渭河流域的地表径流中水分来源及降水的贡献

《Journal of Arid Environments》：Moisture sources and contribution of precipitation on surface runoff of the Weihe River Basin

氢氧同位素分析揭示渭河 basin 南部降水源的季节性差异及地表径流组成特征。通过2020-2022年陈河和蓝田站点的降水与河流水样δD/δ18O研究，发现西风和东亚季风在不同季节主导 moisture sources，地表径流中降水贡献占14%-26%，基流占34%-42%，地下水占40%-44%，并揭示地形差异导致的空间分异规律，为区域水资源管理和生态保护提供科学依据。

　　

秦玉月|赵亮菊|谢聪|马可可|易伟文

中国西北大学城市与环境科学学院，地球表面系统与环境承载能力陕西省重点实验室，西安，710127

摘要

降水和河流的稳定氢氧同位素组成（δD_P/δ¹⁸O_P 和 δD_R/δ¹⁸O_R）为水文过程中的水分来源和径流组成提供了见解。基于2020至2022年中国渭河下游（WRB）陈河（CH）和蓝田（LT）地区δD_P/δ¹⁸O_P 和 δD_R/δ¹⁸O_R 的特征，我们分析了WRB地区的水分来源和径流组成。研究结果表明：（1）CH和LT的δD_P/δ¹⁸O_P 和 δD_R/δ¹⁸O_R 存在显著的季节性变化，在雨季降低，在旱季增加；（2）结合后向轨迹分析、潜在来源贡献分析和出射长波辐射分析，确定不同季节的水分来源主要为西风季风和东亚季风；（3）WRB地区的径流来源存在时间和空间差异，主要降水补给期为5月至10月。这些发现为解码WRB地区的气候-水文相互作用和水资源形成提供了关键的科学依据。

引言

降水和河流在全球和区域水循环、水资源的形成与分布中起着关键作用（Ansari等人，2020年）。水体的稳定氢氧同位素（δD和δ¹⁸O）是研究区域水循环（Xie等人，2022年）、大尺度大气环流（Wang等人，2024年）、水体来源和演变（Qu等人，2023年）的重要示踪剂。此外，δ¹⁸O和δD也是重建古气候信息的重要指标（Weber等人，2023年）。因此，基于降水和河流的δ¹⁸O和δD的分析已成为追踪水分来源和解析地表径流组成的关键方法。同时，了解降水和河流中δ¹⁸O和δD的时空变化对水资源管理和生态保护至关重要（Yang和Wang，2024年），这使其成为同位素水文学的核心研究方向。

降水中δ¹⁸O和δD的时空变化受气象因素（温度、降雨量和相对湿度）（Dansgaard，1964年）和地理因素（纬度、经度和海拔）（Conroy等人，2016年；Gonfiantini等人，2001年）的影响。关于全球和区域水分来源的研究表明，气象因素、大气环流和蒸散作用对降水中δ¹⁸O和δD的分布具有关键控制作用，早期全球尺度模式（Dansgaard，1964年）以及后续的区域性研究（包括中国西南部的季风相互作用（Li等人，2018年）和祁连山地区的水分来源动态（Zhao等人，2023年）都证实了这一点。此外，水分来源区域的强烈对流活动和传输路径在降水中δ¹⁸O和δD的分布上留下了独特印记（He等人，2024年）。因此，分析降水中δ¹⁸O和δD的时空变化可以有效识别水分来源和大气环流路径。作为水循环的重要组成部分，降水不仅将水分从源区输送到陆地系统，还决定了后续地表径流和地下水补给的同位素特征。因此，分析降水同位素变化对于理解更广泛的水循环过程至关重要。

地表水中的δ¹⁸O和δD可用于揭示水文过程、追踪水源（Yang和Wang，2024年），并为古环境研究提供合适的模板和辅助（Timsic和Patterson，2014年）。在难以收集降水样本的部分地区，可以使用河水的δ¹⁸O和δD来代替降水的δ¹⁸O和δD，以研究大气环流和其他方面（Katsuyama等人，2015年）。基于δ¹⁸O和δD的径流分割仍然是评估不同水源对水资源贡献的有效工具，从而增强我们对区域水文过程的理解。

渭河流域（WRB）位于中国西北部黄土高原和秦岭山脉的过渡地带，是东部季风区与西北干旱区的关键过渡区域（Jia，2022年）。WRB对气候变化敏感，也是一个生态脆弱地区（Tian，2025年）。作为黄河最大的一级支流，渭河汇集了黄土高原的两条最大支流——泾河和北洛河，以及秦岭山脉北部山麓的众多溪流（Jia，2022年）。其水资源对关中地区的社会经济和农业发展至关重要（Huang等人，2017年），并在调节区域水循环中发挥着关键作用（Wang，2013年）。然而，复杂的地形和多样的景观导致该地区降水量、地表径流和地下水补给存在显著的空间分布和季节性变化（Fan，2025年；Jia，2022年）。气候变化引发的极端天气频率增加进一步加剧了区域水文动态的不稳定性（Wang和Ma，2022年）。同时，人类活动的持续干预使得区域水资源的供需平衡面临巨大压力，使得水资源管理更加复杂，发展与生态保护之间的冲突也更加激烈，增加了流域水资源可持续利用的风险（Wang和Ma，2022年；Wang，2013年）。不可否认，气候变化和人类活动对区域径流过程、来源和组成成分产生了深远影响（Lan等人，2025年）。因此，研究WRB的水文过程不仅需要关注区域降水的时空分布，还需要特别关注径流补给来源。这将科学揭示该地区水资源的形成和演变机制，对于制定有效的水资源管理策略和确保气候变化下的长期水资源安全至关重要。

WRB的水文过程和水分来源逐渐成为生态水文学和环境科学领域的关键课题。然而，由于WRB特殊的地理位置和密集的河流网络，该流域内的降水分布和地表性质存在显著差异，表明不同区域的水分来源和径流组成可能存在差异。具体来说，WRB北部以黄土高原地形为特征，土壤疏松，易受侵蚀；气候为暖温带半干旱大陆性季风气候，年降水量相对较低，蒸发潜力较高，易发生干旱。WRB南部包括秦岭山脉，作为中国中部的“水塔”和生态屏障；气候从暖温带过渡到亚热带，表现为湿润至半湿润的山地气候，年降水量较高，地形降雨频繁。该地区是WRB的主要水源，植被覆盖良好，实际蒸发量相对较低。以往的研究仅部分考察了WRB的水分来源或径流成分，例如Xie等人（2025年）系统揭示了黄土高原西南部的水分来源和径流组成特征，但他们的采样点主要集中在WRB北部，将这些结论直接应用于整个WRB可能存在局限性。简而言之，现有研究主要关注单个区域或使用有限的采样点来代表整个流域。目前缺乏采用全流域视角系统比较和分析WRB北部和南部水分来源及径流组成差异的综合性研究。为此，本研究选择了WRB南部的陈河（CH）和蓝田（LT）站点，确定了新采样点的水分来源和地表径流组成。通过将结果与以往研究进行比较，本研究将探索WRB不同区域之间水分来源和径流组成的相似性和差异性，从而补充和深化我们对这一关键科学问题的理解。因此，基于2020至2022年WRB南部CH和LT降水和河流中的δD和δ¹⁸O，我们的目标是：（1）分析降水和河流中δ¹⁸O和δD的时空变化及其控制因素；（2）研究CH和LT的水分来源；（3）定量估算地表径流补给来源；（4）阐明WRB不同采样点之间水分来源和降水对径流贡献的相似性和差异性。本研究还旨在通过追踪从水分来源到径流补给的完整路径，系统阐明WRB的水文过程，研究大气环流的影响，并定量分析大气降水和地表径流之间的转化关系。

研究区域

渭河是黄河最大的第一级支流。渭河流域（东经104°00' ～110°20′，北纬33°50' ～37°18′）面积约为135,000平方公里（Tian，2025年）。海拔范围约为319至3929米（图1）。该流域地形复杂，东部为关中平原，西北部为黄土丘陵区，南部为秦岭山脉。该流域属于典型的大陆性季风气候区，年平均降水量为

δ¹⁸O_P、δD_P和d-excess_p的变化

在观测期间，CH和LT的δ¹⁸O_P、δD_P和d-excess_p（d_p）具有显著变化。CH的δ¹⁸O_P、δD_P和d_p范围分别为?21.74‰至+5.18‰、?162.05‰至+35.62‰、?8.27‰至+27.93‰，加权平均值分别为?10.34‰、?67.09‰和+15.64‰。在雨季，CH的δ¹⁸O_P、δD_P和d_p的加权平均值分别为?10.95‰、?72.63‰和+14.98‰；在旱季，

基于LMWL的水分来源分析

LMWL和GMWL的斜率和截距差异可以追踪水分来源。与GMWL相比，CH和LT的LMWL截距较高，表明WRB的水汽循环较强（Zhao等人，2019年）。旱季的较高斜率和截距以及雨季的较低斜率和截距表明了西风的影响（Yao等人，2013年）。Liu等人（2020年）为西北干旱地区推导出LMWL公式为δD = 7.01δ¹⁸O + 1.69

结论

本研究整合了降水和河流的同位素组成（δ¹⁸O、δD和d-excess）和水文模型，探讨了CH和LT的水分来源和径流组成，并通过综合WRB内多个采样点的先前研究结果，系统揭示了整个流域水分来源的一致性和径流组成的空间差异。主要结论如下：

与WRB北部以往的研究一致，δ¹⁸

CRediT作者贡献声明

秦玉月：撰写——初稿、可视化、正式分析、数据管理、概念构思。赵亮菊：撰写——审稿与编辑、监督、项目管理、资金获取、概念构思。谢聪：撰写——审稿与编辑。马可可：撰写——审稿与编辑。易伟文：撰写——审稿与编辑。

利益冲突声明

作者声明没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（编号42271022、42401024和41771028）、CPSF博士后奖学金计划（编号GZC20232144）、中国博士后科学基金（编号2024MD753990）和陕西省自然科学基础研究计划（编号2024JC-YBQN-0271）的支持。