岩溶流域典型农业区水体氢氧同位素的空间异质性及形成机制

张金; 韩志伟; 吴攀; 田永著; 赵然; 罗广飞; Jin ZHANG; Zhi-wei HAN; Pan WU; Yong-zhu TIAN; Ran ZHAO; Guang-fei LUO

中国农村水利水电 ›› 2021 ›› (3) : 134-138.

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Spatial Heterogeneity of Hydrogen and Oxygen Isotopes in Typical Agricultural Areas of Karst Basin and Its Formation Mechanism

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摘要

分别于平水期和枯水期采集了花溪河流域典型农业区地表水和地下水样品。利用氢氧同位素示踪技术，结合土地利用类型对研究区不同水体的补给来源、季节变化及主要影响过程进行了分析，并对不同水体氢氧同位素值进行了空间插值分析，同时对其形成机制进行了分析，阐明了不同土地利用类型影响下的主要水文过程。结果表明：①研究区不同水体的主要补给来源为当地大气降水，月亮湖水库受蒸发作用影响明显，地表水和地下水的δD和δ ¹⁸O整体上呈现平水期高于枯水期的特征。②地下水的δD和δ ¹⁸O在枯水期与平水期均呈现明显的空间分异性特征，西部水田/水库集中区富集，东部旱地集中区贫化，土地利用对研究区环境水文过程影响明显。该研究结果有助于了解不同土地利用方式下地表水对地下水的影响，为流域管理提供科学依据。

Abstract

Samples of surface water and groundwater were collected from typical agricultural areas in the Huaxi River Basin during the normal and dry seasons. Combined hydrogen and oxygen isotope tracer technique with land use type， the supplying sources of in different water， seasonal changes and its influence factors are analyzed. Based on spatial interpolation， the main hydrological processes under the influence of different land use types are expounded. The results show that： ① different waters in the research area are mainly supplied by local atmospheric precipitation， the Moon Lake Reservoir is remarkably affected by evaporation， and δD and δ ¹⁸O values of surface water and groundwater in the normal season are generally higher than those in the dry season. ② The δD and δ ¹⁸O of groundwater show obvious spatial differentiation characteristics during the dry and normal seasons. The paddy field and water reservoir in the west area are flourished in δD and δ ¹⁸O， but the dry land concentrated area in the east are depleted in δD and δ ¹⁸O， thus the land use has a significant impact on environmental hydrological processes in this research area. The results of this study are helpful to catching on the impact of surface water on groundwater under different land uses and provide a scientific basis for watershed management.

关键词

氢氧同位素 / 水汽来源 / 地下水 / 空间分布 / 土地利用

Key words

hydrogen and oxygen isotopic / source apportionment of water vapor / groundwater / spatial distribution / land use

基金

国家自然科学基金项目(41501018)

贵州大学引进人才科研项目(贵大人基合字[2014]51号)

贵州省国内一流学科建设项目(GNYL[2017]007)

贵州省人才基地项目(RCJD2018-21)

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张金 , 韩志伟 , 吴攀 , 田永著 , 赵然 , 罗广飞. 岩溶流域典型农业区水体氢氧同位素的空间异质性及形成机制[J].中国农村水利水电, 2021(3): 134-138

Jin ZHANG , Zhi-wei HAN , Pan WU , Yong-zhu TIAN , Ran ZHAO , Guang-fei LUO. Spatial Heterogeneity of Hydrogen and Oxygen Isotopes in Typical Agricultural Areas of Karst Basin and Its Formation Mechanism[J].China Rural Water and Hydropower, 2021(3): 134-138

0 引言

岩溶地区受溶蚀作用的影响，地表裂隙、溶隙、地下河发育地下环境结构复杂^［1，2］，与非岩溶地区相比，地下水环境具有高度脆弱性。且岩溶地区土层薄，土壤持水性差^［3，4］，地表水与地下水的双层水文结构^［5］，地表水极易通过岩溶裂隙、岩溶管道和落水洞等途径渗漏至地下水系统^［6，7］，地下水与地表水交换频繁^［8］，该地区的水文结构具有明显的特殊性和典型性^［9］。同时，岩溶地区流域水文结构受土地利用影响更加明显^［10-12］，水体蒸散发、入渗及排泄等水文过程与土地利用变化有联系^［13］，由于不同的土地利用类型具有不同的植被覆盖、根系深度、叶面指数和反照率使得蒸发速率不同；土壤的疏松程度、物理结构、孔隙度和透水性能等参数不同，使水体入渗机制差异较大^［14］。史晓亮^［15］等人研究中提出了城镇化导致不透水层面积增加，下垫面的渗透性改变，使得截留、入渗和蒸散发量减少；土地利用对流域水文环境、水文过程、水文化学及流域生态系统动态都会产生十分重要的影响。

氢氧同位素是水分子的组成部分，是表征水循环过程的天然示踪剂，在地下水的来源、更新能力、形成机制、含水层的储水能力及水库的渗漏判断等方面得到有效应用，与水化学示踪方法相比，稳定性方面具有明显优势^［16］，在水体的来源和环境水文过程研究中具有重要意义^［17-20］，因此，氢氧同位素示踪方法是识别流域环境水文过程的有效手段。

综上，本文选取岩溶流域典型农业区花溪流域为研究区，通过分析研究区内不同水体的氢氧同位素特征，利用ArcGIS空间插值方法及土地利用模式图阐明研究区不同水体的主要补给来源、氢氧同位素空间分布特征及不同土地利用类型对水体氢氧同位素的影响，并揭示不同土地利用方式下地表水对地下水的影响，为流域管理提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

花溪河流域位于贵州省贵阳市的西南方向，其地理位置为106°26′23′~106°41′45″E，26°21′47″~26°31′14″N。属于北亚热带高原季风湿润性气候，具有高原性、湿润性和季风性等特点，年平均降雨量1 099.4 mm，年平均气温为14.9 ℃^［21］。花溪河流域典型农业区总体地势为西高东低，地貌类型包括山地、丘陵、谷地和盆地，海拔高度为1 070~1 560 m。地质构造主要包括褶皱和断层，其中断层位于研究区花溪水库与石板小溪交汇处，其走向为南北方向^［21］。

究区内水资源丰富，主要河流有上车田河、下车田河、冷饭河和花溪河；两个水库：月亮湖（汪官水库）和花溪水库。研究区土地利用类型主要为水田、旱地、林地和建设用地（图2），其中水田主要分布在研究区西北部，旱地，林地主要分布于研究区中下游，建设用地主要分布于研究区东部^［22］。

图1 采样点位置分布图

Fig.1 The distribution of sample points in the basin

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图2 研究区土地利用类型图（引自代克志，2016）

Fig.2 Land use type map of the basin（from Dai kezhi，2016）

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1.2 样品采集

分别于平水期（2017年4月）和枯水期（2018年1月）在流域内采集地表水样品29件，地下水样品15件（图1）。使用0.22 μm的水系微孔滤膜将样品过滤后，装入50 mL聚乙烯离心管测定水的氢氧同位素，现场封装保存。所有样品放入冷藏箱冷藏（4 ℃）保存。

1.3 测试分析

样品分别于2017年4月和2018年1月以冷藏状态送至广东省环境污染控制与修复技术重点实验室（中山大学环境科学与工程学院）进行同位素比率的测定，测定仪器为PicarroL2130 -i超高精度液态水/水汽同位素分析仪。测定结果以相对于维也纳标准平均海洋水（vienna standard mean oceanic water， V-SMOW）的千分差δ形式表示：

δ D (或 δ^{18} O) = (\frac{R_{s a m p l e}}{R_{V - S M O W}} - 1) \times 1 000 ‰

（1）

式中：R_sample 代表水样氢稳定同位素（D）或氧稳定同位素（¹⁸O）比率；R _V-SMOW代表维也纳标准平均海洋水的D或¹⁸O比率；δD、δ ¹⁸O分别是D和¹⁸O的同位素δ值。

1.4 数据统计与分析

采用ArcGIS 10.5软件中反距离权重插值法对两期水体氢氧同位素值进行空间分析。用Origin 2018软件绘制研究区水体氢氧同位素关系图。

2 结果与分析

2.1 结果

地表水和地下水的氢同位素值（δD）、氧同位素值（δ ¹⁸O）和氘盈余（d=δD-8δ ¹⁸O）在平枯两期的水体描述性特征如表1所示。

表1 研究区不同水样氢氧同位素组成

Tab.1 Isotopic composition of different water bodies in the study area

时期	水体类型	统计值	δD/‰	δ ¹⁸O/‰	d/‰
平水期	地表水	平均值	-44.80	-6.86	10.07
		最大值	-30.64	-4.35	13.89
		最小值	-50.41	-8.04	4.19
	地下水	平均值	-48.29	-7.48	11.58
		最大值	-43.51	-6.99	12.75
		最小值	-55.95	-8.52	10.47
枯水期	地表水	平均值	-49.13	-7.33	9.54
		最大值	-37.33	-5.12	12.00
		最小值	-52.20	-7.90	3.59
	地下水	平均值	-50.71	-7.80	11.72
		最大值	-46.02	-7.20	12.33
		最小值	-56.29	-8.50	10.94

2.2 不同水体来源分析

Craig^［23］提出的大气降水过程中，氢氧同位素之间存在线性关系，即全球大气降水线（Global meteoric water line， GMWL）：δD = 8δ ¹⁸O+10。

研究区地表水和地下水的氢氧同位素点位于全球大气降水线附近（图3），说明研究区不同类型水体主要来源于大气降水，部分地表水水样位于全球大气降水线右下方，说明这些水体受到的蒸发过程明显^{［19， 24-26］}。氘盈余d主要反映研究区大气降水蒸发和凝结过程的不平衡程度，是示踪水汽来源的重要参数^{［27， 28］}。平水期地表水和地下水d值范围分别为4.19‰～13.89‰和10.47‰～12.75‰，枯水期地表水和地下水d值范围分别为3.59‰～12.00‰和10.94‰～12.33‰（表1）。平枯两期水体的d值变化范围都较小，说明水汽来源单一^［28］，即当地大气降水为研究区不同类型水体的主要补给来源。

图3 研究区不同时期地下水、地表水的δD、δ¹⁸O关系

Fig.3 The relationship of δD and δ ¹⁸O groundwater, surface water in different period of the study area

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平水期地表水δD和δ ¹⁸O方程为：δD=5.86δ ¹⁸O-4.62（R ²=0.942 0），与当地大气降水线的斜率相比，平水期地表水的斜率偏小（图3），蒸发作用影响明显，水体氢氧同位素较富集，该特征在月亮湖表层水（R19）和受其下泄水影响的河水（R21）表现尤为明显。枯水期地表水δD和δ ¹⁸O方程为：δD=5.80δ ¹⁸O-6.59 （R ²=0.930 0），枯水期地表水的斜率也小于当地大气降水线斜率，同样受蒸发作用影响。平水期氢氧同位素较枯水期偏正（图3），由于枯水期温度较低，地表水受到蒸发作用影响较弱。因此枯水期地表水受蒸发作用影响较平水期地表水小。

平水期和枯水期地下水δD、δ ¹⁸O方程分别为：δD=7.13δ ¹⁸O+5.09（R ²=0.953 1）、δD=7.72δ ¹⁸O+9.52（R ²=0.971 4），平枯两期δD、δ ¹⁸O关系线接近大气降水线斜率但略有偏离（图3），说明地下水受到的蒸发作用影响较弱。平水期地下水氢氧同位素值较枯水期富集，平水期地下水受到蒸发作用影响大于枯水期。整体上，研究区地表水和地下水氢氧同位素均具有季节效应，地表水受蒸发作用影响大于地下水。

2.3 不同水体氢氧同位素的空间分布特征及其影响

平水期与枯水期地表水的氢氧同位素空间分布特征相似，时间差异不明显，不同水体氢同位素和氧同位素的空间分布特征基本一致，地表水氢氧同位素表现出明显的空间差异性。因Ⅰ区月亮湖水面较广，流速较慢，湖水受蒸发作用影响明显；而Ⅱ区花溪水库为河流型水库，库区狭长，相比月亮湖水库水面较窄，受蒸发作用影响较弱；同时，因花溪水库上游支流河水体氢氧同位素较贫化，汇入水库后使得库区水体氢氧同位素较月亮湖水库水体贫化。受月亮湖水库下泄水补给的河水氢氧同位素较富集，随着支流汇入和地下水的补给，上车田河至下车田河段，水体氢氧同位素呈现沿程贫化的空间分布特征（图4）。

图4 研究区不同时期地下水、地表水δD和δ¹⁸O时空变化

Fig.4 The spatiotemporal variation of groundwater, surface water δD and δ¹⁸O during different period of the study area

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对比地下水与地表水氢氧同位素值发现，平、枯两期的地下水与地表水的氢氧素位素值均较相似，表明研究区地下水与地表水的水力联系较为显著^［16］。同时，研究区内存在相邻地下水的氢氧同位素值差别显著的现象，这可能是由于岩溶含水层的空间异质性所致。整体上看，地下水氢氧同位素在平、枯两期均呈现西部富集东部贫化的空间分布特征（图4）。

研究区区域Ⅰ为水田集中区（图2），水田所受蒸发作用强烈，残留水的重同位素留存比例增大^{［9， 29］}，由于岩溶地区土层薄，水田少部分的水可能下渗补给地下水^［30］，同时，由于水田的季节性排水，使受蒸发影响较大的水体在径流过程中入渗补给到地下含水层，使得水田周边地下水的重同位素比例增大。同时，在岩溶地区，工程地质条件复杂，水库渗漏现象较普遍^［21］，月亮湖附近地下水（G13）的氢氧同位素较富集，而与月亮湖水氢氧同位素值相差较大，该特征可能是湖水入渗到地下后与含水层中其他来源地下水混合后的结果。综上，研究区区域Ⅰ地下水同时受水田水体和月亮湖水的共同补给，氢氧同位素值较东部区域明显偏正。

研究区区域Ⅱ土地利用类型主要是旱地和建设用地。在城镇化进程中，地表硬化面积不断扩大，导致雨水无法入渗，直接在短时间汇流至河流，因此，在建设用地集中区，地表水蒸发作用影响不明显，受其补给的地下水同位素较区域Ⅰ水田集中区明显贫化；同时，由于区域Ⅱ耕地以旱地为主，与水田相比，旱地透水系数较大，雨水可快速入渗至地下含水层，该过程受中蒸发作用影响较弱，因此区域Ⅱ旱地周边地下水氢氧同位素呈现较贫化的特征。

综上所述，研究区区域Ⅰ水田/水库集中区和区域Ⅱ旱地/建设用地集中区的环境水文过程截然不同，土地利用方式对水文过程影响明显，其机制可用水文过程模式图表示（图5）。

图5 研究区不同土地利用影响下的水文过程模式图

Fig.5 The model diagram of hydrological process under the influence of different land use in the study area

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3 结论

（1）研究区不同水体氢氧同位素点位于大气降水线下方，氘盈余值变化范围较小，区域内补给来源主要为当地大气降水。月亮湖水库受蒸发作用影响明显，地表水和地下水的δD、δ ¹⁸O整体上呈现平水期高于枯水期的特征。

（2）研究区地表水与地下水力联系显著，地下水的δD、δ ¹⁸O在枯水期与平水期均呈现明显的空间分异性特征，西部水田/水库集中区富集，东部旱地集中区贫化，土地利用对研究区环境水文过程影响明显。

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收稿日期	出版日期
2020-05-20	2021-03-15
发布日期
2021-04-07

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