姚俊強，胡文峰,2，彭志潮，劉志輝

（1.中國氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所，新疆 烏魯木齊 830002；2.阜陽師范學(xué)院，安徽 阜陽 236000；3.巴音布魯克氣象站，新疆 和靜 841300；4.新疆大學(xué)干旱生態(tài)環(huán)境研究所，新疆 烏魯木齊 830046）

隨著人口增加和社會經(jīng)濟發(fā)展對水資源需求的進一步增加，水資源供需矛盾日益突出。在全球變化背景下，氣候變暖加劇了水資源的短缺，在干旱內(nèi)陸河流域尤為明顯[1]。呼圖壁河流域是天山北坡中段代表性流域，水資源緊缺，生態(tài)系統(tǒng)極其脆弱，流域水資源主要源自冰雪融水和山區(qū)降水，并接受地下水補給，出山口后用于綠洲農(nóng)田灌溉[2]。因此，研究干旱區(qū)流域水資源及轉(zhuǎn)化，對研究區(qū)域水循環(huán)和水資源開發(fā)利用具有非常重要的意義。

20世紀60年代以來，隨著環(huán)境同位素技術(shù)的發(fā)展，同位素水文學(xué)在水文水循環(huán)的研究中日益顯示其優(yōu)越性。不同水體之間的相互轉(zhuǎn)化是水循環(huán)過程研究的核心和熱點問題。流域內(nèi)不同水體之間存在著頻繁的水量、能量和化學(xué)物質(zhì)的交換，地表徑流與地下水的轉(zhuǎn)化是地表水與地下水相互作用的主要方面[3-4]。在人類活動加劇的背景下，不同水體之間的相互轉(zhuǎn)化關(guān)系趨于復(fù)雜[5]。針對不同水體間的相互轉(zhuǎn)化過程，傳統(tǒng)的水文學(xué)方法有一定的局限性，而穩(wěn)定同位素和溶解物質(zhì)伴隨水量的交換同步進行。因此，穩(wěn)定同位素和水化學(xué)離子記錄著不同水體的形成和轉(zhuǎn)化過程，是研究水體間相互作用和關(guān)系的一種有效示蹤方法[6，7]。

Fritz等[8]對降水期間的徑流流量和δ18O隨時間變化的關(guān)系進行研究，估計了河水暴漲期間雨水和地下水占河水的比例。顧慰祖等[9-10]利用18O和氚作為示蹤劑，系統(tǒng)研究了降水和地面、淺層土壤水、地下徑流的響應(yīng)關(guān)系。針對區(qū)域或流域內(nèi)降水、土壤水和地下水（泉水）的轉(zhuǎn)化，不同學(xué)者通過開展實地轉(zhuǎn)化實驗，利用穩(wěn)定氧氫同位素和水化學(xué)結(jié)合的方法，在黃土丘陵地區(qū)、北京西山、黑河下游額濟納盆地和第二松花江流域等地開展了系統(tǒng)性的研究，得出了不同水體相互轉(zhuǎn)化的比例，在水循環(huán)過程研究上得出一些有益的結(jié)論[7，11-13]。這些研究結(jié)果可為綜合利用地表水和地下水，研究水循環(huán)過程，促進水資源的可持續(xù)利用和流域可持續(xù)發(fā)展，提供參考依據(jù)和理論基礎(chǔ)。

呼圖壁河是天山北坡中段代表性河流之一。相關(guān)學(xué)者在呼圖壁河流域水文徑流變化及其對氣候變化的響應(yīng)等方面做了系列研究，取得一些有益的成果[2，14-17]。但對流域水資源變化及轉(zhuǎn)化等方面關(guān)注較少。本文以呼圖壁河流域為研究區(qū)，以水資源轉(zhuǎn)化過程為研究對象，研究了呼圖壁河流域近50多年來地表徑流變化及山區(qū)和平原區(qū)的水文聯(lián)系，結(jié)合同位素和水化學(xué)技術(shù)探討了流域水資源構(gòu)成及轉(zhuǎn)化關(guān)系，對揭示氣候變化背景下呼圖壁河流域水循環(huán)規(guī)律、水資源轉(zhuǎn)化關(guān)系具有重要理論意義，對流域水資源評價和管理具有重要的實踐意義。

1 研究區(qū)概況

呼圖壁河流域位于新疆天山北坡中段，流域總面積為10 254.68 km2，由呼圖壁河和軍塘湖河2個獨立的水系組成。呼圖壁河是天山北坡中段的第二大河流，年徑流量 4.71×108m3，靠季節(jié)性積雪消融和夏季降水補給。軍塘湖河集水面積861 km2，年徑流量0.327×108m3。流域山區(qū)降水豐富，年降水量在400~600mm之間，主要集中在夏季。以1971—2000年為標(biāo)準氣候態(tài)，其中出山口水文站實測多年平均氣溫為5.5℃，年均降水量為414 mm，而呼圖壁縣氣象站多年平均氣溫為7.0℃，年降水量為160 mm。

2 資料和方法

2.1 河流徑流數(shù)據(jù)

自1956年開始，呼圖壁河流域管理局先后設(shè)立了3個水文站。其中石門水文站是出山口控制站，以上斷面是徑流形成區(qū)，有連續(xù)的觀測數(shù)據(jù)，而卡勒格牙站在1956—1970年、青年渠首在1964—1969年間有流量觀測資料。數(shù)據(jù)來自呼圖壁河流域管理處石門水文站和新疆水文局信息中心，經(jīng)過了嚴格的質(zhì)量控制。石門為上游山區(qū)站點，卡勒格牙為中游站點，青年渠首為下游平原站點，分析該流域山區(qū)和平原區(qū)流量轉(zhuǎn)化關(guān)系。

2.2 同位素和水化學(xué)觀測實驗

環(huán)境同位素是一種很好的指示劑，能夠揭示水體中的很多水文過程信息[1]。根據(jù)研究區(qū)水文地質(zhì)狀況和河流分布情況，分別在呼圖壁河的石門水文站和青年渠首站，軍塘湖河的雀兒溝、哈薩墳和西溝村河道采集河水，并在靠近河水采集點附近通過泉水出露采集地下水。采樣時間為2013年9月—2014年10月，采樣頻率為1次/月，一般在當(dāng)月上旬采樣，避開降水事件。共采集地表水樣品117個，地下水樣品73個。采樣嚴格遵守了同位素水樣采集、運輸、保存和送檢的要求，并按照規(guī)范冷藏保存和運輸。水體穩(wěn)定同位素測定采用美國LGR公司生產(chǎn)的液態(tài)水穩(wěn)定同位素分析儀，δD和δ18O精度分別達到0.3‰和0.1‰。水樣在中科院資源與環(huán)境信息系統(tǒng)國家重點實驗室進行實驗分析。

本文所用水化學(xué)特征指標(biāo)包括八大離子（Cl-、SO42-、Ca2+、K+、Mg2+、Na+、CO32-、HCO3-）和總?cè)芙庑怨腆w值（TDS）。樣品在中科院荒漠與綠洲生態(tài)國家重點實驗室進行實驗分析，其中八大離子采用美國戴安ICS-5000離子色譜儀和美國安捷倫735 ICPOES電感耦合等離子發(fā)射光譜儀測定；TDS采用G20型電位滴定儀測定。

2.3 研究方法

2.3.1 山區(qū)徑流不平衡指數(shù)（MDI）

利用山區(qū)徑流不平衡指數(shù)（MDI），來揭示山區(qū)產(chǎn)流對河流的徑流貢獻率，能定量評價山區(qū)—平原區(qū)的水文聯(lián)系[18]。MDI是山區(qū)產(chǎn)流量比重（PMR）與山區(qū)所占流域面積比重（PMA）的比值，公式為：

其中，PMR表示山區(qū)徑流量占總地表徑流量的比例，而PMA指流域山區(qū)集水面積占流域總面積的比例。

2.3.2 兩端元法

液態(tài)水穩(wěn)定同位素和天然水化學(xué)方法能夠研究地表水資源來源、徑流組分以及不同水體水資源轉(zhuǎn)換等問題[19]?；诜€(wěn)定同位素質(zhì)量守恒，采用端元法劃分地表徑流和地下水轉(zhuǎn)化問題。假設(shè)不同來源的水體為一個端元，如果水體有兩個來源，即為兩端元法。具體為：

式中，R為流量，C為不同來源水體的同位素值，t為兩來源混合后的水體；u為地下水，v為上游河道來水。

3 結(jié)果與分析

3.1 呼圖壁河流域水資源的變化

3.1.1 地表徑流量的變化

呼圖壁河多年平均出山口徑流量為4.562×108m3，其中5—9月徑流量占全年的85.8%，年內(nèi)分配極不均勻，最大月徑流量是最小月徑流量的25倍。河源較高，有冰川發(fā)育，徑流以冰雪融水和雨水混合補給為主。其中冰川融水量達到0.524×108m3，約占地表徑流量的12%。軍塘湖河多年平均徑流量為0.33×108m3，以地下水補給為主，但受冰雪消融和暴雨影響，徑流量年際變化較大。

1956—2011年呼圖壁河流域出山口徑流量有明顯增加趨勢，增加速率為0.13×108m3/10 a（p＜0.05），在20世紀90年代初發(fā)生了明顯突變，突變之后徑流量增加了13.36%（圖1）。小波分析發(fā)現(xiàn)徑流量存在4、10、18 a和28 a左右的振蕩周期，其中28 a尺度振蕩周期最強（圖2）。

3.1.2 地下水位的動態(tài)變化

呼圖壁河流域典型觀測井（呼圖壁縣園戶村）地下水高水位在4—6月份，7月份之后地下水位迅速下降，8—10月保持低水位，隨后開始緩慢回升。地下水動態(tài)變化的原因有：（1）春季積雪融化，增大河流流量和地表入滲量，引起水位回升；（2）夏季地表徑流量增加，農(nóng)業(yè)灌溉需水量大，且地下水開采量增加，地下水位迅速下降，并持續(xù)保持低水位；（3）進入枯水期后，河流和降水補給不足，但開采量減少，水位開始緩慢回升。因此，地下水開采成為影響地下水動態(tài)變化的主要因素。

隨著灌溉技術(shù)的發(fā)展和引水灌渠的改善，改變了地下水的補給條件，地下水補給量大幅減少。同時，地下水被超額開采，地下水位天然動態(tài)過程發(fā)生變化，引起地下水水位的持續(xù)下降。近10 a來，該流域地下水位下降了近20 m，年平均下降幅度接近2 m[2]。

3.2 呼圖壁河流域水資源的轉(zhuǎn)化關(guān)系

3.2.1 山區(qū)—平原區(qū)的水文聯(lián)系

山區(qū)—平原區(qū)流量變化關(guān)系可以揭示山區(qū)、平原區(qū)的水文聯(lián)系。選取石門為上游山區(qū)斷面，卡勒格牙為中游斷面，青年渠首為下游斷面。圖3顯示了呼圖壁河流域不同斷面單位流量與河源單位距離的變化關(guān)系，可以看出，6—9月產(chǎn)流量是全年中連續(xù)最大的4個月；單位流量從河源至下游不斷減小，說明產(chǎn)流能力和地表徑流量從河源至下游逐漸減少；3—5月單位流量在中游的卡勒格牙最大，而該時期地表徑流量以積雪融水補給為主。

圖2 呼圖壁河流域地表徑流量的周期變化

圖3 呼圖壁河流域山區(qū)和平原區(qū)單位流量變化關(guān)系

陳亞寧等[1]研究表明山區(qū)產(chǎn)流對西北干旱區(qū)流域地表徑流的貢獻率均在50%以上，其中天山北坡的各流域在50%~95%之間。經(jīng)計算，呼圖壁河山區(qū)集水面積占流域總面積的87.9%，山區(qū)產(chǎn)流量占總徑流量的94.6%，即PMR為0.946，PMA為0.8795。因此，呼圖壁河MDI為1.1。與同處天山北坡的瑪納斯河、特克斯河相等，但遠遠低于和田河和黑河等內(nèi)陸流域[18]。

3.2.2 地表徑流與地下水轉(zhuǎn)化關(guān)系

（1）地表徑流—地下水轉(zhuǎn)化的水化學(xué)證據(jù)。

水體化學(xué)特征指標(biāo)為研究流域不同水體的形成、演變及轉(zhuǎn)化提供了定量的研究方法。流域的巖性和土壤屬性，控制著流域內(nèi)水體水化學(xué)離子組成。因此，研究流域內(nèi)不同水體水化學(xué)性質(zhì)，可以了解流域的水循環(huán)過程[1]。

呼圖壁河流域不同水體的Piper圖分析發(fā)現(xiàn)，地表徑流和地下水水化學(xué)組成以SO42-~HCO3-~Na+為主，說明了不同水體中均富集SO42-、HCO3-、Na+（圖4）。分析發(fā)現(xiàn)地表徑流和地下水離子組成極為相似，進一步說明呼圖壁河流域地表徑流和地下水之間存在不斷的轉(zhuǎn)換和頻繁的相互作用，即地下水可以受到地表徑流的快速補給，而地下水也常以泉水等形式補給地表徑流。

圖4 呼圖壁河流域不同水體的Piper圖

Gibbs圖可以用來分析鑒別水化學(xué)離子組成與含水層巖性之間的關(guān)系[20]。根據(jù)TDS-Na+/（Na++Ca2+）圖，可以將控制水化學(xué)的控制因子劃分為3個端元，即巖石風(fēng)化、大氣降水和蒸發(fā)/結(jié)晶，進而判斷不同水體的主要控制因子。一般而言，低礦化度的地表徑流具有較高的Na+/（Na++Ca2+）值，反映了大氣降水控制該區(qū)域的地表徑流過程；中等礦化度的地表徑流具有較低的 Na+/（Na++Ca2+）值（＜0.5），反映了該區(qū)域地表徑流受巖石分化的顯著影響；高礦化度的地表徑流具有較高的Na+/（Na++Ca2+）值（接近于1），反映了蒸發(fā)結(jié)晶作用對地表徑流的影響。

圖5可以發(fā)現(xiàn)呼圖壁河流域所有水體均處于巖石風(fēng)化作用和蒸發(fā)結(jié)晶作用控制的區(qū)域，而遠離大氣降水控制。具體來說，地表徑流主要受巖石風(fēng)化作用控制，而地下水受蒸發(fā)—結(jié)晶沉降作用的控制為主。

（2）地表徑流—地下水轉(zhuǎn)化的同位素證據(jù)。

通過兩端元法，可以得到呼圖壁河流域地表徑流和地下水的轉(zhuǎn)化比例（表1）。在山區(qū)，上游來水占到地表徑流量的81.55%，而地下水僅占18.45%；在平原區(qū)，地下水補給占到地表徑流量的92.31%，上游來水僅占7.69%。在軍塘湖河，上游雀兒溝河地表徑流中有66.94%靠地下水補給，而到下游地下水補給占了地表徑流量的91.23%。

圖5 呼圖壁河流域水體的Gibbs圖

表1 不同斷面處地表徑流和地下水的轉(zhuǎn)化比例

在青年渠首處，結(jié)合水文地質(zhì)基礎(chǔ)，綜合分析不同水體的同位素和水化學(xué)特征，發(fā)現(xiàn)地表徑流主要以附近淺層地下水的補給為主（圖6）。在呼圖壁河山區(qū)，石門水庫調(diào)節(jié)地表徑流，末級有青年渠首調(diào)節(jié)，使得大量的徑流通過人工渠道輸送灌區(qū)。因此，渠首以下河道中上游來水補給少，而通過山區(qū)和水庫下滲補給的地下水以泉水形式出露，以補給地表徑流。運用同位素和水化學(xué)計算可知，地表徑流受淺層地下水和上游來水的補給比例分別為92.31%和7.69%，淺層地下水的離子含量高于地表徑流。

圖6 青年渠首處地表徑流與地下水相互作用示意圖

結(jié)合水文地質(zhì)的基礎(chǔ)，在軍塘湖河，地表徑流主要受地下水補給，補給比例在53.27%~91.23%。運用同位素和水化學(xué)計算可知，哈薩墳處地表徑流受淺層地下水和上游地表徑流的補給比例占91.23%和8.77%，淺層地下水的離子含量高于地表徑流，特別是Cl-和Na2+的含量高（圖7）。在西溝河流域西溝村處，地表徑流靠上游地表徑流和淺層地下水的補給，補給比例分別為46.73%和53.27%，淺層地下水的離子含量最高，地表徑流次之（圖8）。

圖7 軍塘湖河?xùn)|溝河流域哈薩墳處地表徑流與地下水相互作用示意圖

根據(jù)呼圖壁河流域水文地質(zhì)特征，地下水的流向應(yīng)與地表徑流的流向基本一致，δD值應(yīng)沿著地下水的流向呈逐漸增加，但是在整個流域地表徑流和地下水發(fā)生了兩次轉(zhuǎn)化關(guān)系，由地表徑流補給地下水變?yōu)榉聪蜓a給，在采樣點M（青年渠首）處δD值突然升高，這與采樣點附近大量的農(nóng)業(yè)取水有關(guān)，青年渠首作為灌溉主分水樞紐，把山區(qū)來水分流到各個干渠里，導(dǎo)致了地表徑流和地下水發(fā)生了頻繁轉(zhuǎn)化（圖 9）。

圖8 軍塘湖河西溝河流域西溝村處地表徑流與地下水相互作用關(guān)系

圖9 呼圖壁河流域山區(qū)和平原區(qū)的地表徑流與地下水轉(zhuǎn)化形式

4 結(jié)論

（1）呼圖壁河出山口控制站——石門水文站多年平均徑流量為4.562×108m3，其中5—9月徑流量占全年的85.8%，年內(nèi)分配極不均勻。1956—2011年徑流量有明顯增加趨勢，變化率為0.13×108m3/10 a（p＜0.05），在20世紀90年代之后徑流量增加了13.36%。存在4、10、18 a和28 a左右的振蕩周期。

（2）呼圖壁河流域出山口區(qū)域的地下水位年內(nèi)變化明顯，其中在4—6月份水位較高，7月份之后地下水位迅速下降。呼圖壁流域地下水位一直呈持續(xù)下降趨勢，年平均下降幅度接近2 m，地下水開采是主要因素。

（3）呼圖壁河流域水體的水化學(xué)類型以SO42-～HCO3-～Na+為主，但不同水體的控制因素有顯著的差異，其中地表徑流更接近于巖石風(fēng)化作用控制區(qū)，地下水則更接近于蒸發(fā)-結(jié)晶沉降作用控制區(qū)。

（4）呼圖壁河地表徑流和地下水出現(xiàn)了兩次轉(zhuǎn)化關(guān)系。在上游地區(qū)，地下水對地表徑流的補給占到18.45%，而中下游區(qū)域地下水的補給占到92.31%。軍塘湖河主要靠地下水補給，上游和下游分別占到66.94%和91.23%。