基于稳定同位素的长江下游竹林小流域产流机制探究

为探究不同水源同位素对梅雨的响应,以长江下游的和睦桥流域为例,分析2016～2019年4场梅雨降水事件的林外降水、林内降水、河水、地表水及不同深度的土壤水采样,发现降水的空间分布不均,导致林内降水同位素比林外降水同位素贫化;随着土壤深度的增加,土壤水同位素组成更接近大气水线,且时程波动更小;土壤孔隙及毛竹根系的分布导致不同深度土壤水同位素对于降水的响应存在明显的不同,其中中层土壤水同位素变化对于降水更敏感;贫化的降水降落在流域,出口断面河水同位素却出现富集现象,这说明该流域梅雨事件中河水主要来源于基流,降水对于河流的补给很小。     

土壤水中氢氧同位素变化模拟及实验

分析了改变土壤水同位素的主要影响因素,利用土壤同位素蒸发分馏模型模拟了典型情况下饱和、非饱和土柱同位素剖面分布情况,得出地表蒸发为土壤水同位素富集的主要原因.通过土柱同位素交换实验,分析了输入降水与土壤水的交换混合作用.结果表明,输入降水与土壤水同位素交换程度较大,不同同位素组成的降水与土壤水混合是土壤水同位素改变的一种重要方式.最后综合分析了蒸发分馏和降水入渗共同作用下的土壤水同位素变化情况.     

竹林流域各水源的同位素特征对降水事件的响应分析

河水与地表蓄水补给来源的确定对于深入理解流域产流机制及流域滞时分布具有重要作用。通过采集2015～2016年和睦桥竹林小流域5场台风雨事件中林外降水、贯穿降水、地表蓄水、河水和土壤水水样并分析其氘氧稳定同位素特征,探究河水和地表蓄水同位素差异及补给水源。结果表明,林外降水相较于贯穿降水同位素偏富集,主要由于蒸发作用对林外降水影响相对较大。地表蓄水和河水稳定同位素组成及氘盈余值接近,同时两者的同位素组成对降水响应不明显,主要可能由深层土壤水和地下水补给,本场降水对河水和地表蓄水补给量很小。     

长江下游湿润流域不同水源的同位素组成对台风雨响应

鉴于不同水源对降水事件的响应,对于深入理解流域产流机理及地下水补给有重要意义,通过对长江下游和睦桥小流域台风雨事件的林外降水、贯穿降水、土壤水、河水采样,分析其氢氧稳定同位素组成,探究不同水体同位素组成对降水事件的响应。结果表明,最小二乘法求得的和睦桥流域台风降水的林外和贯穿降水线的斜率和截距均小于全球大气水线;由于植被截留和蒸发共同影响,贯穿降水相对于林外降水稳定同位素更加富集;降水事件中土壤水的δ18 O时程波动最大,主要与真空蒸馏采样方法及事件前水的存在有关,雨强和气温也可能会对土壤水同位素的组成带来很大影响;河水同位素的相对丰度时程变化最小,可能由于其主要补给来源是降水事件发生前储存在流域的水,降水事件对河水的δ18 O影响较小。     

长江下游小流域不同降雨类型水文要素同位素特征分析

为分析长江下游小流域不同降雨类型水文要素的同位素特征,结合氢氧同位素资料,分析了长江流域下游和睦桥小流域两场降雨事件(台风雨和梅雨)中各水文要素。结果表明,各水文要素同位素的时程效应较为显著。台风雨事件中降雨同位素愈来愈贫化,而梅雨事件中的降雨同位素具有显著富集趋势。各水体同位素值围绕大气水线分布,表明均由降雨产生。河水同位素变化不明显且分布最为集中,体现了降雨同位素特征的消减性。土壤水同位素由于在土壤水入渗过程中发生了混合作用,造成δ2H-δ18O相关点位于大气水线的右下方且集中分布。研究成果可为长江下游流域的径流成分划分与水循环机理研究提供参考。     

稳定性氢氧同位素研究土壤吸湿水的性质

设计了室内试验模拟水的蒸发过程,在烘干的土壤样品中加入已知同位素组成的水样直至土壤水达到饱和,采用烘箱烘干使土壤含水率达到或小于吸湿含水率;通过抽真空降低水沸点与加热相结合的方法收集土壤吸湿水,测得其δ18O与δD值.结果表明:土壤吸湿层的水呈现明显的氢氧同位素富集,土壤水蒸发过程中吸湿层的水与其外层的薄膜水产生了同位素交换;吸湿层的水并非呈固态不能移动,在常温下可与其外层的水分子发生同位素交换.     

长江下游地区梅雨和台风雨降水同位素特征及影响因素

基于长江下游和睦桥小流域2015～2019年6场梅雨和10场台风雨降水同位素数据，以及当地和大尺度气象数据，探究影响这两种降水类型的降水同位素变化的原因。长江下游地区梅雨大气水线的斜率和截距均小于全球大气水线，梅雨降水加权氘盈余值与当地气象参数无明显的相关关系，说明当地的云下蒸发作用对梅雨的氘盈余的影响不显著。梅雨的氘盈余明显高于其水汽源区水汽的氘盈余值，说明产生梅雨的水汽在运移过程中存在明显的陆地蒸散发补给作用，同时对外长波辐射数据显示水汽运移过程中强烈的雨洗作用导致降水同位素贫化，这两个过程导致其斜率和截距均小于全球大气水线。台风降水大气水线斜率和截距与全球大气水线接近，降水过程中受到的云下蒸发作用不显著。     

那曲流域季节冻土区土壤水热动态变化分析

鉴于青藏高原冻土区土壤水热动态变化过程对高寒区气候变化、植被演替及退化等方面的研究意义重大。基于2019年9月10日～2020年8月10日那曲流域4个监测站点分层土壤温度和湿度数据,探讨了冻融过程中土壤水热的变化规律及土壤水分和温度间的互作效应。结果表明,那曲流域季节冻土区在冻结过程期、完全冻结期、融化过程期、完全融化期土壤含水率呈现降低—稳定—升高—波动的变化趋势。冻结过程中,土壤水在温度梯度的作用下开始向冻结锋面运移并补充冻结锋面以下的土壤水分,各层土壤含水率均有所下降;融化过程中季节冻土呈现双向消融特征,各层土壤含水率上升,小唐古拉山、措玛乡、那曲大桥、香茂乡分别在20、35、10、50cm土壤水分高值区。土壤在冻结过程中处于放热状态,表层土壤温度较深层小,而融化过程处于吸热状态,表层土壤温度较深层大。随着土层深度增加,气温对土壤温度的影响越来越小,表层土壤温度变化速率均较深层大。5、10、20、35、50cm土层土壤温度与土壤含水率呈正相关关系,确定性系数R2分别为0.596、0.500、0.499、0.304、0.414。研究结果为及时明晰青藏高原土壤水热动态变化状况提供了一定的理论依据。     

五道沟地区土壤水分动态变化规律及模拟研究

以五道沟地区实测土壤含水率与气象要素为基础,分别从年、月和季节尺度上分析了土壤含水率在时间与垂向分布上的变化特征,选择不同的典型年和降水场次,探讨了土壤水分在不同降水强度下的响应规律,并运用Hydrus-1D模型模拟了土壤水的运动。结果表明,土壤水分受到降水和蒸发的共同作用,降水强度影响土壤水分的持续下渗时间与下渗深度,浅层土壤的响应程度更大。各层土壤模拟效率系数均超过0.6,表明Hydrus-1D模型在五道沟地区具有较强的适用性,可用于该地区土壤水分运动的模拟研究。     

未来气候情景下淮河中上游降水极值及其联合概率行为变化特征

极端气候变化导致水旱灾害频率和强度的改变,为探究未来气候情景下淮河中上游降水极值及其联合概率行为变化规律,以淮河干流小柳巷以上32个雨量站1961～1990年实测日降水数据为基准,集合RCP4.5情景下5种全球海气耦合模式(GCM)在2021～2050、2051～2080年的日降水预测,应用6种极端降水指数量化极端降水变化规律,基于Copula函数构造3组极端降水指数组合的联合分布,并利用Kendall重现期探讨双变量降水事件发生概率的空间变化规律。结果表明,无论在哪个未来时段,6种极端降水指数较基准期均有不同程度的增大;双变量降水事件的发生概率的空间异质性随着重现期水平的增高而增大;未来60年北部山区和研究区下游极端降水事件发生更加频繁,对淮河流域防洪排涝具有指示作用。     

基于质量守恒的土壤水中氢氧稳定同位素测定

探讨一种简易可行的基于质量守恒原理的土壤水中氢氧稳定同位素测定方法,可避免直接提取土壤水,实验装置简单,费用低,适用于土壤含水量较高和结晶化合物含量低的土壤。     

基于WRF-NoahLSM耦合模型的江苏省淮北地区土壤旱情评估

针对江苏省淮北地区土壤旱情评估问题,采用WRF-NoahLSM耦合模型模拟了淮北地区2011年2~7月降水量及土壤含水率,并与实测的降水量及土壤含水率做了对比,进而评估了淮北地区的土壤旱情。结果表明,WRF-NoahLSM耦合模型能较准确地模拟降水发生日和弱降水的降水量,以及2~7月土壤含水率变化规律;模拟土壤含水率的时空合格率大部分达到了60%以上,尤其是模拟深层土壤含水率的合格率较高;模拟评估淮北地区2、5、6月为中等干旱,3、4、7月为轻度干旱,在大部分地区模拟的干旱等级在干暖季略偏高,湿季略偏低。     

同位素水文学的原理和技术难点（二）

8地下水年龄和同位素时钟 8．1地下水年龄 由于大气降水是地下水的主要补给源,大气降水中的放射性同位素就成为评价地下水年龄的重要工具（时钟）。地下水年龄是指大气降水进入含水层后的时间。地下水的不同部分,具有不同的运动速度,和不同的滞留时间。如果滞留时间分布范围较小,其概念是指补给水从进入地下水系统到采样点的平均通过时间。如果滞留时间的分布范围很大,则水流途径的信息可能很复杂。     

大伙房水库流域降水变化特征分析

采用五点滑动平均法、趋势系数法、Mann-Kendall趋势检验法和方差分析法对大伙房水库流城1951～2006年的降水资料进行了分析.结果表明,1980年前年降水序列明显下降,1980年后微弱上升;季降水序列中夏季降水与年降水变化基本一致,秋季降水明显下降,春,冬两季降水变化趋势不明显;年降水和季降水序列均具有明显的周期变化规律.这些规律可为大伙房水库流域降水的中长期变化趋势估报提供参考.     

泰莱盆地水环境同位素分布特征及其意义

通过对泰莱盆地不同水体进行采样测试,分析其氢氧同位素特征,应用环境同位素理论研究了盆地不同水体之间的差异与联系,并针对盆地的不同地段、不同水体的环境同位素特征,采用数理统计、δD-δ~(18)O关系图和典型剖面分析的方法,结合当地水文地质条件,分析了泰莱盆地的"三水"转化关系。结果表明,泰莱盆地周边山区为大气降水补给,地下水沿径流途径向盆地内部排泄区汇集,在盆地内地下水常通过地表"天窗"或以泉的形式补给地表水,盆地内部地势相对平缓,蒸发作用较强。     

不同地下水位埋深下五道沟地区地表径流变化规律分析

基于五道沟实验站1991~1999年实测降水、地表径流及地下水位埋深资料,运用水文学原理及数理统计方法,选取不同降雨量和降雨类型,分析了不同量级降雨量、前期土壤干湿状态、次降雨过程砂姜黑土地表径流量及径流系数随地下水位埋深的变化规律。结果表明,对于砂姜黑土,在50mm以上日降雨过程中,存在土壤表层蓄满、深部超渗的分层产流机制;地表径流量及径流系数随地下水位埋深增加呈指数递减趋势,且随降雨量的增加地表径流系数呈上升趋势;而前期土壤干旱时间长、土壤含水率较低、地表径流系数随地下水位埋深增加而减少,且降雨集中分布比降雨分散分布的地表径流系数高。     

锦州市小凌河扇地地表水与地下水水化学特征

为研究小凌河扇地的水化学特征与地表水-地下水的转化关系,在野外调查和取样的基础上,通过水化学和同位素方法,分析了小凌河扇地自山前至近海平原地表水与地下水的水化学及同位素特征、补给来源及局部差异。结果表明,从山前地区至近海平原区,区内地下水低矿化度的HCO₃-Ca型淡水逐步转变为Cl-Na型微咸水,地表水由HCO₃·SO₄-Ca·Mg、 HCO₃·Cl-Na逐步转变为Cl·SO₄-Na·Ca、Cl-Na型;地下水和地表水氢氧同位素低于当地大气降水线,可见大气降水为主要补给来源,且与地表水相比地下水所受蒸发浓缩作用更为强烈;地下水与地表水水力联系紧密,受地质和水文地质条件综合影响,其转化关系存在一定的空间差异性。     

海河流域极端降水时空变化规律及其与大气环流的关系

为了解海河流域极端降水时空变化规律,基于海河流域40个气象站1960～2016年逐日降水资料,采用线性回归、M-K趋势检验法、Pearson相关性分析法,分析了海河流域近57年来10个极端降水指数的时空变化及其与大气环流的相关性。结果表明,除了持续干期(CDD)和持续湿期(CWD)外,大多数极端降水指数多年平均值在空间上呈自东南向西北减少的分布规律,CDD呈现自北向南减少的规律,CWD呈现自东南向西北增加的规律;在时间变化上,所有极端降水指数均呈下降趋势,只有最大一日降水量(RX1day)的下降趋势显著;在空间变化上,除中雨日数(R10mm)和降水强度(SDII)呈上升趋势的站点与呈下降趋势的站点个数相同外,多数站点各极端降水指数呈下降趋势;除CDD与其他极端降水指数相关性较弱外,各极端降水指数的变化具有较好的一致性;除CWD外,极端降水指数与厄尔尼诺—南方涛动(ENSO)现象关系密切,而AO(北极涛动)和NAO(北大西洋涛动)是CWD变化的重要因素。研究成果对于海河流域水灾害防治及水资源配置有重要意义。     

和睦桥流域同位素示踪剂划分事件水的试验研究

流量过程线的划分结果对流域滞时分析、降雨径流关系确定和坡地汇流计算影响很大。以和睦桥小流域为例,基于该区域2015~2016年4场降雨资料,运用同位素方法对流域的流量过程线进行划分,探究降水总量和平均雨强对事件水贡献比例的影响。结果表明,事件前水占总流量的百分比例很大(67.9%~98.3%),肯定了事件前水的重要性;总降水量和降雨强度与事件前水占总流量的百分比例均呈负相关,这主要与流域所处地理位置的气候条件和下垫面前期土壤含水量有关;不同雨型主要通过降雨事件过程中的蒸发作用来影响事件前水的贡献比例,而相同雨型的降雨事件可能与前期土壤含水量有关。     

土壤温度变化在绿洲及沙漠近地层能量平衡中的作用分析

利用2005年夏季在金塔绿洲附近获得的沙漠和绿洲中心点的湍流、辐射等观测资料,分析了这一时段内各观测点的主要能通量变化规律。结果表明,在沙漠点分析能量闭合时必须考虑土壤热储的作用。而在绿洲中心点,虽然从平均日变化上也可看到与浅层土壤热储较为一致的不平衡能量项,但二者在8:00～11:00间存在显著差异。分析指出此时的土壤增温可能是由于深层土壤中的水蒸气向上移动进入到浅层土壤并凝结放热造成的。