鄱陽湖流域河水、湖水及地下水同位素特征分析

陳建生,彭 靖,詹瀘成,張時音

(1.河海大學地球科學與工程學院,江蘇 南京 210098; 2.河海大學巖土工程科學研究所,江蘇 南京 210098)

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鄱陽湖流域河水、湖水及地下水同位素特征分析

陳建生1,2,彭 靖1,詹瀘成2,張時音1

(1.河海大學地球科學與工程學院,江蘇 南京 210098; 2.河海大學巖土工程科學研究所,江蘇 南京 210098)

鄱陽湖流域;河水;湖水;井水;穩定同位素;特征分析

鄱陽湖是中國第一大淡水湖。三峽蓄水改變了長江天然的流態,對鄱陽湖水位有一定影響。三峽水庫的汛末蓄水將導致湖區水位下降0.3～1.2 m[1-2]。1949年以來實施的圍墾,對鄱陽湖水位有明顯影響,并且造成鄱陽湖水域面積呈逐漸縮小的趨勢[3],同時還伴隨著大量的土地沙化、水土流失、湖區濕地退化、濕地植被嚴重退化、洪澇災害日益頻繁等生態問題,鄱陽湖流域生態環境的退化對長江水系造成了不可挽回的嚴重影響[4-5]。

降水是鄱陽湖湖水的主要補給源,一部分降水形成了地表徑流,另一部分則入滲轉化成為土壤水或地下水。對于地表徑流,根據蓄滿產流理論,當降水入滲土壤水達到飽和時,產生地表徑流;但當降水強度較大時,土層的滲透系數小于降水速率,則發生超滲產流,形成地表徑流。鄱陽湖流域這兩種原因形成的地表徑流都存在,尤其在雨季,超滲產流是地表徑流的主要形式。而在鄱陽湖地區,除了地表徑流以外,大部分降水直接入滲轉化為地下水。前人利用同位素技術對鄱陽湖流域的徑流進行研究，結果表明,鄱陽湖流域河水由23%的直接徑流(降水)和77%的基流(淺層地下水)組成[6]。在不同季節條件下,地表徑流與基流的關系隨著降水量、蒸發量的變化而改變,降水、地表水、地下水之間的復雜轉換過程仍然需要進一步的研究。

1 鄱陽湖流域概況

鄱陽湖位于115°47′～116°45′E,28°22′～29°45′N之間,流域面積約為16.2萬km2。湖泊分為南北兩部分,以都昌和吳城間的松門山為界,其西北為北湖,湖面狹窄;其東南為南湖,湖面遼闊,是湖區主體。鄱陽湖流域河流縱橫交錯,水系發育錯綜復雜,主要水系由贛江、撫河、信江、饒河、修水5條河流組成(圖1),這5條河流匯集到鄱陽湖之后流速逐漸變緩。由于鄱陽湖特殊的斷陷盆地構造,顯著的水體入侵河谷、階地的地貌特征[12],加上湖泊連接長江的河道較窄,湖泊水經過一段時間的滯留后,最終由湖口匯入長江,造成鄱陽湖湖水面積出現季節性的周期變化,湖泊面積最大時可達4 000 km2,最小時不足500 km2。鄱陽湖與長江之間存在著密切的關系,湖泊的蓄水量隨著長江水位的升高而增加,“江漲湖蓄”是江湖關系的主要特征。

圖1 鄱陽湖區域采樣點分布

鄱陽湖流域屬于亞熱帶濕潤季風性氣候,降水主要受亞洲夏季季風和西伯利亞冬季高壓冷槽控制[13]。冬季多寒冷氣流,夏季高溫濕潤,年降水量在1 400～1 900 mm之間,降水受季風影響一年內雨量分配不均,主要集中在3—6月,約占全年降水量的一半。年平均氣溫為17.4℃,7、8月氣溫最高,極端最高氣溫40.6℃,1、2月氣溫最低,極端最低氣溫-11.9℃。鄱陽湖流域地勢南高北低,北部為由5大水系沖積而形成的平原地區[14]。5大河流中贛江是鄱陽湖水系第一大河,流量最大。贛江、信江、撫河是供給鄱陽湖水量的最主要的3條河流,三者徑流量之和超過總入湖徑流量的80%。

2 采樣點分布及實驗數據分析方法

鄱陽湖濕地是湖泊型、過水型濕地,主要接受降水形成的地表徑流與地下徑流補給,水位變化劇烈明顯,湖水中的同位素響應與水位變化存在相關關系,地下水中同位素的變化與湖水的水力聯系有關,成為研究地下水補給、徑流、排泄的主要依據。為了研究鄱陽湖流域降水、河水、湖水、地下水之間的轉化關系,筆者根據降水同位素受季風影響出現年度周期性變化的特征,選擇降水同位素變化較為明顯的季節進行采樣分析,同時考慮到降水量的變化,采樣選在雨季開始的4月與雨季結束的7月。2013年4月中旬和7月下旬筆者兩次赴鄱陽湖流域采集樣品。針對降水、河水、湖水與地下水之間的補給、徑流、排泄關系,選取了有代表性的入湖河水和附近地區的淺層井水。由于鄱陽湖區域水系復雜,支流繁多,考慮到水樣應具有一定的代表性,所以采樣主要針對鄱陽湖湖體和較大一級的支流,采樣點選在每個支流入湖的河口附近,并同時采集河口附近井水樣。由于鄱陽湖面積變化很大,湖區內部水流受到河流與降水的影響,同位素數據的離散程度較高,分析存在一定的困難,為了能得到混合均勻的湖水,選擇在湖泊出口處定點采樣,因為出口處的湖水基本上充分混合了,可作為典型的湖水值。2013年4月9—15日采集樣品長江水3個、河水10個、湖水5個、井水6個;7月23—30日采集樣品長江水4個、河水14個、湖水4個、井水9個,兩次共計采樣55個,鄱陽湖區域采樣點分布見圖1。圖1中樣品標號的第一個字母代表采樣時間與水樣種類,大寫字母C,L,R,W分別代表4月份的長江水、湖水、河水與井水,而小寫字母c,l,r,w分別代表7月份的長江水、湖水、河水與井水。

3 水樣同位素分析

3.1 鄱陽湖流域降水同位素分析

由于鄱陽湖沒有常年的同位素觀測站,因此采用鄰近的長沙站的降水同位素加權平均值進行對比分析。長沙觀測站位于鄱陽湖西南部大約300 km處,其觀測結果表明,降水同位素主要受季風影響[15]。由于鄱陽湖的位置更靠近東海,兩地之間沒有能夠影響降水過程的高大山脈,降水的同位素特征基本上是相同的,華南地區的降水都遵從這種分布規律[16-18]: 4—6月屬于雨季,降水量集中,9—12月為旱季,降水同位素在6—9月貧化,其余月份相對富集。鄱陽湖流域周邊的長沙、武漢、南京的降水同位素相似,數據全部來自于全球大氣降水穩定同位素監測網(GNIP)。所以,筆者采用長沙的降水同位素與鄱陽湖的河水、湖水與地下水進行對比分析。

圖2 長沙地區月降水量、氘氧同位素變化特征

圖3 鄱陽湖流域4月份、7月份樣品～δD關系

3.2 鄱陽湖流域水樣同位素分析

3.3 豐水期各類水體之間的轉化關系

3.4 干旱期河流、湖泊與地下水之間的轉化關系

2013年夏,鄱陽湖出現嚴重干旱少雨的極端天氣,1—6月水位與歷史同期水位相差不大,但是總體小于歷史同期;7—12月水位較歷史平均水位下降明顯;湖水面積與鄱陽湖水位正相關,也呈現同樣的變化趨勢。2013年鄱陽湖持續干旱,最嚴重的縣市崇仁縣、武寧縣干旱持續時間達37 d(7月14日—8月20日)。干旱造成了鄱陽湖水位急劇下降,星子站的水位自7月3日的16.96 m到8月22日的13.62 m,累積下降了3.34 m。

4 討 論

5 結 論

a.鄱陽湖地區雨季出現在3—6月,降水中的氘氧同位素富集,夏季的降水同位素貧化;將降水中周期性變化的同位素關系作為天然示蹤劑,是一種很好的研究短周期降水入滲的方法,成功地應用于鄱陽湖流域地表水、地下水、河水與湖水之間的轉化關系的研究。

b.地表水同位素受到前期降水累積作用的影響,4月份的地表水同位素值與2—3月份降水同位素平均值較接近,而7月份的地表水同位素值接近6月份降水同位素平均值,地表水的來源均為大氣降水。

c.雨季鄱陽湖對長江的補給量大,匯入長江的水影響到水中的同位素變化;旱季長江補給鄱陽湖流域的地下水,但影響范圍有限;在干旱期間,長江水受到的蒸發強度很大,鄱陽湖水對長江水的同位素影響很小,鄱陽湖向長江的輸水量較小。

d.鄱陽湖流域的降水大部分入滲到松散的含水層與巖體裂隙中,降水入滲土壤后很快下滲成為潛流,河流中的氘氧同位素與潛水中的基本上相同,表明河水與地下水之間的轉化頻繁;降水直接形成地表徑流量較小,河流與地下水互補的特性,對于抑制洪水起到了一定的作用,而且有利于枯水期河流仍然保持一定的徑流量。

e.同位素數據表明,河水同位素與降水相比存在1個月左右的滯后現象,由此推斷鄱陽湖流域的降水在入滲地下成為潛水后,大約要經過1個月的時間才能補給到河流中;但是湖泊周圍的降水補給到湖泊的時間相對較短,因為周邊地層的滲透性較小,降水容易形成地表徑流直接入湖。

f.鄱陽湖流域雨季地表水受到蒸發程度較小,大部分降水都能入滲到地下成為潛流;在持續高溫少雨的旱季,河水與湖水受到的蒸發程度很強,隨著河流與湖泊水位的降低,地下水向河流與湖泊補給,地下水位隨著湖泊水位的下降而急劇下降,地表水與地下水的水質變差。

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·會訊·

會議預告

2015年10月下旬，中國水利學會環境水利專業委員會2015年年會暨“水生態文明建設理論、技術及管理”學術研討會、《水資源保護》第八屆編委會會議、《水資源保護》理事會會議將在河海大學召開。

中國水利學會環境水利專業委員會2015年年會暨“水生態文明建設理論、技術及管理”學術研討會的主辦單位是中國水利學會環境水利專業委員會、水利部水利水電規劃設計總院和河海大學，承辦單位是《水資源保護》編輯部、河海大學環境學院以及七大流域水資源保護局，協辦單位有河海大學淺水湖泊綜合治理與資源開發教育部重點實驗室、江蘇省水利學會水環境與水生態專業委員會。

中國水利學會環境水利專業委員會2015年年會暨“水生態文明建設理論、技術及管理”學術研討會的報名處在水利部水利水電規劃設計總院，聯系人：康珍 010-63206231，13520668825，張建永 010-63206465，13810223226，E-mail：kangzhen@giwp.org.cn；《水資源保護》第八屆編委會會議、《水資源保護》理事會會議的報名處在《水資源保護》編輯部，聯系人：彭桃英，電話：025-83786642，13770823281, E-mail:bh1985@vip.163.com。3個會議回執均可在《水資源保護》網站信息公告欄下載，網址是http://www.hehaiqikan.cn/szybh/ch/index.aspx.

歡迎相關人員積極參會，踴躍報名。

Analysis of isotopes characteristics of river water, lake water and groundwater in Poyang Lake Basin

CHEN Jiansheng1, 2, PENG Jing1, ZHAN Lucheng2, ZHANG Shiyin1

(1.SchoolofEarthScienceandEngineering,HohaiUniversity,Nanjing210098,China;2.GeotechnicalResearchInstitute,HohaiUniversity,Nanjing210098,China)

Poyang Lake Basin; river water; lake water; well water; stable isotope; characteristics analysis

10.3880/j.issn.1004-6933.2015.04.001

國家重點基礎研究發展計劃(973計劃)(2012CB417005);國家自然科學基金(61301025)

陳建生(1955—),男,教授,博士生導師,主要從事同位素水文學研究。 E-mail:jschen@hhu.edu.cn

詹瀘成,博士研究生。E-mail:zhanhucheng@126.com

P343

A

1004-6933(2015)04-0001-07

2015-01-07 編輯：徐 娟)