黄土高原丘陵沟壑区不同水体间转化特征——以韭园沟流域为例

王贺，李占斌，马波，肖俊波，张乐涛(．西北农林科技大学水土保持研究所，黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室，700，陕西杨凌; ．中国科学院 水利部 水土保持研究所，黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室，700，陕西杨凌)



黄土高原丘陵沟壑区不同水体间转化特征
——以韭园沟流域为例

王贺1，李占斌2†，马波1，肖俊波1，张乐涛2
(1．西北农林科技大学水土保持研究所，黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室，712100，陕西杨凌; 2．中国科学院 水利部 水土保持研究所，黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室，712100，陕西杨凌)

摘要:为研究黄土高原丘陵沟壑区降水、地表水和地下水间的转化特征，以绥德县韭园沟流域作为研究对象，通过测定雨水、沟道水和井水的氢氧同位素组成，分析各水体的 δD－δ18O特征、氢氧同位素的时间变化和沿程变化，明确各不同水体间的补给关系，估算流域上游沟道水补给井水的过程中因蒸发损失的水量。结果表明:韭园沟流域沟道水和井水的δD和δ18O之间具有良好的线性关系;井水氢氧同位素相对于沟道水较富集且稳定，降水、气温、风速等气象因子对沟道水氢氧同位素影响强烈，对井水影响较弱;流域沟道水与井水均来源于大气降水，能够有效补给地下水的大气降水氢氧同位素加权平均值为:δ18O=－11‰，δD=－79.80‰;沟道水向井水的转化以单向排泄补给为主，两者转化过程中由于蒸发作用引起的水量损失占补给源水量的7%。

关键词:氢氧同位素;地表水;地下水;瑞利蒸馏模型;黄土高原;丘陵沟壑区;韭园沟

项目名称:国家自然科学基金重点项目“黄土高原生态建设的生态－水文过程响应机理研究”(41330858)

随着我国经济的快速发展和人口压力的不断增大，水资源短缺问题日益凸显。黄土高原地区生态环境脆弱、气候干旱少雨、水土流失严重，在我国西北水资源匮乏地区极具代表性。流域作为独特的汇水单元，其水文循环特征对区域水资源的赋存形式和分布特征起着重要作用。降水降落至地面后转化为地表水、地下水，后两者又继续进行水量交换，且伴随蒸发以气态水形式返回大气中，这些过程贯穿在流域整个水文循环过程中［1 2］;因此，开展黄土高原地区流域各不同水体间的转化特征研究是建立区域水循环模式、揭示水资源形成机制、评价地下水资源及其更新能力的首要工作［3 4］。

环境同位素技术为当前流域水文方面的相关研究提供了新方法和新思路，与传统水文学方法相比，其在分析大气降水水汽来源及形成条件、判断地下水组成来源、估计土壤水蒸发下渗及地下水补给机理、分割河流流量变化曲线、区分基流与洪峰及比例等方面均有成功应用的先例［5 14］。

目前，基于氢氧同位素技术对内陆河流、平原地区、沙漠地区和南方喀斯特地区流域各水体间的转化特征研究已有诸多报道，而在黄土高原地区的相关研究还尚不多见。此外，蒸发因素既是研究水量平衡的重要参数，也是主要的水量支出项［15］，能够定量估算各水体在补给过程中由于蒸发作用导致的水量损失的相关研究更少见;因此，本文以陕西省绥德县韭园沟流域为研究对象，试图通过分析降水、沟道水和井水的氢氧稳定同位素特征，阐述各水体间的补给关系，估算补给过程中水量的蒸发损失，以期为黄土高原流域水量科学调度及水资源合理配置、高效利用提供借鉴。

1　研究区概况

陕西省绥德县韭园沟流域属黄土高原黄土丘陵沟壑区第一副区，是无定河中游一分支流域，位于E 110°16'～110°26'，N 37°33'～37°38'［16］。流域面积70.7 km2，主沟长18 km，流域海拔820～1 180 m。土壤类型主要为黄绵土，土壤质地疏松均匀，空隙较大。流域内梁峁起伏，沟壑纵横，地形破碎，200 m以上的支沟337条，沟道平均比降为1.2%，沟壑密度为5.34 km/km2。流域实施生态建设以来，共有林草面积:乔木林113.46 hm2、灌木林309.45 hm2、经济林516.03 hm2、人工种草451.45 hm2。其中，乔木林主要有刺槐(Robinia pseudoacacia)、油松(Pinus tabulaeformis)、旱柳(Salix matsudana)、小叶杨(Populus simonii)等;灌木林主要有小叶锦鸡儿(Caragana microphylla)、紫穗槐(Amorpha fruticosa)、杞柳(Salix integra)等;经济林以苹果(Malus pumila)、枣(Ziziphus jujuba)为主;草种主要有紫花苜蓿(Medicago sativa)、沙打旺(Astragalus adsurgens)等。该流域属半干旱大陆性气候，多年平均气温8℃，日照时数为2 615 h，无霜期150～190 d。据统计多年平均降雨量为475.1 mm，降雨年际变化大，年内分配极不均匀，汛期 7、8、9月降雨量占年降雨量的64.4%，且多以暴雨形式出现，一次暴雨产沙量往往占年产沙量的60%以上［17］。同时，该地区水资源短缺，农地灌溉难度极大，单纯依靠天然降水很难满足作物需求，人们生活用水、灌溉用水、生产用水大部分依靠井水，因此，造成地下水位持续下降。

2　材料与方法

2.1样品采集

本研究观测期为2014年9月15日至9月19日，期间有1次长历时小雨强连续降雨天气过程，累积降雨量25.6 mm。本次长历时降雨雨量虽小，却为当地粮食稳产、增产提供了重要保障。采样位置如图1所示。

图1　韭园沟采样点位置Fig．1　Locations of sampling sites in the studied area

为表征流域地表水和地下水氢氧同位素的沿程变化特征，于9月15日8时开始，从流域上游向下游进行全流域地表水(沟道水:R1～R13)与地下水(井水:J1～J6)水样的采集，采样间距基本控制在1 km，并使用手持GPS记录高程及经纬度。流域上游水井分布较多，所以为研究该流域各水体间转化特征，9月16日至19日连续4 d采集流域上游地表水(沟道水:R1～R4)与地下水(井水:J1～J6)，且尽量使每口水井附近都有1个沟道水样点。降雨期间除重复上述工作外，需同时收集雨水水样。所有样点都同时采集2个水样，作为重复。采集的水样用10 mL棕色玻璃试剂瓶盛装，拧紧瓶盖并用美国 Parafilm封口膜密封，及时放入冰箱冷藏，防止水分蒸发损失。

实验期间共采集地表水样58个，地下水样60个，降水样2个，基本能够代表整条韭园沟各水体氢氧稳定同位素特征。野外工作结束后，拷贝安装在1号水井北面坡面上的 DAVIS气象站(Vantage Pro2TM)的气象资料，以供研究所需。

2.2实验方法

样品采集后及时送回西安理工大学水资源研究所实验室，使用DLI100型液态同位素激光分析仪LGR LWIA(Los Gatos Research Inc．，USA)进行D、18O的测定，结果以同位素比率δ表示:

式中:δX为待测样品中同位素组成相对于标准参照物的千分偏差，‰;Rsample为样品中待测元素的重、轻同位素丰度之比;Rstandard为标准物质中待测元素的重、轻同位素丰度之比。此处，以维也纳海洋水 VSMOW(‰)为标准，δD和 δ18O测定精度分别为±1‰和±0.2‰。

2.3数据处理

将DAVIS气象站的气象资料分时段处理，以每次取样时间距同一样点的上次取样时间为1个时间段，将每时间段的气象数据的加权平均值作为本时段的最终气象数据。

本研究将沟道水和井水之间的补给过程假设为封闭系统中的平衡蒸发，利用Majjoube提出的水汽交换平衡条件下绝对温度T与18O和D分馏系数的回归方程和瑞利分馏方程估算此过程中损失的水量比例。

Majjoube提出的水汽交换平衡条件下绝对温度T与18O和D分馏系数aw－v的回归方程可表示为:

瑞利平衡分馏方程

式中:18aw－v和2aw－v分别为18O和 D的分馏系数;T为热力学温度，K;δ0和δ分别为初始水体和剩余水体中同种同位素的δ值，‰，如δD、δ18O;F为蒸发后剩余水体的摩尔数与初始水体的摩尔数之比，即蒸发度，量纲一，代表初始水体所受蒸发的程度。

3　结果与分析

3.1氢氧同位素特征

3.1.1大气降水线和蒸发线“大气降水线”是降水氢氧稳定同位素特征的直观表示方法;同样，将地表水、地下水等经过一定程度蒸发作用的水体的氢氧稳定同位素特征绘制于18O、D关系图中即为“蒸发线”。δ18O和δD构成的“蒸发斜率”是湿度的函数，可以反映水体经历的蒸发程度［18］。如图 2所示，将各水体的氢氧稳定同位素绘制于δD－δ18O关系图中以分析各水体氢氧同位素特征。

图2　韭园沟不同水体δD－δ18O关系Fig．2　Correlations between δD and δ18O at different water bodies in the studied area

此次降雨期间采集降雨水样2个，δD和 δ18O均值分别为 －65.78‰、－8.64‰。采用柳鉴容等［20］提出的西北地区大气降水线 δD=7.05δ18O－2.17(n=50，R2=0.95)作为该流域的当地大气降水线。由图2看出，此次采集的降雨水样落在当地大气降水线右下方，其降水线斜率、截距要比当地大气降水线小的多，说明短时间降水序列的氢氧同位素与全年降水存在差异，降水的动力分馏效应不同。一方面原因是该流域地处温带季风区，全年降水水汽来源不同，不同月份水汽氢氧同位素本身存在差异;另一方面，该流域四季分明，9月份正处在雨、旱季转换时期，温度、风速等气象因子通过影响降水的再蒸发过程而造成同位素分馏程度与全年平均水平不同。

由图2可知，韭园沟沟道水δD与 δ18O之间具有显著的线性关系，且其蒸发线方程EL-1为:δD= 5.40δ18O－20.34(n=13，R2=0.99)，截距和斜率均小于当地大气降水线。采样期间最大日降水量为21.4 mm，没有地表径流的产生，说明沟道水多为前期历史降水转化而成，而且转化过程中经历了较为强烈的蒸发作用。此外，结合表1可看出，井水氘盈余d和标准差较沟道水都小，说明井水与沟道水经历的蒸发程度不同，井水氢氧同位素更稳定。

3.1.2氢氧同位素的时间变化由韭园沟沟道水和井水氢氧稳定同位素特征分析(表1)可知同一水体δD和δ18O的标准差差异较大，亦即两者的离散程度不同，反映 D和18O在沟道水蒸发分馏过程中活性的差异且18O比D更稳定，此现象为同位素蒸发分馏过程中对质量效应的响应。因18O相对于D更稳定，而且两者具有高度线性关系，所以本文选择18O来表征沟道水和井水中氢氧同位素的时间变化和沿程变化特征。

表1　沟道水和井水同位素特征Tab．1　Isotopic characteristics in gully-channel water and well water　　‰

整体而言，沟道水δ18O随时间变化呈现先减小后增大的趋势，且9月16日出现最小值。结合图3中各气象因子变化情况可知9月16日流域降雨量达到期间最大21.4 mm，降雨氢氧同位素相对沟道水较贫化，且随着降雨历时的延长贫化现象越明显(降雨量效应)，雨水与沟道水混合最终导致沟道水δ18O出现最小值。9月17日后，气温升高、风速增大，两者会加剧沟道水的蒸发分馏作用，使沟道水18O逐渐富集。井水 δ18O随时间变化不大，此现象和表1中沟道水与井水的标准差所得到的结果一致，原因为井水是多年“老水”的混合，且长期埋藏于地下，受外界环境扰动较小。

图3　韭园沟主要气象因子时间变化Fig．3　Variations of main meteorological factors over time in the studied area

图4　沟道水、井水氢氧同位素时间变化Fig．4　Variations of δ18O with date in gully-channel water and well water

3.1.3氢氧同位素的沿程变化将流域不同样点的沟道水和井水δ18O按照从上游到下游的顺序绘制于图中，结果如图5所示。

图5(a)中，沟道水从上游到下游同位素浓度有升高的趋势，δ18O变化幅度为5.81‰(表1)，证明沟道水沿程蒸发效应增强;同时整体呈现出2个峰值，分别是R5～R10和R11～R13。第1个峰值出现的主要原因是韭园沟流域上游沟道较窄，最窄处不及1 m，而在R4之后沟道变宽，流速变慢，且沟底着生有大量水生植被，对沟道水的滞留作用使得同位素更加富集。第2个峰值较第1个峰值变幅更大，变幅达到±1.49‰，其最主要原因是R10与R11之间建有一钓鱼俱乐部，该俱乐部利用地势优势截留沟道水，形成一小型水库。大量沟道水被滞留于水库后，长时间经历蒸发分馏作用，逐渐成为富集重同位素的“老水”并流向下游，导致R11～R13峰值极高。

由图5(b)看出:相对于地表水而言，井水δ18O沿程略有升高，原因可能是地下水的传输方向是从上游输向下游。此外，井水δ18O沿程波动性较小，变幅为±0.77‰(表1)，这是因为井水长期滞留于地下，空间相对封闭，外界环境对其没有显著影响。3.2各不同水体间的补给关系

图2中沟道水与井水的联合蒸发线方程EL-2 为:δD=5.33δ18O－20.89(n=19，R2=0.98)，沟道水和井水均分布于两者联合蒸发线EL-2的附近，沟道水沿直线均匀分布，而井水分布较集中，主要聚集在蒸发线EL-2中部位置。两者分布位置的不同反映沟道水与井水受到的非平衡分馏作用存在差异。蒸发线EL-1和EL-2斜率、截距相近，表明该流域沟道水和井水具有相同的补给源。通过研究流域水文地质构造，发现该地区不存在地下断裂带，基本可以排除外援地下水向该流域的汇流。此外，上游井水(J1～J6)相对于上游沟道水(R1～R4)而言氢氧同位素更加富集，说明上游地区沟道水与井水的补给关系以沟道水向井水的单向排泄补给为主，且沟道水补给井水后存在较为强烈的二次蒸发，使井水位置沿联合蒸发线急剧上移，可以定性推论出两者的转化过程缓慢、传输时间较长。

图5　沟道水(a)、井水(b)氢氧同位素沿程变化Fig．5　Variations of δ18O along the path in gully-channel water(a)and well water(b)

“蒸发线”与“当地大气降水线”的交点有着良好的指示意义:表示地下水初始补给源的同位素特征，亦即能够有效补给地下水的大气降水加权平均值。通过联立EL-2方程与LMWL方程得出二者的交点为(－11‰，－79.80‰)，也就是对于地下水所能起到补给作用的大气降水的氢氧同位素加权平均值为:δ18O=－11‰，δD=－79.80‰。

3.3补给过程中蒸发损失的水量

降水从雨滴形成到最终转化为地下水的过程中，每时每刻都在受蒸发作用的影响。利用瑞利蒸馏模型，可以定量研究流域地表水与地下水相互补给过程中由于蒸发引起的水量损失。根据实测水温，沟道水与井水温度都在15℃左右，换算成绝对温度为288.15 K。将T=288.15 K分别代入式(1)和式(2)，计算出18O和D的分馏系数，得:

由于井水水样全部取自流域上游地区，所以选取流域上游距离各井水样点较近的沟道水(R1～R4)作为初始水体，其氢氧同位素加权平均值为:

上游井水(J1～J6)作为剩余水体，其氢氧同位素加权平均值为:

将式(4)(6)(8)和式(5)(7)(9)分别代入方程(3)，求得:

所以，采用18O和 D计算的结果分别为8%和6%。两者存在较小差异，原因是18O和D在分馏过程中活跃程度不同，在相同条件下，水中氢元素的分馏程度比氧元素的大。取18O和D计算结果的平均值作为最终结果，即沟道水在补给井水过程中蒸发损失的水量占补给源水量的7%。

4　结论

1)通过分析韭园沟流域沟道水与井水的 δD－δ18O关系，得到流域沟道水的蒸发线方程为:δD= 5.40δ18O－20.34，沟道水和井水的联合蒸发线方程为:δD=5.33δ18O－20.89。井水氢氧同位素相对于沟道水较富集且稳定，降水、气温、风速等气象因子会对沟道水氢氧同位素产生强烈影响，但对井水影响较弱。

2)通过比较韭园沟流域大气降水线和蒸发线特征，得出韭园沟流域沟道水与井水具有相同的补给水源，两者均来源于大气降水，对于地下水所能起到补给作用的大气降水的氢氧同位素加权平均值为:δ18O=－11‰，δD=－79.80‰;

3)通过分析韭园沟流域上游沟道水与井水的氢氧同位素特征，明确两者的补给关系以沟道水向井水的单向排泄补给为主，且转化过程缓慢、水传输时间较长。并且，运用水汽交换平衡条件下绝对温度T与18O和D分馏系数的回归方程和瑞利平衡分馏方程，估算两者转化过程中由于蒸发作用引起的水量损失占补给源水量的7%。

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Characteristics of waters transformation in the hilly and gully regions of the Loess Plateau:

A case study of the Jiuyuangou Watershed
Wang He1，Li Zhanbin2，Ma Bo1，Xiao Junbo1，Zhang Letao2
(1．State Key Laboratory of Soil Erosion and Dryland Farming on the Loess Plateau，Institute of Soil and Water Conservation，Northwest A＆F University，712100，Yangling，Shaanxi，China;2．State Key Laboratory of Soil Erosion and Dryland Farming on the Loess Plateau，Institute of Soil and Water Conservation，CAS＆MWR，712100，Yangling，Shaanxi，China)

Abstract:［Background］The Loess Plateau，which is characterized by weak ecological environments and scarce water resources，is located in the Northwest of China．Due to the development of economy and increment of population，this region has been faced with the increasing pressure of water resources shortage．In order to achieve the scientific allocation and efficient utilization of water resources in watershed，itisofgreatsignificancetoconducttheinvestigationsoncharacteristicsofwaters transformation in the area．［Methods］As typical case for study，the Jiuyuangou Watershed，which is located in Suide County，Yulin City of Shaanxi Province，was selected to investigate the characteristics of waters transformation in the loess hilly and gully regions．Precipitation samples，gully-channel water samples and well water samples were collected and tested to quantify the compositions of the hydrogen and oxygen isotopes in each water during Sept．15 to 19，2014．［Results］By analyzing the relationships between δD and δ18O in the gully-channel water and well water of Jiuyuangou，it was found that theevaporation line equation of gully-channel water was EL-1:δD=5.40 δ18O－20.34(n=13，R2= 0.99)，and the evaporation line equation of the gully-channel water and well water was EL-2:δD= 5.33δ18O－20.89(n=19，R2=0.98)．Additionally，the temporal and spatial variations of δ18O in gully-channel water and well water were illustrated in the paper．It was visualized that the δ18O in gullychannel water on Sept．16 was the lowest during the period of sampling，and the δ18O in gully-channel water increased progressively from the upper to the lower reaches of Jiuyuangou Watershed．The δ18O of well water tended to be more positive and more stable than that of gully-channel water．The impacts of rainfall，air temperature and wind speed on the variation of δ18O in gully-channel water was greater than that on the variation of δ18O in well water．It was concluded that the surface water and ground water in Jiuyuangou Watershed were both supplied by atmospheric precipitation．The weighted average value of hydrogen and oxygen stable isotopes in precipitation which could effectively recharge the ground water was δ18O=－11‰ and δD=－79.80‰ respectively．Besides，the gully-channel water and well water in the upper reaches presented a similar evaporation trend with similar slope and intercept，implying that there was some degree of transformation between them．Furthermore，the main transformation relationship between the gully-channel water and well water was characterized by unidirectional recharge from the gully-channel water to the well water with a slow recharge rate，indicating that the retention time of the water in Jiuyuangou Watershed was longer．［Conclusions］Finally，based on the above results，water loss caused by evaporation in the transformation process between the gully-channel water and well water is also calculated using Rayleigh distillation model and regression equation between absolute temperature T and fractionation factor18αw－vand2αw－vwith an assumption that the water vapor exchange is equilibrated．The estimated result shows that the gully-channel water will lose 7%during the transformation process．

Keywords:hydrogen and oxygen stable isotopes;surface water;ground water;Rayleigh distillation model;the Loess Plateau;loess hilly and gully region;Jiuyuangou

中图分类号:P344;P342;P641

文献标志码:A

文章编号:1672-3007(2016)03-0019-07

DOI:10．16843/j．sswc．2016．03．003

收稿日期:2015 09 23修回日期:2016 04 01

第一作者简介:王贺(1989—)，男，硕士。主要研究方向:流域生态水文。E-mail:guixiong@nwsuaf．edu．cn

通信作者†简介:李占斌(1962—)，男，博士，研究员。主要研究方向:土壤侵蚀与水土保持。E-mail:zhanbinli@126．com