基于同位素技术径流分割研究进展

张天太，戴长雷，于 淼，张义鑫

（1 黑龙江大学水利电力学院,黑龙江 哈尔滨 150080；2.黑龙江大学寒区地下水研究所,黑龙江 哈尔滨 150080；3.黑龙江省寒区水文和水利工程联合实验室,黑龙江 哈尔滨 150080；4. 东北联邦大学地质勘探系,俄罗斯 雅库茨克 677000；5.俄罗斯科学院西伯利亚分院麦尔尼科夫冻土研究所冻土区地下水和地球化学实验室,俄罗斯 雅库茨克 677010）

0 引言

近年来,同位素技术在水文工作中越来越受到重视[1]。同位素包括稳定同位素和放射性同位素,能自发的放出粒子并且衰变为另一种同位素称之为放射性同位素；目前条件下无法测放射性同位素称之为稳定同位素。我国关于同位素的水文地质学研究起步较晚,二十世纪四五十年代,法国就已经开始对此方面的研究,二十世纪八九十年代,我国同位素水文地质理论研究和仪器设备的研发都取得了明显的进展[2]。环境同位素是指在环境中,不受研究者控制的稳定同位素,水中常见的有氢和氧及其同位素,也包括碳、氮、磷等元素同位素。

水平衡法、水文模拟法等也是径流分割的办法,但是该方法的误差会很大,其准确性难以得到保证。基于同位素技术的径流分割方法是利用稳定同位素的性质,通过二水源或者三水源径流分割模型,得到不同水分的贡献率,稳定同位素可以监测到人们难以发现的细节,从而提高准确率。

本文总结稳定同位素的的发展趋势和原理；二水源径流分割的方法、注意事项和实例；三水源径流分割的方法、注意事项和实例；判别径流是否来自三水源的方法。

1 稳定同位素原理进展

1.1 基于文献计量稳定同位素的趋势进展分析

近些年来,国内外学者一直在进行这该领域的研究,笔者在知网中以“同位素”和“水文”为关键字,以相关度排序,选取了前400 篇文章,利用CiteSpace 软件,以关键字为关联,见图1（截止至2023 年4 月10 日）。可以看出水化学、同位素、地下水和水循环是比较频繁的关键词。

图1 同位素水文学文献的关键字云图

同时,笔者利用知网以径流分割和同位素为关键词,查到了132 篇参考文献,其中有9 篇未找到相关数据,同样利用CiteSpace 软件,以关键词为关联,见图2（截止至2023 年4 月10 日）。可以看出径流分割、稳定同位素、同位素径流分割、径流、暴雨、地下水为比较频繁的关键词。

图2 同位素径流分割文献的关键字云图

1.2 氢氧同位素的理论依据

2H 和18O 在水文循环中作为稳定的同位素,在同位素径流分割当中受到广泛的使用。1983 年我国启动了中国大气降水同位素监测研究课题经过8 年监测工作初步建立了中国大气降水同位素数据库并分析了大气降水的稳定同位素浓度的时空变化规律求出了中国大气降水线和各区域的稳定同位素特征值[3]。1961 年学者Craig[4]通过对全世界四百多条河流样品进行同位素检测,得到全球降水方程线,该方程所反映的为全球多地大气降水线的平均值,因此,不同地区降水过程同位素分馏不同,各个地区的雨水线（Local Meteoric Water Line,简称LMWL）方程并不相同,两者的主要差异是在雨水线的斜率的截距（氘过量参数d）[5]。

近年来,我国不同学者也不同地区通过同位素分馏,得到该地区的LWML。不同地区的大气降水线代表的不同地区降水、气候、光照等不同因素的差异。

1.3 氘过量的进展

d-excess（氘过量）,是学者Dansgaard[6]在1964 年所制定的次级同位素参数：d-excess=δ2H-8δ18O,其意义为该地区的降水线δD/8δ18O 为8 时的截距,用来表示蒸发过程的不平衡程度。影响过量氘的定量因素十分复杂,目前仅仅了解了某些局部的规律。

1.4 2H 和18O 表示方法进展

1964 年,学者Dansgaard[6]表示,如果同位素的绝对值用α表示,则δ可表示为：

式中：sample 为测量值；standard 为标准值。

近些年来学者Miller[7]等研究表明,由于同位素淋洗效应和分馏的对数性质,可以用λ来表示同位素瑞利分馏过程：

两种表示方法为：

当δ< < 1 ,λ= l n （δ+ 1 ）因此式（1）是式（3）的高阶近似式,故式（3）更为精确。

2 二水源径流分割方法进展

2.1 二水源径流分割研究方法

二水源径流分割大多是指新水（事前水）和旧水（事后水）。事前水一般是指地表径流或者为降雨后的径流；事后水一般为地下径流,降水前就储存在土壤的水分。

该模型的计算方法如下：

式中：Q为不同水体的流量；δ为不同水分的同位素的浓度。

通过式（4）、式（5）推导可得以下公式：

2.2 二水源径流分割进展

学者徐明珠[8]通过对丹汉江流域的研究,通过对旱季期和雨季期不同的采样和研究,研究结果表明,雨季期的大气降水和浅层地下水的分割比例为68.49%和31.51%；旱季期的大气降水和浅层地下水的分割比例为22.40%和77.60%。学者徐明珠同时提出了该地区的全年大气降水线方程、全年降雪线方程、全年期混合降水方程、雨季期大气降水线方程。Jaromir Dusek[9]等学者通过对捷克共和国北波西米亚的伊泽拉山脉和乌利斯卡集水地进行研究,经过对该地区进行长期模拟和二维双连续模型,分析得出大约有52%～84%的水来自事前水。该学者还提出,增量加权技术是一个适当的方法来解释降雨中的18O 含量的时间变异。

3 多水源径流分割方法进展

3.1 多水源径流分割研究方法

多水源径流为三种或三种以上的水源所组成的径流,在三水源径流分割的过程中,通常需要两种示踪剂来区分不同的水源。为控制分割结果,需要两种相互独立并且稳定的示踪剂,但是水中的D 和18O 同位素有很高的线性关系,所以不能用D 和18O 来当作两种示踪剂,因此我们需要另一种示踪剂,一般为水化学参数或者是温度、pH 值、湿度等。近期所作的研究中大多使用Cl-或SiO2。

三水源同位素径流分割方法用下面公式表示：

式中：Q为不同水体的流量；δ为第一种示踪剂的浓度；C为第二种示踪剂的浓度。

通过式（8）、式（9）、式（10）推导可得：

经过式（11）、式（12）、式（13）转换可得：

多水源径流分割中需要用到n-1 种示踪剂来进行计算。通过上述公式推导可得：

3.2 多水源径流分割进展

Gatesman[10]等学者对贾维斯溪流域进行了研究,从2011 年～2016 年的6 年里,对基流、降雨、降雪、积雪、末端径流等共采集1053 个样品,并且对这些样品中的氢氧同位素、氯离子和硫酸根离子进行检测,制作每一年的三角混合图来确定数据的可靠性,并且得出当地的大气降水线,最终通过上述公式进行计算,得出平均冰川末端的贡献约为35%,基流约为32%,剩余的为雨雪混合物。Shive[11]等学者通过在恒河上游地区,以时间变化为主要因素,进行径流分割,同时采用二水源径流分割和三水源径流分割。融雪、冰川融化和直接径流的贡献分别为59.6%、36.8%和3.6%,此外在时间上也有很显著的变化,冰川消融的的比例为8.1%～47.4%,河流流量的比例为42.9%～91.9%。在径流分割过程中,融雪占该河流该时间段的主要贡献。

4 结论与展望

4.1 结论

同位素技术在研究末端、融雪、壤中流、径流分割等方面都有着常规方法不可比拟的作用。但是在使用同位素技术来进行径流分割的时候需要满足一些条件,并且采样时需要专业的设备,也需要尽快地进行对同位素的检测,否则会产生较大的误差。

（1）在进行径流分割之前,需要进行对当地水分的分析,确保同位素的时空均一,否则可能出现某种水源的贡献率达到100%以上。

（2）在多水源径流分割的情况下,需要制作三角混合图来确定数据的可靠性。

（3）在以后的研究中,可以与GIS 等遥感手段结合,这样可以提高径流分割的精度。

4.2 展望

日前对于同位素技术的了解已经较为成熟。未来,稳定同位素还需要很多工作需要进一步开展。

（1）面对复杂的径流不能仅仅依靠单一的元素对其分析,也可以通过水体导电率、电阻率等一系列方法对水文情况做一些可视性分析。

（2）需要对植物-土壤方面进行考虑。可以通过各个学科进行耦合的途径来分析不同水体贡献率的变化趋势,从而进行提前防范。