謝姝 孟玉川 劉國(guó)東 李璐汐

摘要：大渡河干流規(guī)劃了29座梯級(jí)水電站，已建成13座。為了解環(huán)境和水電開(kāi)發(fā)對(duì)大渡河河水氫氧同位素組成的影響，應(yīng)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)等方法對(duì)2020年9月采集的大渡河流域河水氫氧同位素和相關(guān)水文資料進(jìn)行分析。結(jié)果表明：① 大渡河水體 δ D和 δ?? 18 O的分布范圍分別為-120.60‰～-77.98‰和-16.67‰～ -11.90‰ ，河水的 δ D與 δ?? 18 O關(guān)系線(xiàn)為 δ D=8.01 δ?? 18 O+14.43（ R? 2=0.97， ρ <0.01）;② 氘盈余的范圍為 11.72‰ ～18.15‰，河水氘盈余值全部偏正，體現(xiàn)了大渡河水接受冰雪融水補(bǔ)給的特征;③ ?δ D和 δ?? 18 O沿程增加，表明從上游至下游重同位素逐漸富集，反映了該區(qū)域氫氧同位素分布具有海拔效應(yīng);④ 水電站的大壩攔截會(huì)對(duì)水體氫氧同位素含量產(chǎn)生一定影響，水庫(kù)水體滯留時(shí)間較長(zhǎng)會(huì)使得壩前水體重同位素富集。

關(guān) 鍵 詞：氫氧同位素; 海拔效應(yīng); 水體滯留; 大渡河

中圖法分類(lèi)號(hào)： ?X143

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： ?A

DOI： 10.16232/j.cnki.1001-4179.2022.03.008

0 引 言

水的? 2 H和? 18 O是廣泛存在于水體中的穩(wěn)定同位素，因其自身的穩(wěn)定性，可作為研究各類(lèi)水體補(bǔ)給來(lái)源的天然示蹤劑，是進(jìn)行水循環(huán)研究的重要手段? [1-3] 。不同來(lái)源的水具有不同的同位素組成，利用水中的? 2 H和? 18 O能夠揭示區(qū)域降水規(guī)律、水體補(bǔ)給來(lái)源、徑流途徑及河流與湖泊或水庫(kù)的混合作用等，有助于理解區(qū)域水循環(huán)格局、機(jī)制及演化信息? [4-6] 。

河水是水文循環(huán)過(guò)程的重要環(huán)節(jié)，其通過(guò)多種方式與大氣降水、地下水、冰雪融水等不斷發(fā)生相互轉(zhuǎn)化? [7] 。影響河流水體? 18 O和? 2 H組成的因素較多，主要有氣候條件、補(bǔ)給來(lái)源、蒸發(fā)等? [8] 。也有研究發(fā)現(xiàn)，梯級(jí)水庫(kù)的建設(shè)影響了河水氫氧同位素沿程變化規(guī)律? [9-10] 。大渡河是位于青藏高原東南坡的一條大型河流，河源到河口高程變化大，平均水力坡度達(dá)到 0.4% ，水量豐沛，水能資源豐富，因此在干流規(guī)劃了29座梯級(jí)水力發(fā)電站，已建成13座。目前，有關(guān)大渡河水體氫氧穩(wěn)定同位素的研究甚少。本文根據(jù)2020年9月在大渡河采集水樣檢測(cè)的? 2 H和? 18 O含量 δ D和 δ?? 18 O，探討豐水期大渡河干、支流河水 δ D和 δ?? 18 O的空間分布特征，并分析區(qū)域環(huán)境（雪融水、海拔）及梯級(jí)水電站對(duì)大渡河流域河水 δ D和 δ?? 18 O的影響，為大渡河流域水文循環(huán)研究提供參考。

1 研究區(qū)概況

大渡河位于青藏高原東南邊緣與四川盆地的過(guò)渡帶，發(fā)源于青海省阿尼瑪卿山脈的果洛山南麓? [11] 。上源足木足河經(jīng)阿壩縣于馬爾康縣境接納梭磨河、綽斯甲河后稱(chēng)大金川，向南流經(jīng)金川縣、丹巴縣，于丹巴縣城東接納小金川后始稱(chēng)大渡河，再經(jīng)瀘定縣、石棉縣轉(zhuǎn)向東流，經(jīng)漢源縣、峨邊縣，于樂(lè)山市城南注入岷江，全長(zhǎng)1 062 km，流域面積7.77萬(wàn)km? 2 ，多年平均流量 1 510 ?m? 3 /s，是長(zhǎng)江流域岷江水系最大的支流。大渡河的主要支流有梭磨河、綽斯甲河、革什扎河、小金川、南椏河、流沙河、青衣江等，流域內(nèi)徑流主要由降雨補(bǔ)給。

大渡河流域內(nèi)地形復(fù)雜，流經(jīng)高山丘原、高山峽谷、低山丘陵等地貌單元，海拔高程由發(fā)源地4 579 m過(guò)渡到入岷江河口的404 m。瀘定縣以上的上游段，河流穿行于大雪山與邛崍山之間，河谷束狹，河流下切，部分高山山頂常年積雪。中游瀘定至石棉，地勢(shì)蜿蜒險(xiǎn)峻，河流水深流急，其中右岸接收發(fā)源于常年積雪的貢嘎山的海螺溝和燕子溝河水補(bǔ)給;石棉縣以下的下游段，河流急轉(zhuǎn)東流，進(jìn)入四川盆地西南部的丘陵地帶，沿河兩岸山勢(shì)漸緩，河谷漸闊，有河漫灘、沙洲分布。流域上游上段冬冷夏涼，屬全年少雨的高原山地氣候，年降水量500～750 mm，以降雪為主，積雪期可達(dá)5個(gè)月。其余地區(qū)屬季風(fēng)氣候，一般具冬暖、夏熱、濕潤(rùn)多雨的特征，年降水量1 000 mm，瀘定、石棉縣右岸地區(qū)年降水量1 200～1 500 mm，下游部分地區(qū)降水量可到 1 400 ～1 900 mm。

大渡河水電規(guī)劃開(kāi)發(fā)較早，干流規(guī)劃29級(jí)水電站，其中猴子巖、黃金坪、瀘定、大崗山、龍頭石、瀑布溝、深溪溝、枕頭壩、沙坪、龔嘴、銅街子、安谷、沙灣等13個(gè)電站已建成發(fā)電。

2 樣品采集與方法

2.1 樣品采集

2020年9月對(duì)大渡河流域進(jìn)行了水樣采集，主要采集了梯級(jí)水庫(kù)的壩前水、下泄水和主要支流的表層水體。本次研究共采集水樣50組，其中干流42組，支流8組，采樣點(diǎn)位如圖1所示。

采樣過(guò)程中，利用打水器采集了水面以下15 cm左右的水樣，原位測(cè)定了水體水溫。采集水樣時(shí)先用待取水體潤(rùn)洗采樣瓶，然后將水樣裝入PE瓶中，瓶口和瓶蓋間不留空隙、避免氣泡產(chǎn)生，用封口膜密封瓶口以防止蒸發(fā)分餾，并在瓶身做好標(biāo)記，放置于冰箱低溫保存。

2.2 氫氧同位素分析

樣品在四川大學(xué)水利水電學(xué)院資源實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行測(cè)定分析，先將所有的水樣通過(guò)0.45 μm的有機(jī)濾膜除去水中雜質(zhì)，再吸取過(guò)濾樣品約1 mL于分析瓶中，利用LGR液態(tài)水同位素分析儀（Triple Liquid Water Isotopie Analyzer，型號(hào)T-LWIA-45-EP（912-0050））進(jìn)行測(cè)量。測(cè)量后由LGR Post-Processing 后處理軟件進(jìn)行分析，得到不同水體樣品中 δ D、 δ?? 18 O的值。同位素含量分別用 δ D、 δ?? 18 O表示，測(cè)定結(jié)果以相對(duì)于V-SMOW標(biāo)準(zhǔn)的千分差表示：

δ= R?? sample? -R?? standard?? R?? standard?? ×1000 ‰? （1）

式中： R?? sample 和 R?? standard 分別為河水樣品和標(biāo)準(zhǔn)樣品中的同位素比率，測(cè)定精度分別為±0.3‰和±0.08‰。

2.3 數(shù)據(jù)處理

運(yùn)用AutoCAD軟件制作采樣點(diǎn)分布圖。運(yùn)用Excel對(duì)50組水樣的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行整理，并計(jì)算氘盈余的值。應(yīng)用Origin 2018對(duì)每組數(shù)據(jù)進(jìn)行繪圖分析。

3 結(jié)果與討論

3.1 特征因子沿程變化規(guī)律

河水在自上游至下游的流動(dòng)過(guò)程中，會(huì)受到其他水體補(bǔ)給及環(huán)境因素的影響，致使河水內(nèi)部氫氧穩(wěn)定同位素、溫度等會(huì)隨著匯流過(guò)程產(chǎn)生一系列的變化? [12] 。圖2為大渡河干流和主要支流溫度、 δ D、 δ?? 18 O和氘盈余的沿程變化。

采樣期間大渡河流域水體溫度在14.2～21.0 ℃之間波動(dòng)，溫差6.8 ℃，平均溫度為17.11 ℃。除安谷、龔嘴、銅街子水電站外，其余水電站壩前水體的溫度都大于壩后水體的溫度，可能是由于庫(kù)區(qū)水存在垂向上的溫度分層，水庫(kù)下泄底層低溫水，使得壩后水體溫度較低。瀑布溝水電站壩前水體的溫度最高，壩前壩后水體的溫差也最大，相差2.7 ℃。支流水體的平均溫度低干流水體，但兩者相差不大?？傮w來(lái)看，瀑布溝水電站上游地區(qū)溫度比下游地區(qū)波動(dòng)大，沿著大渡河從上游到下游，溫度呈現(xiàn)出上升的趨勢(shì)。

河水 δ D和 δ?? 18 O的范圍分別為-120.60‰～ -77.98‰ 和-16.67‰～-11.90‰，均值分別為 -108.41‰ 和-15.35‰。支流水體中 δ D的均值為 -106.03‰ ， δ?? 18 O的均值為-15.12‰，支流水體的同位素均值要比干流水體略微偏正。整體來(lái)看，大渡河 δ D變化幅度較大， δ?? 18 O變化幅度相對(duì)較小， δ D和 δ?? 18 O有相似的沿程變化，從上游到下游重同位素逐漸富集。對(duì)于水體滯留時(shí)間 T（T=V/Q，V為庫(kù)容，Q為平均流量） 較長(zhǎng)的水庫(kù)，如猴子巖、瀑布溝水庫(kù)（見(jiàn)表1），其壩前水體的同位素值總是比壩后水體富集重同位素，這與Wang等? [10] 在烏江流域的研究結(jié)果一致。

氘盈余取決于形成降雨時(shí)水汽來(lái)源的相對(duì)濕度，可作為判斷水體補(bǔ)給排泄過(guò)程中的同位素交換以及蒸發(fā)影響程度指標(biāo)? [12] 。大渡河流域氘盈余值的變化范圍為11.72‰～18.15‰，均值為 14.28‰ ，均大于全球降水氘盈余均值（10‰），體現(xiàn)了大渡河接受冰雪融水補(bǔ)給的特征，且研究區(qū)地形復(fù)雜，區(qū)內(nèi)高山河谷相間，本地蒸發(fā)水汽也對(duì)降水補(bǔ)給產(chǎn)生影響。氘盈余沿程表現(xiàn)出明顯的波動(dòng)，可能是由于河流自高海拔地區(qū)向低海拔地區(qū)流動(dòng)過(guò)程中不僅接受降雨補(bǔ)給還會(huì)受到冰雪融水補(bǔ)給和支流匯入的影響。

3.2 大渡河水中 δ D和 δ?? 18 O的相關(guān)分析

Craig通過(guò)研究不同地區(qū)的降水樣品，提出了全球大氣降水線(xiàn)（Global Meteoric Water Line，GMWL） δ D=8 δ?? 18 O+10? [13] 。但由于不同地區(qū)氣候和環(huán)境條件的差異，得到的降水 δ D- δ?? 18 O關(guān)系線(xiàn)會(huì)出現(xiàn)地域差異性，這種差異性可通過(guò)當(dāng)?shù)卮髿饨邓€(xiàn)（Local Meteoric Water Line，LMWL）來(lái)刻畫(huà)? [14-15] 。針對(duì)大渡河所在的西南地區(qū)，不少學(xué)者進(jìn)行了當(dāng)?shù)卮髿饨邓畾溲跬凰氐难芯?，得到了西南地區(qū)降水線(xiàn) δ D=7.96 δ?? 18 O+ 9.52 ，本文將其作為當(dāng)?shù)卮髿饨邓€(xiàn)? [16] 。將大渡河水 δ D和 δ?? 18 O數(shù)據(jù)進(jìn)行線(xiàn)性擬合（見(jiàn)圖3），得到流域內(nèi)河水的 δ D和 δ?? 18 O關(guān)系線(xiàn) δ D=8.01 δ?? 18 O+14.43（ R?? 2 = 0.97 ， ρ <0.01），其斜率和截距都高于當(dāng)?shù)卮髿饨邓€(xiàn)LMWL，一般來(lái)說(shuō)，由于降水補(bǔ)給河水后，受到不同程度的蒸發(fā)富集作用，河水線(xiàn)方程的斜率和截距都要小于當(dāng)?shù)卮髿饨邓€(xiàn)? [17] 。但兩者斜率相差不大，說(shuō)明河水易受大氣降水的影響。河水的 δ D- δ?? 18 O關(guān)系線(xiàn)位于LMWL的上方，表明大渡河除了接受降雨補(bǔ)給之外還有其他的補(bǔ)給來(lái)源。大渡河中上游數(shù)據(jù)點(diǎn)位于河水線(xiàn)的下部，這是由于大渡河上游地區(qū)海拔較高，上游最高點(diǎn)海拔為2 579.5 m，且采樣時(shí)間是雨季溫度較高，河水接受了部分冰雪融水補(bǔ)給。與同時(shí)期收集的岷江干流水體同位素相比，數(shù)據(jù)點(diǎn)基本落在了岷江河水線(xiàn)的左下方，說(shuō)明與其干流岷江相比大渡河水體重同位素更貧化。

3.3 ?δ D和 δ?? 18 O的高程效應(yīng)

Siegenthaler等通過(guò)對(duì)瑞士不同海拔降水中同位素的研究發(fā)現(xiàn)， δ?? 18 O值呈現(xiàn)隨著海拔升高而減小的線(xiàn)性下降趨勢(shì)，這種現(xiàn)象被稱(chēng)為高程效應(yīng)? [18-19] 。大渡河流域地表水氫氧同位素表現(xiàn)出一定程度的高程效應(yīng)（見(jiàn)圖4）。隨著海拔的升高， δ D和 δ?? 18 O值總體表現(xiàn)出下降的趨勢(shì)，這與姚檀棟等在青藏高原地區(qū)的研究結(jié)果一致? [20] 。大渡河水體 δ?? 18 O和 δ D值隨海拔高度變化的梯度分別為1.05‰/km和8.70‰/km，小于全球降水 δ?? 18 O梯度值（2.80‰/km）。在拉薩河流域，水體 δ?? 18 O隨海拔變化的梯度為1.58‰/km? [16] ;對(duì)喜馬拉雅山地區(qū)的研究結(jié)果表明，由于高程效應(yīng) δ D的遞減率為 26.10‰ /km? [21] ;貢嘎山地區(qū)（位于大渡河右岸）海拔每升高1 000 m， δ?? 18 O平均下降3.00‰， δ D平均下降 24.10‰?? [22] ;雖然大渡河流域海拔效應(yīng)與其他研究區(qū)相比較弱，但是符合 δ D和 δ?? 18 O隨海拔升高而減小的規(guī)律。大渡河上游至下游地勢(shì)起伏較大，本次采樣的最高點(diǎn)海拔達(dá)到了2 579.5 m，與最低點(diǎn)相差 2 205.4 ?m，通過(guò)線(xiàn)性擬合，高程與 δ?? 18 O和 δ D表現(xiàn)出了明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系，其相關(guān)系數(shù)分別為-0.65和-0.66，表明高程效應(yīng)可能是大渡河水中重同位素沿程富集的主要原因。

3.4 電站水庫(kù)建設(shè)對(duì) δ D和 δ?? 18 O的影響

隨著社會(huì)的發(fā)展，人類(lèi)對(duì)水資源和水能資源的需求日益增加，加速了對(duì)河流的開(kāi)發(fā)利用，水利工程的建設(shè)得到迅速發(fā)展。目前，世界上大約70%的河流都被大壩攔截? [10] 。大壩的攔截調(diào)蓄作用在帶來(lái)經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)，也帶來(lái)了負(fù)面效應(yīng)，它改變了河水流動(dòng)特征，使得河水在水庫(kù)中長(zhǎng)時(shí)間滯留接受蒸發(fā)，必將對(duì)水體中的同位素含量產(chǎn)生影響? [23] 。大渡河流域目前已建13座不同類(lèi)型的梯級(jí)水庫(kù)（見(jiàn)表1），在采集的庫(kù)區(qū)水樣中，壩前壩后水體氫氧同位素值發(fā)生了變化。

為探究梯級(jí)水庫(kù)建設(shè)對(duì)河流水體氫氧同位素的影響，本文利用采集的壩前、壩后氫氧同位素差值Δ（Δ δ?? 18 O= δ?? 18 O? 壩前 - δ?? 18 O? 壩后 ，Δ δ D= δ D? 壩前 - δ D? 壩后 ）與水庫(kù)滯留時(shí)間進(jìn)行相關(guān)性分析（見(jiàn)圖5）。結(jié)果發(fā)現(xiàn)水庫(kù)水體滯留時(shí)間與同位素差值Δ表現(xiàn)出正相關(guān)關(guān)系，即河水滯留時(shí)間越長(zhǎng)的水庫(kù)，其壩前水體重同位素越富集，這與Wang等? [10] 在烏江流域的研究結(jié)果一致。主要是由于水體滯留時(shí)間較長(zhǎng)的水庫(kù)，可能會(huì)出現(xiàn)熱分層現(xiàn)象使得庫(kù)區(qū)表層水體溫度更高，水體蒸發(fā)更為強(qiáng)烈。該區(qū)域的13座水庫(kù)絕大部分都出現(xiàn)了壩前水體溫度高于壩后水體溫度的現(xiàn)象，溫度更高的壩前水體相比壩后水體蒸發(fā)會(huì)更為強(qiáng)烈，水體重同位素也更加富集。但壩前、壩后水體氫氧同位素差值也出現(xiàn)了負(fù)值的情況，這是由于研究區(qū)的水庫(kù)水體滯留時(shí)間相對(duì)較短，對(duì)氫氧同位素特征的影響較小。

4 結(jié) 論

大渡河流域水體溫度在14.2～21.0 ℃之間波動(dòng)，從上游至下游表現(xiàn)出逐漸增加的趨勢(shì)。河水 δ D和? δ?? 18 O 的范圍分別為-120.60‰～-77.98‰和 -16.67‰ ～-11.90‰。水體 δ D和 δ?? 18 O有著相似的沿程變化，且都表現(xiàn)出逐漸偏正的趨勢(shì)。大渡河流域氘盈余的變化范圍為11.72‰～18.15‰，均值為 14.28‰ ，大于全球雨水氘盈余均值（10‰），體現(xiàn)了大渡河接受冰雪融水補(bǔ)給的特征。

流域內(nèi)河水的 δ D和 δ?? 18 O關(guān)系線(xiàn)為 δ D=8.01 δ?? 18 O+14.43（ R? 2=0.97， ρ <0.01），其斜率和截距都高于當(dāng)?shù)卮髿饨邓€(xiàn)LMWL和同時(shí)期岷江河水線(xiàn)。數(shù)據(jù)點(diǎn)全部位于LMWL的上方，表明大渡河除了接受降雨補(bǔ)給之外還有其他的補(bǔ)給來(lái)源。

大渡河流域水體氫氧同位素表現(xiàn)出一定的高程效應(yīng)，其水體 δ?? 18 O和 δ D值隨海拔高度變化的梯度分別為1.05‰/km和8.70‰/km。通過(guò)線(xiàn)性擬合，高程與 δ?? 18 O和 δ D表現(xiàn)出了明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系（相關(guān)系數(shù)分別為-0.65和-0.66），說(shuō)明高程效應(yīng)可能是大渡河水中重同位素沿程富集的主要原因。

大壩的攔截改變了河水流動(dòng)特征，使得河水在水庫(kù)中長(zhǎng)時(shí)間滯留接受蒸發(fā)，對(duì)水體中的同位素含量產(chǎn)生影響。通過(guò)相關(guān)性分析，發(fā)現(xiàn)河水滯留時(shí)間越長(zhǎng)的水庫(kù)，其壩前水體重同位素越富集。

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（編輯：劉 媛）

Variations of hydrogen and oxygen isotopes in waterbody of Dadu River during ?flood period and their influencing factors

XIE Shu，MENG Yuchuan，LIU Guodong，LI Luxi

（ State Key Laboratory of Hydraulics and Mountain River Engineering，Sichuan University，Chengdu 610065，China ）

Abstract：

There are 29 cascade hydropower stations planned in the main stream of Dadu River，and 13 have been constructed.In order to understand the influence of environment and hydropower development on the stable isotope composition of river water in the Dadu River，mathematical statistic was applied to analyze the δ? 18 O and δD of river water and related hydrological data collected in Dadu River in September 2020.The results indicated that：① the range of δD and δ18O were-120.60‰～-77.98‰ and-16.67‰～-11.90‰ respectively.The relationship between δD and δ? 18 O of river water was δD=8.01δ? 18 O+14.3（ R? 2=0.97， ρ <0.01）.② The d-excess values varied from 11.72‰ to 18.15‰，and all of the values were positive，indicating the Dadu River was recharged by melting water of ice and snow.③ δD and δ? 18 O increased along the river，suggesting that heavy isotopes were gradually enriched from upstream to downstream，which was likely to result from the “altitude effect” of hydrogen and oxygen isotopes in this area.④ Dam interception had an impact on the hydrogen and oxygen isotope composition of the river water.The long residence time of water in the reservoir will lead to the enrichment of water isotopes before the dam.