基于氫氧穩定同位素的瀾滄江流域水體來源差異分析

徐 飄，唐詠春,2，張思思，劉德富,2，楊正健，馬 駿

(1. 湖北工業大學土木建筑與環境學院 河湖生態修復與藻類利用湖北省重點實驗室，武漢 430068；2. 三峽大學水利與環境學院 三峽庫區生態環境教育部工程研究中心，湖北 宜昌 443002)

0 引 言

由于同位素分餾、水汽來源差異以及不同水體的混合作用都將會影響河水中同位素組成，使不同河流和不同河段水體的氫氧同位素特征具有一定的差異性，目前氫氧同位素已被廣泛應用于揭示流域水文循環、判別河水補給來源的研究中[1-4]。近幾年研究發現，河流氫氧同位素的補給來源有大氣降水、冰雪融水、地下水等[5-14]。其中河水的主要補給來源為大氣降水，當河水主要受大氣降水補給時，該流域水體將繼承大氣降水同位素變化特征[5-8]，丁悌平等[7]探討了長江水的氫氧同位素組成與大氣降水的關系，研究表明大氣降水是地表水的主要來源，從攀枝花到河口的干流水體δD和δ18O 呈現逐漸升高的趨勢，與該流域大氣降水的δD 和δ18O 變化趨勢基本一致。姚俊強等[8]探討了呼圖壁河流域河水氫氧同位素時空分布與大氣降水的關系，研究表明該流域河水接受大氣降水補給導致河水同位素組成有著明顯的季節變化特征，該流域水體δD和δ18O的最大值出現在秋季，最小值出現在冬季。冰雪融水是雪山周邊河流的主要補給來源[9]，同時受冰雪融水補給的河流氫氧同位素值一般較貧化[10, 11]，如 Penna 等[10]的研究發現位于意大利的Bridge Creek Catchment流域受意大利中東部阿爾卑斯山δD 和δ18O 較貧化的冰雪融水補給影響，具有較低的氫氧同位素值。有研究表明，因地下水較地表水而言所受的蒸發作用較小，地下水的δD、δ18O 比地表水更貧化，當流域水體受地下水補給后河水δD、δ18O 將會變貧化；另一方面由于水/巖作用使地下水與含氧巖石發生同位素交換，將導致地下水δ18O 富集[12-14]。

瀾滄江作為國際河流，前人對瀾滄江的研究主要集中在流域水電資源開發[15, 16]、流域水環境與水生態效應[17-19]、流域極端氣候[20, 21]等方面，而關于瀾滄江流域氫氧同位素的研究尚無資料報道，因此，本文利用穩定同位素技術，研究瀾滄江云南段水體的氫氧同位素組成特征，來探討該流域水體氫氧同位素時空分布規律及不同河段水體補給來源差異，以期為更深入認識瀾滄江流域的水文循環過程提供科學依據。

1 研究區域概況

瀾滄江在云南境內(后文簡稱瀾滄江云南段)的干流總長度為1 216 km，流域面積約為1.42 萬km2。瀾滄江云南段位于東經98°20′～102°19′，北緯21°08′～29°15′，地處西南縱向嶺谷區，主要受西風帶環流氣候影響，流域干濕分明，一般5-10月為濕季，11-4月為干季，約85%以上的降水量集中在濕季。流域由北向南依次覆蓋寒溫帶、溫帶、暖溫帶、北亞熱帶、中亞熱帶、南亞熱帶、北熱帶等7個氣候帶。流域地勢呈北高南低趨勢，瀾滄江云南段上游河谷海拔為2 000 m以上，具有典型的干旱河谷氣候特征；在其中游河段，海拔高度為2 000 m左右；在其下游段海拔高度均位于1 000 m以下，流域河道寬度增加變寬，流速緩慢。本研究區域上游(北部)監測最高點位于迪慶藏族自治州德欽縣，下游(南部)監測最低點位于西雙版納傣族自治州勐臘縣，其南北海拔高差為1 771 m。

為分析瀾滄江云南段水體氫氧穩定同位素時空分布特征及其在自然河道-梯級水庫之間的差異，分別于枯水期(2017年2月)與豐水期(2017年6月)在瀾滄江云南段進行樣品采集，枯水期與豐水期采集樣品為地表水。如圖1所示，自上而下在瀾滄江云南段設置32個監測點，鹽井(YJ1)至大華橋(DHQ)流域內目前沒有水庫建設，為上游自然河段；而苗尾庫區(MV1)至景洪庫區(JH2)已建有功果橋、苗尾、小灣、漫灣、大朝山、糯扎渡、景洪水電站，使該河段形成首尾相連的湖泊型水庫，對原有的水生生態系統產生了影響，為中游水庫河段；因橄欖與勐松水電站目前均未建設，橄欖02(GL2)至勐臘(GLK)為下游自然河段；在支流黑惠江、小黑江、黑河共設置7個監測點，其中小黑江及其來流分別設置5個監測點。

圖1 瀾滄江云南段采樣點空間分布Fig.1 The spatial distribution of sampling points in Lancang River in Yunnan Province

2 材料與方法

2.1 樣品采集與測試方法

2.1.1 樣品采集與保存

水樣在現場進行采集后，先經0.22 μm的混合纖維膜(Whatman GF/C)過濾，再用其潤洗60 mL棕色塑料瓶3次后不留空氣泡地裝滿此瓶，并立即將瓶蓋擰緊，隨之用Parafilm密封膜將瓶口密封，最后在瓶體貼上采樣標簽，于低溫3～4 ℃保存。

2.1.2 樣品測試方法

所有樣品的δD和δ18O值的測定均在湖北工業大學河湖生態修復與藻類利用湖北省重點實驗室進行。將水樣放于2.0 mL取樣瓶，用元素分析儀-穩定同位素質譜儀聯機(Flash EA 2000 HT- Delta V Advantages，Thermo公司)測定樣品中的δD和δ18O值。水樣在1 450 ℃的高溫裂解爐中形成H2與CO，被載氣He帶入色譜柱分離純化后，依次進入穩定同位素質譜儀進行測定。一般用δ值來描述穩定同位素比率。δ值指樣品中氫氧穩定同位素的比值相對于標準樣品同位素比值的千分之偏差，計算公式如下：

(1)

式中：δ為測定樣品的同位素比值；Rsample為樣品中重同位素比輕同位素的豐度；Rstandard為標準樣品中重同位素比輕同位素的豐度。

在氫氧同位素測量過程中，為檢驗儀器的穩定性與測量值的準確性，每個樣品連續測5次取平均值，同時每間隔10個樣品插入VSMOW標準物質(δD=0%，δ18O=0%)與SLAP2標準物質(δD=-42.75%,δ18O=-5.55%)進行同步測量，δD和δ18O分別為0.05%與0.006%[22,23]。

水溫使用YSI-EXO多參數水質分析儀(USA)現場測定，水面寬度使用激光測距儀UNI-T393B現場測定，海拔高程使用高精度手持GPS定位儀MobileMappe 20現場測定。

2.2 數據分析

2.2.1 數據標準化校正方法

基于國際標準將用儀器測量的穩定同位素數據校正為基于國際參考標準的數據，以此來進行穩定同位素分析。這些校準方法主要為已知參考氣真值校正、單一標準物質校正與2個標準物質校正[24]。大多數學者認為，多標準物校正法是穩定同位素數據校正的可靠方法，此方法較單一點校正產生的實驗結果偏差小，得到的數據更為精確。本文的Pearson相關性分析均借助SPSS 21.0軟件完成。

本文所用的數據標準化校正方法為2點線性內插校正法，即雙標校正法。此方法是利用2個被認定參考標準的真值(VSMOW：δD=0%，δ18O=0%；SLAP2：δD=-42.75%，δ18O=-5.55%)和儀器測量值進行線性回歸，本研究以VSMOW和SLAP2的δD、δ18O真值與測量值為基點將樣品的測量值校正為真值，計算公式如下：

(2)

同時根據樣品δD與δ18O值的分析精度，對其真值進行有效取值[25, 26]，樣品同位素分析結果見表1。

表1 樣品同位素分析結果Tab.1 Results of isotopic analysis of samples

續表1 樣品同位素分析結果

2.2.2 氘過量參數演化的原理

在水循環過程中，降水是其中一個重要環節。由于同位素的分餾作用，在全球大氣降水中氫、氧穩定同位素組成呈線性相關變化，1961年Craig[27]把這種相關變化定義為全球大氣降水線(Global Meteoric Water Line，簡稱GMWL)：δD=8δ18O+ 10。事實上，由于氣、液相同位素組分分餾的不平衡差異，使得不同地區所測得的大氣降水線與全球大氣降水線在斜率和截距上均會出現不同程度的偏移。為了量化這種差異，1964年Dansgaard[5]提出了氘過量參數(d)的概念，并定義為:d=δD-8δ18O，d值的大小可以直觀地反映出不同地區大氣降水蒸發、凝結過程中的不平衡程度[28,29]。

氘過量參數是大氣降水的一個綜合的環境因素指標，隨著對水循環中各種水體(河水、降水、地下水等)同位素組分研究的不斷深入，氘過量參數也被應用于各類不同水體中。氘過量參數會隨區域氣候條件的改變，而發生相應變化，且主要受水汽源區相對濕度、風速以及水體表面溫度的影響。因此，在研究地表徑流組成的動態演化方面，該參數發揮著必不可少作用。

3 結果與分析

3.1 地表水體氫氧同位素組成與季節特征

在枯水期，瀾滄江云南段干流地表水體δD值變化范圍為-16.90%～-12.50%，δ18O值變化范圍為-2.012%～-1.694%；在豐水期，其δD值變化范圍為-10.55%～-7.65%，δ18O值變化范圍為-1.438%～-1.102%。δD與δ18O的平均值在枯水期分別為-14.970%和-1.875%，在豐水期分別為-9.33%和-1.306%。在枯水期與豐水期，δD值標準差均大于δ18O，其中δD標準差分別為1.35%和0.73%，δ18O標準差分別為0.071%和0.087%。

圖2 瀾滄江云南段地表水體δD、δ18O值的季節特征Fig.2 Seasonal characteristics of the δD and δ18O values in the surface water of Lancang River in Yunnan Province

如圖2所示，在枯水期與豐水期，瀾滄江云南段地表水δD、δ18O值的變化趨勢基本一致，支流水體δD、δ18O值較干流水體明顯富集，且枯水期δD、δ18O值均明顯低于豐水期；研究區干流地表水體δD、δ18O最高值均出現在糯扎渡庫區01(NZ1)，且有支流匯入的糯扎渡庫區NZ3與NZ1的δD、δ18O值均明顯高于其余干流地表水。研究區支流地表水體δD、δ18O最高值在枯水期出現在小黑江來流 (XHY)樣點，在豐水期出現在黑河(HH)樣點。在枯水期，研究區下游自然河段(GL2-GLK)地表水δD值較上游自然河段(YJ1-DHQ)明顯富集，而在豐水期2者無明顯差異。

3.2 地表水體氫氧同位素特征分析

如圖3所示，根據瀾滄江云南段地表水體的δD、δ18O值，擬合研究區在枯水期與豐水期河水趨勢線(RWL)分別為δD=12.26δ18O+80.16(R2=0.83)、δD=7.25δ18O+1.1(R2=0.85)。目前，在瀾滄江云南段氫氧同位素的研究還鮮有報道，同時該研究區的降水資料十分有限，本文較難應用實測數據得到當地大氣降水線，故與全球大氣降水線(GMWL)δD=8δ18O+10[27]相對比。在枯水期，研究區RWL斜率(12.26)與截距(80.16)均高于GMWL斜率(8)與截距(10)；上游自然河段地表水體δD、δ18O值均遠偏離于GMWL與RWL，并位于這2條線右下方；中游水庫段地表水體δD、δ18O值基本位于GMWL右下方，并較為離散；下游自然河段地表水體δD、δ18O值基本位于GMWL附近。在豐水期，研究區河水線斜率為7.25，十分接近全球大氣降水線的斜率(8)，且研究區地表水體δD、δ18O值均位于GMWL附近。

3.3 瀾滄江云南段地表水氫氧同位素與水體屬性的關系

對瀾滄江云南段氫氧同位素變化與水體屬性進行相關性分析，由表2可以看出，不同河段水體氫氧同位素在不同季節與水體屬性的關系具有明顯差異性。研究區上游自然河段的δD值和δ18O值在枯水期未呈現出顯著相關性，但在豐水期相關系數為0.991(P<0.01,n=7)，呈極顯著正相關；在枯水期，δD值與高程呈極顯著負相關(P<0.01,n=7)，而與水溫和水面寬分別呈極顯著正相關(P<0.01,n=7)和顯著正相關(P<0.05,n=7)，但δ18O值與水溫、高程、水面寬在枯水期均未呈現出顯著相關性；在豐水期，δD值和δ18O值與水溫均未呈現出顯著相關性，而與高程呈極顯著負相關(P<0.01,n=7)，與水面寬度呈顯著正相關(P<0.05,n=7)。在研究區中游水庫河段的δD值和δ18O值在枯水期與豐水期的相關系數分別為0.884、0.918(P<0.01,n=14)，呈極顯著正相關；在枯水期，δD值和δ18O值與水溫均呈極顯著正相關(P<0.01,n=14)，與水面寬均呈顯著正相關(P<0.05,n=14)，而δD值與高程呈極顯著負相關(P<0.01,n=14)，δ18O值與高程呈顯著負相關(P<0.05,n=14)；在豐水期，δD值與水溫和水面寬呈顯著正相關(P<0.05,n=14)，而與海拔未呈現出顯著相關性，δ18O值與水溫、高程、水面寬在枯水期均未呈現出顯著相關性。在研究區下游自然河段的δD值和δ18O值在枯水期與豐水期未呈現出顯著相關性，同時δD和δ18O值與高程、表層水溫、水面寬均未呈現出顯著相關性。

圖3 瀾滄江云南段地表水體δD～δ18O關系的季節特征Fig.3 Seasonal characteristics of the δD～δ18O relationship in the surface water of Lancang River in Yunnan Province

表2 地表水體δD、δ18O值與水體屬性的Pearson相關性Tab.2 The Pearson correlation of δD, δ18O values and water properties in the surface water

注 ：*表示P<0.05, **表示P<0.01。

4 討 論

4.1 瀾滄江云南段地表水在枯水期的氫氧同位素組成及其影響因素

鑒于地表水成因的復雜性，單由地表水的氫氧同位素組成難以反映不同河段水體補給來源的差異性，而河水氘過量參數的變化能夠反映水體蒸發、冰雪融水與大氣降水形成過程中的同位素分餾效應。通過對流域冰融水、地表水等水體的氘過量參數特征進行研究，可揭示流域水循環轉化過程中大氣降水、冰融水、地表水之間的相互關系。故為便于對瀾滄江云南段流域水體氘過量參數進行分析，將全球大氣降水方程δD=8δ18O+10(d=1.0%)及當d值為2.0%、1.0%、0%、-1.0%、-2.0%時的情況繪制于圖4、圖5。

圖4 在枯水期瀾滄江云南段地表水體d值的分布特征Fig.4 Distribution characteristics of the d value of the surface water of Lancang River in Yunnan Province in the dry season

圖5 在豐水期瀾滄江云南段地表水體d值的分布特征Fig.5 Distribution characteristics of the d value of the surface water of Lancang River in Yunnan Province in the wet season

圖4為在枯水期瀾滄江云南段流域地表水體的氘過量參數特征。可以發現研究區上游自然河段(YJ1-DHQ)地表水d值位于-2.0%～-1.0%，導致這種情況發生的原因是由于該區域地處干旱河谷區，氣候常年干燥，干濕季分明，在枯水期降雨量較少，使地表水受到強蒸發作用，故導致水樣氘過量d值均小于全球d=1.0%的平均水平。同時該河段水體δD與高程呈極顯著負相關，2者間R2達到0.894(P<0.01)，這進一步表明該河段從高海拔流向低海拔的過程中受蒸發分餾作用影響，使重同位素逐漸富集。從圖2可以發現該河段地表水δD、δ18O值明顯貧化，出現這一現象的原因是該河段位于云南省西北部，西岸有海拔5 000 m以上的梅里雪山(最高峰卡瓦格博海拔6 740 m)和大米勇雪山，東岸有察里雪山、甲午雪山和白芒雪山等，每年2月(枯水期)此區域的月平均溫度為5～10 ℃，冰雪融水對地表水的貢獻已經很明顯，使該河段地表水受氫氧同位素值較低的冰雪融水補給，并導致其δD、δ18O值貧化。這種現象與蒲燾[9]對麗江-玉龍雪山周邊流域河水氧同位素的研究發現冰雪融水是雪山周邊地區地表徑流的主要補給來源，以及高晶等[11]在普莫雍錯表層湖水的研究中發現以冰雪融水補給為主的河流具有稀釋作用，使河流入湖口附近湖水δ18O 較貧化的現象相似。因此可推斷該時期研究區上游自然河段地表水δD、δ18O主要受蒸發作用與冰雪融水影響。

在枯水期研究區中游水庫河段(MV1-JH2)地表水d值位于0%～1.0%。同時該河段水體δD、δ18O值與表層水溫和水面寬度呈顯著正相關，δD、δ18O值與表層水溫間R2為0.942、0.765(P<0.01)，δD、δ18O值與水面寬度間R2為0.574、0.541(P<0.05)。這表明該河段受一定蒸發作用影響，導致這種情況發生的原因是是在枯水期各水庫以蓄水為主，放水量降低，流域面積增大，且該時期降雨量較少，從而導致水體的蒸發分餾作用增強。從圖2可以發現該河段地表水δD、δ18O值沿河流方向基本呈逐漸富集趨勢，但在糯扎渡庫區出現突增現象，該庫區內的δD、δ18O值較自然河段與水庫段δD、δ18O值富集，這種現象與小黑江和黑河2條支流相繼匯入糯扎渡庫區有關。由于小黑江的左岸與右岸上均存在不同程度的廢水排放，且支流短小，蒸發量大，使支流小黑江與黑河具有較高的δD、δ18O值，它們的加入必然導致該庫區δD、δ18O值富集。這種現象與丁悌平等[7]在對長江流域氫氧同位素的研究中發現支流的相繼匯入使得長江干流的δD、δ18O值不斷富集的現象相似。因此可得出該時期研究區中游水庫河段地表水δD、δ18O主要受一定蒸發作用與支流匯入影響。

與上游自然河段不同的是，在枯水期研究區下游自然河段(GL-GLK)地表水d值均位于1.0%左右，且水體氫氧同位素組成位于GMWL附近。這種情況發生的原因是該區域屬北熱帶濕潤季風氣候，年平均降水量大于1 200 mm，由此可見該區域降雨量充沛，大氣降水是其主要補給來源。這種現象與蔣保剛等[30]在對漢江上游金水河流域氫氧同位素的研究中發現金水河干流水體由于受大氣降水補給影響，使δD、δ18O值位于全球大氣降水線附近的現象相似。因此我們可得出該時期研究區下游自然河段地表水δD、δ18O主要受大氣降水補給。

4.2 瀾滄江云南段地表水在豐水期的氫氧同位素組成及其影響因素

圖5為在豐水期瀾滄江云南段流域地表水體的氘過量參數特征。可以發現在該時期整個瀾滄江云南段干流地表水d值均位于1.0%左右，變化范圍不大，說明其水汽來源一致，且大氣降水為該流域地表水的主要補給來源。另外，在中游水庫河段氘過量參數d值出現一定波動，其主要原因是該流域的中游地區建有一定規模的水庫，將河水攔截、蓄積，導致地表水更容易發生同位素分餾效應，從而導致氘過量參數的變化。吉磊[31]對瑪納斯流域地表水氫氧同位素研究發現平原水庫和渠系的修建，會使地表水中的δD、δ18O 更加富集的現象與本研究相似。同時由圖2可知，在該時期糯扎渡庫區的δD、δ18O值明顯高于其余干流樣點與枯水期的現象一致，表明在該時期支流的匯入對水庫有一定影響。由豐水期δD與δ18O值相關性分析可知，研究區下游自然河段δD值與δ18O值未呈現出顯著相關性，而上游自然河段δD與δ18O值的相關系數為0.991(P<0.01)，呈極顯著正相關，這種情況發生的原因是下游自然河段水體受到大壩攔截和城鎮生活污水排放及流域面積等因素的作用，而上游自然河段水體氫氧同位素受到的影響相對較小，故使下游自然河段地表水δD與δ18O值相關性比上游自然河段更弱。此現象與成玉婷等[32]對丹江流域氫氧同位素的研究發現由于丹江干流水體受到城鎮生產生活用水和污水處理排放等人為因素的作用，而其小流域水體氫氧同位素受到的影響相對較小，使丹江干流較小流域水體的氫氧同位素相關性弱類似。綜上可得出在豐水期，整個瀾滄江云南段地表水主要受大氣降水影響，同時中游水庫段受支流匯入影響，下游自然河段受一定人類活動影響。

5 結 論

(1)在枯水期與豐水期，瀾滄江云南段流域地表水體δD與δ18O值的變化趨勢基本一致，均表現出一定季節變化，枯水期的δD、δ18O值均顯著低于豐水期。同時該區域干流地表水體δD與δ18O值存在明顯的線性關系(枯水期為δD=12.26δ18O+80.16、R2=0.83，豐水期為δD=7.25δ18O+1.1、R2=0.85)。

(2)在枯水期，研究區上游自然河段地表水體主要受冰雪融水與蒸發作用影響，中游水庫段受一定蒸發作用與支流匯入影響，下游自然河段主要受大氣降水補給。在豐水期，整個瀾滄江云南段地表水主要受大氣降水影響，同時中游水庫段受一定支流匯入影響，下游自然河段受一定人類活動影響。

瀾滄江為我國西南地區最大的河流之一，對其水資源狀況與演變趨勢的研究很有意義。為深入探討瀾滄江水文資源變化情況與水循環模式，還需對該流域冰雪融水、大氣降水、地下水等水體的氫氧同位素組成進行分析，并對與河水之間的相互作用進行更深入研究。由于資料有限，目前無法利用氫氧同位素組成來追溯其水循環模式的詳細演化過程。但若對其展開一定的氫氧同位素研究，對探討瀾滄江流域水循環將具有重要的指示作用。