《CATENA》：Elucidating the hydrochemical and isotopic processes of surface and groundwater in response to river drying up and re-flowing in an alluvial-proluvial fan-plain transition zone
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本研究揭示了中国秦岭北麓冲积扇-平原过渡带河流干涸-复流过程中地表水-地下水（SW-GW）的时空转化规律，通过整合水文学、地球化学及δD-δ1?O同位素数据，结合蒙特卡洛端元混合分析（MC-EMMA），明确了SW向GW的渗漏贡献（24.8%-57.7%）及GW向SW的排泄贡献（42.2%-50.5%），并揭示了不同季节SW-GW交换比例的季节性差异（冬季GW补给SW占42.2%-50.5%，夏季SW补给GW占24.8%-57.7%），为类似区域水文过程解析与水资源管理提供科学依据。
作者：施晓新|钱慧|高燕燕|刘一欣|李思琪|徐新杰|唐顺琪
中国陕西省西安市长安大学水与环境学院，邮编710054
摘要
地表水与地下水（SW-GW）的相互作用是水文循环的基本组成部分。然而，关于河流干涸和重新流动过程中SW-GW相互作用机制的研究相对较少。本研究阐明了秦岭山脉北麓冲积-坡积扇平原过渡带中局部河流干涸和重新流动所伴随的SW-GW转化过程。分析结合了水位、水化学成分以及δD-δ18O同位素数据来识别SW-GW相互作用，并进一步利用基于蒙特卡洛（MC）的端元混合分析（EMMA）方法量化不同水源的贡献。从山区出口到平原区域，共识别出三个转化带：在扇形区域的顶部到中部，地表水通过高渗透性的粗粒沉积物渗透，导致局部河流干涸；在流动段，地表水的化学稳定性及其同位素特征被地下水继承，表明地表水对地下水的补给占主导地位，整个采样期间地表水对地下水的补给比例为24.8%–57.7%；在扇形区域的前沿，较为平缓的地形和更细的含水层材料促进了地下水的排放，推动了河流的重新流动；在这一段中，富含溶质的地下水输入增加了地表水中的离子浓度并导致同位素耗尽，同时提高了蒸发岩矿物的饱和度指数，地下水对地表水的补给比例为42.2%–50.5%。在平原区域，相对稳定的地表水化学成分和富集的地下水同位素表明地表水再次渗透，其对地下水的补给比例为31.8%–54.9%。在研究期间，冬季地下水对地表水的补给更多，而夏季地表水对地下水的补给则相对较少。冲积-坡积扇平原区域的河流干涸现象主要是由于河水有效渗入地下水所致，这反映了地下水具有较大的储存能力以及SW-GW之间的紧密连接性。这些发现有助于加深对河流干涸-重新流动条件下水文过程的理解，并为类似地区的水资源管理提供参考。
引言
地表水（SW）和地下水（GW）是水文系统中不可分割的组成部分，在维持水文循环和生态系统功能方面起着关键作用（Kuang等人，2024；Winter，1995；Xiong等人，2025）。在同一水文地质单元内，它们之间的相互作用受水力梯度的驱动，从而影响水质和水量的变化（Winter，1999；Yuan等人，2020）。就水质而言，污染物可以通过SW-GW交换在两个系统之间迁移（Elsayed等人，2023）。就水量而言，河流流量的减少可能导致河岸带地下水位下降（Poff和Zimmerman，2010；Wang等人，2011），而过度抽取地下水则会减少径流量并破坏湿地（Bierkens等人，2021；Sophocleous，2002）。SW-GW相互作用具有空间异质性，受水文地质条件、地貌、人类活动和气候的影响（Martinez等人，2015；Zhu等人，2020）。在冲积-坡积扇平原区域，作为连接山区和平原的重要过渡带，其水力梯度和含水层性质存在显著差异，这使得SW-GW相互作用频繁且变化剧烈。
河流干涸和重新流动是许多河流系统中的常见现象（Datry等人，2018；Fortesa等人，2021）。研究表明，间歇性河流占全球河流网络的一半以上（Messager等人，2021）。与常年河流相比，间歇性河流在特定时期和某些河段会失去大部分或全部地表流量，其干涸和重新流动过程对流域内的水、能量和溶质的输送有重要影响（Acu?a等人，2014；Messager等人，2021）。在冲积-坡积扇平原过渡带，河流流量的消失和再现受到地貌和气候条件的共同控制，反映了河流与含水层之间补给-排放关系的动态变化。在干涸阶段，地表径流完全渗入含水层，改变了地质化学环境并增强了水与岩石的接触，从而影响水化学成分的演变；在重新流动阶段，河水重新进入河道，其成分反映了干涸阶段在含水层中形成的特性（Zhou等人，2024a）。稳定同位素记录了水的混合过程，而水化学成分则反映了河水进入含水层后的水与岩石的相互作用。干涸和重新流动过程中的水力条件和流动路径的变化导致水在物理环境和地质化学环境中不断发生转变（Li，2021；Mao等人，2025）。因此，阐明这一动态过程中的SW-GW相互作用对于理解区域水文循环至关重要。
为了准确捕捉SW-GW的动态变化，开发了多种技术，包括水文测量（Ala-aho等人，2013；Hatch等人，2010）、数值模拟（Joseph等人，2021；Ntona等人，2022）、质量平衡方法（Menció等人，2014；Xiao等人，2023）、水文地球化学分析（Han等人，2025；Modie等人，2022）以及基于示踪剂的诊断方法（Zhang等人，2024）。虽然数值模型可以模拟不同尺度下的SW-GW相互作用（Boano等人，2014；Chen等人，2022），但由于高精度观测数据的缺乏和模型本身的不确定性，这些模型在小型流域中的应用仍受到限制（Delottier等人，2024；Doherty和Simmons，2013）。水位监测是直接识别SW-GW相互作用的方法，通过水力梯度直观反映补给-排放关系（Santos Correa等人，2022）。然而，仅依赖水位信息难以区分不同水源的组成及其相对贡献。在SW-GW交换过程中，溶解物质的组成会发生变化（Fan等人，2022），水化学成分记录了混合、蒸发和水与岩石相互作用等关键过程（Brki?等人，2016；Gao等人，2020；Jia等人，2021）。稳定同位素（δ18O和δD）不参与水与土壤/基岩在水文循环中的化学反应，使其成为识别水源和混合过程的理想指标（Liu等人，2023；Shi等人，2025）。基于水化学指标的复合指纹方法可以区分水源（Theuring等人，2015）。该方法通过统计分析选择合适的示踪剂组合（Hamidi等人，2023），并已越来越多地应用于沉积物来源的识别（Guo等人，2023；Li等人，2024；Yang等人，2025）。端元混合分析（EMMA）可以量化SW-GW相互作用中不同水源的比例（Barthold等人，2011；Keesari等人，2020；Liu等人，2025a）。鉴于单一方法的局限性，结合水位、水化学和同位素数据可以实现对SW-GW相互作用的全面评估，从而提高识别的可靠性。
许多研究已经探讨了SW-GW相互作用过程。然而，现有知识主要基于常年河流或水文条件相对稳定的情况，侧重于长期平均状态或稳态交换特性（Kshetrimayum和Laishram，2020；Santos Correa等人，2022；Zhou等人，2022）。随着间歇性河流在全球范围内的增加，研究重点转向了河流干涸和重新流动过程，但大多数研究仍集中在径流动态和生态响应上（Centanni等人，2024；Kim和Yoo，2024；Pastor等人，2022）。相比之下，对这些干涸和重新流动阶段中的短期SW-GW相互作用过程，特别是在冲积-坡积扇平原过渡带的季节性尺度上的研究相对较少。此外，以往的研究主要依赖稳定同位素进行水源追踪（Das等人，2021；Kebede等人，2017；Wang等人，2024），而水化学信息很少被纳入定量分析。因此，整合多种示踪剂类型对于准确识别和量化SW-GW相互作用过程至关重要。
在秦岭山脉北麓的冲积-坡积扇平原区域，河流干涸和重新流动现象较为常见。位于这一过渡带的黑河是一条重要的山前河流，连接着秦岭山脉和关中平原，是周边地区的主要水源。其水文过程和SW-GW相互作用特征代表了秦岭山脉北麓山前河流系统的典型情况。本研究基于水位、水化学和同位素数据，结合MC-EMMA方法，旨在：（i）识别SW-GW相互作用模式；（ii）利用矿物饱和度指数阐明与SW-GW相互作用相关的水与岩石相互作用趋势；（iii）量化不同时期和河段中的SW-GW转化比例。研究结果可以为理解区域水文循环提供科学依据，并为秦岭山脉的水资源保护和地下水管理提供参考信息。
地点与气候
黑河位于中国西北部（东经108°12′～108°30′，北纬33°42′～34°14′），发源于秦岭山脉的太白山。该河流域面积为2258平方公里，主干流长度为125.8公里，年均径流量为7.25亿立方米。由于秦岭山脉独特的地质和地貌条件，该地区水资源丰富，是周边城市的重要水源。
样品采集与实验室分析
为了表征地表水与地下水（SW-GW）的相互作用，建立了一个包含水位、水化学成分和稳定同位素的综合数据集。分别在2022年夏季（7月27日至8月3日）、2023年冬季（11月10日）和2024年夏季（8月9日至14日）进行了三次野外调查。在三次调查中均观察到河流干涸现象，黑河干涸的长度分别为约1.95公里（夏季1）、3.63公里（冬季）和1.18公里（夏季2）。共采集了77个水样。
水位
地下水位从西南向东北逐渐降低，范围约为620米至380米（图S6）。在山区附近，地下水位下降更为明显；向低海拔地区过渡时，水位梯度变缓，水位波动也减小。
水化学成分和同位素特征
表1展示了水化学参数的统计特征。降水中的离子浓度低于地表水和地下水中的离子浓度。水样显示出中性至……
讨论
结果部分展示了地下水位的空间分布以及地表水和地下水之间的水化学成分和同位素组成的差异。这些特征为解释SW-GW相互作用及其演变过程提供了基础。基于这些结果，讨论部分结合了水位变化、水化学成分和δD-δ18O同位素来识别SW-GW的补给和排放关系，并利用矿物饱和度指数分析水与岩石的相互作用。
结论
本研究阐明了在冲积-坡积扇平原过渡带中，河流干涸和重新流动过程中地表水和地下水的化学及同位素变化过程。通过整合水位、水化学和同位素数据，识别出了SW-GW转化的模式。利用MC-EMMA方法，结合δD-δ18O同位素和复合指纹示踪剂（pH和Ca2+），量化了2022年至2024年三个采样期间的SW-GW交换比例。
降水是……
作者贡献声明
施晓新：撰写——初稿、方法论、数据管理、概念构建。钱慧：撰写——审稿与编辑、可视化、验证、监督、资源协调、项目管理、资金争取。高燕燕：撰写——审稿与编辑、资金争取。刘一欣：调查工作。李思琪：调查工作。徐新杰：数据管理。唐顺琪：数据管理。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金（编号：42341102和42102288）、陕西省林业科技创新项目（编号：SXLK2023-02-1）以及中央高校基本科研业务费（编号：300102295730和300102294905）的支持。
