热分层效应控制的水库水体氢氧同位素特征

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蒲俊兵1，李建鸿1,2，吴　夏1，袁道先1，张　陶1,2

(1. 中国地质科学院岩溶地质研究所国土资源部/广西岩溶动力学重点实验室，广西桂林　541004；2. 西南大学地理科学学院，重庆　400715)

摘要：为掌握水库热分层与氢氧同位素空间分布的关系，研究了广西兴安县五里峡水库夏季氢氧同位素空间分布特征及影响因素。研究表明：① 五里峡水库夏季出现明显的热分层，库表层至-5 m为表水层，-5 m至-20 m为温跃层，-20 m以下为底温层；② 五里峡水库δ18O、δD值沿大气降水线分布，但均落在桂林市大气降水线右下方，其线性方程为δD=4.66δ18O-10.85(R2=0.76)，其斜率与全球大气降雨线(GMWL)和桂林市降雨线(CLMWL)的斜率和截距差异明显，表明五里峡水库主要由降水补给，但在补给五里峡水库前已经过了强烈的蒸发作用和水岩作用；③ δ18O、δD随水深的增加逐渐偏负，具有表水层>入库水体>温跃层>底温层>出库水体(>表示偏正)的垂向分布特征。分析认为入库水体氢氧同位素的季节变化和蒸发作用随深度增加而降低是五里峡水库夏季分层期间水体氢氧同位素垂向变化的主要影响因素。

关键词：热分层效应；氢氧同位素；空间分布；影响因素；水库

水库、湖泊水体δ18O、δD可以反映流域降水、蒸发、水文状况等特性，对于揭示水库、湖泊水文平衡、区域水文循环及水环境保护具有重要意义[1-2]。目前国内外一些工作重点关注利用氢氧稳定同位素质量平衡方法研究天然湖泊水体水平衡[3-4]。早期Pearson和Coplen[5]揭示影响湖泊水量平衡和同位素平衡的因素众多，使得水体δ18O随时间的推移变化多端；随后Gonfiantini[6]将湖水蒸发过程中稳定同位素分馏应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，长时间序列的湖水氢氧同位素监测可以很好地反演湖泊水量平衡的年内和年际变化。和国外相比，近年来中国在湖泊或水库同位素水文研究方面也取得了大量的成果。章新平和姚檀栋[8]利用稳定同位素方法对青海湖的蒸发进行了估算，同时讨论了湖泊蒸发量和不同水体中稳定同位素组成的关系，后期又揭示了水体稳定同位素组成与剩余水比率、温度和大气相对湿度的关系[9]。臧垭琳等[10]也揭示了青藏高原羊卓雍错表层湖水的δ18O和过量氘存在空间变异，湖水在垂直方向上充分混合的水循环特征。一般情况下，利用氢氧同位素对水库和湖泊进行水量平衡计算，往往把水库和湖泊看作一个完全混合的整体[8]，或取不同层上两个水体混合作为水库、湖泊氢氧同位素的平均值[7]，但许多深水水库、湖泊都会形成垂向的密度分层，这样的分层常常可以在年内维持一个相对较长的时间[11]。有研究表明分层型水库、湖泊氢氧同位素同样出现了分层现象，高晶等[12]的研究发现湖水的δ18O值随深度增加逐渐增大；Gat [13]对Tiberias湖的研究发现其水体氢氧同位素存在分层现象。当水体氢氧同位素存在分层情况时，利用其进行水量平衡计算往往会造成一定的误差[7]。总体来看，目前国内外有关分层型水库、湖泊水体氢氧同位素空间分布特征的研究非常少，对影响水库、湖泊氢氧同位素分层的特征及影响因素了解还不够深入。地处亚热带地区的广西五里峡水库为深水型半岩溶水库，具有显著的季节性分层现象，夏季热分层使得库区上下水体交换不畅，对氢氧同位素的空间分布可产生重要影响。本文以五里峡水库为研究对象，通过对夏季出、入库水体及不同深度的库区水体的氢氧稳定同位素分析，研究水库分层期间氢氧同位素空间分布特征、影响因素及其环境意义，进一步深化对分层型水库水循环过程的科学认识，为水库、湖泊水量平衡计算提供科学依据。

1　研究区概况与研究方法

图1　五里峡水库采样点示意

Fig.1Sampling sites in Wulixia Reservoir

五里峡水库位于广西桂林市兴安县，库区长约10.5 km，流域面积340 km2，库容约1.080 亿m3，为地表水补给的半岩溶型水库，其集水区漠川河流域及库区的中、上游部分均位于岩溶区，岩溶区面积占水库库区总面积的45%，主要岩溶地貌为峰丛谷地。水库所处区域属于亚热带季风气候，雨量充沛，年均降水量为1 868.0 mm，年均气温19.5 ℃。大气降水主要集中在4—6月，受到夏季风的影响，此3个月大气降水量占全年大气降水总量的64.6%，而1—4月、10—12月，冬季风盛行[15]，降水相对较少。

2014年8月中旬选择五里峡水库入库河流、库尾、库中、坝前、坝下等位置，在垂直剖面上每隔2.5 m(根据各点实际深度确定取样个数)利用定深采样器(德国HYDRO-BIOS公司Ruttner标准水样采集器)进行现场分层采样、监测，采样点见图1。现场用WTW 3430多参数水质测定仪(德国WTW公司)测定水温(T)、溶解氧(DO)、pH值，各指标测试精度分别为0.1 ℃、0.01 mg/L、0.001 pH单位，阴阳离子的采集及测试方法参考文献[14]。取30 mL水样储存于高密度聚乙烯瓶中，不留气泡，盖紧后用封口胶密封，用于测定水体δ18O、δD。水体δ18O、δD由中国地质科学院岩溶地质研究所岩溶动力学重点实验室测定，分析仪器为采用离轴整合积分腔光谱输出技术(OA2ICOS)的液态水稳定同位素分析仪(LWIA-24-d，Los Gatos Research，USA)。δ18O、δD测试结果均以V-SMOW标准给出。δ18O、δD精度分别为±0.2‰和±0.6‰。

2　结果与讨论

2.1　水体热分层

热分层是静水水体如湖泊、水库不同于流动水体如河流的一个重要特征，五里峡水库介于暖多次混合型和不连续的暖单次混合型之间[14]，从图2(a)可以看出，五里峡水库库区已出现明显的热分层。根据水温随水深的变化速率，可分为3层：① 表水层：库表层至-5 m，水温27.5～27.7 ℃，平均27.54 ℃，温差0.2 ℃，水温较高但温差较小；② 温跃层：-5 m至-20 m，水温24.0～28.5 ℃，平均25.18 ℃，水温随水深增加迅速下降，等水温线比较密集，层理性明显；③ 底温层：-20 m以下，水温24.3～23.4 ℃，平均23.84 ℃，温差0.9 ℃，等水温线比较稀疏，层理性被打破，局部区域出现冷水团。受水库热分层影响水库pH和溶解氧(DO)存在明显的分层现象(图2)，表水层pH和DO随水深增加而减少，温跃层pH和DO随水深增加先减后增，底水层pH和DO相对比较稳定，这表明五里峡水库不同层位的水质存在明显差异。

图2　五里峡水库水体理化性质及氢氧同位素垂向分布

Fig.2Vertical distribution of water physicochemical characters and hydrogen oxygen isotope in Wulixia Reservoir

2.2　水库δ18O、δD值基本特征

五里峡水库夏季分层期δ18O变化范围为-6.74‰～-4.68‰，平均为-5.78‰；δD变化范围为-43.08‰～-32.84‰，平均为-37.81‰。入库水体R1和R2的δ18O、δD分别为-5.47‰、-37.64‰和-5.13‰、-32.84‰，平均为-5.30‰、-35.24‰。桂林全年大气降水δD值介于+10‰～-80‰之间，δ18O介于-1‰～-11‰之间[16]。由此看出，水库水体δ18O、δD值的变化幅度远小于桂林市地区大气降水δ18O、δD变化幅度，平均值介于桂林市夏季与冬季大气降水δ18O、δD平均值之间。

图3为五里峡水库夏季分层期间的δ18O与δD关系图，全球大气降水线(GMWL)采用IAEA的全球大气降水同位素方程(δD=8.13δ18O+10.8)建立，区域大气降水线(CLMWL)采用涂林玲等[16]建立的桂林市大气降水方程(δD=8.42δ18O+16.28)。图3显示五里峡水库水体大体沿全球大气降水线分布，但均落在桂林市大气降水线右下方，形成的线性方程(WLX)为δD=4.66δ18O-10.85(R2=0.76)，其斜率与GMWL和CLMWL的斜率和截距差异明显，与CLMWL 的交点为(-7.21，-44.47)，接近桂林市夏季降水氢氧同位素值[16]，表明五里峡水库主要由夏季降水补给。

文献[16]研究揭示受夏季风和台风影响桂林市降水6—10月氘盈余值(dexcess)较小，多年平均为10.5‰，受冬季风影响每年11月到次年4月dexcess较高，多年平均为16.8‰。五里峡水库夏季分层期库区dexcess介于3.65‰～12.40‰之间，其平均值(8.47‰)远低于桂林市夏季与冬季降水的dexcess，两个入库水体R1、R2的dexcess分别为8.20‰和6.12‰，同样远低于桂林市夏季与冬季降水的dexcess。文献[17-19]研究揭示，大气降雨转变成地下水的运动过程中与含水介质可发生氧同位素交换，使得水体dexcess呈下降趋势，因此，dexcess也被用来反映某一区域内水-岩氧同位素交换的程度。通过水化学特征Gibbs图(图4)[20]，表明五里峡水库水体均在Gibbs图的中间部位，即表示水体水化学特征的形成主要受水岩作用控制。五里峡水库集水区位于岩溶区，特殊的岩溶地质结构使得降水快速转化成地下水，并补给地表河流和水库，因此，岩溶含水介质内的水岩作用可能造成水库水体向富18O方向漂移[11]，进而使得水库水体dexcess低于桂林市夏季与冬季降水的dexcess值。

图3　五里峡水库δ18O与δD分布

Fig.3Cross plot of δ18O vs. δD in Wulixia Reservoir

图4　五里峡水库水化学Gibbs图

Fig.4Hydrochemistry Gibbs plot in Wulixia Reservoir

2.3　水库 δ18O、δD值的垂向分布特征

受水库热分层的影响，五里峡水库库区δD、δ18O随水深变化的垂向分布情况如图2(d)、图2(e)所示。整体上δ18O与δD表现出随水深的增加逐渐偏负的相似变化趋势。对δ18O、δD与水深(H)进行线性回归分析得到：δ18O=-0.019 7H-5.510 1(R2=0.203)；δD=-0.172 8 H-35.411(R2=0.568)，水库δ18O随水深的变化率为-0.019 7 ‰/m，δD随水深的变化率为-0.172 8 ‰/m，可以看出δD的变化趋势要比δ18O的变化趋势更显著。δ18O、δD与水深的关系表明，五里峡水库水体混合不均匀，不同层位δ18O、δD分馏程度有所差异。

图5显示了入库水体、出库水体及不同层位δ18O、δD的分布情况及线性方程。δ18O、δD表现出：表水层>入库水体>温跃层>底温层>出库水体(>表示偏正)的垂向分布特征。水库各层斜率在3.24～3.83之间，表水层斜率(3.24)底温层(0.73)>温跃层(0.58)，表明表水层和底温层水样点相比温跃层水样点分布比较集中，表水层和底温层水体性质比较均匀，温跃层水体性质差异较大。

如图2(f)所示，在垂直剖面上dexcess波动较大，并未出现层理性分布，且与水深的关系并不显著(dexcess=-0.015 3H+8.669 5，R2=0.005 3)，可能是因为入库水体在补给五里峡水库前曾经历过水岩作用，从而导致入库水体dexcess降低，进入水库后与碳酸盐岩接触较少，因此dexcess未发生分层现象。

图5　五里峡水库δ18O与δD分层关系

Fig.5　Stratification distribution of δ18O vs. δD in Wulixia Reservoir

分析认为五里峡水库δ18O、δD垂向分布的影响因素主要有以下2种：

(1)蒸发作用　由于强烈的太阳辐射和温度升高，水体同位素具有明显的蒸发富集现象，水中稳定同位素变化比较大[11]。五里峡水库中游表水层水温最高(图6(a))，此区域相对富集重同位素(图6(b)、图6(c))，可能是由于此区域水温较高，蒸发效应强所造成。蒸发线斜率大小主要取决于空气中的相对湿度，净蒸发线斜率范围通常为3.5～6.0[22]。Gat和Gonfiantini [23]的计算结果表明，当湿度很低时(大约25%)，净蒸发线斜率接近4，当湿度大约为75%时,净蒸发线斜率大于5，而当湿度为90%时,净蒸发线斜率接近8。

图6　水温、δ18O与δD空间分布

Fig.6Spatial distribution of water temperature, δ18O and δD in Wulixia Reservoir

桂林市年蒸发量为1 037.5～1 563.9 mm，年平均相对湿度为76%～82%，根据Gat和Gonfiantini[23]的理论计算，五里峡水库水体δ18O和δD的线性方程的斜率应大于5，但五里峡水库水体δ18O和δD的线性方程的斜率为4.66(图3)，低于根据湿度计算的理论蒸发线斜率，表明五里峡水库除受湿度影响产生蒸发效应外，还受其他因素的影响。

(2)降水同位素的季节变化　由于水气来源的不同降雨中的稳定同位素值在年内具有明显的季节变化[16,24]，降雨同位素季节变化是影响入库水体同位素组成变化的主要因素。地区降水线与湖泊、水库蒸发线的交点可以代表未经分馏降水同位素初始值[11]。通过联立方程解得，表水层、温跃层和底温层的δ18O、δD关系方程线与桂林市大气降水线(δD=8.42δ18O+16.28)的交点(δ18O，δD)分别为表水层(-6.58‰，-39.15‰)>温跃层(-6.94‰，-42.16‰)>底温层(-7.31‰，-45.23‰)，这表明由于受环境的影响水库中不同层位的水体在入库时氢氧同位素组成就存在差异，入库后并未充分混合，因此，发生了明显的分层现象。

3　结　　论

(1)五里峡水库δ18O、δD值大体沿全球大气降水线分布，但均落在桂林市大气降水线右下方，水库水体线性方程(WLX)为δD=4.66δ18O-10.85，其斜率与全球大气降雨线(GMWL)和桂林市降雨线(CLMWL)的斜率和截距差异明显，dexcess介于3.65‰～12.40‰之间，其平均值(8.47‰)低于桂林市夏季与冬季降水的dexcess，表明五里峡水库主要由降水补给，但在补给五里峡水库前经过了强烈的蒸发作用和水岩作用。

(2)δ18O、δD随水深的增加逐渐偏负，具有表水层>入库水体>温跃层>底温层>出库水体(>表示偏正)的垂向分布特征。分析认为五里峡水库表水层水体富集重的氢氧同位素主要是因为表层水体水温较高，在太阳辐射下蒸发作用明显，蒸发过程中同位素相对较轻的水汽会先蒸发，剩余的水体富集重同位素；底水层水体富集轻的氢氧同位素主要是因为不同层位的水体由不同季节的降水所补给，而补给底水层的水体富集较轻的氢、氧同位素，由于底水层水温较低，密度较大，不利于与入库水体相混合，加上位于水库底部受太阳辐射影响较少, 蒸发强度低，分馏作用不明显，因此保留着富集轻的氢、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;网络出版时间：2016-06-22

基金项目：国家自然科学基金资助项目(41572234)；国土资源部公益性行业科研专项经费资助项目(201311148)

作者简介：蒲俊兵(1982—)，男，四川渠县人，副研究员，博士，主要从事岩溶水文地球化学、岩溶作用与碳循环等研究。 E-mail：[email protected]

中图分类号：P641.134；P641.3

文献标志码：A

文章编号：1001-6791(2016)04-0561-08

网络出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/32.1309.P.20160622.2228.022.html