由于較輕的原子會(huì)在河流水和土壤水的強(qiáng)烈蒸發(fā)中發(fā)生分餾,并隨空氣蒸發(fā)而留下較重的δ18O和δD,因此河流水和土壤水中的穩(wěn)定氫氧同位素含量高于地下水中穩(wěn)定氫氧同位素的含量。總體來(lái)看,河流水中δ18O和δD的變化幅度最小,水中同位素18O和D含量最為穩(wěn)定;而土壤水中δ18O和δD含量的變化幅度最大,水中同位素18O和D的含量波動(dòng)較大。

表1 三門峽庫(kù)區(qū)濕地不同水體中δD和δ18O平均值 ‰

圖3 三門峽庫(kù)區(qū)濕地不同水體中δD與δ18O關(guān)系

3.2 不同水體中穩(wěn)定氫氧同位素的時(shí)空變化特征

3.2.1 時(shí)間變化特征

三門峽庫(kù)區(qū)濕地不同水體中δD與δ18O點(diǎn)位分布如圖4所示。從圖4中總體來(lái)看,河流水中的穩(wěn)定氫氧同位素含量2018年蓄水期的最高,2020年蓄水期的最低,且在三門峽水庫(kù)2020年蓄水期,河流水中穩(wěn)定氫氧同位素含量出現(xiàn)了相差較大的極小值,這很有可能是河流水從上游到下游的過(guò)程中,受到了水庫(kù)用水供給嚴(yán)重不平衡以及自然地理環(huán)境被破壞的影響。

圖4 三門峽庫(kù)區(qū)濕地不同水體中δD與δ18O點(diǎn)位分布

通過(guò)對(duì)比圖4(a)中同一地點(diǎn)不同年份的水樣中的穩(wěn)定氫氧同位素含量可發(fā)現(xiàn):潼關(guān)斷面處,河流水中的穩(wěn)定氫氧同位素含量2018年蓄水期的最高,2020年蓄水期的最低;西王村處,泄水期河流水中的穩(wěn)定氫氧同位素含量2018年的較2019年的高;楊家灣控導(dǎo)工程處,蓄水期河流水中的穩(wěn)定氫氧同位素含量2018年的最高,2019年的最低;天鵝湖濕地處,蓄水期河流水中的穩(wěn)定氫氧同位素含量2018年的最高,2019年的最低;三門峽大壩處,河流水中的穩(wěn)定氫氧同位素含量2018年蓄水期的最高,泄水期2019年的最低。

通過(guò)對(duì)比圖4(b)中結(jié)果可知,三門峽庫(kù)區(qū)濕地所采地下水樣品中,各月份中穩(wěn)定氫氧同位素的含量相差不大;進(jìn)而比較在相同位置3年不同時(shí)期的地下水采樣結(jié)果發(fā)現(xiàn):潼關(guān)水文站內(nèi)水井處,2018年泄水期地下水中的穩(wěn)定氫氧同位素含量較蓄水期的高;楊家灣控導(dǎo)工程處,地下水中的穩(wěn)定氫氧同位素含量2018年蓄水期較2019年泄水期的高;辛店村內(nèi)水井處,泄水期地下水中的穩(wěn)定氫氧同位素含量2018年較2019的高?？傮w而言,地下水中的穩(wěn)定氫氧同位素含量泄水期的較蓄水期的高。這可能與地下水在水庫(kù)泄水期時(shí)受到的蒸發(fā)作用更強(qiáng)有關(guān)。

通過(guò)對(duì)比圖4(c)中結(jié)果可知,三門峽庫(kù)區(qū)濕地土壤水中的穩(wěn)定氫氧同位素含量2018年泄水期的最高,2019年蓄水期的最低。分析比較不同取樣時(shí)間同一地點(diǎn)的土壤水中穩(wěn)定氫氧同位素含量知:天鵝湖濕地處,土壤水中的穩(wěn)定氫氧同位素含量2019年泄水期的最高,2018年泄水期的和2020年蓄水期的次之,2018年蓄水期的最低;潼關(guān)水文站處,土壤水中的穩(wěn)定氫氧同位素含量2020年蓄水期的最高,2019年泄水期的和2018年泄水期的次之,2019年蓄水期的最低;西王村處,土壤水中的穩(wěn)定氫氧同位素含量2020年蓄水期的最高,2018年泄水期的次之,2019年泄水期的最低;三門峽大壩處,土壤水中的穩(wěn)定氫氧同位素含量2018年蓄水期的最高,2019年蓄水期的最低;楊家灣控導(dǎo)工程處,土壤水中的穩(wěn)定氫氧同位素含量2020年蓄水期的最高,2018年蓄水期的最低。就總體情況而言,土壤水中的穩(wěn)定氫氧同位素含量泄水期的較蓄水期的高。

3.2.2 空間變化特征

三門峽庫(kù)區(qū)濕地水體中δ18O和δD沿程變化如圖5所示。

圖5 三門峽庫(kù)區(qū)濕地不同水體中δD與δ18O沿程變化

由圖5(a)可知,蓄水期三門峽庫(kù)區(qū)濕地河流水中穩(wěn)定氫氧同位素含量如下:①2018年、2019年和2020年,δ18O值總體沿程增加;②2018年、2019年,δD值總體沿程減小,2020年δD值總體沿程增加。水庫(kù)蓄水時(shí),河流水中穩(wěn)定氫氧同位素含量2018年的高于2020年和2019年的,2020年的高于2019年的。結(jié)合史家灘水文觀測(cè)站觀測(cè)到的水位全年變動(dòng)情況,三門峽水庫(kù)最高水位出現(xiàn)在2018年水庫(kù)蓄水期,說(shuō)明2018年水庫(kù)蓄水期時(shí)的水面面積最大。隨著氣溫逐漸升高,伴隨著強(qiáng)烈的蒸發(fā)作用,水體體積逐漸縮小,氫氧離子含量隨之升高,重同位素富集,促使氫氧同位素含量升高。在泄水期,2018年和2019年,δ18O值和δD值均呈現(xiàn)出沿程先降低后增加的變化趨勢(shì),總體來(lái)看均降低。水庫(kù)泄水時(shí),河流水中穩(wěn)定氫氧同位素含量2018年的高于2019年的。2018年,當(dāng)三門峽水庫(kù)處于敞開敞泄的泄水期,濕地水位下降,伴隨著降水增多,使得河流水中的氫氧同位素含量降低。2019年泄水期采集樣品時(shí),降水集中,河流水中穩(wěn)定氫氧同位素含量受到降水量較大影響,導(dǎo)致2019年泄水期水樣品中穩(wěn)定氫氧同位素含量較2018年泄水期同期水樣品中的低。

由圖5(b)可知,水庫(kù)蓄水期時(shí)地下水中穩(wěn)定氫氧同位素含量沿程減小,在水庫(kù)泄水期該含量沿程略增加。這是由于地下水遠(yuǎn)離地面,不能直接受到大氣降水的補(bǔ)給,只受到較小的蒸發(fā)作用,且地下水的構(gòu)成極其復(fù)雜,穩(wěn)定氫氧同位素含量的沿程分布特征也存在差異,加之三門峽庫(kù)區(qū)濕地地下水系統(tǒng)是一個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng),導(dǎo)致三門峽庫(kù)區(qū)濕地地下水中的穩(wěn)定氫氧同位素含量出現(xiàn)水庫(kù)蓄水期沿程減小,泄水期沿程增加的趨勢(shì)。

由圖5(c)可知:2018年蓄水期土壤水中δ18O和δD呈現(xiàn)先減少后增加的趨勢(shì);2018年泄水期、2019年蓄水期、2019年泄水期和2020年蓄水期的土壤水樣品中的δ18O和δD呈現(xiàn)波動(dòng)變化,總體呈降低的趨勢(shì)。在泄水期和蓄水期,三門峽庫(kù)區(qū)濕地的土壤水中穩(wěn)定氫氧同位素含量總體均呈現(xiàn)出沿程降低的趨勢(shì),這可能與土壤水的存在形式多樣及這些水體間會(huì)發(fā)生不同程度的混合有關(guān)。

3.3 不同水體中δD和δ18O的相關(guān)關(guān)系

CRAIG H[16]研究了全球的降水樣品,發(fā)現(xiàn)δD和δ18O間存在著一定線性關(guān)系。DANSGAARD W[17]在經(jīng)過(guò)相關(guān)具體研究分析之后,首先提出了氘盈余這一觀點(diǎn),用d表示,計(jì)算公式為:d=δD-8δ18O。大氣降水與蒸發(fā)水汽凝結(jié)是否平衡穩(wěn)定可以用氘盈余d來(lái)判斷,判斷的依據(jù)是d值越偏正且越小,則說(shuō)明該地區(qū)降水與蒸發(fā)的不平衡程度越大,反之,d值偏負(fù)且其絕對(duì)值越大,說(shuō)明該地區(qū)降水與蒸發(fā)的不平衡程度就越小。尹觀等[18]在研究不同水體間的運(yùn)移過(guò)程時(shí),把氘盈余引入生態(tài)水文研究中,并作為一項(xiàng)判斷標(biāo)準(zhǔn),發(fā)現(xiàn)如果某一地區(qū)的大氣降水線可以確定,其氘盈余d的值也能經(jīng)大氣降水線方程逆推計(jì)算后確定,且不受相關(guān)地理因素和人為因素的影響。

不同水體氘盈余d值計(jì)算結(jié)果見表2。由表2可知,不同水體中的氘盈余d值是有差異的,d河流水>d地下水>d土壤水,河流水雖然可能同時(shí)受到降水和蒸發(fā)的作用,但總體來(lái)看,河流水中的同位素18O和D含量是最穩(wěn)定的,地下水中的次之,土壤水中的最不穩(wěn)定。

表2 不同水體中的氘盈余d值

對(duì)于某一個(gè)確定的研究區(qū)域,大氣降水線表示的是該地區(qū)降水中δD和δ18O的線性方程關(guān)系,徐學(xué)選等[19]根據(jù)1961—2001年間GNIP對(duì)全國(guó)324對(duì)和全球3 281對(duì)大氣降水氫氧同位素含量數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合,得到全球大氣降水線(δD=7.977δ18O+9.126(n=3 281,R2=0.988))、全國(guó)大氣降水線(δD=7.887δ18O+8.609(n=324,R2=0.976))。

因三門峽市地處西安市和鄭州市交界之處,對(duì)比三門峽市、鄭州市、西安市3個(gè)地區(qū)的緯度、氣候等影響大氣降水的主要因素,可以看出3個(gè)地區(qū)都屬于溫帶季風(fēng)氣候,其年降水量相差不大,且年降水量集中分布時(shí)間段基本相同,都集中于夏季,因此可以選用高建飛等[20]所收集的鄭州站與西安站的大氣降水?dāng)?shù)據(jù),去推求當(dāng)前研究區(qū)域的大氣降水線(LMWL),得到研究區(qū)域大氣降水線為δD=6.71δ18O-6.07。

再對(duì)三門峽庫(kù)區(qū)濕地的河流水、地下水和土壤水樣品中的δ18O值和δD值進(jìn)行擬合,得到這3種水樣中δD和δ18O相關(guān)關(guān)系的線性方程分別為:δD=6.342δ18O-2.873(n=19,R2=0.967),δD=4.928δ18O-19.425(n=9,R2=0.944),δD=6.390δ18O-3.588(n=49,R2=0.898)。三門峽庫(kù)區(qū)濕地水體中δD和δ18O相關(guān)關(guān)系如圖6所示。

圖6 三門峽庫(kù)區(qū)濕地水體δD與δ18O相關(guān)關(guān)系

由圖6可以看出:全球、全國(guó)大氣降水線的斜率和截距高于當(dāng)?shù)卮髿饨邓€的,這是因?yàn)檠芯繀^(qū)域地處內(nèi)陸,降水較少,并受到強(qiáng)烈的蒸發(fā)作用;河流水和土壤水中δD和δ18O相關(guān)關(guān)系的線性方程斜率和截距相近,且均小于3條大氣降水線的斜率與截距,表明河流水和土壤水受到一定的蒸發(fā)作用,并且在受到大氣降水補(bǔ)給時(shí)出現(xiàn)了程度不一的同位素富集情況。地下水中δD和δ18O相關(guān)關(guān)系的線性方程的斜率和截距與其他水體中的相比最小,受較強(qiáng)的蒸發(fā)作用,與大氣降水、河流水和土壤水關(guān)系密切。降水落到地面,一部分供給動(dòng)植物生長(zhǎng),另一部分會(huì)直接補(bǔ)給河流水和土壤水,再經(jīng)土壤層下滲,間接補(bǔ)給地下水。從大氣降水到土壤水,δD和δ18O相關(guān)關(guān)系線性方程的相關(guān)系數(shù)在逐漸變小,表明隨著大氣降水的不斷滲透,不同水體之間發(fā)生了相互轉(zhuǎn)換。

4 結(jié)論

以三門峽庫(kù)區(qū)濕地為研究區(qū)域,結(jié)合5次野外采樣收集的水庫(kù)蓄水期和泄水期穩(wěn)定氫氧同位素?cái)?shù)據(jù),分析了庫(kù)區(qū)濕地大氣降水、河流水、地下水和土壤水中穩(wěn)定氫氧同位素的組成特征及其時(shí)空變化特征,利用SPSS等軟件探究了這些水體中δ18O和δD的相關(guān)關(guān)系,并推測(cè)庫(kù)區(qū)濕地不同水體間相互轉(zhuǎn)換的關(guān)系,得出以下主要結(jié)論:

1)三門峽庫(kù)區(qū)濕地中,土壤水中穩(wěn)定氫氧同位素含量最為富集,河流水中的次之,地下水中的最為貧乏。

2)三門峽庫(kù)區(qū)濕地各水體中穩(wěn)定氫氧同位素特征為:河流水中穩(wěn)定氫氧同位素含量在水庫(kù)蓄水期時(shí)2018年的較2020年的和2019年的高,在水庫(kù)泄水期時(shí)2018年的較2019年的高;地下水中穩(wěn)定氫氧同位素含量在水庫(kù)蓄水期時(shí)的低于泄水期時(shí)的;土壤水中穩(wěn)定氫氧同位素含量在水庫(kù)泄水期的較蓄水期的高。不同水體中穩(wěn)定氫氧同位素含量在不同水庫(kù)運(yùn)行時(shí)期呈現(xiàn)不同的變化趨勢(shì),蓄水期時(shí),河流水中的穩(wěn)定氫氧同位素含量呈現(xiàn)總體增加的趨勢(shì),地下水和土壤水中的呈總體減小的趨勢(shì);泄水期時(shí),河流水和土壤水中的穩(wěn)定氫氧同位素含量呈現(xiàn)總體減小的趨勢(shì),地下水中的呈總體增加的趨勢(shì)。

3)對(duì)三門峽庫(kù)區(qū)濕地內(nèi)河流水、地下水和土壤水中的δ18O與δD值進(jìn)行線性回歸擬合,得到各類水體中δ18O與δD的相關(guān)關(guān)系方程分別為:δD=6.342δ18O-2.873(n=19,R2=0.967),δD=4.928δ18O-19.425(n=9,R2=0.944),δD=6.390δ18O-3.588(n=49,R2=0.898)。不同水體之間存在不同程度的轉(zhuǎn)換,且均受到大氣降水的補(bǔ)給。