王賀，李占斌，馬波，肖俊波，張樂濤(．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)國家重點實驗室，700，陜西楊凌; ．中國科學(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)國家重點實驗室，700，陜西楊凌)

?

黃土高原丘陵溝壑區(qū)不同水體間轉(zhuǎn)化特征
——以韭園溝流域為例

王賀1，李占斌2?，馬波1，肖俊波1，張樂濤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)國家重點實驗室，712100，陜西楊凌; 2．中國科學(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)國家重點實驗室，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象，通過測定雨水、溝道水和井水的氫氧同位素組成，分析各水體的 δD－δ18O特征、氫氧同位素的時間變化和沿程變化，明確各不同水體間的補給關(guān)系，估算流域上游溝道水補給井水的過程中因蒸發(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于溝道水較富集且穩(wěn)定，降水、氣溫、風(fēng)速等氣象因子對溝道水氫氧同位素影響強烈，對井水影響較弱;流域溝道水與井水均來源于大氣降水，能夠有效補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)化以單向排泄補給為主，兩者轉(zhuǎn)化過程中由于蒸發(fā)作用引起的水量損失占補給源水量的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

項目名稱:國家自然科學(xué)基金重點項目“黃土高原生態(tài)建設(shè)的生態(tài)－水文過程響應(yīng)機理研究”(41330858)

隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展和人口壓力的不斷增大，水資源短缺問題日益凸顯。黃土高原地區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱、氣候干旱少雨、水土流失嚴重，在我國西北水資源匱乏地區(qū)極具代表性。流域作為獨特的匯水單元，其水文循環(huán)特征對區(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，這些過程貫穿在流域整個水文循環(huán)過程中［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、揭示水資源形成機制、評價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源及形成條件、判斷地下水組成來源、估計土壤水蒸發(fā)下滲及地下水補給機理、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［15］，能夠定量估算各水體在補給過程中由于蒸發(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為研究對象，試圖通過分析降水、溝道水和井水的氫氧穩(wěn)定同位素特征，闡述各水體間的補給關(guān)系，估算補給過程中水量的蒸發(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，共有林草面積:喬木林113.46 hm2、灌木林309.45 hm2、經(jīng)濟林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?，多年平均氣?℃，日照時數(shù)為2 615 h，無霜期150～190 d。據(jù)統(tǒng)計多年平均降雨量為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，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

本研究觀測期為2014年9月15日至9月19日，期間有1次長歷時小雨強連續(xù)降雨天氣過程，累積降雨量25.6 mm。本次長歷時降雨雨量雖小，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時開始，從流域上游向下游進行全流域地表水(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個溝道水樣點。降雨期間除重復(fù)上述工作外，需同時收集雨水水樣。所有樣點都同時采集2個水樣，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 Parafilm封口膜密封，及時放入冰箱冷藏，防止水分蒸發(fā)損失。

實驗期間共采集地表水樣58個，地下水樣60個，降水樣2個，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實驗方法

樣品采集后及時送回西安理工大學(xué)水資源研究所實驗室，使用DLI100型液態(tài)同位素激光分析儀LGR LWIA(Los Gatos Research Inc．，USA)進行D、18O的測定，結(jié)果以同位素比率δ表示:

式中:δX為待測樣品中同位素組成相對于標(biāo)準(zhǔn)參照物的千分偏差，‰;Rsample為樣品中待測元素的重、輕同位素豐度之比;Rstandard為標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)中待測元素的重、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段處理，以每次取樣時間距同一樣點的上次取樣時間為1個時間段，將每時間段的氣象數(shù)據(jù)的加權(quán)平均值作為本時段的最終氣象數(shù)據(jù)。

本研究將溝道水和井水之間的補給過程假設(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程中損失的水量比例。

Majjoube提出的水汽交換平衡條件下絕對溫度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，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，說明短時間降水序列的氫氧同位素與全年降水存在差異，降水的動力分餾效應(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)換時期，溫度、風(fēng)速等氣象因子通過影響降水的再蒸發(fā)過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，沒有地表徑流的產(chǎn)生，說明溝道水多為前期歷史降水轉(zhuǎn)化而成，而且轉(zhuǎn)化過程中經(jīng)歷了較為強烈的蒸發(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)分餾過程中對質(zhì)量效應(yīng)的響應(yīng)。因18O相對于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來表征溝道水和井水中氫氧同位素的時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隨時間變化呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢，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日流域降雨量達到期間最大21.4 mm，降雨氫氧同位素相對溝道水較貧化，且隨著降雨歷時的延長貧化現(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，原因為井水是多年“老水”的混合，且長期埋藏于地下，受外界環(huán)境擾動較小。

圖3　韭園溝主要氣象因子時間變化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，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;同時整體呈現(xiàn)出2個峰值，分別是R5～R10和R11～R13。第1個峰值出現(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，對溝道水的滯留作用使得同位素更加富集。第2個峰值較第1個峰值變幅更大，變幅達到±1.49‰，其最主要原因是R10與R11之間建有一釣魚俱樂部，該俱樂部利用地勢優(yōu)勢截留溝道水，形成一小型水庫。大量溝道水被滯留于水庫后，長時間經(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沿程波動性較小，變幅為±0.77‰(表1)，這是因為井水長期滯留于地下，空間相對封閉，外界環(huán)境對其沒有顯著影響。3.2各不同水體間的補給關(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給源。通過研究流域水文地質(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)相對于上游溝道水(R1～R4)而言氫氧同位素更加富集，說明上游地區(qū)溝道水與井水的補給關(guān)系以溝道水向井水的單向排泄補給為主，且溝道水補給井水后存在較為強烈的二次蒸發(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)化過程緩慢、傳輸時間較長。

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€”的交點有著良好的指示意義:表示地下水初始補給源的同位素特征，亦即能夠有效補給地下水的大氣降水加權(quán)平均值。通過聯(lián)立EL-2方程與LMWL方程得出二者的交點為(－11‰，－79.80‰)，也就是對于地下水所能起到補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補給過程中蒸發(fā)損失的水量

降水從雨滴形成到最終轉(zhuǎn)化為地下水的過程中，每時每刻都在受蒸發(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給過程中由于蒸發(fā)引起的水量損失。根據(jù)實測水溫，溝道水與井水溫度都在15℃左右，換算成絕對溫度為288.15 K。將T=288.15 K分別代入式(1)和式(2)，計算出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計算結(jié)果的平均值作為最終結(jié)果，即溝道水在補給井水過程中蒸發(fā)損失的水量占補給源水量的7%。

4　結(jié)論

1)通過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于溝道水較富集且穩(wěn)定，降水、氣溫、風(fēng)速等氣象因子會對溝道水氫氧同位素產(chǎn)生強烈影響，但對井水影響較弱。

2)通過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給水源，兩者均來源于大氣降水，對于地下水所能起到補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，明確兩者的補給關(guān)系以溝道水向井水的單向排泄補給為主，且轉(zhuǎn)化過程緩慢、水傳輸時間較長。并且，運用水汽交換平衡條件下絕對溫度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)化過程中由于蒸發(fā)作用引起的水量損失占補給源水量的7%。

5　參考文獻

［1］周愛國，馬瑞，張晨．中國西北內(nèi)陸盆地水分垂直循環(huán)及其生態(tài)學(xué)意義［J］．水科學(xué)進展，2005，16(1):127．Zhou Aiguo，Ma Rui，Zhang Chen．Vertical water cycle and its ecological effect in inland basins，Northwest China ［J］．Advances in Water Science，2005，16(1):127．(in Chinese)

［2］高前兆，仵彥卿．河西內(nèi)陸河流域的水循環(huán)分析［J］．水科學(xué)進展，2004，15(3):391．Gao Qianzhao，Wu Yanqing．Analysis of water cycle in inland river basins in Hexi Region［J］．Advances in Water Science，2004，15(3):391．(in Chinese)

［3］蘇小四，林學(xué)鈺．銀川平原地下水循環(huán)及其可更新能力評價的同位素證據(jù)［J］．資源科學(xué)，2004，26(2):29．Su Xiaosi，Lin Xueyu．Cycle pattern and renewablity evaluation of groundwater in Yinchuan basin:isotopic evidences［J］．Resources Science，2004，26(2):29．(in Chinese)

［4］宋獻方，劉相超，夏軍，等．基于環(huán)境同位素技術(shù)的懷沙河流域地表水和地下水轉(zhuǎn)化關(guān)系研究［J］．中國科學(xué)(D輯:地球科學(xué))，2007，37(1):102．Song Xianfang，Liu Xiangchao，Xia Jun，et al．The transformation relationship between surface water and ground water in Huaisha river catchment［J］．Science in China (D:Journal of Earth Science)，2007，37(1):102．(in Chinese)

［5］郭范，上官志冠，夏進．穩(wěn)定同位素和元素組成判定潛水河雨后地表徑流水的構(gòu)成［J］．地球化學(xué)，1994，23 (1):42．Guo Fan，Shangguan Zhiguan，Xia Jin．Determination of components of stormflow using stable isotopes and chemi-cal compositions in Qianshui river of Anhui province，China［J］．Geochimica，1994，23(1):42．(in Chinese)

［6］Hsieh J C，Chadwich O A，Kelly E F，et al．Oxygen isotopic composition of soil water:quantifying evaporation and transpiration［J］．Geoderma，1998，82(1/2/3):269．

［7］宋獻方，夏軍，于靜潔，等．應(yīng)用環(huán)境同位素技術(shù)研究華北典型流域水循環(huán)機理的展望［J］．地理科學(xué)進展，2002，21(6):527．Song Xianfang，Xia Jun，Yu Jingjie，et al．The prospect in the research of water cycle at the typical catchments of North China plain using environmental isotopes［J］．Progress in Geography，2002，21(6):527．(in Chinese)

［8］石輝，劉世榮，趙曉廣．穩(wěn)定性氫氧同位素在水分循環(huán)中的應(yīng)用［J］．水土保持學(xué)報，2003，17(2):163．Shi Hui，Liu Shirong，Zhao Xiaoguang．Application of stable hydrogen and oxygen isotope in water circulation［J］．Journal of Soil and Water Conservation，2003，17(2): 163．(in Chinese)

［9］張應(yīng)華，仵彥卿．黑河流域不同水體中 δ18O的變化［J］．水科學(xué)進展，2007，18(6):864．Zhang Yinghua，Wu Yanqing．Variation of δ18O in water in Heihe river basin［J］．Advances in Water Science，2007，18(6):864．(in Chinese)

［10］張應(yīng)華，仵彥卿，溫小虎，等．環(huán)境同位素在水循環(huán)研究中的應(yīng)用［J］．水科學(xué)進展，2006，17(5):738．Zhang Yinghua，Wu Yanqing，Wen Xiaohu，et al．Application of environmental isotopes in water cycle［J］．Advances in Water Science，2006，17(5):738．(in Chinese)

［11］陳新明，甘義群，劉運德，等．長江干流水體氫氧同位素空間分布特征［J］．地質(zhì)科技情報，2011，30(5): 110．Chen Xinming，Gan Yiqun，Liu Yunde，et al．Spatial distribution characteristics of hydrogen and oxygen isotopes in the mainstream of Yangtze River［J］．Geological Science and Technology Information，2011，30(5):110．(in Chinese)

［12］高建飛，丁悌平，羅續(xù)榮，等．黃河水氫、氧同位素組成的空間變化特征及其環(huán)境意義［J］．地質(zhì)學(xué)報，2011，85(4):596．Gao Jianfei，Ding Tiping，Luo Xurong，et al．δD and δ18O variations of water in the Yellow River and its environmental significance［J］．Acta Geologica Sinica，2011，85(4):596．(in Chinese)

［13］徐學(xué)選，張北贏，田均良．黃土丘陵區(qū)降水 土壤水地下水轉(zhuǎn)化實驗研究［J］．水科學(xué)進展，2010，21 (1):16．Xu Xuexuan，Zhang Beiying，Tian Junliang．Experimentalstudyontheprecipitation-soilwater-groundwater transformation in loess hilly region［J］．Advances in Water Science，2010，21(1):16．(in Chinese)

［14］王仕琴，宋獻方，肖國強，等．基于氫氧同位素的華北平原降水入滲過程［J］．水科學(xué)進展，2009，20(4):495．Wang Shiqin，Song Xianfang，Xiao Guoqiang，et al．Appliance of oxygen and hydrogen isotope in the process of precipitation infiltration in the shallow groundwater areas of North China Plain［J］．Advances in Water Science，2009，20(4):495．(in Chinese)

［15］榮艷淑，屠其璞．天津地區(qū)蒸發(fā)演變及對本地氣候干旱化影響的研究［J］．氣候與環(huán)境研究，2004，9(4):575．Rong Yanshu，Tu Qipu．The research of effects of evaporation evolution on climatological drought trend in Tianjin region［J］．Climatic and Environmental Research，2004，9(4):575．(in Chinese)

［16］田永宏，鄭寶明，王煜，等．黃河中游韭園溝流域壩系發(fā)展過程及攔沙作用分析［J］．土壤侵蝕與水土保持學(xué)報，1999，5(6):24．Tian Yonghong，Zheng Baoming，Wang Yu，et al．Developing process and sediment control effect analysis of damsystem in Jiuyuangou valley of middle Yellow River ［J］．Journal of Soil Erosion and Soil and Water Conservation，1999，5(6):24．(in Chinese)

［17］高海東，李占斌，賈蓮蓮，等．利用 SEBAL模型估算不同水土保持措施下的流域蒸騰蒸發(fā)量:以韭園溝、裴家峁流域為例［J］．土壤學(xué)報，2012，49(2):260．Gao Haidong，Li Zhanbin，Jia Lianlian，et al．Estimation of evapotranspitations from watersheds under different water and soil conservation measures using SEBAL model—A case study of Jiuyuangou and Peijiamao［J］．Acta Pedologica Sinica，2012，49(2):260．(in Chinese)

［18］張華安，王乃昂，李卓侖，等．巴丹吉林沙漠東南部湖泊和地下水的氫氧同位素特征［J］．中國沙漠，2011，31(6):1623．Zhang Huaan，Wang Naiang，Li Zhuolun，et al．Features of hydrogen and oxygen isotopes in lakes and groundwater in southeast Badain Jaran Desert［J］．Journal of Desert Research，2011，31(6):1623．(in Chinese)

［19］Craig H．Isotopic variations in meteoric water［J］．Science，1961，133(3465):1702．

［20］柳鑒容，宋獻方，袁國富，等．西北地區(qū)大氣降水δ18O的特征及水汽來源［J］．地理學(xué)報，2008，63(1):12．Liu Jianrong，Song Xianfang，Yuan Guofu，et al．Characteristics of δ18O in precipitation over Northwest China and its water vapor sources［J］．Acta Geographica Sinica，2008，63(1):12．(in Chinese)

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:P344;P342;P641

文獻標(biāo)志碼:A

文章編號: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