怒江源區那曲流域夏季降水與河水穩定同位素特征分析

董國強，翁白莎，嚴登華，王 浩

(1.東華大學環境科學與工程學院，上海 201620；2. 中國水利水電科學研究院 流域水循環模擬與調控國家重點實驗室，北京 100038)

0 引 言

由于蒸發和凝結等作用，自然界中的水體在水循環過程中發生不同程度的同位素分餾，且分餾程度主要受控于氣溫、相對濕度、地形地貌和緯度等因素，可以據此研究降水和地表水蒸發及混合[1]和水文循環[2]等。自然水體中的氫氧穩定同位素(D和18O)是區別于水體中不同介質的理想指標，能夠對環境條件變化做出靈敏地響應和反映自然水體在水循環過程中穩定同位素的分餾作用[3]。

在水文循環過程中，水中穩定同位素的產生的規律性變化，主要是多種因素相互作用的結果以及因物理條件(如降水、蒸發等)改變導致同位素發生分餾作用。降水中δ18O和δD的時空變化，不僅受氣候因子(氣溫、大氣濕度和降水量等)的影響，還受到區域大氣水汽來源及水汽傳輸過程的影響[4]。不同來源的水汽具有不同的同位素組成特征，而水在循環過程中的蒸發和擴散作用等會引起同位素的分餾，因此可以通過水體中氫氧同位素組成變化來揭示降水水汽來源、示蹤水循環過程[5]。

我國是世界上季風氣候最顯著的國家之一，每年6-9月青藏高原地區盛行西南季風，降水豐沛，對青藏高原降水中穩定同位素的研究發現，青藏高原西南季風最北可達唐古拉山附近[6]。受控于氣候和水汽來源等因素，降水中穩定同位素的波動范圍較大，用降水來建立δ18O與海拔的關系不確定性較大；由于降水、冰雪融水、地表蒸發與蒸騰等因素的作用，消除了季節等因素的影響，河水中穩定同位素能較好地反映同位素與海拔的關系[7,8]。

由于各種氣候與地理因素的影響，高原上降水與河水的δ18O和δD特征存在空間變化差異，這些差異能夠很好地解釋區域氣候和水文過程[9,10]。目前，許多科研工作者已經對青藏高原水體中穩定同位素開展了研究。田立德等[11]研究了那曲河流域河水的δ18O變化特征；劉光生等[12]分析了風火山流域降水和河水穩定同位素特征；Yao等[13]研究了青藏高原瑪旁雍錯流域湖水、河水、雨水和雪水的同位素特征及流域水循環特征；Yao等[14]和Wen等[15]分析了青藏高原河水同位素與高程效應的相關關系。楊玉忠等[16]探討了北麓河降水同位素與氣溫、降水量之間的相關關系，并對北麓河降水和河水的同位素變化特征進行了比較分析。

那曲流域處于青藏高原季風區與非季風區過渡區，降水水汽來源比較復雜，其降水和河水對那曲水文過程有很大影響，本文基于2017年7月與8月的河水、降水和湖水同位素數據，分析了那曲流域降水和河水同位素時空變化特征，探討了那曲流域降水水汽來源及河水的補給特征。

1 研究區概況

研究區位于怒江源區那曲流域(圖1)，地處唐古拉山脈和念青唐古拉山脈之間，總面積達1.70 萬km2，屬于怒江水系的上游。流域內有河流湖泊分布，植被為草甸，土地利用以草地為主。流域多山，但坡度較為平緩，屬高原丘陵地形。地形呈西北向東南緩坡狀，西北部絕對海拔高，東南海拔低，但地勢險峻，山峰林立。

圖1 研究區地理位置及采樣點分布Fig.1 Location of study area and sampling sites

流域屬與高原亞寒帶季風半濕潤氣候區。平均海拔4 500 m以上，高寒缺氧，氣候干燥，氣溫低，日溫差大，年平均氣溫-2 ℃，降水主要受夏季西南季風的影響，多年平均降水量為473.9 mm，年平均相對濕度為50%左右。每年的5-9月相對溫暖濕潤，是該流域的雨季，降雨量占全年的80%。

2 數據采集及分析

2.1 樣品采集

本文分析的水樣類型為降水、河水和湖水水樣，具體采樣位置見圖1。其中，干流上采樣點如下，1：小唐古拉山，2：安多北，3：錯那湖，4：班戈大橋，5：那曲大橋，6：達薩鄉北，7：達薩鄉，1-1：小唐古拉山南，7-1：查龍水庫(下同)。

2017年7月和8月分別在流域內收集8個和10個降水樣品。其中，7月份收集的降水樣品是有降水事件發生時，現場采集，有1個位冰雹樣品；8月份收集的是球封式降水采樣裝置中的降水。7月在流域不同的地點采集24個河水樣品；8月共采集25個河水樣品和1個湖水樣品。樣品采集后立刻裝入10 mL高密度線性聚乙烯(HDPE)瓶中，密封并放入冰箱冷藏，以防止蒸發作用引起的同位素分餾。采樣的同時，用GPS記錄采樣點的地理位置信息。

A Star Selection Model Based on Improved Discrete Particle Swarm Optimization

那曲流域7與8月份的降水相對集中，且降水與河水采樣點基本覆蓋流域的上游、中游和下游，可以很好體現水體同位素的空間性變化特征。河水水樣主要取自河流中間或流動部分，以確保河流水體充分混合和避免受表面水的蒸發等影響同位素的分餾而影響樣品的代表性。

2.2 水樣δ18O和δD分析

采用L2130-i 超高精度液態水和水汽同位素分析儀(Picarro，美國)進行分析測試，穩定同位素比率用相對于Vienna “標準平均海水”(VSMOW)的千分差來表示，δ18O和δD的分析誤差分別為± 0.002 5%和±0.01%。過量氘(d-excess = δD - 8δ18O)是降水中δD、δ18O組成的二級指標，其受到形成降水的水汽源地氣象條件(溫度、相對濕度和風速)、雨滴在降落過程中的蒸發富集作用以及水汽來源的影響[4,17]。它可以較直觀地反映地區大氣降水蒸發、凝結過程的不平衡程度與水汽來源的基本信息。

采用SPSS 22進行統計分析并檢驗數據之間的顯著性，用字母法標記，顯著水平為p<0.05。

3 結果與討論

3.1 夏季大氣降水線

在全球尺度下，大氣降水中δD與δ18O之間的關系—全球大氣降水線( global meteoric water line，GMWL)的關系表現為[18]： δD=8δ18O+10

(1)

大氣降水線的斜率反映穩定同位素D和18O分餾速率的對比關系，常數項表示氘對平衡狀態的偏離程度[19]。因此，大氣降水線對于研究水循環過程中穩定同位素的變化具有重要意義。

從局地尺度上來看，不同地區都有反映各自降水規律的降水線，即地區大氣降水線( local meteoric water line，LMWL) 也不同。根據采樣期間降水δD、δ18O數據，利用最小二乘法建立了那曲流域夏季大氣降水線方程(圖2)：

δD=7.52δ18O-0.85

(2)

可以看出，夏季大氣降水線的斜率和截距小于全球大氣降水線。斜率稍小于8表明該地區降水的水汽水源地不同，穩定氧同位素比率不同，同時也說明了其降水過程受到一定的蒸發分餾作用，蒸發程度稍大于降雨[20]。

圖2 那曲流域夏季大氣降水線Fig.2 Meteoric water line for summer precipitation in Naqu River Basin

表1 采樣點穩定同位素測試結果Tab.1 Average δ18O and d-excess for precipitation, river and lake water in July and August

從表1中可以看出，那曲流域2017年7月降水的δ18O平均值(-1.727%)明顯大于8月降水的δ18O平均值(-2.003%)。這主要是由于那曲流域降水穩定同位素主要受不同季節環流模式的影響，夏季受印度季風影響時，流域降水中穩定同位素值比較低。在夏季季風降水期間，水汽主要來源于印度季風，由于季風的頻繁活動、水汽的厚層輸送以及喜馬拉雅山的屏障作用等都會導致降水中的穩定同位素變小[21]。由于7月初是季風降水爆發初期，降水還比較少；8月份季風降水大規模爆發，降水量增大，從而導致降水中δ18O值變低[11]。

3.2 夏季降水δ18O及過量氘空間變化特征

以往的研究表明，降水中穩定同位素的組成具有顯著的空間變化特征，降水中穩定同位素的空間變化不僅受到地理要素(如緯度、海拔、海陸位置等)和氣象要素(如溫度、相對濕度、降水量等)的影響[4]，還受到水汽源地與水汽輸送過程的影響[5,22]。總之，降水中穩定同位素的空間變化是這些要素相互作用、綜合影響的結果。

以前的研究表明，在青藏高原中南部地區降水中δ18O夏季變化同季風活動的強弱有密切關系，即有很強的降雨量效應[23]；在夏季季風期間，降水中δ18O主要受降雨量影響，而在季風爆發前，降水中δ18O值與氣溫之間有顯著的正相關關系，而夏季季風降水削弱了降水中δ18O與溫度的關系[11,24]。從圖3和圖4可以發現，那曲流域夏季7月與8月降水δ18O和過量氘呈現出一定的緯度效應和高程效應；降水δ18O隨緯度的升高呈降低趨勢，隨海拔的增大呈減小趨勢；降水過量氘隨緯度的升高呈增大趨勢，隨海拔的增大呈增大趨勢。但是，降水δ18O和過量氘與緯度和高程的相關性不顯著，說明此段時期內緯度和海拔不是降水δ18O和過量氘的主要影響因素，降水量對降水δ18O和過量氘的影響作用可能占主導地位。中緯度地區同位素的變化受到溫度和降水量的共同影響[25]，且此階段正處于夏季季風爆發期，季風活動增強，降水量增多。

圖3 夏季大氣降水δ 18O和過量氘與緯度的相關關系Fig.3 The correlation between latitude and δ 18O and d-excess in precipitation

圖4 夏季大氣降水δ 18O和過量氘與海拔的相關關系Fig.4 The correlation between altitude and δ 18O and d-excess in precipitation

3.3 河水中δD和δ18O的變化及其關系

從那曲流域采集的49個地表河水穩定同位素測試結果可以看出，那曲流域夏季河水中δD變化范圍為-12.913%～-8.071%，平均值為-10.568%；δ18O變化范圍為-1.669%～-0.969%，平均值為-1.409%。過量氘變化范圍為-0.443%～1.303%，平均值為0.700%。

天然水來源及水蒸發的影響程度可以通過河水氫氧穩定同位素關系與全球大氣降水線的比較來判斷，根據采樣期間地表水δD、δ18O數據，利用最小二乘法得到那曲流域夏季地表水線(surface water line，SWL)方程[圖5(b)]：

δD=6.36δ18O-16.44

(3)

可以看出，河水線的斜率和截距均小于流域大氣降水線的斜率和截距，這是由于河水受到大氣降水補給后，還要受到蒸發分餾作用的影響；但其落點都在LMWL附近，說明該地區河水的主要補給源是大氣降水。空間變化上，河水氫氧同位素分布在GMWL右下方，這是由于那曲屬于較大流域，且流域內主要是高原丘陵地形，坡度較為平緩，而流域面積廣，河流緩慢導致蒸發作用增大，這種現象在干旱半干旱區比較常見[7]。

由表1和圖5(a)可以發現，流域2017年7月河水的δ18O平均值(-1.331%)同樣大于8月河水的δ18O平均值(-1.483%)，這與同時期的降水變化趨勢一致，體現了降水對河水的補給特征。7月河水線的斜率和截距均大于流域8月河水線的斜率和截距，這表明與7月相比，8月份的河水經歷著更為嚴重的蒸發分餾。

圖5 那曲流域河水氫氧同位素關系Fig.5 The δ 18O-δD diagram of Naqu River water

3.4 河水中δ18O及過量氘空間分布特征

錯那湖(31.8°N附近)是流域內最大的湖泊，8月湖水δ18O值為-0.921%，同位素比率較高；由于湖水中穩定同位素含量比較富集，其附近采樣點的水汽和降水中的氫氧穩定同位素比率也較高[26]；以錯那湖為界，分析湖泊以南和以北的穩定同位素空間分布特征，見圖6，圖7。

圖6 河水中δ 18O和過量氘與緯度相關關系Fig.6 The correlation between latitude and δ 18O and d-excess in river water

圖7 河水中δ 18O和過量氘與海拔相關關系Fig.7 The correlation between altitude and δ 18O and d-excess in river water

結果表明，流域河水中δ18O隨緯度增加而升高，主要原因是夏季河水的主要來源為大氣降水，而流域中水汽主要來源于印度季風，越往北，局地蒸發水汽組成的大陸性氣團所占比例越大，同時西風帶輸送水汽也越多[10,27]。然而可能受到了局地蒸發的影響[28,29]，主要是錯那湖的水面蒸發，河水中δ18O與緯度的相關性并不顯著。

一般來說，若降水和河水來自同一水汽源地，其高程效應越顯著[30]；水汽源地越復雜，高程效應越不顯著[31]。研究區河水δ18O雖然具有一定的高程效應，但并不顯著，這說明流域河水水汽來源不僅受印度季風影響，還受到局地水汽蒸發、西風帶等影響[10]。

流域河水中過量氘在錯那湖以南區域表現為隨緯度升高而降低；在錯那湖以北區域呈現出隨緯度升高而增大的趨勢。河水中過量氘與緯度之間具有較好的線性相關。顯然，河水中過量氘在錯那湖附近表現為低值，錯那湖湖水過量氘值僅為-0.838%，說明錯那湖附近河水水汽主要來源于湖水的蒸發。

研究發現，流域河水中過量氘與海拔之間具有較好的正相關關系，其線性方程為d=0.019H-81.12(R2=0.45，p<0.001)。這與劉琴等在該區域的研究結論一致[31]，同時，在安第斯山和南極等地同樣發現過量氘隨海拔升高而增大[32,33]。

3.5 干流河水中δ 18O分布特征

對于一個大河系統來說，沿途會有諸多的支流匯入干流，這些支流中穩定同位素的組成同樣受到其小流域中地理與氣候因素的影響，從而影響到干流河水中穩定同位素的變化[34]。總體上，以錯那湖為分界點，在錯那湖以北，干流河水中δ18O表現為逐漸增大的趨勢；而在錯那湖以南，干流河水中δ18O表現為逐漸減小的趨勢。

河流在夏季以大氣降水和高山冰雪融水補給為主，錯那湖以北河流發育在唐古拉山脈地區，平均海拔4 600 m以上，受大氣降水中δ18O的高程效應影響，河水中δ18O也比較低。

錯那湖以南的主河道受湖泊的調節，導致河水中δ18O變大。支流河水同位素值均小于湖水同位素值，隨著沿途支流流入干流，河水中δ18O逐漸減小。湖泊對河道徑流的調節及其穩定同位素的變化起著重要的作用[35]。下游河水中同位素的組成直接受上游及中游、湖泊水體間交換影響尤為顯著。河水中δ18O的空間變化是一個復雜的過程，除了受上述因素影響外，還要受到地下水、冰雪融水、蒸發和人類活動等的影響。

由圖8可以看出，7月份和8月份6號采樣點(達薩鄉北，詳見上文)的河水δ18O值出現異常變大的現象。造成這種現象的原因可能是采樣點上游支流(稱曲)匯入。稱曲在匯入干流前，流經那曲縣城區的人工河道，其河床變寬、流速變慢導致河水蒸發變大，從而使δ18O變大。同時，也可能受到其他人類活動的影響，比如生活或工業污水的排入等。

圖8 干流與支流河水中δ18O的空間分布Fig.8 The spatial distribution of δ18O in the main stream and the tributary river

4 結 語

(1)那曲流域大氣降水線為：δD = 7.52 δ18O-0.85，這個關系式與全球大氣降水線方程相比，截距和斜率都偏低。斜率稍小于8表明該區降水的水汽來自于具有不同穩定氧同位素比率的源地，同時也反映了其降水歷經了一定的蒸發過程，蒸發程度稍大于降雨。

(2)那曲流域河水線δD = 6.36 δ18O -16.44的斜率和截距卻明顯小于LMWL，這表明河水中穩定同位素經歷了強烈的蒸發分餾效應。但河水點都落在了LMWL附近，說明流域河水夏季主要為大氣降水補給。

(3)在青藏高原夏季季風降水期間，7月份降水中δ18O的平均值為-1.727%，河水中δ18O的平均值為-1.331%，8月份降水中δ18O的平均值為-2.003%，河水中δ18O的平均值為-1.483%，7月份降水和河水中的同位素要高于8月份，造成這種差異的主要原因在于8月份降水增多和河水中的穩定同位素又通過蒸發發生分餾。河水中δ18O的緯度效應和高程效應都不顯著，降水量是主要影響因素；但河水中過量氘有顯著的緯度效應和高程效應；過量氘在錯那湖北部隨緯度增大而減小，在南部反之；過量氘與高程成正相關關系。

(4)總體上，以錯那湖為分界點，干流河水中δ18O表現為先增大后減小的趨勢。可見，湖泊對徑流及穩定同位素的調節有著重要的作用。