半湿润季风区流域地下水主导的径流生成机制：稳定同位素与氚示踪的整合研究

本研究针对半湿润季风区山丘流域径流生成机制不清的问题，通过整合δD、δ18O和3H双示踪技术，结合EMMM和LPM模型，揭示了地下水对径流的绝对主导贡献（事件尺度65.4–99.4%），并首次发现老水比例与坡-渠水力梯度存在显著抛物线关系（R2=0.94）。该研究为深刻理解季风区水循环过程及水资源可持续管理提供了关键科学依据。

　　

在水资源日益紧张的今天，深入理解水循环过程，特别是径流的生成机制，对于水资源的可持续管理至关重要。山地流域作为重要的“水塔”，为干旱半干旱地区提供了大量的河川径流。然而，人们对地表水文过程的认识日益深入，对地下水流动力学的理解却相对滞后，尤其是在具有深部地下水系统和间歇性补给特征的区域。著名的“老水悖论”——即暴雨径流中很大一部分来源于降水前的地下储水——对过度强调事件水贡献的传统暴雨径流范式提出了挑战。在季节性干旱系统中，地下水流路径的激活依赖于前期土壤湿度条件，因此，修订水文分割框架显得尤为必要。准确量化地下水贡献的规模、时间释放模式和水龄分布，对于建立过程准确的水文模型和气候适应性管理策略至关重要。

然而，当前对地下水文过程的理解主要来源于湿润流域，这些流域具有浅层、连通性好的含水层，表现出可预测的季节性响应。这导致在像华北半湿润季风区流域这样的过渡水文情势区存在关键的知识空白。这些系统经历着长期干旱和高强度暴雨的极端交替，并具有相对较深的地下水位。这些条件很可能产生显著的暴雨-补给-排泄滞后效应和非平稳的地下渗出模式。虽然先前研究已经证明了在不同流域的暴雨径流中存在大量的老水贡献，但在几个机制性空白方面仍未得到解决，特别是关于：(i) 地下贡献的时间变异性；(ii) 多年水资源储存能力；以及 (iii) 地下水渗出过程的激活机制。此外，地下水流路径固有的难以接近性，加上复杂的地质异质性和动态的水文气候条件，使得精确量化地下水的起源、混合和运移动力学变得困难。

实验野外观测极大地推动了全球流域地下水文的发展。稳定氢氧同位素（δD, δ¹⁸O）和放射性氚（³H）示踪为追踪复杂流域中的水运动、量化混合过程和估算水龄提供了强有力的工具。δ¹⁸O通过高频暴雨采样在划分事件水与前期水对径流的贡献方面表现出色，而³H衍生的水龄谱为长期地下水储存动力学提供了独特的约束。这些示踪剂的协同应用可以同时解析短期混合过程和多年滞留时间，并建立一个连接基质排水和优先流路径激活的分级流路径框架。

为了揭示这些机制，由徐子彤、田富强、南懿、崔振组成的研究团队在《Journal of Hydrology: Regional Studies》上发表了一项研究，以华北半湿润季风森林流域——西台子实验流域（XEW）为研究对象，在2021年至2023年期间开展了一项集成的δ¹⁸O-³H示踪观测。研究人员采用了耦合事件尺度δ¹⁸O端元混合模型（EMMM）和³H约束的集总参数模型（LPM）的双示踪框架。

本研究主要采用了以下几种关键技术方法：系统性的野外采样与水文气象观测，覆盖降雨、地下水、泉水、河道水和土壤水；稳定同位素（δD, δ¹⁸O）分析，用于端元混合分析（EMMM）和径流分割；放射性氚（³H）分析，用于水龄估算；以及集总参数模型（LPM），包括指数模型（EM）、活塞流模型（PM）、指数-活塞流模型（EPM）、弥散模型（DM）和伽马模型（GM），用于基于³H活性的水龄估算和含水层参数（如储水量、补给率）计算。

4.1 水文气象和同位素特征

研究发现，研究期间（2021-2023年）水文气候条件差异显著，2021年为丰水年，2022年为干旱年，2023年接近正常年，经历了多次极端水文事件。降雨的δ¹⁸O变异性最大，而地下水、泉水和河道水的δ¹⁸O相对稳定，表明降水是主要补给源，且流域具有强烈的混合和缓冲作用。氚活性数据显示，土壤水较年轻，而地下水、泉水和河道水年龄较老。

4.2 水文组分分割

季节性尺度上，老水在暴雨径流中的贡献占主导地位，2021、2022和2023年雨季分别为91.2%、92.4%和70.5%。事件尺度上，分析的16场暴雨事件中，老水贡献范围在65.4%至99.4%之间，凸显了地下水在径流生成中的核心作用。特别是在2022年干旱条件下，老水比例普遍高于95%。

4.3 水龄估算

基于³H和LPM模型的水龄估算表明，2021年地下水、泉水、土壤水和河道水的平均年龄分别为15-20年、13-17年、6-10年和14-18年。2023年的结果与2021年相似。然而，在2022年极端干旱期间，河道水的³H活性甚至低于地下水，表明有更老的承压地下水贡献，导致其水龄估计异常（约29年），超出了大多数模型的适用范围。

5.1 老水比例的控制因素

多元线性回归分析表明，总降水量（P）与前期的地下水埋深（Pre-GWD）是控制老水比例（f_old）的显著因素。研究首次发现f_old与前期坡-渠水力梯度（Δh）之间存在强烈的抛物线关系（R2 = 0.94）。当Δh低于临界阈值（归一化值91.6%）时，Δh通过影响裂隙水流速主导径流生成；当Δh超过该阈值时，降水成为主导，饱和地表流和优先路径导致新水贡献比例增加。

5.2 基于水龄的含水层参数估算

利用估算的水龄和年径流量，计算了含水层储水量和补给率。结果显示，XEW的活跃地下水储水量在1.0-6.0米（等效水深）之间，与全球浅层地下水估算值接近。年平均补给率约为205毫米/年，补给系数为0.23。

5.3 水龄估算的不确定性

水龄估算的不确定性主要来源于集总参数模型（LPM）中传输时间分布函数g(τ)的选择和参数化，而非降雨³H输入的重建误差。不同模型（如EM, EPM, DM, GM）对同一³H活性会给出不同的水龄估计范围，强调了采用多模型综合评估的重要性。

5.4 径流生成机制

综合同位素和水龄证据，研究揭示了XEW的径流生成机制：薄层高渗透性土壤促进降雨快速下渗至风化基岩裂隙中。老水（≥65.4%）主要来源于具有多年滞留时间的基岩地下水储库。地下水的释放受坡-渠水力梯度（Δh）控制的阈值机制调节。在干旱期，承压地下水的贡献增加，导致河道水年龄可能超过基岩地下水，反映了含水层内存在水力不连通区或停滞水体。

该研究通过创新的双示踪技术整合应用，有力地证实了在半湿润季风性头水流域XEW中，地下水对径流的贡献占绝对主导地位。这不仅深化了对“老水悖论”在该类地区表现形式的认识，而且揭示了其受水文条件（特别是坡-渠水力梯度）调控的抛物线型阈值机制。研究所建立的定量关系和水龄分布为改进水文模型参数化、预测气候变化下水资源响应以及制定科学的水资源管理策略提供了宝贵的实证基础和理论依据。尽管存在采样和模型简化等方面的局限，但这项研究无疑为理解复杂环境下的水循环过程树立了一个重要的里程碑，并指明了未来需要通过引入更多示踪剂、更高频率采样和时变模型来进一步探索的方向。