瞿思敏，鄭何聲園，孫苗苗，石 朋，2，徐時進(jìn)，胡友兵

（1.河海大學(xué)水文水資源學(xué)院，南京 210098；2.河海大學(xué)水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點實驗室，南京 210098；3.淮河水利委員會水文局（信息中心），安徽蚌埠 233001）

0 引 言

水利工程是為了控制和調(diào)配自然界的水資源，滿足人類生產(chǎn)生活需要，達(dá)到興利除害目的而修建的工程，20世紀(jì)以來，水利工程建設(shè)在世界范圍內(nèi)達(dá)到頂峰。據(jù)不完全統(tǒng)計，全球大型水利工程的累計蓄水容量從1900年的不到1 000 億m3增加到2000年的約83 000 億m3［1，2］。到21 世紀(jì)初，世界上約60%的河流被各種水庫和閘門所調(diào)控［3］，預(yù)計到2025年這一比例將達(dá)到70%［4］。水利工程在防洪、供水、發(fā)電、航運等方面發(fā)揮了重要的作用，極大地促進(jìn)了社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。與此同時，水利工程也產(chǎn)生了一定的消極影響。水利工程使河川徑流的天然情況被改變，河流的連通性減少，集水區(qū)分裂，流域下墊面發(fā)生巨大變化，導(dǎo)致水文過程發(fā)生改變，對水文特征產(chǎn)生重要的影響，被認(rèn)為是對河流影響最大的因素［5-7］。因此，評價和分析水利工程建設(shè)對水文過程的影響具有重要的科學(xué)意義［8-12］。

淮河流域是我國水利工程建設(shè)最密集的地區(qū)之一，在1970-1980年間流域內(nèi)水利工程建設(shè)達(dá)到頂峰。自20 世紀(jì)70年代以來，流域內(nèi)出現(xiàn)了泥沙淤積、河流干涸等一系列問題［13］，并且，流域干流的洪水特征發(fā)生了明顯的變化。這些問題是否受到了水利工程建設(shè)的影響以及如何定量評估水利工程建設(shè)對流域水循環(huán)過程的影響，是水文學(xué)的研究前沿與熱點。

在流域水文循環(huán)過程中，組成水分子的穩(wěn)定同位素D或18O主要受不同水源混合以及一些物理過程如蒸發(fā)、凝結(jié)等影響而構(gòu)成同位素分餾，引起同位素含量變化，且以不同水源的混合影響為主。這些穩(wěn)定同位素可以提供物質(zhì)遷移以及降雨與流域上蓄量混合的信息并因此被廣泛應(yīng)用在水文學(xué)的各個研究領(lǐng)域［14，15］。主要包括：大氣降水、河水、地下水中穩(wěn)定同位素變化趨勢［16，17］，利用同位素分析了解地下水年齡、補給來源、地下水資源評價［18］，指示水流路徑［19］，地表水與地下水的轉(zhuǎn)換［20］等。但是，現(xiàn)有的研究對河流不同水庫組合影響下水環(huán)境過程的關(guān)注較少，對水利工程影響下水環(huán)境演變規(guī)律難以準(zhǔn)確把握。因此，本文選取淮河流域支流史灌河上2座大型水庫，梅山水庫和鲇魚山水庫為研究對象，通過對不同水庫組合下各水體的氫氧同位素組成進(jìn)行研究與分析，結(jié)合電導(dǎo)率和水化學(xué)特征，分析水庫攔截作用下氫氧同位素的時空分布變化規(guī)律，并探討其主要影響因素及不同水庫類型對氫氧同位素組成的影響程度，對研究水利工程對水環(huán)境過程的影響有重要的現(xiàn)實意義。

1 研究區(qū)域概況

1.1 流域概況

淮河流域（N30°55'～36°36'，E111°55'～121°25'），是我國第六大流域，流域總控制面積約27萬km2，全長約1 250 km。山丘區(qū)面積約占全流域面積的1/3，平原、湖泊、洼地面積約占2/3。此外，流域內(nèi)還星羅棋布地分布著一些湖泊、洼地。

以淮河與蘇北灌溉總渠為界，流域南部屬副熱帶濕潤區(qū)，北部屬暖溫帶半濕潤區(qū)。流域年平均氣溫在14～15.7 ℃之間，由北向南逐漸升高。流域內(nèi)相對濕度較大，年均相對濕度67%～80%。年均水面蒸發(fā)量在800～1 200 mm 之間，由北向南、由東向西呈減小趨勢。而年均陸面蒸發(fā)量在500～800 mm 之間，呈現(xiàn)南多北少、東大西小的趨勢。流域多年平均降水量為910 mm，總體呈現(xiàn)由南向北減小的趨勢。山區(qū)降水量最多，其中大別山區(qū)年降水量大于1 400 mm，桐柏山和伏牛山年降水量為1 000～1 200 mm。降水量年內(nèi)分配不均，年際間變化也較大。流域內(nèi)主要有兩種類型暴雨：一種是6、7月份的流域大暴雨，其范圍廣、雨量足、持續(xù)時間長，這種暴雨主要由切變線和低空急流等天氣系統(tǒng)引起；另一種是8月份的臺風(fēng)雨，其范圍小、歷時短但強度極大。流域多年平均徑流深為237 mm，分布特征與降水量大致相同。山丘區(qū)年徑流較大，超過300 mm，而淮北地區(qū)徑流深不足100 mm。年徑流年內(nèi)分配不均勻度大于降水量，6-9月徑流量可占全年的55%～85%。而年際間變化幅度劇烈，極值間相差懸殊，豐枯變化頻繁。

本文的研究區(qū)域為史灌河及淮河干流上王家壩到潤河集河段。研究區(qū)域拓?fù)潢P(guān)系見圖1。

圖1 研究區(qū)域概化圖及采樣點分布Fig.1 The region generalization map and the distribution of sampling points

1.2 水利工程概況

淮河流域是我國水利工程建設(shè)密度最高的地區(qū)之一，目前全流域已經(jīng)修建了5 700 多座水庫和5 400 多座閘門，總庫容達(dá)到近300 億m3，約占整個流域年均徑流量的50%。流域平均每50 km2有一個水庫，平均每條支流有近10 個閘門或水庫。其中，大型水庫有38 座，總庫容約190 億m3，興利庫容約74 億m3，防洪庫容約56 億m3?；春恿饔?8 座大型水庫中，有20 座位于淮河流域，其中燕山水庫和白蓮崖水庫修建于2000年以后，另外18 座位于沂沭泗流域。這38 座水庫控制面積約達(dá)3.5 萬km2，約占整個流域山丘區(qū)面積的1/3。中型水庫166座，總庫容達(dá)48 億m3。在水閘中，大中型閘門有600 多座，主要用于攔蓄河水，調(diào)節(jié)徑流以及補充地下水。

本文選取史灌河上2 座大型水庫，鲇魚山水庫和梅山水庫作為研究對象，水庫基礎(chǔ)數(shù)據(jù)見表1。

表1 水庫基礎(chǔ)數(shù)據(jù)Tab.1 Basic data of reservoirs

2 樣品采集及分析

2020年12月7日-13日，分別對史河及淮河干流上5 個采樣點進(jìn)行采樣。為了考慮水利工程對水庫及河流氫氧同位素組成的影響，在鲇魚山水庫、梅山水庫，2 座水庫下游的蔣家集站（水庫影響很大）采樣，同時在淮河干流史灌河匯集點以上的王家壩站（水庫影響較小）和匯集點以下的潤河集站（水庫影響較大）進(jìn)行采樣。采集樣品共計70個，采樣點的分布見圖1。

河水和水庫水采集主要在河道和水庫中心處，將30 mL 聚乙烯采樣瓶置于水下大約10 cm 處，用采樣瓶收集河水和水庫水（注意一定采滿水樣，用以防止蒸發(fā)）。采集兩瓶水樣，一瓶用來分析同位素、電導(dǎo)率及水化學(xué)離子，另一瓶備用。采樣在每天上午8∶00和下午4∶00各進(jìn)行一次。

野外采集的水樣在河海大學(xué)國家重點實驗室由質(zhì)譜儀（MAT253）進(jìn)行同位素分析（δ2H 和δ18O），通過高溫裂化下的H2-H2O 平衡法得到氘的樣本，而氧的樣本則通過CO-H2O 平衡法得到。其中，18O 測試精度為±0.2‰，2H 測試精度為±2‰。用相對于維也納標(biāo)準(zhǔn)平均海水（V-SMOW）的千分偏差δ值（‰）來表示同位素組成：

式中：R為2H/1H或18O/16O。

采用離子色譜法測定Cl-，便攜式電導(dǎo)率儀測定電導(dǎo)率。

3 結(jié)果與討論

3.1 水化學(xué)及同位素一般組成

5 個采樣點的電導(dǎo)率（EC），氯離子（Cl-）及同位素的平均值、最大值和最小值見表2。

表2 水化學(xué)及同位素特征Tab.2 Water chemistry and isotopic characteristics

Cl-濃度變化范圍為1.68～44.07 mg/L，梅山水庫濃度最低，為1.85 mg/L，上游王家壩濃度最高，為36.22 mg/L，蔣家集和潤河集濃度降低主要受水庫下泄水的影響，蔣家集離水庫近，影響更大，下降更多。EC的變化范圍為76～490 μs，變化跟Cl-一致，也是梅山水庫最低，為78.46 μs，王家壩最高，為409.6 μs，蔣家集和潤河集EC降低主要受水庫下泄水的影響，蔣家集離水庫近，影響更大，下降更多。

δ18O 的變化范圍為-9.52‰～-6.72‰，梅山水庫值最小，為-9‰。δD 的變化范圍為-64.56‰～42.43‰，梅山水庫值最小，為-58.83‰，蔣家集和潤河集相差不大，一個為-46.76‰，一個為-49.79‰。

3.2 同位素含量的時空變化特征

一般來說，大氣降水輸入、支流匯入以及湖泊等是影響氫氧同位素在水庫水體中分布的主要因素［21］。研究表明，大氣降水是影響淮河流域氫氧同位素分布的主要因素。而大氣降水中氫氧同位素含量變化主要包括以下幾方面因素的影響：①降水水汽來源以及水汽輸送過程，比如大陸效應(yīng)和緯度效應(yīng)；②局地氣象因素，比如氣溫、降水量、濕度等；③研究區(qū)的海拔，比如高程效應(yīng)［22］。除此之外，還包括匯集過程中蒸發(fā)作用的影響等等。這些因素的影響程度及相互關(guān)系還沒有一致的結(jié)論［23-25］。

3.2.1 時間變化

各水庫庫區(qū)水及下游斷面和干流上下游斷面δ18O 隨時間變化如圖2～圖6 所示?？傮w上看，2 個水庫庫區(qū)水同位素變化比較平緩（圖2 和圖3），除了極個別點，因為受上游同位素貧化降雨影響，同位素含量偏低。有水庫支流匯入點以上斷面王家壩氧同位素變化比較平穩(wěn)（圖4），12月11日受降水影響（表3），同位素貧化。水庫下游斷面蔣家集、干流上有水庫支流匯入點以下斷面潤河集同位素波動較大（圖5 和圖6），可能跟影響因素較多有關(guān)系。

表3 氣象要素表Tab.3 meteorological elements

圖2 梅山水庫氧18時程變化圖Fig.2 Temporal variation of oxygen-18 in Meishan Reservoir

圖3 鲇魚山水庫氧18時程變化圖Fig.3 Temporal variation of oxygen-18 in the Nianyushan Reservoir

圖4 王家壩站氧18時程變化圖Fig.4 Temporal variation of oxygen-18 at Wangjiaba station

圖5 蔣家集站氧18時程變化圖Fig.5 Temporal variaton of oxygen-18 at Jiangjiaji Station

圖6 潤河集站氧18時程變化圖Fig.6 Temporal variation of oxygen-18 at Runheji station

3.2.2 空間變化

綜合12月7日-13日王家壩、梅山水庫、鲇魚山水庫、蔣家集和潤河集5個采樣點70次水樣δ18O和δD沿流向的變化情況，如圖7～圖8 所示。各水體氫氧同位素組成沿河流流向上變化趨勢一致，總體偏正。出現(xiàn)這種情況的原因可能是：①河水的氫氧同位素組成一定程度上受到水庫作用的影響，由于河水被水庫所攔截，滯留時間上游水體較下游更短，這就使得蒸發(fā)作用時間更短，水體中氫氧同位素分餾程度也相對較低，導(dǎo)致上游水體相對偏負(fù)；②另一方面，兩種同位素在降水中的含量隨著采樣點緯度的降低而增大，這是緯度效應(yīng)影響同位素在大氣降水中的組成。

圖7 氧18沿流向變化Fig.7 δ18O variation along the flow direction

圖8 氘沿流向變化Fig.8 δD variation along the flow direction

3.3 水體水線

隨著水相態(tài)的轉(zhuǎn)化，氫氧同位素在大氣降水中的含量也會隨之改變，可以用大氣降水線來表現(xiàn)氫氧同位素組成在降水過程中存在的差異［26］。大氣降水線表示了δ18O 和δD 之間的線性關(guān) 系［27］，Craig［28］在1961年首次建立了全球大氣降水線（GWML）：δD=8δ18O+10。D 相對平衡狀態(tài)的偏離程度由截距表示，18O 和D 之間分餾速率的關(guān)系由斜率表示。水汽來源、水汽輸送方式、濕度、溫度等是影響大氣降水線的主要因素。每個區(qū)域由于地理位置和氣候條件的不同，當(dāng)?shù)氐拇髿饨邓€會有較大差別?；春恿饔蛴朽嵵?、煙臺、南京3 個觀測站在GNIP觀測網(wǎng)中，本文研究區(qū)域靠近南京市，所以選取南京降水線跟水庫和河水進(jìn)行比較，見圖9。

圖9 水體氫氧同位素與LMWL的比較Fig.9 Comparison of Hydrogen and Oxygen Isotopes and LMWL in Water

總體來看，數(shù)據(jù)點整體較大程度偏離LMWL。數(shù)據(jù)點主要集中于南京降水線（代表LWML）下方，水庫水體點集中于左下方，河水水體點集中于右下方，只有少部分水庫水體點落在南京降水線上。淮河流域水的氫氧同位素組成主要是受大氣降水輸入影響，出現(xiàn)以上情況可以說明，水庫段的蒸發(fā)作用較強。有水庫的河流相對一般的河流平均流速有所降低，蒸發(fā)作用隨水體滯留時間加長而加強，水體氫氧同位素值與大氣降水相比分餾程度較大，從而造成河水氫氧同位素偏離LMWL。

4 結(jié) 論

時間變化上，兩個水庫水體的同位素變化比較平穩(wěn)，干流上，王家壩站比較平穩(wěn)，12月11日受降水影響，同位素貧化。蔣家集和潤河集同位素變化波動較大，影響因素較多。

空間變化上，水體氫氧同位素組成沿河流流向上變化趨勢一致，總體偏正。一是河水受到水庫的攔截，水體的滯留時間加長，蒸發(fā)作用時間加長，上游氫氧同位素較下游偏負(fù)，二是緯度效應(yīng)的影響。

河水和水庫氫氧同位素組成偏離當(dāng)?shù)卮髿饨邓€，主要是由于河流的流速因水庫的攔截作用而變緩，水體的滯留時間延長等水力條件改變，使得蒸發(fā)作用比一般河流更加強烈。

兩個水庫的Cl-濃度和電導(dǎo)率都很低，干流上游王家壩Cl-和電導(dǎo)率最大，下游蔣家集和潤河集Cl-和電導(dǎo)率受水庫下泄水影響，值有所下降，其中，蔣家集離水庫比較近，影響更大。 □