汉江流域水体稳定同位素时空分异特征及其对区域水文循环的示踪意义

《Frontiers in Earth Science》：Spatiotemporal variability of hydrogen and oxygen stable isotopes in the Han River Basin and the regional hydrological implication

本文系统揭示了汉江流域（HRB）地表水氢氧稳定同位素（δ18O和δD）的时空变异规律，阐明了季风区水循环过程受环流效应、蒸发分馏及地形地貌控制的机制，为南水北调中线工程水源地水资源管理提供了新的同位素示踪依据。

　　

引言

全球气候变化对水循环产生了深远影响，氢氧稳定同位素作为关键的环境示踪剂，在水文学研究中发挥着重要作用。汉江流域作为南水北调中线工程的核心水源地，其水文过程的理解至关重要。以往研究多集中于小流域的定性分析，缺乏对整个流域水文过程的系统定量研究。本研究通过采集汉江干流、支流、地下水和雨水样品，分析了其氢氧同位素组成，旨在揭示汉江流域水体同位素时空演化规律，量化不同水体的补给关系，阐明同位素分布的关键控制因素。

材料与方法

研究区概况

汉江是长江最大支流，全长1577公里，流域面积15.9万平方公里。流域地处中国南北气候过渡带，呈现典型的亚热带季风气候特征。年平均降水量873毫米，75%集中在汛期（5-10月）。流域地质构造复杂，跨越多个一级构造单元。

采样与分析

研究于2023年春夏秋三季沿汉江从下游至上游连续采样，共获取67个水样。所有样品的δ¹⁸O和δD值均采用液态水同位素分析仪测定，分析精度分别优于±0.1‰和±1.0‰。

结果

氢氧同位素组成特征

汉江流域河水δ¹⁸O值变化范围为-9.8‰至-5.3‰，平均值为-8.7‰；δD值变化范围为-65.0‰至-38.0‰，平均值为-58.0‰。地下水同位素组成变化范围较窄，平均值分别为-7.2‰（δ¹⁸O）和-47.3‰（δD）。雨水同位素夏季值较高，秋季较低。氘盈余（d-excess）值变化范围为4.2‰至16.1‰，平均值为12.2‰。

季节性变异规律

河水δ¹⁸O和δD值夏季（-8.2‰和-52.5‰）显著高于春季（-8.7‰和-58.0‰）和秋季（-8.6‰和-56.6‰）。支流水体同位素变异范围大于干流，春季最为明显。地下水同位素组成季节性变异不显著。

空间分异特征

从河源至河口，δ¹⁸O和δD值呈现明显的空间变异。基于地形特征将流域划分为汉中盆地、秦巴山区和中下游三个区域。主成分分析和方差分析证实了这种划分的合理性。干流同位素值在秦巴山区出现最低点，进入中下游后显著升高。支流同位素空间变异系数显著高于干流和地下水。

讨论

河水与大气降水关系

通过整合已有研究数据，确定汉江流域当地大气降水线（LMWL）为δD = 7.72δ¹⁸O + 11.55。与全球大气降水线（GMWL）相比，斜率略低而截距略高，反映了云下二次蒸发、多水汽源混合等过程引起的同位素非平衡分馏。各季节河水δD-δ¹⁸O关系方程斜率均小于8，表明降水补给水体在运移和滞留过程中经历了蒸发分馏。

季节性变异控制因素

环流效应：夏季河水同位素值偏高与西太平洋水汽输入有关，该水汽源本身具有较重的同位素组成；而春秋季主要受印度洋水汽影响，同位素值相对较轻。这种水汽源差异导致河水同位素值的季节分异。

蒸发效应：夏季高温增强蒸发作用，优先逸失轻同位素，导致剩余水体中重同位素富集。春秋季降水较少，温度效应更为显著地控制同位素分馏。

空间变异控制因素

汉中盆地：春秋季干流同位素变化主要受地下水与支流输入比例变化控制；夏季则主要受降水补给和蒸发分馏共同影响。

秦巴山区：春秋季干流同位素变异主要受支流入汇控制；夏季则受强对流降雨、山地暴雨地表径流以及蒸发富集共同影响。安康断裂带作为地形过渡带，对水汽输送的阻挡作用导致同位素值的空间分异。

中下游地区：干流同位素值升高主要受降水输入和蒸发富集控制，遵循大陆效应。支流贡献比例较小，仅在局部地区造成同位素信号扰动。

结论

汉江流域水体氢氧稳定同位素呈现明显的时空变异pattern。季节性变异主要受环流效应和蒸发作用控制，空间变异则受地形地貌调控下的水汽源差异、水体混合比例和蒸发过程共同影响。研究成果为季风区流域水文分析提供了新的同位素示踪基础，对跨季节水量调控和区域水资源可持续规划具有重要科学意义。