将稳定同位素和水质化学参数相结合，以阐明城市河流-湖泊系统中水文连通性与水质之间的联系

《Environmental Pollution》：Coupling stable isotopes and hydrochemical parameters to elucidate the linkages between hydrological connectivity and water quality in an urban river–lake system

　　

张辉|张翔|徐静|陶仕勇|李朝阳|杨一帆

中国武汉大学水资源工程与管理国家重点实验室，430072 武汉

摘要

urbanization的加速对水生环境产生了深远影响，改变了水文循环，恶化了水质，并重新分配了水资源。然而，由于自然过程和人为活动造成的干扰，这些网络中的水交换关系和污染模式非常复杂且理解不足。本研究结合了中国洞沙河-湖泊网络（DRLN）中的水化学分析和稳定同位素，阐明了城市水循环的时空动态以及水质对水文连通性的响应。同位素特征有效地追踪了多种水源，明显区分了以蒸发为主的湖泊和城市河流，后者对降水的敏感性更高。受区域降雨量和季节性抽水制度的影响，水交换和水文连通性在雨季显著增强，这通过同位素均一化和MixSIAR结果得到证实。水文连通性通过控制污染物的传输路径，在塑造水污染模式中起着关键作用。研究发现水文连通性对城市水质具有“双重效应”：从高质量的长江引水有效稀释了附近接收河流中的人为污染物，但这种缓冲能力随着空间距离的增加而减弱；相反，增强的季节性连通性则成为污染物的载体，促进了受污染的当地水体进入城市河流，加剧了下游水质的恶化。使用稳定同位素为诊断城市系统中的水文状况和水交换提供了关键且可行的工具，为复杂城市河流和湖泊系统的水质管理提供了宝贵见解。

引言

人为活动通过增加不透水面、引水项目、废水排放和污水系统，极大地改变了城市景观和水文循环（Ariano等人，2024年；Riechel等人，2016年）。自然水网被运河、闸门和泵站等工程结构大规模改造，以满足工业和生活用水的需求。在城市水网中逐渐形成了一种自然与人工水环境的独特结合。这些系统受到自然条件以及人为调节的水文连通性、流向和流量的控制（McGrane，2016年；Zhang等人，2022年）。水文连通性在城市河流-湖泊网络中调节水质动态中起着核心作用。近期研究表明，工程连通性（如运河、闸门）与自然系统相比，可以显著改变污染物的传输路径（Wohl，2017年）。例如，Leigh和Datry（2017年）发现城市流域中的人为连通性在降雨事件期间加剧了营养物的冲刷，而Lane等人（2023年）发现破碎的连通性会导致局部污染物积累。Gessner等人（2014年）在混合城市流域中展示了自然与人工连通性之间的相互作用进一步复杂化了水质的时空分布。

与自然环境相比，城市河流-湖泊网络在水文过程和污染源的时空动态上更为复杂，需要基于过程的理解来理解人工系统与自然系统之间的相互作用（Kuhlemann等人，2022年）。然而，由于高分辨率监测的局限性以及难以区分自然效应和人为效应，这些复杂水网中污染物的生成和传输机制仍不甚清楚。全面理解复杂流动条件下的水文连通性和控制水污染的关键因素对于可持续的水资源管理策略至关重要。

数十年的城市发展和水文管理使得水文系统不断演变，需要更系统的监测和更深入的理解。以往的研究主要使用水化学指标来阐明污染物的时空分布、识别特定污染源，并在流域尺度上区分人为影响（Xu等人，2022年；Yi等人，2017年）。最近在长江流域（YR）进行的稳定同位素研究（Li等人，2016年；Wu等人，2022年、2021年）表明，δ²H和δ¹⁸O可以有效地追踪河流-湖泊之间的交换，揭示了季节性回流和水库调节的混合过程，这些过程重塑了水文连通性。然而，在高度工程化的城市河流-湖泊网络中量化水文连通性仍然是一个重大挑战。此外，在高度工程化的城市流域中获取连续可靠的物理流量数据（流量和流速）极其困难。因此，本研究中的“水文连通性”并不严格遵循物理水力概念，而是定义为河流网络不同季节的水文状况变化，用于描述城市河流和湖泊之间的水交换频率和程度。利用河流和湖泊之间强烈的同位素对比，稳定同位素可以作为这种水交换频率的指标。虽然结合流体动力学建模可以提供更严格的物理量化，但在缺乏连续流量数据的情况下，同位素方法提供了重要的时间整合视角。尽管稳定同位素作为水运动的“指纹”具有明显优势（Kuhlemann等人，2021年），但在城市环境中的应用仍存在很多知识空白。此外，结合水化学和稳定同位素有助于获取有关水文相互作用的额外信息（Yang等人，2021年），并为城市水污染物的传输机制提供更深入的见解。然而，大多数研究仍将水化学分析与稳定同位素结合，主要用于自然主导的环境（Hu等人，2019年），从而在人口密集地区留下了研究空白。最近的一项研究强调了这种综合方法在阐明人为对城市水文过程影响方面的潜力（Ehleringer等人，2016年）。这种综合方法已被用于阐明自来水（Meng等人，2024年）、地下水（Kuhlemann等人，2020年）和污水系统（Ariano等人，2024年）在城市水文循环中的作用。然而，很少有研究考虑水文相互作用以识别河流-湖泊网络中的污染动态模式。

武汉是长江中游一个高度城市化的都市，该地区分布着数百个湖泊和河流，构成了复杂的水文环境。为了减轻洪水灾害和稀释水污染，政府实施了一系列建设项目，包括运河、闸门和泵站，将当地河流和湖泊与长江连接起来。通过自然和人工环境的紧密结合，武汉形成了新的城市河流-湖泊网络，特别是洞沙河-湖泊网络（DRLN）。DRLN建立了东湖与中国最大的河流长江之间的连接。不同的同位素特征，尤其是大规模动态河流（如长江）与高度蒸发的滞留城市湖泊之间的强烈对比，使DRLN成为通过稳定同位素探索水文连通性的理想场所。

本研究将氢和氧稳定同位素作为环境示踪剂与水文连通性相结合，以识别DRLN中水文状况与水质之间的联系。本研究的目标是：（1）评估水质状况并描述地表水中污染物的时空分布；（2）研究河流-湖泊网络中氢和氧稳定同位素特征的时空动态以及水文连通性；（3）通过结合水化学分析和稳定同位素，识别水质的控制因素和污染物在河流-湖泊网络中的传输机制。我们的发现展示了这种综合方法在快速工业化的城市地区区分自然和人为影响方面的巨大潜力，并为改善水污染管理和城市可持续发展提供了关键见解。

章节摘录

研究区域

DRLN（北纬30°32′–114°40′，东经114°17′–114°25′）位于武汉市中心，面积超过90平方公里，属于亚热带季风气候。武汉年平均降水量在1150至1450毫米之间，具有夏季炎热和频繁强降雨的典型特征（Wang等人，2022年）。采样期间的武汉季节性降雨情况（图S1）及季节分类见SI。DRLN的土地利用情况为

水化学因素的时空特征

地表水的物理化学性质表现出显著的时空异质性，反映了城市化对DRLN的独特影响（图2和表S2）。所有采样点的离子组成以Ca²⁺、Na⁺、SO₄^2-和Cl^-为主，年平均浓度（±标准差）分别为40.50 ± 14.25 mg/L、16.27 ± 7.60 mg/L、36.89 ± 11.63 mg/L和29.53 ± 12.68 mg/L。与农村流域不同，Ca²⁺的相对丰度更高

通过同位素追踪和定量源贡献评估水文连通性

同位素示踪剂的时空分布结合定量源分配，提供了关于城市河流-湖泊网络中水循环的见解（Kuhlemann等人，2020年），季节性变化揭示了水文连通性的动态并区分了复杂来源。MixSIAR模型用于量化四个潜在来源——长江、东湖、降雨和自来水（作为城市管道水和生活污水的代理）对城市的贡献

结论

DRLN中的城市河流-湖泊网络表现出复杂的污染模式和多种人为活动驱动的污染源。本研究分析了武汉河流-湖泊系统中的水化学和同位素示踪剂，以表征城市水循环过程并评估水文连通性对水质的影响。稳定氢和氧同位素为量化水交换的频率和程度提供了一个可靠且独立的框架

CRediT作者贡献声明

李朝阳：写作——审稿与编辑。陶仕勇：写作——审稿与编辑、方法论、调查。杨一帆：调查。张辉：写作——审稿与编辑、初稿撰写、验证、方法论。徐静：写作——审稿与编辑、方法论、调查。张翔：写作——审稿与编辑、方法论、资金获取

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了湖北省科技创新计划（编号：2024BCB062）和湖北省国际科技合作项目（编号：2024EHA034）的财政支持。感谢匿名审稿人的意见。