闫少锋，刘移胜，刘昱

（湖北省水利水电规划勘测设计院，湖北武汉 430064）

1 研究背景

全球化的水资源短缺正严重威胁着世界各国，能否合理利用和有效保护水资源主要取决于人类对水循环的认识水平。降水是水循环中的一个重要的环节，降水中的氢氧同位素与气候以及水循环有密切的关系，且已广泛的应用于水文学的研究中。同位素水文学是水文学发展到20 世纪50 年代产生的基于环境同位素技术研究水循环的学科分枝，是运用水分子中天然存在的环境同位素进行研究水循环要素的技术手段。

水在大气系统、地表水（海、湖、河）系统和地下水系统之间的运移转化过程中，水中的氢氧稳定同位素（δ18O、δD）在每一阶段都具有不同的特征，这就为研究水文循环过程提供了可靠的信息。通过这些差异，可以判断地下水、地表水的补给来源，分析形成大气降水的水蒸气的来源，从而为认识水的形成、运动及其成分变化机制提供重要的依据，为合理利用宝贵的水资源奠定基础［1］。Graig 于1961 年提出全球大气降水线（Global Meteoric Water Line，简称GMWL）的概念：在全球水循环蒸发、凝结过程中出现的同位素分馏，导致大气降水的D 和18O 组成呈线性相关变化，这一规律表示为：δD=8δ18O+10‰，它对于研究水循环过程中稳定同位素的变化具有重要意义［2］。之后，Coplen 根据国际原子能机构（International Atomic Energy Agency，IAEA）全球台站降水，将年平均δ 值加权修正为［3］：δD=8.2δ18O+10.8。

不同地区都有反映各自降水规律的降水线，即地区大气降水线（Local Meteoric Water Line，简称LMWL），受大尺度海洋、大气环流以及近地面气象条件影响，LMWL 是变化的。高宗军等人对中国多个地区的大气降水线的差异进行了分析［4］。黄天明基于GNIP 网降水资料计算了中国西部地区的大气降水线方程，并分析了降水中氢氧同位素的温度效应、地理效应等［5］。郝玥对北京地区大气降水的氢氧同位素进行了分析，确定了区域大气降水线，并对本区域降水的来源进行了分析［6］。大气降水中稳定同位素的组成主要受雨滴凝结时温度和降水水汽来源的控制，其明显表现为降水同位素组成因地理和气候因素差别而异。降水同位素组成变化很大，随空间、时间而异，故世界各地不同地区的降水方程往往偏离全球性方程。为了更确切地了解一个地区的水循环规律，研究地区降水线是必不可少的［7］。

2 研究区域

以汉北流域为研究对象，其位于湖北省中南部，为湖北省经济社会的核心区。研究范围左起天门河拖市镇，右至新沟闸，此区间内的河流包括天门河、汉北河两大主要河流，并包含天门河下游汈汊湖水系的汈汊湖北支、南支以及由北面入流汉北河的溾水、大富水等河流。水样采集点分布情况如图1所示。

图1 汉北河流域水系及同位素取样点示意图Fig.1 Schematic diagram of isotope sampling points in Hanbei River Basin

研究流域属于北亚热带湿润性季风型大陆性气候，气候温暖湿润，四季分明。根据各站1956-2020年气象资料统计，研究区域多年平均气温16.0 ℃，高温期一般为5-9月，年蒸发量1 300～1 500 mm。1月份的平均气温最低，约为2 ℃，7月平均气温最高，为29 ℃，年内温差大，冬夏气温悬殊。多年平均降水量1 050 mm，降水年际变化大，年内分配不均，汛期5-9 月降水量占全年的70%左右。

3 研究方法与数据资料

3.1 样品采集

（1）水样采集。本研究水样采集分2 次进行：第一次于2017 年9 月下旬进行，第二次于2018 年4 月下旬进行，2 次水样采集均进行了同时间段的降水同位素测定。采样点分布于汉北流域及汉江的7 条河流，包括汉江、汉北河、天门河、天北干渠、溾水、大富水以及府寰河。所采水样主要包括河水水样、地下水水样与降水水样。在降水发生前，将干净容器置于采样地点，进行降水收集，收集完成后将降水收集至取样瓶中，并保证所取水样中无空气混入，河水水样均为实时采样。完成河水、地下水、降水取样后，水样瓶均带回实验室并冷藏处理。

（2）土壤样品采集。在河水取样点的附近，选择合适位置进行土壤采样。共分为5 层进行采样，土壤表层0～10、10～20、20～25、25～30、30～35 cm 分别采集样品，表层土壤采样层设定为10 cm，底层土壤的采样层设定为5 cm，以保证实验分析的精准。土壤样品利用洛阳铲进行采集，装入土壤收集瓶，并置于避光潮湿的地方，以防止发生同位素的分馏。

3.2 水样测定

水样的氢氧稳定同位素在武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室稳定同位素分析实验室测定，采用MAT253同位素比质谱仪连接Flash EA/HT 元素分析仪，分别测定处理过的水样中的δ18O 和δD，δ18O 和δD的仪器分析精度分别为0.2‰和2‰。测定水样氧氧同位素之前，先将水样经0.22 μm滤头过滤，然后装入1.5 mL进样瓶中。

为了便于比较，国际上规定统一采用待测样品中某元素的同位素比值与标准物质的同种元素的相应同位素比值的相对千分差作为量度，记为δ值，对于D 和18O 来说，其通用标准为维也纳标准平均海水（Vienna Standard Mean Ocean Water，VSMOW），有如下公式：

δ的单位以千分值表示，即“千分之”或“‰”。当δ18O、δD为正值时表示样品比VSMOW 标准富集18O、D；同理当δ18O、δD 为负值时表示样品较VSMOW标准贫化18O、D［8］。

4 研究结果

4.1 汉北流域地区大气降水线

由于本研究区域涉及范围较大，且范围内没有常年的同位素观测站，长期的降水样的采集比较困难，收集到的降水样品有限，因此分析研究区域降水同位素确定大气降水线的过程中，同时还与邻近的武汉地区的大气降水线进行了对比分析，以确保数据准确。邓志民根据1986-2013年降水同位素数据建立的武汉地区的大气降水线（Wuhan Meteoric Water Line，WHMWL），方程为δD=8.29δ18O+7.44（R2=0.93）［9］。在本研究，每批采取降水样品19个，取样点均在汉北流域研究区域范围内。图2 所示，为2 个批次降水的氢氧同位素值、全球大气降水线GMWL、武汉地区的大气降水线WHMWL 以及基于降水水样氢氧同位素值拟合的汉北流域大气降水线（Hanbei Meteoric Water Line，HBMWL），HBMWL 方程为：δD=8.44δ18O+7.88（R2=0.99）。图2 可见，本研究区域的大气降水线与武汉大气降水线几乎完全贴合，二者斜率、截距均相差不大。

图2 实测降水氢氧同位素组成和武汉市大气降水线Fig.2 Measured hydrogen and oxygen isotopic composition of rainwater and meteoric precipitation line in Wuhan city

与全球大气降水线比较，汉北流域、武汉地区的大气降水线斜率与截距存在一定程度的偏移，反映出不同地区大气降水云汽的形成来源的不同及降水云汽在运移过程中环境条件的差异［4］。据研究，如果截距大于10 则意味着降水云气形成过程中气、液两相同位素分馏不平衡的程度偏大，小于10 则表明在降水过程存在蒸发作用的影响，可见，汉北流域、武汉地区降水受蒸发作用的影响较为明显［10］。

不同地区的大气降水线与全球大气降水线在斜率有不同程度的偏移，反映出各地大气降水云汽的形成来源的不同及降水云汽在运移过程中环境条件的差异。在全球范围内，海洋水汽经冷凝后形成的降水中18O 含量关系近似于全球大气降水线，而由内陆水源再次蒸发所得到的水汽中18O 含量比海洋水汽高，并且由于18O/16O 动力分馏作用比D/H 的程度强，使得内陆水汽中18O 含量更加贫化。在18O 要比D 会更贫化的情况下，内陆地区大气降水线（Meteoric Water Line，MWL）方程的斜率（即K＝δD/δ18O）较之沿海湿润地区的要更小［4］。图3 所示，汉北流域地区的δD 和δ18O 关系点均在全球大气降水线的右下方，汉北流域降水的环境同位素值与全球平均结果相比，受分馏作用影响较为明显，降水主要来源于内陆地区［11］。

图3 2017年9月、2018年4月地表水同位素与大气降水线Fig.3 Surface water isotopes and meteoric precipitation lines in September 2017 and April 2018

4.2 不同水体转化比率分析

自然界水循环中，不同水体之间的相互转化复杂，为了更好的利用和开发有限的水资源，往往需要了解它们之间相互转化关系和转化量。

通常，河流径流主要来源为降水、冰雪融水、土壤水和地下水，由于汉北流域地区冰雪融水所占比例极小，故忽略不计。汉北流域大气降水以坡面流的形式补给河水和以入渗的形式补给土壤水和地下水，入渗补给的地下水再通过侧渗补给河水，河流水体在流动的过程中受到蒸发作用的影响，再以水蒸气的形式返回大气，完成了不同水体的循环。研究区域河流水体的主要补给来源为大气降水和地下水，同位素混合比公式为［12］：

式中：X为M 型水和N 型水的混合比；δ样品为混合后样品的氢氧同位素值（δD 或δ18O）；δM为M 型水的氢氧同位素值（δD 或δ18O）；δN为N型水的氢氧同位素值（δD或δ18O）。

本研究中，两次水样测定的数据结果显示：第一次的大气降水、地下水、河流水体以及土壤水δ18O 值分别为-8.38‰、-5.21‰、-6.42‰、-6.71‰；第二次的大气降水、地下水、河流水体以及土壤水δ18O 值分别为-2.17‰、-4.9‰、-3.77‰、-3.5‰。在此基础上对河流水中各类型水的占比进行计算。

（1）大气降水占比。在大气降水占比的计算中，大气降水为M 型水，地下水为N 型水，河流水体为混合型水，根据式（3）可得：

由式（4）可计算出2017 年9 月与2018 年4 月河流水体中大气降水分别占比41.4%、39.8%，通过以上计算只能半定量计算出河流水体中大气降水占比约为38.2%。

（2）土壤水占比。在计算降水补给土壤水计算中，大气降水为M 型水，河流水为N 型水，土壤水为混合型水，根据公式（4）计算得出，两次测定中大气降水补给土壤水比例分别为14.8%与16.9%，平均占比约为15.8%。

（3）河流水中地下水的占比。地下水占比计算中，地下水为M 型水，土壤水为N 型水，地河水为混合型水，基于式（4）计算，得出河流水中地下水占比分别为19.3%、19.3%，平均占比约为19.3%。

（4）δD验证。利用两次同位素的δD数据进行相同的计算，结果显示：大气降水、地下水、河流水体以及土壤水结果分别为：-63.2‰、-37.1‰、-46.8‰、-48.9‰ 与-11.1‰、-33.9‰、-24.3‰、-22.0‰。利用公式2 计算结果显示：河流水中大气降水占比约为39.6%、土壤水占比约为15.1%，地下水占比约为18.6%。

结果显示，利用同位素δD 与δ18O 数据的计算结果基本一致，结果可靠性较高。

5 结论

基于2017、2018 年收集的降水、河水以及地下水的水样同位素数据，研究了汉北流域水环境同位素大气降水线以及不同水体转化比率，得出以下几点结论。

（1）汉北流域降水线方程为δD=8.44δ18O+7.88，与全球大气降水线比较，汉北流域的大气降水线斜率与截距存在一定程度的偏移，斜率偏大，截距偏小，汉北流域降水受蒸发作用的影响较为明显。

（2）对比2017 与2018 年的同位素数值，结果显示汉北流域降水更容易受到蒸发的影响发生同位素动力分馏效应（不平衡蒸发）。2017 年9 月地表水水样同位素均小于2018 年4月，即雨季径流环境同位素结果较春季低，这与降水的环境同位素具有相同的变化趋势，表明径流中环境同位素受降水的影响，反映了汉北流域内不同季节受不同降水云团控制，具有明显的季节效应。

（3）汉北流域不同水体转化率计算结果显示，河流水中大气降水占比约为38.2%、土壤水占比约为15.8%、地下水占比约为19.3%。利用δD 数据进行验证，结果显示，同位素δD 与δ18O数据的计算结果基本一致，结果可靠性较高。