熱分層效應(yīng)控制的水庫水體氫氧同位素特征

蒲俊兵1，李建鴻1,2，吳　夏1，袁道先1，張　陶1,2

(1. 中國地質(zhì)科學(xué)院巖溶地質(zhì)研究所國土資源部/廣西巖溶動(dòng)力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西桂林　541004；2. 西南大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，重慶　400715)

摘要：為掌握水庫熱分層與氫氧同位素空間分布的關(guān)系，研究了廣西興安縣五里峽水庫夏季氫氧同位素空間分布特征及影響因素。研究表明：① 五里峽水庫夏季出現(xiàn)明顯的熱分層，庫表層至-5 m為表水層，-5 m至-20 m為溫躍層，-20 m以下為底溫層；② 五里峽水庫δ18O、δD值沿大氣降水線分布，但均落在桂林市大氣降水線右下方，其線性方程為δD=4.66δ18O-10.85(R2=0.76)，其斜率與全球大氣降雨線(GMWL)和桂林市降雨線(CLMWL)的斜率和截距差異明顯，表明五里峽水庫主要由降水補(bǔ)給，但在補(bǔ)給五里峽水庫前已經(jīng)過了強(qiáng)烈的蒸發(fā)作用和水巖作用；③ δ18O、δD隨水深的增加逐漸偏負(fù)，具有表水層>入庫水體>溫躍層>底溫層>出庫水體(>表示偏正)的垂向分布特征。分析認(rèn)為入庫水體氫氧同位素的季節(jié)變化和蒸發(fā)作用隨深度增加而降低是五里峽水庫夏季分層期間水體氫氧同位素垂向變化的主要影響因素。

關(guān)鍵詞：熱分層效應(yīng)；氫氧同位素；空間分布；影響因素；水庫

水庫、湖泊水體δ18O、δD可以反映流域降水、蒸發(fā)、水文狀況等特性，對于揭示水庫、湖泊水文平衡、區(qū)域水文循環(huán)及水環(huán)境保護(hù)具有重要意義[1-2]。目前國內(nèi)外一些工作重點(diǎn)關(guān)注利用氫氧穩(wěn)定同位素質(zhì)量平衡方法研究天然湖泊水體水平衡[3-4]。早期Pearson和Coplen[5]揭示影響湖泊水量平衡和同位素平衡的因素眾多，使得水體δ18O隨時(shí)間的推移變化多端；隨后Gonfiantini[6]將湖水蒸發(fā)過程中穩(wěn)定同位素分餾應(yīng)用于湖泊水量平衡研究，建立了湖水同位素平衡方程。Gibson和Reid[7]的最近研究表明，長時(shí)間序列的湖水氫氧同位素監(jiān)測可以很好地反演湖泊水量平衡的年內(nèi)和年際變化。和國外相比，近年來中國在湖泊或水庫同位素水文研究方面也取得了大量的成果。章新平和姚檀棟[8]利用穩(wěn)定同位素方法對青海湖的蒸發(fā)進(jìn)行了估算，同時(shí)討論了湖泊蒸發(fā)量和不同水體中穩(wěn)定同位素組成的關(guān)系，后期又揭示了水體穩(wěn)定同位素組成與剩余水比率、溫度和大氣相對濕度的關(guān)系[9]。臧埡琳等[10]也揭示了青藏高原羊卓雍錯(cuò)表層湖水的δ18O和過量氘存在空間變異，湖水在垂直方向上充分混合的水循環(huán)特征。一般情況下，利用氫氧同位素對水庫和湖泊進(jìn)行水量平衡計(jì)算，往往把水庫和湖泊看作一個(gè)完全混合的整體[8]，或取不同層上兩個(gè)水體混合作為水庫、湖泊氫氧同位素的平均值[7]，但許多深水水庫、湖泊都會形成垂向的密度分層，這樣的分層常常可以在年內(nèi)維持一個(gè)相對較長的時(shí)間[11]。有研究表明分層型水庫、湖泊氫氧同位素同樣出現(xiàn)了分層現(xiàn)象，高晶等[12]的研究發(fā)現(xiàn)湖水的δ18O值隨深度增加逐漸增大；Gat [13]對Tiberias湖的研究發(fā)現(xiàn)其水體氫氧同位素存在分層現(xiàn)象。當(dāng)水體氫氧同位素存在分層情況時(shí)，利用其進(jìn)行水量平衡計(jì)算往往會造成一定的誤差[7]?？傮w來看，目前國內(nèi)外有關(guān)分層型水庫、湖泊水體氫氧同位素空間分布特征的研究非常少，對影響水庫、湖泊氫氧同位素分層的特征及影響因素了解還不夠深入。地處亞熱帶地區(qū)的廣西五里峽水庫為深水型半巖溶水庫，具有顯著的季節(jié)性分層現(xiàn)象，夏季熱分層使得庫區(qū)上下水體交換不暢，對氫氧同位素的空間分布可產(chǎn)生重要影響。本文以五里峽水庫為研究對象，通過對夏季出、入庫水體及不同深度的庫區(qū)水體的氫氧穩(wěn)定同位素分析，研究水庫分層期間氫氧同位素空間分布特征、影響因素及其環(huán)境意義，進(jìn)一步深化對分層型水庫水循環(huán)過程的科學(xué)認(rèn)識，為水庫、湖泊水量平衡計(jì)算提供科學(xué)依據(jù)。

1　研究區(qū)概況與研究方法

圖1　五里峽水庫采樣點(diǎn)示意
Fig.1Sampling sites in Wulixia Reservoir

五里峽水庫位于廣西桂林市興安縣，庫區(qū)長約10.5 km，流域面積340 km2，庫容約1.080 億m3，為地表水補(bǔ)給的半巖溶型水庫，其集水區(qū)漠川河流域及庫區(qū)的中、上游部分均位于巖溶區(qū)，巖溶區(qū)面積占水庫庫區(qū)總面積的45%，主要巖溶地貌為峰叢谷地。水庫所處區(qū)域?qū)儆趤啛釒Ъ撅L(fēng)氣候，雨量充沛，年均降水量為1 868.0 mm，年均氣溫19.5 ℃。大氣降水主要集中在4—6月，受到夏季風(fēng)的影響，此3個(gè)月大氣降水量占全年大氣降水總量的64.6%，而1—4月、10—12月，冬季風(fēng)盛行[15]，降水相對較少。

2014年8月中旬選擇五里峽水庫入庫河流、庫尾、庫中、壩前、壩下等位置，在垂直剖面上每隔2.5 m(根據(jù)各點(diǎn)實(shí)際深度確定取樣個(gè)數(shù))利用定深采樣器(德國HYDRO-BIOS公司Ruttner標(biāo)準(zhǔn)水樣采集器)進(jìn)行現(xiàn)場分層采樣、監(jiān)測，采樣點(diǎn)見圖1。現(xiàn)場用WTW 3430多參數(shù)水質(zhì)測定儀(德國WTW公司)測定水溫(T)、溶解氧(DO)、pH值，各指標(biāo)測試精度分別為0.1 ℃、0.01 mg/L、0.001 pH單位，陰陽離子的采集及測試方法參考文獻(xiàn)[14]。取30 mL水樣儲存于高密度聚乙烯瓶中，不留氣泡，蓋緊后用封口膠密封，用于測定水體δ18O、δD。水體δ18O、δD由中國地質(zhì)科學(xué)院巖溶地質(zhì)研究所巖溶動(dòng)力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室測定，分析儀器為采用離軸整合積分腔光譜輸出技術(shù)(OA2ICOS)的液態(tài)水穩(wěn)定同位素分析儀(LWIA-24-d，Los Gatos Research，USA)。δ18O、δD測試結(jié)果均以V-SMOW標(biāo)準(zhǔn)給出。δ18O、δD精度分別為±0.2‰和±0.6‰。

2　結(jié)果與討論

2.1　水體熱分層

熱分層是靜水水體如湖泊、水庫不同于流動(dòng)水體如河流的一個(gè)重要特征，五里峽水庫介于暖多次混合型和不連續(xù)的暖單次混合型之間[14]，從圖2(a)可以看出，五里峽水庫庫區(qū)已出現(xiàn)明顯的熱分層。根據(jù)水溫隨水深的變化速率，可分為3層：① 表水層：庫表層至-5 m，水溫27.5～27.7 ℃，平均27.54 ℃，溫差0.2 ℃，水溫較高但溫差較??；② 溫躍層：-5 m至-20 m，水溫24.0～28.5 ℃，平均25.18 ℃，水溫隨水深增加迅速下降，等水溫線比較密集，層理性明顯；③ 底溫層：-20 m以下，水溫24.3～23.4 ℃，平均23.84 ℃，溫差0.9 ℃，等水溫線比較稀疏，層理性被打破，局部區(qū)域出現(xiàn)冷水團(tuán)。受水庫熱分層影響水庫pH和溶解氧(DO)存在明顯的分層現(xiàn)象(圖2)，表水層pH和DO隨水深增加而減少，溫躍層pH和DO隨水深增加先減后增，底水層pH和DO相對比較穩(wěn)定，這表明五里峽水庫不同層位的水質(zhì)存在明顯差異。

圖2　五里峽水庫水體理化性質(zhì)及氫氧同位素垂向分布
Fig.2Vertical distribution of water physicochemical characters and hydrogen oxygen isotope in Wulixia Reservoir

2.2　水庫δ18O、δD值基本特征

五里峽水庫夏季分層期δ18O變化范圍為-6.74‰～-4.68‰，平均為-5.78‰；δD變化范圍為-43.08‰～-32.84‰，平均為-37.81‰。入庫水體R1和R2的δ18O、δD分別為-5.47‰、-37.64‰和-5.13‰、-32.84‰，平均為-5.30‰、-35.24‰。桂林全年大氣降水δD值介于+10‰～-80‰之間，δ18O介于-1‰～-11‰之間[16]。由此看出，水庫水體δ18O、δD值的變化幅度遠(yuǎn)小于桂林市地區(qū)大氣降水δ18O、δD變化幅度，平均值介于桂林市夏季與冬季大氣降水δ18O、δD平均值之間。

圖3為五里峽水庫夏季分層期間的δ18O與δD關(guān)系圖，全球大氣降水線(GMWL)采用IAEA的全球大氣降水同位素方程(δD=8.13δ18O+10.8)建立，區(qū)域大氣降水線(CLMWL)采用涂林玲等[16]建立的桂林市大氣降水方程(δD=8.42δ18O+16.28)。圖3顯示五里峽水庫水體大體沿全球大氣降水線分布，但均落在桂林市大氣降水線右下方，形成的線性方程(WLX)為δD=4.66δ18O-10.85(R2=0.76)，其斜率與GMWL和CLMWL的斜率和截距差異明顯，與CLMWL 的交點(diǎn)為(-7.21，-44.47)，接近桂林市夏季降水氫氧同位素值[16]，表明五里峽水庫主要由夏季降水補(bǔ)給。

文獻(xiàn)[16]研究揭示受夏季風(fēng)和臺風(fēng)影響桂林市降水6—10月氘盈余值(dexcess)較小，多年平均為10.5‰，受冬季風(fēng)影響每年11月到次年4月dexcess較高，多年平均為16.8‰。五里峽水庫夏季分層期庫區(qū)dexcess介于3.65‰～12.40‰之間，其平均值(8.47‰)遠(yuǎn)低于桂林市夏季與冬季降水的dexcess，兩個(gè)入庫水體R1、R2的dexcess分別為8.20‰和6.12‰，同樣遠(yuǎn)低于桂林市夏季與冬季降水的dexcess。文獻(xiàn)[17-19]研究揭示，大氣降雨轉(zhuǎn)變成地下水的運(yùn)動(dòng)過程中與含水介質(zhì)可發(fā)生氧同位素交換，使得水體dexcess呈下降趨勢，因此，dexcess也被用來反映某一區(qū)域內(nèi)水-巖氧同位素交換的程度。通過水化學(xué)特征Gibbs圖(圖4)[20]，表明五里峽水庫水體均在Gibbs圖的中間部位，即表示水體水化學(xué)特征的形成主要受水巖作用控制。五里峽水庫集水區(qū)位于巖溶區(qū)，特殊的巖溶地質(zhì)結(jié)構(gòu)使得降水快速轉(zhuǎn)化成地下水，并補(bǔ)給地表河流和水庫，因此，巖溶含水介質(zhì)內(nèi)的水巖作用可能造成水庫水體向富18O方向漂移[11]，進(jìn)而使得水庫水體dexcess低于桂林市夏季與冬季降水的dexcess值。

圖3　五里峽水庫δ18O與δD分布
Fig.3Cross plot of δ18O vs. δD in Wulixia Reservoir

圖4　五里峽水庫水化學(xué)Gibbs圖
Fig.4Hydrochemistry Gibbs plot in Wulixia Reservoir

2.3　水庫 δ18O、δD值的垂向分布特征

受水庫熱分層的影響，五里峽水庫庫區(qū)δD、δ18O隨水深變化的垂向分布情況如圖2(d)、圖2(e)所示。整體上δ18O與δD表現(xiàn)出隨水深的增加逐漸偏負(fù)的相似變化趨勢。對δ18O、δD與水深(H)進(jìn)行線性回歸分析得到：δ18O=-0.019 7H-5.510 1(R2=0.203)；δD=-0.172 8 H-35.411(R2=0.568)，水庫δ18O隨水深的變化率為-0.019 7 ‰/m，δD隨水深的變化率為-0.172 8 ‰/m，可以看出δD的變化趨勢要比δ18O的變化趨勢更顯著。δ18O、δD與水深的關(guān)系表明，五里峽水庫水體混合不均勻，不同層位δ18O、δD分餾程度有所差異。

圖5顯示了入庫水體、出庫水體及不同層位δ18O、δD的分布情況及線性方程。δ18O、δD表現(xiàn)出：表水層>入庫水體>溫躍層>底溫層>出庫水體(>表示偏正)的垂向分布特征。水庫各層斜率在3.24～3.83之間，表水層斜率(3.24)<><溫躍層斜率(3.83)。線性方程相關(guān)系數(shù)：表水層(0.82)>底溫層(0.73)>溫躍層(0.58)，表明表水層和底溫層水樣點(diǎn)相比溫躍層水樣點(diǎn)分布比較集中，表水層和底溫層水體性質(zhì)比較均勻，溫躍層水體性質(zhì)差異較大。

如圖2(f)所示，在垂直剖面上dexcess波動(dòng)較大，并未出現(xiàn)層理性分布，且與水深的關(guān)系并不顯著(dexcess=-0.015 3H+8.669 5，R2=0.005 3)，可能是因?yàn)槿霂焖w在補(bǔ)給五里峽水庫前曾經(jīng)歷過水巖作用，從而導(dǎo)致入庫水體dexcess降低，進(jìn)入水庫后與碳酸鹽巖接觸較少，因此dexcess未發(fā)生分層現(xiàn)象。

圖5　五里峽水庫δ18O與δD分層關(guān)系
Fig.5　Stratification distribution of δ18O vs. δD in Wulixia Reservoir

分析認(rèn)為五里峽水庫δ18O、δD垂向分布的影響因素主要有以下2種：

(1)蒸發(fā)作用　由于強(qiáng)烈的太陽輻射和溫度升高，水體同位素具有明顯的蒸發(fā)富集現(xiàn)象，水中穩(wěn)定同位素變化比較大[11]。五里峽水庫中游表水層水溫最高(圖6(a))，此區(qū)域相對富集重同位素(圖6(b)、圖6(c))，可能是由于此區(qū)域水溫較高，蒸發(fā)效應(yīng)強(qiáng)所造成。蒸發(fā)線斜率大小主要取決于空氣中的相對濕度，凈蒸發(fā)線斜率范圍通常為3.5～6.0[22]。Gat和Gonfiantini [23]的計(jì)算結(jié)果表明，當(dāng)濕度很低時(shí)(大約25%)，凈蒸發(fā)線斜率接近4，當(dāng)濕度大約為75%時(shí),凈蒸發(fā)線斜率大于5，而當(dāng)濕度為90%時(shí),凈蒸發(fā)線斜率接近8。

圖6　水溫、δ18O與δD空間分布
Fig.6Spatial distribution of water temperature, δ18O and δD in Wulixia Reservoir

桂林市年蒸發(fā)量為1 037.5～1 563.9 mm，年平均相對濕度為76%～82%，根據(jù)Gat和Gonfiantini[23]的理論計(jì)算，五里峽水庫水體δ18O和δD的線性方程的斜率應(yīng)大于5，但五里峽水庫水體δ18O和δD的線性方程的斜率為4.66(圖3)，低于根據(jù)濕度計(jì)算的理論蒸發(fā)線斜率，表明五里峽水庫除受濕度影響產(chǎn)生蒸發(fā)效應(yīng)外，還受其他因素的影響。

(2)降水同位素的季節(jié)變化　由于水氣來源的不同降雨中的穩(wěn)定同位素值在年內(nèi)具有明顯的季節(jié)變化[16,24]，降雨同位素季節(jié)變化是影響入庫水體同位素組成變化的主要因素。地區(qū)降水線與湖泊、水庫蒸發(fā)線的交點(diǎn)可以代表未經(jīng)分餾降水同位素初始值[11]。通過聯(lián)立方程解得，表水層、溫躍層和底溫層的δ18O、δD關(guān)系方程線與桂林市大氣降水線(δD=8.42δ18O+16.28)的交點(diǎn)(δ18O，δD)分別為表水層(-6.58‰，-39.15‰)>溫躍層(-6.94‰，-42.16‰)>底溫層(-7.31‰，-45.23‰)，這表明由于受環(huán)境的影響水庫中不同層位的水體在入庫時(shí)氫氧同位素組成就存在差異，入庫后并未充分混合，因此，發(fā)生了明顯的分層現(xiàn)象。

3　結(jié)　　論

(1)五里峽水庫δ18O、δD值大體沿全球大氣降水線分布，但均落在桂林市大氣降水線右下方，水庫水體線性方程(WLX)為δD=4.66δ18O-10.85，其斜率與全球大氣降雨線(GMWL)和桂林市降雨線(CLMWL)的斜率和截距差異明顯，dexcess介于3.65‰～12.40‰之間，其平均值(8.47‰)低于桂林市夏季與冬季降水的dexcess，表明五里峽水庫主要由降水補(bǔ)給，但在補(bǔ)給五里峽水庫前經(jīng)過了強(qiáng)烈的蒸發(fā)作用和水巖作用。

(2)δ18O、δD隨水深的增加逐漸偏負(fù)，具有表水層>入庫水體>溫躍層>底溫層>出庫水體(>表示偏正)的垂向分布特征。分析認(rèn)為五里峽水庫表水層水體富集重的氫氧同位素主要是因?yàn)楸韺铀w水溫較高，在太陽輻射下蒸發(fā)作用明顯，蒸發(fā)過程中同位素相對較輕的水汽會先蒸發(fā)，剩余的水體富集重同位素；底水層水體富集輕的氫氧同位素主要是因?yàn)椴煌瑢游坏乃w由不同季節(jié)的降水所補(bǔ)給，而補(bǔ)給底水層的水體富集較輕的氫、氧同位素，由于底水層水溫較低，密度較大，不利于與入庫水體相混合，加上位于水庫底部受太陽輻射影響較少, 蒸發(fā)強(qiáng)度低，分餾作用不明顯，因此保留著富集輕的氫、氧同位素的特征。

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*The study is financially supported by the National Natural Science Foundation of China (No.41572234).

Hydrogen and oxygen isotope characteristics controlledby thermal stratification effect in a subtropical reservoir, SW China

PU Junbing1, LI Jianhong1,2, WU Xia1, YUAN Daoxian1, ZHANG Tao1,2

(1. Key Laboratory of Karst Dynamics, Ministry of Land and Resources & Guangxi, Institute of Karst Geology, Chinese Academy ofGeological Sciences, Guilin 541004, China; 2. School of Geographical Sciences, Southwest University, Chongqing 400715, China)

Abstract：To examine the relationship between thermal stratification and spatial distribution of hydrogen and oxygen isotope in Wulixia Reservoir, Guangxi, spatial characteristics and factors influencing hydrogen and oxygen isotopes were studied in during the summer of 2014. Results showed that ① Wulixia Reservoir showed obvious thermal stratification in 2014 summer which can be divided into three layers, epilimnion (from surface water to a depth of 5 m), thermocline (depths of from 5 m to 20 m) and hypolimnion (below 20 m); ② All the δ18O and δD values of Wulixia Reservoir (line equation: δD=4.66δ18O-10.85, R2=0.76) scattered roughly along Global Meteorological Water Line (GMWL), which showed the reservoir water to originate from modern meteorological precipitation. However, water δ18O and δD of Wulixia Reservoir, located in the right lower area of the Guilin Local Meteorological Water Line (CLMWL) and the slope of their line equation were obviously different from the slope of GMWL and CLMWL line, which indicate that evaporation and water-rock interaction could occur before water entered the reservoir; ③ δ18O and δD values of water generally decreased as depth increased, in the following order epilimnion> inflow water> thermocline> hypolimnion outflow water (here “>” means “more positive”). Results indicate that seasonal variation of inflow water δ18O and δD and water evaporation decreased as water depth increased. These are the two primary factors influencing and controlling the vertical distribution of δ18O and δD in Wulixia Reservoir during the thermal stratification that takes place during summer.

Key words：thermal stratification; hydrogen and oxygen isotopes; spatial distribution; influence factors; reservoir

DOI：10.14042/j.cnki.32.1309.2016.04.010

收稿日期：2015-11-02;網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間：2016-06-22

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41572234)；國土資源部公益性行業(yè)科研專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)資助項(xiàng)目(201311148)

作者簡介：蒲俊兵(1982—)，男，四川渠縣人，副研究員，博士，主要從事巖溶水文地球化學(xué)、巖溶作用與碳循環(huán)等研究。 E-mail：junbingpu@karst.ac.cn

中圖分類號：P641.134；P641.3

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1001-6791(2016)04-0561-08

網(wǎng)絡(luò)出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/32.1309.P.20160622.2228.022.html