本文摘要：摘 要：针对汾河源头水的来源不清楚的问题，以宁武地区汾河源头流域为研究区，通过系统采集区域内河水、湖水以及浅层地下水样品，运用水体化学离子分析和氢氧同位素技术，确定区内各水体的水化学特征、氢氧同位素特征及其水力联系，运用端元混合模型(EMMA)量化河水的水
摘 要：针对汾河源头水的来源不清楚的问题，以宁武地区汾河源头流域为研究区，通过系统采集区域内河水、湖水以及浅层地下水样品，运用水体化学离子分析和氢氧同位素技术，确定区内各水体的水化学特征、氢氧同位素特征及其水力联系，运用端元混合模型(EMMA)量化河水的水分来源. 研究表明，河水与浅层地下水的电导率沿程变化从上游至下游呈上升趋势，且两者对比变化不明显. 汾河源头区域浅层地下水、河水的优势阴阳离子为和Ca2+，湖水的优势阴阳离子为Na+和，浅层地下水、河水的水化学类型以Ca·Mg-HCO3为主，湖水的水化学类型主要为Na- HCO3，河水与浅层地下水的离子来源主要是岩石风化作用. 以太原地区大气降水氢氧同位素值建立汾河源头区域大气降水(LMWL)方程，当地河水、湖水、地下水蒸发线方程为δD=4.9δ18O-21.4，蒸发线方程的斜率与截距均比全球大气降水和当地大气降水方程小，表明河水在运移路径中经历了一定的蒸发作用. 河水的δ18O、δD值从下游至上游区域呈现出下降趋势，并有一定的海拔效应. 河水、湖水、地下水的同位素值基本落在当地大气降水线两侧，证明大气降水为汾河源头区域各类水体的主要来源，并且河水、地下水离子含量变化相似，稳定同位素值相近，结合电导率沿程变化，证明地下水和河水存在紧密的水力联系. 以dexcess作为示踪剂对河水进行二元端元混合模型计算。
关键词：稳定同位素，汾河源头区域，水化学，水力联系
河流生态系统，作为生物圈物质循环和能量流动的主要通道之一，在区域气候调节、水质净化以及维持物种生物多样性等方面起到了重要的作用[1−2]. 气候变化和人类活动被认为是影响河流水文循环的两个主要因素[3−6]. 在气候变化和人类活动的影响下[7]，水文循环速率和路径的改变[8]导致大气和地表之间的水量和能量通量发生变化[9−10]，从而影响了整个流域的水文循环[11]. 因此，深入了解现代河流流域水文循环过程对恢复河流径流以及保护流域的生态环境具有重要意义.液态水稳定同位素方法被广泛地应用于流域水循环.
根据不同水体中氘(D)与氧(18O)同位素组成差异[12]，被广泛的用于揭示水体的形成、运移和补给关系等过程. 如郭亚文等[13]分析了黄土高原沟壑区南小河沟流域地表水和地下水的氢氧稳定同位素和水化学特征，揭示了地表水与地下水之间的相互关系;梅亮等[14]对黑河上游葫芦沟流域的各水体稳定同位素特征及各水体的水力联系进行分析探讨，运用端元混合分析模型将冻土活动层的水分来源定量化;车存伟等[15]测定了兰州市南北两山的降水、河水及土壤样品中的氢氧稳定同位素，阐明了南北两山土壤蒸发的时空变化;刘鑫等[16]分析了整个汾河流域浅层地下水的水化学和氢氧稳定同位素分布特征及其影响因素，揭示了汾河流域水循环和水质演化过程.
汾河作为黄河的第二大支流，是山西省最大的河流. 近些年来，受降水减少、蒸发增大以及人类活动加剧等因素的影响，汾河流域的水资源和水环境状况已经受到严重破坏，出现了河道断流、地下水水位下降、泉水干涸、水质污染等现象[4,17−18]，流域经济社会的可持续发展和生态环境建设已受到严重制约. 汾河上游流域作为汾河流域重要的生态屏障，同时是山西省会太原的水源涵养地和供水区，其水资源质量对汾河上游甚至整个流域的人民生产和生活有着重要影响. 为了让这条山西的母亲河“水量丰起来”，开展汾河上游的水源解析是十分必要的. 因此，本研究以汾河上游为研究对象，利用稳定同位素方法，阐明不同水源的同位素特征和补给关系，为汾河上游的河流生态保护提供科学依据.
1 实验部分(Experimentalsection)
1.1 研究区概况
以流域地形地貌及河流特征为根据，汾河干流分为上、中、下游的3段. 宁武县管涔山雷鸣寺至太原市兰村为汾河上游段，上游段全长217.6 km，流域面积7705km2，其属于山区性河流. 汾河干流自北向南流动，由万荣县庙前汇入黄河[19].宁武县地处山地，平均海拔约2000 m，东临云中山，其最高峰海拔2756m. 管涔山、芦芽山组成宁武西侧山地，吕梁山位于宁武西南部，洪涛山位于北部，禅房山位于东北部，共有99座山峰. 宁武县地势呈东北、西南走向，自西向东倾斜，由中部高峰向南北两翼下滑[14].
宁武县总面积的95%为山地，共计1888.32km2. 就水资源而言，宁武地区主要包括两个流域，汾河和恢河流域. 汾河流域基本位于高山之间，沿河谷区从东寨到石家庄镇，而恢河流域地势较低，沿河谷地分布. 汾河流域东寨北部地层为寒武奥陶纪，以石灰岩为主，东寨南部为石炭二叠纪岩层，以石灰岩和页岩为主，恢河流域绝大部分为三迭二迭纪地层[20].汾河源头区为温带大陆性气候，高山严寒区和寒冷干燥区. 气候寒冷多风，冬季时间长，无霜期短，温差大. 年平均气温6.2 ℃，极端最低气温−27 ℃，无霜期120 d至130 d，日照总时数平均为2835时，日照百分率67%，年平均太阳总辐射142.3 kcal·cm2，年平均气温为2—6 ℃，平均降水量470—770 mm，各季降水占全年降水量的百分比为：春季13%、夏季65%、秋季20%、冬季2%[21].
1.2 样品采样与测试
野外采样于2020年9月进行，河水样品采集围绕汾河发源的“三川九沟”进行，自下游至上游均匀布设取样点;汾河源区外采集岚漪河、蔚汾河和恢河的河水作为对照，共采集河水样品19个. 湖水样品主要采自宁武高山湖泊群，包括天池、琵琶海、公海样品，共计4个. 源区居民稀少，分布散落，且大部分居民使用给水管网供水，供水区为浅层地下水.
采集样品时先用水体清洗采样瓶和瓶盖3次，河水及湖水选择水流平缓且靠近中间的位置进行，使水体灌满采样瓶，避免留有气泡，并在采样瓶上标注编号. 同时使用GPS测定采样点的经纬度及高程. 电导率(EC)使用便携式电导率仪测定(雷磁：DDBJ-350). 水样送至山西农业大学水环境分析实验室在4 ℃保存至测试分析. 总溶解性固体(TDS)使用TDS计进行测定. 水化学分析采用离子色谱仪(DX-12)测定，相对误差为1%，和使用双指示剂中合法(稀盐酸-酚酞指示剂-甲基橙指示剂)测定. 稳定同位素δ18O 和δD采用液态水同位素分析仪(LGR)进行测定. 对于δ18O的测量精度为±0.2‰，δD的测量精度为±2‰.
2 结果与讨论(Resultsanddiscussion)
2.1 电导率变化特征分析
电导率 (EC) 是水体中总溶解离子含量的总体反映，在一定程度上反映了水流在区域水循环过程中径流途径和滞留时间的长短[25]. 根据不同水体中电导率的空间分布特征，可以大致推断水的运移路径，从而进一步揭示地表水与地下水的相互作用关系[26].
通过对比不同水体的电导率发现，汾河源区内外的地下水电导率变化范围较大，为72.2—910 μS·cm−1，其中，J3(恢河上游)的电导率最高(910 μS·cm−1)可能是由于溶解周边矿物质所导致. 汾河源区内，河水的电导率变化范围为179.5—458 μS·cm−1, 平均值为276.8 μS·cm−1. 以岚漪河与黄河汇入口作为出山口，沿岚漪河至汾河的取样点由下游至上游探讨电导率沿程变化，汾河源头区的水体电导率较低，汾河水在山区沿坡度陡峭的河道顺地势向下流动时，电导率沿程呈增加趋势. 将河水与地下水的电导率进行对比，两者的差异并不明显，说明地下水与河水存在紧密的联系.
2.2水化学组成特征
HCO−3CO2−3SO2−4HCO−3CO2−3SO2−4汾河源头区域不同类型的阴、阳离子浓度分析结果. 汾河源头区不同类型水体的阴离子当量浓度之和为195.07 mol·L−1，阳离子当量浓度之和为191.04 mol·L−1，阴阳离子当量浓度的相对误差为2.1%. 河水阴离子浓度的高低顺序为>>>C1−，阳离子浓度的高低顺序为Ca2+>Mg2+>Na+>K+，TDS平均值为244 mg·L−1，最高可达792 mg·L−1.
地下水的阴、阳离子浓度的高低顺序与河水水体离子相似，并且地下水的TDS平均值为211 mg·L−1，略高于河水TDS，体现出河水与地下水相似的离子影响因素. 湖水的水体离子浓度与河水、地下水偏差较大，湖水阳离子浓度顺序为Na+>K+>Ca2+>Mg2+，阴离子浓度顺序为>>C1−>，反映出较大的空间差异性，湖水的离子浓度和TDS均高于河水、地下水，这一现象可能与湖水因具有开阔的水域环境导致的蒸发能力强有关.
2.3 各水体同位素特征分析
2.3.1 大气降水同位素特征分析
由于太原市和汾河源区处于同纬度，因此，本研究大气降水中的同位素采用国际原子能机构(IAEA)于1986 —1988年太原站的降水同位素数据，依据最小二乘法绘制得出当地大气降水曲线(LMWL)：δD = 6.4δ18O−4.7(R² =0.9452)[30]. 太原地区大气降水的δ18O值为−13.83‰—1.07‰，δD值为−94.26‰—10.57‰，降水氘盈余值(dexcess)为−13.91‰—18.08‰. 太原地区的大气降水同位素值随季节变化明显.
冬季受西伯利亚西北季风，其含有的水汽稳定同位素值较低，夏季主要受太平洋东南季风和印度洋西南季风，季风中含有稳定同位素值较高的水汽，故太原地区的大气降水同位素值呈现出夏季高，冬季低的特点. 氘盈余参数(d=δD-8δ18O)反映水汽蒸发过程中不平衡的参数，其变化主要依赖于水分在蒸发和凝结过程中同位素分馏的实际条件[31]，太原地区内氘盈余值的平均值为6.62‰，小于全球的氘盈余平均值10%，说明降水可能来自于局部循环水分.太原地区大气降水线落在了GMWL的右下方，该区LMWL的斜率和截距均偏离全球的平均水平，斜率小于8说明该地区降水经历了一定的蒸发过程.
在降水-地表径流-地下水的转化过程中，推断大气降水主要补给地表径流和地下水，由于地下水在接受大气降水的补给后一定程度的补给河水，在补给的过程中受河流蒸发作用的影响导致氢氧同位素不断富集，三者的同位素值变化趋于均一化，反映了时间、空间的混合. 湖水中的δD和δ18O全部位于全球雨水线的右下方，各湖水样品的稳定同位素值明显大于河水和地下水的同位素值，说明宁武地区的高山湖泊水在开阔的水域环境下受到了强烈的蒸发作用影响，使得湖水的同位素过度分馏而导致δD和δ18O富集[33]，侧面印证了宁武地区蒸发量大于降雨量的事实.
蒸发线具有较高的相关性，说明河水、地下水和湖水均主要接受大气降水的补给，拥有相似的水源特征，而水样的稳定同位素落在蒸发线的不同部位说明不同的水样在遭受不平衡蒸发程度中存在差异. 与河南济源盆地的河水蒸发线斜率4.7563[34]和陕西延安延河水蒸发斜率5.22[35]对比发现，汾河源头区各类水体的蒸发程度与济源盆地河水和延河水均相近，但略小于济源盆地河水的蒸发程度且略大于延河水的蒸发程度.
3 结论(Conclusion)
(1)汾河源头区域河水与地下水沿汾河走势电导率总体上有上升的趋势，地下水的电导率总体上略大于河水电导率，两者的相对变化不明显，说明河水与地下水之间存在紧密的水力联系，两者有一定的补给关系.HCO−3HCO−3(2)汾河源头区域浅层地下水、河水的优势阴阳离子为和Ca2+，湖水的优势阴阳离子为和Na+，浅层地下水、河水的水化学类型以Ca·Mg-HCO3为主，湖水的水化学类型主要为NaHCO3，河水离子含量变化与地下水相似，证明地下水和河水存在紧密的水力联系，与由电导率变化得出的结论相一致，湖水的水化学类型与浅层地下水、河水的差别较大. 由Gibbs图可知，浅层地下水、河水的主要离子来源于岩石风化作用，而湖水会更多的受到人为活动的影响.
(3)河水的δ18O、δD值从下游至上游区域呈现出下降趋势，具有一定的海拔效应. 以太原地区大气降水同位素值建立汾河源头区域当地大气降水方程：δD = 6.4δ18O - 4.7，将汾河源头区的河水、地下水和湖水的稳定同位素进行回归模拟，得到区域的蒸发趋势线方程：δD=4.9δ18O-21.4，蒸发线方程具有明显的相关性，证明各类水体具有相同的水源特征，通过对比发现，蒸发线方程的斜率与截距均比全球大气降水和当地大气降水方程小，表明河水在运移路径中经历了强烈的蒸发作用. 同时，河水、湖水、地下水的同位素值基本落在当地大气降水线两侧，证明大气降水为汾河源头区域各类水体的主要来源.(4)通过二元端元混合模型分析大气降水与浅层地下水对河水的贡献率发现，以δ18O作为示踪剂，大气降水为77.18%，浅层地下水为22.82%，以dexcess作为示踪剂，大气降水为76.8%，浅层地下水为23.2%，再次证明大气降水为汾河源头区域河水的主要水分来源。
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作者：马浩天 甄志磊** 武小钢
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