多环境示踪剂揭示大型水库分割下山区流域地表水-地下水相互作用机制

本研究针对水库分割导致的流域地表水(SW)-地下水(GW)相互作用机制不清的问题，通过整合δ18O、δD、222Rn同位素与水文地球化学方法，首次系统解析了华北平原漳河上游水库群影响下的SW-GW交换规律，发现水库调控导致上下游补给模式发生季节性反转，为全球类似流域水资源协同管理提供了科学框架。

　　

在华北平原水资源危机日益严峻的背景下，大型水库建设虽缓解了供水压力，却导致河流自然水文过程被严重割裂。作为海河流域重要水源地的漳河上游，三个大型水库（关河、后湾、漳泽）的梯级开发使地表水(SW)与地下水(GW)的相互作用变得异常复杂。这种人为干预如何改变山区流域的水循环路径？水库上下游的SW-GW交换是否存在季节性差异？这些问题直接关系到区域水资源的可持续利用，却长期缺乏系统研究。

河北工程大学的研究团队在《CATENA》发表创新性成果，首次将δ¹⁸O、δD稳定同位素、放射性氡(²²²Rn)与水化学指标联用，通过3次野外采样（2021-2023年）获取162组水样数据，揭示了水库分割流域SW-GW相互作用的动态规律。研究采用同位素质量平衡模型计算混合比例，结合水龄分析（²²²Rn半衰期3.8天）量化交换强度，构建了水库影响下的水循环概念模型。

【化学信号】水化学分析显示流域水体主要为Ca-HCO₃型，地下水总溶解固体(TDS)空间变异显著（126.8-1362.3 mg/L）但季节差异小，表明含水层介质控制着溶质分布。

【北支流（关河水库）】同位素证据表明：关河水库上游河段在雨季前后均接受沿岸地下水补给（d-excess差值达5.1‰）；而下游河段成为水库水（8-88%）与地下水（12-92%）的混合带，混合比例呈现明显空间分异。

【漳泽水库】最具动态特征的河段，其上游在雨季前为增益河段（GW→SW），雨季转为流失河段（32%河水入渗）；下游在雨季前表现为流失河段，雨季则出现三段式转换——从水库水主导段经增益段（GW贡献11%）最终变为强烈流失段（入渗率达50±7%）。

【水龄约束】漳泽水库下游地下水停留时间（0.45天）显著短于上游（2.83天），证实了下游更强的河流渗漏效应和更高含水层渗透性，这一发现为水库运营对含水层水力特性的影响提供了直接证据。

该研究创新性地构建了水库分割流域SW-GW相互作用的概念模型，揭示出三大规律：1）水库调控导致上下游补给模式发生季节性反转；2）同位素指纹（δ¹⁸O贫化特征）可有效识别地下水贡献区；3）²²²Rn活度梯度是判断交换方向的敏感指标。这些发现不仅为华北平原水资源优化配置提供了科学依据，更重要的是建立了适用于水文地质资料匮乏区的研究范式——通过多示踪剂耦合解析，可突破传统水文模型的局限，精准刻画人为干扰下的水循环过程。对于全球近30万座水库影响下的流域管理，本研究提出的"同位素-水化学-水龄"三位一体分析方法具有重要推广价值。