稳定同位素揭示了中国西北部内蒙古一个半干旱河流流域在干旱-洪水急剧交替期间的蒸发作用

《Journal of Hydrology: Regional Studies》：Stable isotopes reveal the evaporation effects during a drought–flood abrupt alternation period in a semiarid river basin in Inner Mongolia, Northwest China

水循环中稳定同位素揭示半干旱区干旱-洪水交替期蒸发特征差异及驱动机制研究。采用δD和δ1?O同位素分析及 Craig-Gordon模型，发现湖泊蒸发最显著（d-excess值最低），河流次之，地下水受蒸发影响最小。空间异质性主要源于水库延长水 residence time及下游不透水地表加速降水入渗。研究为脆弱半干旱区水资源管理提供理论支撑。

　　在面对全球气候变化带来的挑战时，干旱与洪水的剧烈交替成为许多半干旱地区亟需关注的问题。这种极端天气事件不仅影响水资源的时空分布，还对生态系统的稳定性以及人类社会的可持续发展构成威胁。因此，深入研究半干旱地区在极端天气条件下的水文动态及其控制机制，对于确保水资源安全和预警灾害具有重要意义。本文聚焦于内蒙古自治区乌兰木伦河流域，这一区域处于黄河流域的半干旱过渡带，同时也是中国北方生态安全屏障的重要组成部分。通过在2024年湿润季节的干旱-洪水剧烈交替期间，对不同水体的同位素进行分析，研究团队旨在揭示水体同位素的变化规律，并解析其对水文行为的指示意义。

在研究过程中，科学家们采集了多种水体样本，包括湖泊水、河水和地下水。这些水体的同位素特征在不同时间段表现出显著差异。结果显示，在干旱和湿润时期，湖泊水的同位素最为富集，其次是河水，而地下水则表现出最弱的同位素富集。这一现象反映了水体在蒸发过程中的差异性。具体而言，湖泊水因蒸发作用而表现出较高的同位素富集度，这可能与其较大的水面面积和较长的水停留时间有关。相比之下，地下水由于其封闭性和较低的蒸发率，其同位素变化较为有限。与此同时，d-excess值的分析显示，蒸发强度呈现出湖泊>河水>地下水的顺序，进一步佐证了不同水体在蒸发过程中的差异。

值得注意的是，河水的同位素空间变化主要由蒸发主导，而海拔变化的影响相对较小。这一发现表明，在半干旱地区，蒸发过程在水体同位素变化中占据主导地位。此外，研究还发现，在主河道的蒸发损失上，存在明显的空间异质性。这种差异可能与水库的存在密切相关，因为水库延长了水体的停留时间，从而增加了蒸发的可能性。然而，在下游区域，不透水地表和城市排水系统加速了“新鲜”降水的汇入，使得主河道的蒸发损失相对较低。这种复杂的水文过程揭示了自然因素与人为干预在水循环中的相互作用。

湖泊水的蒸发损失与入流比（E/I）在干旱和湿润时期均表现出显著变化。这一现象主要归因于湖泊作为人工城市湖泊的特殊功能，导致其水体更新速率存在差异。在干旱时期，湖泊可能因缺乏充足的入流而增加蒸发损失；而在湿润时期，入流的增加则可能缓解蒸发的影响。这种动态变化对湖泊的水文行为具有重要影响，也为水资源管理提供了新的视角。

地下水的蒸发过程相对较弱，但其在季节性调节水资源方面展现出潜在价值。地下水的稳定性使其成为半干旱地区水资源的重要组成部分，尤其在干旱时期，地下水可能成为维持生态系统和农业灌溉的关键来源。然而，由于地下水的更新速率较低，其在极端天气事件中的响应能力可能受到限制。因此，如何有效利用地下水资源，同时减少其在极端气候条件下的脆弱性，是当前水资源管理面临的重要课题。

研究团队通过应用Craig–Gordon模型，进一步揭示了不同水体在干旱和湿润时期的蒸发损失差异。结果显示，在干旱时期，河流和湖泊的蒸发损失显著高于湿润时期。这表明，在极端干旱条件下，水体的蒸发过程可能更加剧烈，进而影响水资源的可用性。同时，该模型的分析也强调了气象过程与人为调控对蒸发损失的联合影响。例如，在干旱时期，水库的调节作用可能有助于减少蒸发损失，从而提高水资源的利用率。然而，在湿润时期，降水的增加可能使得蒸发损失相对减少，但同时也可能加剧水体的稀释效应，影响其同位素特征。

研究还发现，在干旱-洪水剧烈交替期间，水体的同位素变化模式具有重要的指示意义。湖泊水因蒸发作用最为显著，其同位素特征的变化可以反映湖泊水体的更新速率和蒸发强度。河水的同位素变化则受到蒸发和降水输入的双重影响，表现出较高的空间异质性。地下水的同位素变化相对稳定，但其在极端天气条件下的响应能力仍然值得关注。这些发现不仅有助于理解半干旱地区水循环的复杂性，也为制定适应性水资源管理策略提供了科学依据。

此外，研究团队还探讨了人为活动对水体蒸发过程的影响。在乌兰木伦河流域，由于水库的建设、城市排水系统的完善以及农业灌溉的需求，水体的蒸发过程受到多方面的调控。例如，水库的存在延长了水体的停留时间，增加了蒸发的可能性；而城市排水系统则加速了降水的汇入，减少了主河道的蒸发损失。这些人为因素在一定程度上改变了自然水循环的模式，使得水体的蒸发过程更加复杂。因此，在制定水资源管理策略时，需要充分考虑自然与人为因素的共同作用。

从更广泛的角度来看，本研究的发现对半干旱地区的水资源管理具有重要的实践意义。首先，通过分析不同水体的同位素特征，可以更准确地评估水资源的可用性和变化趋势，为水资源的合理配置提供科学支持。其次，研究结果表明，在干旱-洪水剧烈交替期间，湖泊和河流的蒸发过程可能更加显著，这提示我们需要加强这些水体的监测和管理，以减少其在极端天气条件下的脆弱性。最后，地下水的稳定性和季节性调节能力使其成为半干旱地区水资源管理的重要组成部分，因此，应进一步探索地下水的可持续利用方式，以确保其在极端气候条件下的稳定性。

本研究的成果不仅为半干旱地区的水资源管理提供了新的思路，也为全球气候变化背景下水资源安全和灾害预警提供了理论支持。随着极端天气事件的频率和强度不断增加，半干旱地区的水资源管理面临前所未有的挑战。通过深入理解水体的同位素变化及其与蒸发过程的关系，可以为制定更具适应性的水资源管理策略提供科学依据。同时，这些研究也为相关领域的进一步探索奠定了基础，例如，如何在不同气候条件下优化水库调度、如何提高城市排水系统的效率以减少洪水风险，以及如何在干旱时期保障地下水的可持续利用等。

总之，本研究通过对乌兰木伦河流域不同水体的同位素分析，揭示了水文动态及其控制机制在极端天气条件下的变化规律。这些发现不仅有助于我们更好地理解半干旱地区的水循环过程，也为水资源的可持续管理和灾害预警提供了重要的科学支持。未来的研究可以进一步结合高频率、大范围的水同位素监测与水文模型，以更全面地解析自然与人为因素对水循环的共同影响。同时，加强不同水体之间的相互作用研究，将有助于制定更加精准和有效的水资源管理策略，以应对日益严峻的气候挑战。