黃土高原丘陵溝壑區(qū)不同水體間轉(zhuǎn)化特征
——以韭園溝流域?yàn)槔?/h1>
2016-07-19 03:51王賀李占斌馬波肖俊波張樂(lè)濤西北農(nóng)林科技大學(xué)水土保持研究所黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室700陜西楊凌中國(guó)科學(xué)院水利部水土保持研究所黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室700陜西楊凌
中國(guó)水土保持科學(xué) 2016年3期
王賀，李占斌，馬波，肖俊波，張樂(lè)濤(．西北農(nóng)林科技大學(xué)水土保持研究所，黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，700，陜西楊凌; ．中國(guó)科學(xué)院 水利部 水土保持研究所，黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，700，陜西楊凌)
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黃土高原丘陵溝壑區(qū)不同水體間轉(zhuǎn)化特征
——以韭園溝流域?yàn)槔?/p>
王賀1，李占斌2?，馬波1，肖俊波1，張樂(lè)濤2
(1．西北農(nóng)林科技大學(xué)水土保持研究所，黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，712100，陜西楊凌; 2．中國(guó)科學(xué)院 水利部 水土保持研究所，黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，712100，陜西楊凌)
摘要:為研究黃土高原丘陵溝壑區(qū)降水、地表水和地下水間的轉(zhuǎn)化特征，以綏德縣韭園溝流域作為研究對(duì)象，通過(guò)測(cè)定雨水、溝道水和井水的氫氧同位素組成，分析各水體的 δD－δ18O特征、氫氧同位素的時(shí)間變化和沿程變化，明確各不同水體間的補(bǔ)給關(guān)系，估算流域上游溝道水補(bǔ)給井水的過(guò)程中因蒸發(fā)損失的水量。結(jié)果表明:韭園溝流域溝道水和井水的δD和δ18O之間具有良好的線性關(guān)系;井水氫氧同位素相對(duì)于溝道水較富集且穩(wěn)定，降水、氣溫、風(fēng)速等氣象因子對(duì)溝道水氫氧同位素影響強(qiáng)烈，對(duì)井水影響較弱;流域溝道水與井水均來(lái)源于大氣降水，能夠有效補(bǔ)給地下水的大氣降水氫氧同位素加權(quán)平均值為:δ18O=－11‰，δD=－79.80‰;溝道水向井水的轉(zhuǎn)化以單向排泄補(bǔ)給為主，兩者轉(zhuǎn)化過(guò)程中由于蒸發(fā)作用引起的水量損失占補(bǔ)給源水量的7%。
關(guān)鍵詞:氫氧同位素;地表水;地下水;瑞利蒸餾模型;黃土高原;丘陵溝壑區(qū);韭園溝
項(xiàng)目名稱:國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目“黃土高原生態(tài)建設(shè)的生態(tài)－水文過(guò)程響應(yīng)機(jī)理研究”(41330858)
隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和人口壓力的不斷增大，水資源短缺問(wèn)題日益凸顯。黃土高原地區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱、氣候干旱少雨、水土流失嚴(yán)重，在我國(guó)西北水資源匱乏地區(qū)極具代表性。流域作為獨(dú)特的匯水單元，其水文循環(huán)特征對(duì)區(qū)域水資源的賦存形式和分布特征起著重要作用。降水降落至地面后轉(zhuǎn)化為地表水、地下水，后兩者又繼續(xù)進(jìn)行水量交換，且伴隨蒸發(fā)以氣態(tài)水形式返回大氣中，這些過(guò)程貫穿在流域整個(gè)水文循環(huán)過(guò)程中［1 2］;因此，開展黃土高原地區(qū)流域各不同水體間的轉(zhuǎn)化特征研究是建立區(qū)域水循環(huán)模式、揭示水資源形成機(jī)制、評(píng)價(jià)地下水資源及其更新能力的首要工作［3 4］。
環(huán)境同位素技術(shù)為當(dāng)前流域水文方面的相關(guān)研究提供了新方法和新思路，與傳統(tǒng)水文學(xué)方法相比，其在分析大氣降水水汽來(lái)源及形成條件、判斷地下水組成來(lái)源、估計(jì)土壤水蒸發(fā)下滲及地下水補(bǔ)給機(jī)理、分割河流流量變化曲線、區(qū)分基流與洪峰及比例等方面均有成功應(yīng)用的先例［5 14］。
目前，基于氫氧同位素技術(shù)對(duì)內(nèi)陸河流、平原地區(qū)、沙漠地區(qū)和南方喀斯特地區(qū)流域各水體間的轉(zhuǎn)化特征研究已有諸多報(bào)道，而在黃土高原地區(qū)的相關(guān)研究還尚不多見。此外，蒸發(fā)因素既是研究水量平衡的重要參數(shù)，也是主要的水量支出項(xiàng)［15］，能夠定量估算各水體在補(bǔ)給過(guò)程中由于蒸發(fā)作用導(dǎo)致的水量損失的相關(guān)研究更少見;因此，本文以陜西省綏德縣韭園溝流域?yàn)檠芯繉?duì)象，試圖通過(guò)分析降水、溝道水和井水的氫氧穩(wěn)定同位素特征，闡述各水體間的補(bǔ)給關(guān)系，估算補(bǔ)給過(guò)程中水量的蒸發(fā)損失，以期為黃土高原流域水量科學(xué)調(diào)度及水資源合理配置、高效利用提供借鑒。
1 研究區(qū)概況
陜西省綏德縣韭園溝流域?qū)冱S土高原黃土丘陵溝壑區(qū)第一副區(qū)，是無(wú)定河中游一分支流域，位于E 110°16'～110°26'，N 37°33'～37°38'［16］。流域面積70.7 km2，主溝長(zhǎng)18 km，流域海拔820～1 180 m。土壤類型主要為黃綿土，土壤質(zhì)地疏松均勻，空隙較大。流域內(nèi)梁峁起伏，溝壑縱橫，地形破碎，200 m以上的支溝337條，溝道平均比降為1.2%，溝壑密度為5.34 km/km2。流域?qū)嵤┥鷳B(tài)建設(shè)以來(lái)，共有林草面積:喬木林113.46 hm2、灌木林309.45 hm2、經(jīng)濟(jì)林516.03 hm2、人工種草451.45 hm2。其中，喬木林主要有刺槐(Robinia pseudoacacia)、油松(Pinus tabulaeformis)、旱柳(Salix matsudana)、小葉楊(Populus simonii)等;灌木林主要有小葉錦雞兒(Caragana microphylla)、紫穗槐(Amorpha fruticosa)、杞柳(Salix integra)等;經(jīng)濟(jì)林以蘋果(Malus pumila)、棗(Ziziphus jujuba)為主;草種主要有紫花苜蓿(Medicago sativa)、沙打旺(Astragalus adsurgens)等。該流域?qū)侔敫珊荡箨懶詺夂颍嗄昶骄鶜鉁?℃，日照時(shí)數(shù)為2 615 h，無(wú)霜期150～190 d。據(jù)統(tǒng)計(jì)多年平均降雨量為475.1 mm，降雨年際變化大，年內(nèi)分配極不均勻，汛期 7、8、9月降雨量占年降雨量的64.4%，且多以暴雨形式出現(xiàn)，一次暴雨產(chǎn)沙量往往占年產(chǎn)沙量的60%以上［17］。同時(shí)，該地區(qū)水資源短缺，農(nóng)地灌溉難度極大，單純依靠天然降水很難滿足作物需求，人們生活用水、灌溉用水、生產(chǎn)用水大部分依靠井水，因此，造成地下水位持續(xù)下降。
2 材料與方法
2.1樣品采集
本研究觀測(cè)期為2014年9月15日至9月19日，期間有1次長(zhǎng)歷時(shí)小雨強(qiáng)連續(xù)降雨天氣過(guò)程，累積降雨量25.6 mm。本次長(zhǎng)歷時(shí)降雨雨量雖小，卻為當(dāng)?shù)丶Z食穩(wěn)產(chǎn)、增產(chǎn)提供了重要保障。采樣位置如圖1所示。
圖1 韭園溝采樣點(diǎn)位置Fig．1 Locations of sampling sites in the studied area
為表征流域地表水和地下水氫氧同位素的沿程變化特征，于9月15日8時(shí)開始，從流域上游向下游進(jìn)行全流域地表水(溝道水:R1～R13)與地下水(井水:J1～J6)水樣的采集，采樣間距基本控制在1 km，并使用手持GPS記錄高程及經(jīng)緯度。流域上游水井分布較多，所以為研究該流域各水體間轉(zhuǎn)化特征，9月16日至19日連續(xù)4 d采集流域上游地表水(溝道水:R1～R4)與地下水(井水:J1～J6)，且盡量使每口水井附近都有1個(gè)溝道水樣點(diǎn)。降雨期間除重復(fù)上述工作外，需同時(shí)收集雨水水樣。所有樣點(diǎn)都同時(shí)采集2個(gè)水樣，作為重復(fù)。采集的水樣用10 mL棕色玻璃試劑瓶盛裝，擰緊瓶蓋并用美國(guó) Parafilm封口膜密封，及時(shí)放入冰箱冷藏，防止水分蒸發(fā)損失。
實(shí)驗(yàn)期間共采集地表水樣58個(gè)，地下水樣60個(gè)，降水樣2個(gè)，基本能夠代表整條韭園溝各水體氫氧穩(wěn)定同位素特征。野外工作結(jié)束后，拷貝安裝在1號(hào)水井北面坡面上的 DAVIS氣象站(Vantage Pro2TM)的氣象資料，以供研究所需。
2.2實(shí)驗(yàn)方法
樣品采集后及時(shí)送回西安理工大學(xué)水資源研究所實(shí)驗(yàn)室，使用DLI100型液態(tài)同位素激光分析儀LGR LWIA(Los Gatos Research Inc．，USA)進(jìn)行D、18O的測(cè)定，結(jié)果以同位素比率δ表示:
式中:δX為待測(cè)樣品中同位素組成相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)參照物的千分偏差，‰;Rsample為樣品中待測(cè)元素的重、輕同位素豐度之比;Rstandard為標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)中待測(cè)元素的重、輕同位素豐度之比。此處，以維也納海洋水 VSMOW(‰)為標(biāo)準(zhǔn)，δD和 δ18O測(cè)定精度分別為±1‰和±0.2‰。
2.3數(shù)據(jù)處理
將DAVIS氣象站的氣象資料分時(shí)段處理，以每次取樣時(shí)間距同一樣點(diǎn)的上次取樣時(shí)間為1個(gè)時(shí)間段，將每時(shí)間段的氣象數(shù)據(jù)的加權(quán)平均值作為本時(shí)段的最終氣象數(shù)據(jù)。
本研究將溝道水和井水之間的補(bǔ)給過(guò)程假設(shè)為封閉系統(tǒng)中的平衡蒸發(fā)，利用Majjoube提出的水汽交換平衡條件下絕對(duì)溫度T與18O和D分餾系數(shù)的回歸方程和瑞利分餾方程估算此過(guò)程中損失的水量比例。
Majjoube提出的水汽交換平衡條件下絕對(duì)溫度T與18O和D分餾系數(shù)aw－v的回歸方程可表示為:
瑞利平衡分餾方程
式中:18aw－v和2aw－v分別為18O和 D的分餾系數(shù);T為熱力學(xué)溫度，K;δ0和δ分別為初始水體和剩余水體中同種同位素的δ值，‰，如δD、δ18O;F為蒸發(fā)后剩余水體的摩爾數(shù)與初始水體的摩爾數(shù)之比，即蒸發(fā)度，量綱一，代表初始水體所受蒸發(fā)的程度。
3 結(jié)果與分析
3.1氫氧同位素特征
3.1.1大氣降水線和蒸發(fā)線“大氣降水線”是降水氫氧穩(wěn)定同位素特征的直觀表示方法;同樣，將地表水、地下水等經(jīng)過(guò)一定程度蒸發(fā)作用的水體的氫氧穩(wěn)定同位素特征繪制于18O、D關(guān)系圖中即為“蒸發(fā)線”。δ18O和δD構(gòu)成的“蒸發(fā)斜率”是濕度的函數(shù)，可以反映水體經(jīng)歷的蒸發(fā)程度［18］。如圖 2所示，將各水體的氫氧穩(wěn)定同位素繪制于δD－δ18O關(guān)系圖中以分析各水體氫氧同位素特征。
圖2 韭園溝不同水體δD－δ18O關(guān)系Fig．2 Correlations between δD and δ18O at different water bodies in the studied area
此次降雨期間采集降雨水樣2個(gè)，δD和 δ18O均值分別為 －65.78‰、－8.64‰。采用柳鑒容等［20］提出的西北地區(qū)大氣降水線 δD=7.05δ18O－2.17(n=50，R2=0.95)作為該流域的當(dāng)?shù)卮髿饨邓€。由圖2看出，此次采集的降雨水樣落在當(dāng)?shù)卮髿饨邓€右下方，其降水線斜率、截距要比當(dāng)?shù)卮髿饨邓€小的多，說(shuō)明短時(shí)間降水序列的氫氧同位素與全年降水存在差異，降水的動(dòng)力分餾效應(yīng)不同。一方面原因是該流域地處溫帶季風(fēng)區(qū)，全年降水水汽來(lái)源不同，不同月份水汽氫氧同位素本身存在差異;另一方面，該流域四季分明，9月份正處在雨、旱季轉(zhuǎn)換時(shí)期，溫度、風(fēng)速等氣象因子通過(guò)影響降水的再蒸發(fā)過(guò)程而造成同位素分餾程度與全年平均水平不同。
由圖2可知，韭園溝溝道水δD與 δ18O之間具有顯著的線性關(guān)系，且其蒸發(fā)線方程EL-1為:δD= 5.40δ18O－20.34(n=13，R2=0.99)，截距和斜率均小于當(dāng)?shù)卮髿饨邓€。采樣期間最大日降水量為21.4 mm，沒(méi)有地表徑流的產(chǎn)生，說(shuō)明溝道水多為前期歷史降水轉(zhuǎn)化而成，而且轉(zhuǎn)化過(guò)程中經(jīng)歷了較為強(qiáng)烈的蒸發(fā)作用。此外，結(jié)合表1可看出，井水氘盈余d和標(biāo)準(zhǔn)差較溝道水都小，說(shuō)明井水與溝道水經(jīng)歷的蒸發(fā)程度不同，井水氫氧同位素更穩(wěn)定。
3.1.2氫氧同位素的時(shí)間變化由韭園溝溝道水和井水氫氧穩(wěn)定同位素特征分析(表1)可知同一水體δD和δ18O的標(biāo)準(zhǔn)差差異較大，亦即兩者的離散程度不同，反映 D和18O在溝道水蒸發(fā)分餾過(guò)程中活性的差異且18O比D更穩(wěn)定，此現(xiàn)象為同位素蒸發(fā)分餾過(guò)程中對(duì)質(zhì)量效應(yīng)的響應(yīng)。因18O相對(duì)于D更穩(wěn)定，而且兩者具有高度線性關(guān)系，所以本文選擇18O來(lái)表征溝道水和井水中氫氧同位素的時(shí)間變化和沿程變化特征。
表1 溝道水和井水同位素特征Tab．1 Isotopic characteristics in gully-channel water and well water ‰
整體而言，溝道水δ18O隨時(shí)間變化呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)，且9月16日出現(xiàn)最小值。結(jié)合圖3中各氣象因子變化情況可知9月16日流域降雨量達(dá)到期間最大21.4 mm，降雨氫氧同位素相對(duì)溝道水較貧化，且隨著降雨歷時(shí)的延長(zhǎng)貧化現(xiàn)象越明顯(降雨量效應(yīng))，雨水與溝道水混合最終導(dǎo)致溝道水δ18O出現(xiàn)最小值。9月17日后，氣溫升高、風(fēng)速增大，兩者會(huì)加劇溝道水的蒸發(fā)分餾作用，使溝道水18O逐漸富集。井水 δ18O隨時(shí)間變化不大，此現(xiàn)象和表1中溝道水與井水的標(biāo)準(zhǔn)差所得到的結(jié)果一致，原因?yàn)榫嵌嗄辍袄纤钡幕旌?，且長(zhǎng)期埋藏于地下，受外界環(huán)境擾動(dòng)較小。
圖3 韭園溝主要?dú)庀笠蜃訒r(shí)間變化Fig．3 Variations of main meteorological factors over time in the studied area
圖4 溝道水、井水氫氧同位素時(shí)間變化Fig．4 Variations of δ18O with date in gully-channel water and well water
3.1.3氫氧同位素的沿程變化將流域不同樣點(diǎn)的溝道水和井水δ18O按照從上游到下游的順序繪制于圖中，結(jié)果如圖5所示。
圖5(a)中，溝道水從上游到下游同位素濃度有升高的趨勢(shì)，δ18O變化幅度為5.81‰(表1)，證明溝道水沿程蒸發(fā)效應(yīng)增強(qiáng);同時(shí)整體呈現(xiàn)出2個(gè)峰值，分別是R5～R10和R11～R13。第1個(gè)峰值出現(xiàn)的主要原因是韭園溝流域上游溝道較窄，最窄處不及1 m，而在R4之后溝道變寬，流速變慢，且溝底著生有大量水生植被，對(duì)溝道水的滯留作用使得同位素更加富集。第2個(gè)峰值較第1個(gè)峰值變幅更大，變幅達(dá)到±1.49‰，其最主要原因是R10與R11之間建有一釣魚俱樂(lè)部，該俱樂(lè)部利用地勢(shì)優(yōu)勢(shì)截留溝道水，形成一小型水庫(kù)。大量溝道水被滯留于水庫(kù)后，長(zhǎng)時(shí)間經(jīng)歷蒸發(fā)分餾作用，逐漸成為富集重同位素的“老水”并流向下游，導(dǎo)致R11～R13峰值極高。
由圖5(b)看出:相對(duì)于地表水而言，井水δ18O沿程略有升高，原因可能是地下水的傳輸方向是從上游輸向下游。此外，井水δ18O沿程波動(dòng)性較小，變幅為±0.77‰(表1)，這是因?yàn)榫L(zhǎng)期滯留于地下，空間相對(duì)封閉，外界環(huán)境對(duì)其沒(méi)有顯著影響。3.2各不同水體間的補(bǔ)給關(guān)系
圖2中溝道水與井水的聯(lián)合蒸發(fā)線方程EL-2 為:δD=5.33δ18O－20.89(n=19，R2=0.98)，溝道水和井水均分布于兩者聯(lián)合蒸發(fā)線EL-2的附近，溝道水沿直線均勻分布，而井水分布較集中，主要聚集在蒸發(fā)線EL-2中部位置。兩者分布位置的不同反映溝道水與井水受到的非平衡分餾作用存在差異。蒸發(fā)線EL-1和EL-2斜率、截距相近，表明該流域溝道水和井水具有相同的補(bǔ)給源。通過(guò)研究流域水文地質(zhì)構(gòu)造，發(fā)現(xiàn)該地區(qū)不存在地下斷裂帶，基本可以排除外援地下水向該流域的匯流。此外，上游井水(J1～J6)相對(duì)于上游溝道水(R1～R4)而言氫氧同位素更加富集，說(shuō)明上游地區(qū)溝道水與井水的補(bǔ)給關(guān)系以溝道水向井水的單向排泄補(bǔ)給為主，且溝道水補(bǔ)給井水后存在較為強(qiáng)烈的二次蒸發(fā)，使井水位置沿聯(lián)合蒸發(fā)線急劇上移，可以定性推論出兩者的轉(zhuǎn)化過(guò)程緩慢、傳輸時(shí)間較長(zhǎng)。
圖5 溝道水(a)、井水(b)氫氧同位素沿程變化Fig．5 Variations of δ18O along the path in gully-channel water(a)and well water(b)
“蒸發(fā)線”與“當(dāng)?shù)卮髿饨邓€”的交點(diǎn)有著良好的指示意義:表示地下水初始補(bǔ)給源的同位素特征，亦即能夠有效補(bǔ)給地下水的大氣降水加權(quán)平均值。通過(guò)聯(lián)立EL-2方程與LMWL方程得出二者的交點(diǎn)為(－11‰，－79.80‰)，也就是對(duì)于地下水所能起到補(bǔ)給作用的大氣降水的氫氧同位素加權(quán)平均值為:δ18O=－11‰，δD=－79.80‰。
3.3補(bǔ)給過(guò)程中蒸發(fā)損失的水量
降水從雨滴形成到最終轉(zhuǎn)化為地下水的過(guò)程中，每時(shí)每刻都在受蒸發(fā)作用的影響。利用瑞利蒸餾模型，可以定量研究流域地表水與地下水相互補(bǔ)給過(guò)程中由于蒸發(fā)引起的水量損失。根據(jù)實(shí)測(cè)水溫，溝道水與井水溫度都在15℃左右，換算成絕對(duì)溫度為288.15 K。將T=288.15 K分別代入式(1)和式(2)，計(jì)算出18O和D的分餾系數(shù)，得:
由于井水水樣全部取自流域上游地區(qū)，所以選取流域上游距離各井水樣點(diǎn)較近的溝道水(R1～R4)作為初始水體，其氫氧同位素加權(quán)平均值為:
上游井水(J1～J6)作為剩余水體，其氫氧同位素加權(quán)平均值為:
將式(4)(6)(8)和式(5)(7)(9)分別代入方程(3)，求得:
所以，采用18O和 D計(jì)算的結(jié)果分別為8%和6%。兩者存在較小差異，原因是18O和D在分餾過(guò)程中活躍程度不同，在相同條件下，水中氫元素的分餾程度比氧元素的大。取18O和D計(jì)算結(jié)果的平均值作為最終結(jié)果，即溝道水在補(bǔ)給井水過(guò)程中蒸發(fā)損失的水量占補(bǔ)給源水量的7%。
4 結(jié)論
1)通過(guò)分析韭園溝流域溝道水與井水的 δD－δ18O關(guān)系，得到流域溝道水的蒸發(fā)線方程為:δD= 5.40δ18O－20.34，溝道水和井水的聯(lián)合蒸發(fā)線方程為:δD=5.33δ18O－20.89。井水氫氧同位素相對(duì)于溝道水較富集且穩(wěn)定，降水、氣溫、風(fēng)速等氣象因子會(huì)對(duì)溝道水氫氧同位素產(chǎn)生強(qiáng)烈影響，但對(duì)井水影響較弱。
2)通過(guò)比較韭園溝流域大氣降水線和蒸發(fā)線特征，得出韭園溝流域溝道水與井水具有相同的補(bǔ)給水源，兩者均來(lái)源于大氣降水，對(duì)于地下水所能起到補(bǔ)給作用的大氣降水的氫氧同位素加權(quán)平均值為:δ18O=－11‰，δD=－79.80‰;
3)通過(guò)分析韭園溝流域上游溝道水與井水的氫氧同位素特征，明確兩者的補(bǔ)給關(guān)系以溝道水向井水的單向排泄補(bǔ)給為主，且轉(zhuǎn)化過(guò)程緩慢、水傳輸時(shí)間較長(zhǎng)。并且，運(yùn)用水汽交換平衡條件下絕對(duì)溫度T與18O和D分餾系數(shù)的回歸方程和瑞利平衡分餾方程，估算兩者轉(zhuǎn)化過(guò)程中由于蒸發(fā)作用引起的水量損失占補(bǔ)給源水量的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
中圖分類號(hào):P344;P342;P641
文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A
文章編號(hào):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
第一作者簡(jiǎn)介:王賀(1989—)，男，碩士。主要研究方向:流域生態(tài)水文。E-mail:guixiong@nwsuaf．edu．cn
通信作者?簡(jiǎn)介:李占斌(1962—)，男，博士，研究員。主要研究方向:土壤侵蝕與水土保持。E-mail:zhanbinli@126．com
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王賀，李占斌，馬波，肖俊波，張樂(lè)濤(．西北農(nóng)林科技大學(xué)水土保持研究所，黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，700，陜西楊凌; ．中國(guó)科學(xué)院 水利部 水土保持研究所，黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，700，陜西楊凌)
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黃土高原丘陵溝壑區(qū)不同水體間轉(zhuǎn)化特征
——以韭園溝流域?yàn)槔?/p>
王賀1，李占斌2?，馬波1，肖俊波1，張樂(lè)濤2
(1．西北農(nóng)林科技大學(xué)水土保持研究所，黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，712100，陜西楊凌; 2．中國(guó)科學(xué)院 水利部 水土保持研究所，黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，712100，陜西楊凌)
摘要:為研究黃土高原丘陵溝壑區(qū)降水、地表水和地下水間的轉(zhuǎn)化特征，以綏德縣韭園溝流域作為研究對(duì)象，通過(guò)測(cè)定雨水、溝道水和井水的氫氧同位素組成，分析各水體的 δD－δ18O特征、氫氧同位素的時(shí)間變化和沿程變化，明確各不同水體間的補(bǔ)給關(guān)系，估算流域上游溝道水補(bǔ)給井水的過(guò)程中因蒸發(fā)損失的水量。結(jié)果表明:韭園溝流域溝道水和井水的δD和δ18O之間具有良好的線性關(guān)系;井水氫氧同位素相對(duì)于溝道水較富集且穩(wěn)定，降水、氣溫、風(fēng)速等氣象因子對(duì)溝道水氫氧同位素影響強(qiáng)烈，對(duì)井水影響較弱;流域溝道水與井水均來(lái)源于大氣降水，能夠有效補(bǔ)給地下水的大氣降水氫氧同位素加權(quán)平均值為:δ18O=－11‰，δD=－79.80‰;溝道水向井水的轉(zhuǎn)化以單向排泄補(bǔ)給為主，兩者轉(zhuǎn)化過(guò)程中由于蒸發(fā)作用引起的水量損失占補(bǔ)給源水量的7%。
關(guān)鍵詞:氫氧同位素;地表水;地下水;瑞利蒸餾模型;黃土高原;丘陵溝壑區(qū);韭園溝
項(xiàng)目名稱:國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目“黃土高原生態(tài)建設(shè)的生態(tài)－水文過(guò)程響應(yīng)機(jī)理研究”(41330858)
隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和人口壓力的不斷增大，水資源短缺問(wèn)題日益凸顯。黃土高原地區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱、氣候干旱少雨、水土流失嚴(yán)重，在我國(guó)西北水資源匱乏地區(qū)極具代表性。流域作為獨(dú)特的匯水單元，其水文循環(huán)特征對(duì)區(qū)域水資源的賦存形式和分布特征起著重要作用。降水降落至地面后轉(zhuǎn)化為地表水、地下水，后兩者又繼續(xù)進(jìn)行水量交換，且伴隨蒸發(fā)以氣態(tài)水形式返回大氣中，這些過(guò)程貫穿在流域整個(gè)水文循環(huán)過(guò)程中［1 2］;因此，開展黃土高原地區(qū)流域各不同水體間的轉(zhuǎn)化特征研究是建立區(qū)域水循環(huán)模式、揭示水資源形成機(jī)制、評(píng)價(jià)地下水資源及其更新能力的首要工作［3 4］。
環(huán)境同位素技術(shù)為當(dāng)前流域水文方面的相關(guān)研究提供了新方法和新思路，與傳統(tǒng)水文學(xué)方法相比，其在分析大氣降水水汽來(lái)源及形成條件、判斷地下水組成來(lái)源、估計(jì)土壤水蒸發(fā)下滲及地下水補(bǔ)給機(jī)理、分割河流流量變化曲線、區(qū)分基流與洪峰及比例等方面均有成功應(yīng)用的先例［5 14］。
目前，基于氫氧同位素技術(shù)對(duì)內(nèi)陸河流、平原地區(qū)、沙漠地區(qū)和南方喀斯特地區(qū)流域各水體間的轉(zhuǎn)化特征研究已有諸多報(bào)道，而在黃土高原地區(qū)的相關(guān)研究還尚不多見。此外，蒸發(fā)因素既是研究水量平衡的重要參數(shù)，也是主要的水量支出項(xiàng)［15］，能夠定量估算各水體在補(bǔ)給過(guò)程中由于蒸發(fā)作用導(dǎo)致的水量損失的相關(guān)研究更少見;因此，本文以陜西省綏德縣韭園溝流域?yàn)檠芯繉?duì)象，試圖通過(guò)分析降水、溝道水和井水的氫氧穩(wěn)定同位素特征，闡述各水體間的補(bǔ)給關(guān)系，估算補(bǔ)給過(guò)程中水量的蒸發(fā)損失，以期為黃土高原流域水量科學(xué)調(diào)度及水資源合理配置、高效利用提供借鑒。
1 研究區(qū)概況
陜西省綏德縣韭園溝流域?qū)冱S土高原黃土丘陵溝壑區(qū)第一副區(qū)，是無(wú)定河中游一分支流域，位于E 110°16'～110°26'，N 37°33'～37°38'［16］。流域面積70.7 km2，主溝長(zhǎng)18 km，流域海拔820～1 180 m。土壤類型主要為黃綿土，土壤質(zhì)地疏松均勻，空隙較大。流域內(nèi)梁峁起伏，溝壑縱橫，地形破碎，200 m以上的支溝337條，溝道平均比降為1.2%，溝壑密度為5.34 km/km2。流域?qū)嵤┥鷳B(tài)建設(shè)以來(lái)，共有林草面積:喬木林113.46 hm2、灌木林309.45 hm2、經(jīng)濟(jì)林516.03 hm2、人工種草451.45 hm2。其中，喬木林主要有刺槐(Robinia pseudoacacia)、油松(Pinus tabulaeformis)、旱柳(Salix matsudana)、小葉楊(Populus simonii)等;灌木林主要有小葉錦雞兒(Caragana microphylla)、紫穗槐(Amorpha fruticosa)、杞柳(Salix integra)等;經(jīng)濟(jì)林以蘋果(Malus pumila)、棗(Ziziphus jujuba)為主;草種主要有紫花苜蓿(Medicago sativa)、沙打旺(Astragalus adsurgens)等。該流域?qū)侔敫珊荡箨懶詺夂颍嗄昶骄鶜鉁?℃，日照時(shí)數(shù)為2 615 h，無(wú)霜期150～190 d。據(jù)統(tǒng)計(jì)多年平均降雨量為475.1 mm，降雨年際變化大，年內(nèi)分配極不均勻，汛期 7、8、9月降雨量占年降雨量的64.4%，且多以暴雨形式出現(xiàn)，一次暴雨產(chǎn)沙量往往占年產(chǎn)沙量的60%以上［17］。同時(shí)，該地區(qū)水資源短缺，農(nóng)地灌溉難度極大，單純依靠天然降水很難滿足作物需求，人們生活用水、灌溉用水、生產(chǎn)用水大部分依靠井水，因此，造成地下水位持續(xù)下降。
2 材料與方法
2.1樣品采集
本研究觀測(cè)期為2014年9月15日至9月19日，期間有1次長(zhǎng)歷時(shí)小雨強(qiáng)連續(xù)降雨天氣過(guò)程，累積降雨量25.6 mm。本次長(zhǎng)歷時(shí)降雨雨量雖小，卻為當(dāng)?shù)丶Z食穩(wěn)產(chǎn)、增產(chǎn)提供了重要保障。采樣位置如圖1所示。
圖1 韭園溝采樣點(diǎn)位置Fig．1 Locations of sampling sites in the studied area
為表征流域地表水和地下水氫氧同位素的沿程變化特征，于9月15日8時(shí)開始，從流域上游向下游進(jìn)行全流域地表水(溝道水:R1～R13)與地下水(井水:J1～J6)水樣的采集，采樣間距基本控制在1 km，并使用手持GPS記錄高程及經(jīng)緯度。流域上游水井分布較多，所以為研究該流域各水體間轉(zhuǎn)化特征，9月16日至19日連續(xù)4 d采集流域上游地表水(溝道水:R1～R4)與地下水(井水:J1～J6)，且盡量使每口水井附近都有1個(gè)溝道水樣點(diǎn)。降雨期間除重復(fù)上述工作外，需同時(shí)收集雨水水樣。所有樣點(diǎn)都同時(shí)采集2個(gè)水樣，作為重復(fù)。采集的水樣用10 mL棕色玻璃試劑瓶盛裝，擰緊瓶蓋并用美國(guó) Parafilm封口膜密封，及時(shí)放入冰箱冷藏，防止水分蒸發(fā)損失。
實(shí)驗(yàn)期間共采集地表水樣58個(gè)，地下水樣60個(gè)，降水樣2個(gè)，基本能夠代表整條韭園溝各水體氫氧穩(wěn)定同位素特征。野外工作結(jié)束后，拷貝安裝在1號(hào)水井北面坡面上的 DAVIS氣象站(Vantage Pro2TM)的氣象資料，以供研究所需。
2.2實(shí)驗(yàn)方法
樣品采集后及時(shí)送回西安理工大學(xué)水資源研究所實(shí)驗(yàn)室，使用DLI100型液態(tài)同位素激光分析儀LGR LWIA(Los Gatos Research Inc．，USA)進(jìn)行D、18O的測(cè)定，結(jié)果以同位素比率δ表示:
式中:δX為待測(cè)樣品中同位素組成相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)參照物的千分偏差，‰;Rsample為樣品中待測(cè)元素的重、輕同位素豐度之比;Rstandard為標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)中待測(cè)元素的重、輕同位素豐度之比。此處，以維也納海洋水 VSMOW(‰)為標(biāo)準(zhǔn)，δD和 δ18O測(cè)定精度分別為±1‰和±0.2‰。
2.3數(shù)據(jù)處理
將DAVIS氣象站的氣象資料分時(shí)段處理，以每次取樣時(shí)間距同一樣點(diǎn)的上次取樣時(shí)間為1個(gè)時(shí)間段，將每時(shí)間段的氣象數(shù)據(jù)的加權(quán)平均值作為本時(shí)段的最終氣象數(shù)據(jù)。
本研究將溝道水和井水之間的補(bǔ)給過(guò)程假設(shè)為封閉系統(tǒng)中的平衡蒸發(fā)，利用Majjoube提出的水汽交換平衡條件下絕對(duì)溫度T與18O和D分餾系數(shù)的回歸方程和瑞利分餾方程估算此過(guò)程中損失的水量比例。
Majjoube提出的水汽交換平衡條件下絕對(duì)溫度T與18O和D分餾系數(shù)aw－v的回歸方程可表示為:
瑞利平衡分餾方程
式中:18aw－v和2aw－v分別為18O和 D的分餾系數(shù);T為熱力學(xué)溫度，K;δ0和δ分別為初始水體和剩余水體中同種同位素的δ值，‰，如δD、δ18O;F為蒸發(fā)后剩余水體的摩爾數(shù)與初始水體的摩爾數(shù)之比，即蒸發(fā)度，量綱一，代表初始水體所受蒸發(fā)的程度。
3 結(jié)果與分析
3.1氫氧同位素特征
3.1.1大氣降水線和蒸發(fā)線“大氣降水線”是降水氫氧穩(wěn)定同位素特征的直觀表示方法;同樣，將地表水、地下水等經(jīng)過(guò)一定程度蒸發(fā)作用的水體的氫氧穩(wěn)定同位素特征繪制于18O、D關(guān)系圖中即為“蒸發(fā)線”。δ18O和δD構(gòu)成的“蒸發(fā)斜率”是濕度的函數(shù)，可以反映水體經(jīng)歷的蒸發(fā)程度［18］。如圖 2所示，將各水體的氫氧穩(wěn)定同位素繪制于δD－δ18O關(guān)系圖中以分析各水體氫氧同位素特征。
圖2 韭園溝不同水體δD－δ18O關(guān)系Fig．2 Correlations between δD and δ18O at different water bodies in the studied area
此次降雨期間采集降雨水樣2個(gè)，δD和 δ18O均值分別為 －65.78‰、－8.64‰。采用柳鑒容等［20］提出的西北地區(qū)大氣降水線 δD=7.05δ18O－2.17(n=50，R2=0.95)作為該流域的當(dāng)?shù)卮髿饨邓€。由圖2看出，此次采集的降雨水樣落在當(dāng)?shù)卮髿饨邓€右下方，其降水線斜率、截距要比當(dāng)?shù)卮髿饨邓€小的多，說(shuō)明短時(shí)間降水序列的氫氧同位素與全年降水存在差異，降水的動(dòng)力分餾效應(yīng)不同。一方面原因是該流域地處溫帶季風(fēng)區(qū)，全年降水水汽來(lái)源不同，不同月份水汽氫氧同位素本身存在差異;另一方面，該流域四季分明，9月份正處在雨、旱季轉(zhuǎn)換時(shí)期，溫度、風(fēng)速等氣象因子通過(guò)影響降水的再蒸發(fā)過(guò)程而造成同位素分餾程度與全年平均水平不同。
由圖2可知，韭園溝溝道水δD與 δ18O之間具有顯著的線性關(guān)系，且其蒸發(fā)線方程EL-1為:δD= 5.40δ18O－20.34(n=13，R2=0.99)，截距和斜率均小于當(dāng)?shù)卮髿饨邓€。采樣期間最大日降水量為21.4 mm，沒(méi)有地表徑流的產(chǎn)生，說(shuō)明溝道水多為前期歷史降水轉(zhuǎn)化而成，而且轉(zhuǎn)化過(guò)程中經(jīng)歷了較為強(qiáng)烈的蒸發(fā)作用。此外，結(jié)合表1可看出，井水氘盈余d和標(biāo)準(zhǔn)差較溝道水都小，說(shuō)明井水與溝道水經(jīng)歷的蒸發(fā)程度不同，井水氫氧同位素更穩(wěn)定。
3.1.2氫氧同位素的時(shí)間變化由韭園溝溝道水和井水氫氧穩(wěn)定同位素特征分析(表1)可知同一水體δD和δ18O的標(biāo)準(zhǔn)差差異較大，亦即兩者的離散程度不同，反映 D和18O在溝道水蒸發(fā)分餾過(guò)程中活性的差異且18O比D更穩(wěn)定，此現(xiàn)象為同位素蒸發(fā)分餾過(guò)程中對(duì)質(zhì)量效應(yīng)的響應(yīng)。因18O相對(duì)于D更穩(wěn)定，而且兩者具有高度線性關(guān)系，所以本文選擇18O來(lái)表征溝道水和井水中氫氧同位素的時(shí)間變化和沿程變化特征。
表1 溝道水和井水同位素特征Tab．1 Isotopic characteristics in gully-channel water and well water ‰
整體而言，溝道水δ18O隨時(shí)間變化呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)，且9月16日出現(xiàn)最小值。結(jié)合圖3中各氣象因子變化情況可知9月16日流域降雨量達(dá)到期間最大21.4 mm，降雨氫氧同位素相對(duì)溝道水較貧化，且隨著降雨歷時(shí)的延長(zhǎng)貧化現(xiàn)象越明顯(降雨量效應(yīng))，雨水與溝道水混合最終導(dǎo)致溝道水δ18O出現(xiàn)最小值。9月17日后，氣溫升高、風(fēng)速增大，兩者會(huì)加劇溝道水的蒸發(fā)分餾作用，使溝道水18O逐漸富集。井水 δ18O隨時(shí)間變化不大，此現(xiàn)象和表1中溝道水與井水的標(biāo)準(zhǔn)差所得到的結(jié)果一致，原因?yàn)榫嵌嗄辍袄纤钡幕旌?，且長(zhǎng)期埋藏于地下，受外界環(huán)境擾動(dòng)較小。
圖3 韭園溝主要?dú)庀笠蜃訒r(shí)間變化Fig．3 Variations of main meteorological factors over time in the studied area
圖4 溝道水、井水氫氧同位素時(shí)間變化Fig．4 Variations of δ18O with date in gully-channel water and well water
3.1.3氫氧同位素的沿程變化將流域不同樣點(diǎn)的溝道水和井水δ18O按照從上游到下游的順序繪制于圖中，結(jié)果如圖5所示。
圖5(a)中，溝道水從上游到下游同位素濃度有升高的趨勢(shì)，δ18O變化幅度為5.81‰(表1)，證明溝道水沿程蒸發(fā)效應(yīng)增強(qiáng);同時(shí)整體呈現(xiàn)出2個(gè)峰值，分別是R5～R10和R11～R13。第1個(gè)峰值出現(xiàn)的主要原因是韭園溝流域上游溝道較窄，最窄處不及1 m，而在R4之后溝道變寬，流速變慢，且溝底著生有大量水生植被，對(duì)溝道水的滯留作用使得同位素更加富集。第2個(gè)峰值較第1個(gè)峰值變幅更大，變幅達(dá)到±1.49‰，其最主要原因是R10與R11之間建有一釣魚俱樂(lè)部，該俱樂(lè)部利用地勢(shì)優(yōu)勢(shì)截留溝道水，形成一小型水庫(kù)。大量溝道水被滯留于水庫(kù)后，長(zhǎng)時(shí)間經(jīng)歷蒸發(fā)分餾作用，逐漸成為富集重同位素的“老水”并流向下游，導(dǎo)致R11～R13峰值極高。
由圖5(b)看出:相對(duì)于地表水而言，井水δ18O沿程略有升高，原因可能是地下水的傳輸方向是從上游輸向下游。此外，井水δ18O沿程波動(dòng)性較小，變幅為±0.77‰(表1)，這是因?yàn)榫L(zhǎng)期滯留于地下，空間相對(duì)封閉，外界環(huán)境對(duì)其沒(méi)有顯著影響。3.2各不同水體間的補(bǔ)給關(guān)系
圖2中溝道水與井水的聯(lián)合蒸發(fā)線方程EL-2 為:δD=5.33δ18O－20.89(n=19，R2=0.98)，溝道水和井水均分布于兩者聯(lián)合蒸發(fā)線EL-2的附近，溝道水沿直線均勻分布，而井水分布較集中，主要聚集在蒸發(fā)線EL-2中部位置。兩者分布位置的不同反映溝道水與井水受到的非平衡分餾作用存在差異。蒸發(fā)線EL-1和EL-2斜率、截距相近，表明該流域溝道水和井水具有相同的補(bǔ)給源。通過(guò)研究流域水文地質(zhì)構(gòu)造，發(fā)現(xiàn)該地區(qū)不存在地下斷裂帶，基本可以排除外援地下水向該流域的匯流。此外，上游井水(J1～J6)相對(duì)于上游溝道水(R1～R4)而言氫氧同位素更加富集，說(shuō)明上游地區(qū)溝道水與井水的補(bǔ)給關(guān)系以溝道水向井水的單向排泄補(bǔ)給為主，且溝道水補(bǔ)給井水后存在較為強(qiáng)烈的二次蒸發(fā)，使井水位置沿聯(lián)合蒸發(fā)線急劇上移，可以定性推論出兩者的轉(zhuǎn)化過(guò)程緩慢、傳輸時(shí)間較長(zhǎng)。
圖5 溝道水(a)、井水(b)氫氧同位素沿程變化Fig．5 Variations of δ18O along the path in gully-channel water(a)and well water(b)
“蒸發(fā)線”與“當(dāng)?shù)卮髿饨邓€”的交點(diǎn)有著良好的指示意義:表示地下水初始補(bǔ)給源的同位素特征，亦即能夠有效補(bǔ)給地下水的大氣降水加權(quán)平均值。通過(guò)聯(lián)立EL-2方程與LMWL方程得出二者的交點(diǎn)為(－11‰，－79.80‰)，也就是對(duì)于地下水所能起到補(bǔ)給作用的大氣降水的氫氧同位素加權(quán)平均值為:δ18O=－11‰，δD=－79.80‰。
3.3補(bǔ)給過(guò)程中蒸發(fā)損失的水量
降水從雨滴形成到最終轉(zhuǎn)化為地下水的過(guò)程中，每時(shí)每刻都在受蒸發(fā)作用的影響。利用瑞利蒸餾模型，可以定量研究流域地表水與地下水相互補(bǔ)給過(guò)程中由于蒸發(fā)引起的水量損失。根據(jù)實(shí)測(cè)水溫，溝道水與井水溫度都在15℃左右，換算成絕對(duì)溫度為288.15 K。將T=288.15 K分別代入式(1)和式(2)，計(jì)算出18O和D的分餾系數(shù)，得:
由于井水水樣全部取自流域上游地區(qū)，所以選取流域上游距離各井水樣點(diǎn)較近的溝道水(R1～R4)作為初始水體，其氫氧同位素加權(quán)平均值為:
上游井水(J1～J6)作為剩余水體，其氫氧同位素加權(quán)平均值為:
將式(4)(6)(8)和式(5)(7)(9)分別代入方程(3)，求得:
所以，采用18O和 D計(jì)算的結(jié)果分別為8%和6%。兩者存在較小差異，原因是18O和D在分餾過(guò)程中活躍程度不同，在相同條件下，水中氫元素的分餾程度比氧元素的大。取18O和D計(jì)算結(jié)果的平均值作為最終結(jié)果，即溝道水在補(bǔ)給井水過(guò)程中蒸發(fā)損失的水量占補(bǔ)給源水量的7%。
4 結(jié)論
1)通過(guò)分析韭園溝流域溝道水與井水的 δD－δ18O關(guān)系，得到流域溝道水的蒸發(fā)線方程為:δD= 5.40δ18O－20.34，溝道水和井水的聯(lián)合蒸發(fā)線方程為:δD=5.33δ18O－20.89。井水氫氧同位素相對(duì)于溝道水較富集且穩(wěn)定，降水、氣溫、風(fēng)速等氣象因子會(huì)對(duì)溝道水氫氧同位素產(chǎn)生強(qiáng)烈影響，但對(duì)井水影響較弱。
2)通過(guò)比較韭園溝流域大氣降水線和蒸發(fā)線特征，得出韭園溝流域溝道水與井水具有相同的補(bǔ)給水源，兩者均來(lái)源于大氣降水，對(duì)于地下水所能起到補(bǔ)給作用的大氣降水的氫氧同位素加權(quán)平均值為:δ18O=－11‰，δD=－79.80‰;
3)通過(guò)分析韭園溝流域上游溝道水與井水的氫氧同位素特征，明確兩者的補(bǔ)給關(guān)系以溝道水向井水的單向排泄補(bǔ)給為主，且轉(zhuǎn)化過(guò)程緩慢、水傳輸時(shí)間較長(zhǎng)。并且，運(yùn)用水汽交換平衡條件下絕對(duì)溫度T與18O和D分餾系數(shù)的回歸方程和瑞利平衡分餾方程，估算兩者轉(zhuǎn)化過(guò)程中由于蒸發(fā)作用引起的水量損失占補(bǔ)給源水量的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
中圖分類號(hào):P344;P342;P641
文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A
文章編號(hào):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
第一作者簡(jiǎn)介:王賀(1989—)，男，碩士。主要研究方向:流域生態(tài)水文。E-mail:guixiong@nwsuaf．edu．cn
通信作者?簡(jiǎn)介:李占斌(1962—)，男，博士，研究員。主要研究方向:土壤侵蝕與水土保持。E-mail:zhanbinli@126．com
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