淮河流域大气降水氢氧稳定同位素变化规律及其气候意义

淮河流域位于我国南北气候过渡带,其复杂多变的降水过程及水汽来源是导致流域洪旱灾害易发、多发的重要因素。以全球降水同位素监测网络(Global Network of Isotope in Precipitation, GNIP)监测的多年降水氢氧稳定同位素数据为基础,探讨了淮河流域大气降水氢氧稳定同位素组成时空变化的驱动因素及其气候指示意义;通过分析氢氧稳定同位素组成(δ¹⁸O、δ²H、氘盈余)、大气降水线特征与流域气温、降水量的响应关系,解析流域不同季节大气降水水汽来源及气团移动路径。结果表明：(1)淮河流域大气降水氢氧稳定同位素组成能够指示南北气候过渡带特征;(2)同位素时空变化及异常低的大气降水线斜率、截距与局地降水环境关系不大,主要是由水汽来源差异及降水气团在移动过程中同位素分馏造成的。氘盈余示踪和HYSPLIT模型模拟结果进一步表明流域降水水汽来源及变化受季风活动的控制,冬季风和夏季风的交替进退使得淮河流域的降水氘盈余变化具有明显的“V”型特征。研究成果可为水资源调度管理、极端气候应对决策等提供科学依据。     

高寒干旱区降水氢氧稳定同位素组成及其水汽来源：以昆仑山北坡格尔木河流域为例

降水来源是高寒干旱区水文循环研究中的重要内容。本研究以格尔木河流域山区段纳赤台水文站为研究点,收集2019年6—10月的51个降水事件样品,开展了降水氢氧(H-O)稳定同位素组成及其水汽来源研究。结果表明:(1)降水δ~(18)O与δ~2H值变化显著,气温是其变化的主控因素;(2)降水经历了多次蒸发-凝结过程,其同位素值大多落在全球降水线上方;(3)山区降水线方程为δ~2H=7.4×δ~(18)O+13.2,可视为流域降水线方程,为流域水循环研究提供可靠的参考。氘盈余分析揭示了西风环流及局地水汽循环是流域山区降水的主要贡献者。HYSPLIT模拟进一步表明流域山区高空水汽由西风环流携带而来而低空水汽还与内陆水体蒸发有关。该成果有助于深入理解高寒山区水汽循环理论,可为当地水资源管理决策提供科学依据。     

武汉市大气降水的氢氧同位素变化特征

为了解武汉市降水同位素组成,收集武汉市2011—2013年大气降水中氢氧稳定同位素,并结合气象资料和国际原子能机构(International Atomic Energy Agency,简称IAEA)提供的1986—1998年的数据资料,建立了武汉市地区大气降水线方程,分析了武汉地区大气降水中稳定同位素的变化特征。结果表明:武汉市地区降水线为δD=8.29 δ¹⁸O+7.44,与中国大气降水线相接近;降水中氢氧同位素组成季节变化明显,春季降水中δ¹⁸O值最大,而夏季最小;武汉市降水中δ¹⁸O值呈现上升趋势,降水中δ¹⁸O与气温和降水量均呈现负相关关系,且在时间上是多变的。水汽源是控制武汉市大气降水中氢氧同位素组成的重要因素。     

武汉市大气降水δD和δ~(18)O变化特征及水汽来源

为了确定长江流域中游大气降水特征和水汽来源,以全球大气降水观测网(GNIP)武汉站点多年大气降水稳定同位素数据为基础,探讨了长江中游武汉地区大气降水稳定同位素随季节变化特征。通过建立当地大气降水方程,结合气象因素和降水氘盈余变化,揭示了武汉地区不同季节大气降水水汽来源。结果表明:大气降水在降落地面之前经历了非平衡分馏过程,且平衡程度接近于东部季风沿海地区;大气降水稳定同位素表现出明显的季节性特征,且冬季和夏季降水δD和δ~(18)O值与雨量之间负相关,表现出明显的"雨量效应";大气降水水汽来源主要受季风活动的控制,冬季水汽主要来自北方大陆冷湿气流,而春季降水表现出局地蒸发来源,夏季和秋季降水来源受西南季风和东南季风的双重影响。     

金华北山洞穴滴水氢氧稳定同位素的特征及气候意义

为揭示洞穴滴水氢氧同位素特征及气候意义,对金华北山双龙洞和二仙洞的大气降水、洞穴滴水、岩石裂隙水、地下河水、洞外泉水进行了7⁹个月的连续监测和分析。结果表明:1地表水的氧同位素变化幅度大于洞穴水,说明其对外界环境的响应比洞穴水更敏感。2洞穴滴水的氢氧同位素值并没有与大气降水线完全吻合,大部分投影在雨水线下,这反映了地表的蒸发作用以及包气带含水层对滴水存在着显著的调蓄作用。3滴水的δ18OV-SMOW具有干湿季变化特征,旱季偏正,雨季偏负,但滴水δ18OV-SMOW值滞后29个月的连续监测和分析。结果表明:1地表水的氧同位素变化幅度大于洞穴水,说明其对外界环境的响应比洞穴水更敏感。2洞穴滴水的氢氧同位素值并没有与大气降水线完全吻合,大部分投影在雨水线下,这反映了地表的蒸发作用以及包气带含水层对滴水存在着显著的调蓄作用。3滴水的δ18OV-SMOW具有干湿季变化特征,旱季偏正,雨季偏负,但滴水δ18OV-SMOW值滞后2³个月。本研究结果可为重建金衢盆地的古环境提供依据。     

西安地区降水稳定同位素变化特征及影响因素

在全球大气降水同位素观测网西安站的大气降水同位素资料基础上,结合该地区实际气象数据资料,分析了西安地区大气降水中稳定同位素的组成,并建立了西安地区的大气降水线方程,揭示了该地区大气降水线分布特征的差异性和温度、降水量及水汽压对大气降水稳定同位素的不同影响。结果表明:年度尺度上,西安地区大气降水中稳定同位素与温度成正相关,与降水量成负相关,δD与水汽压成负相关,δ~(18)O与水汽压成正相关。     

广州市沿海平原地下水循环及转化规律初探

首次把降水-地表水-地下水作为一个整体,利用多同位素技术(稳定和非稳定)结合水位监测、水化学分析,阐明了广州市南部咸水入侵区内降水、地表水以及地下水之间的相互关系。通过分析典型剖面水循环特征,提出了区域地下水循环模式。结果表明:大气降水中氢氧同位素含量主要受雨量效应控制,大气降水对河水的补给存在滞后作用。河水在不同时期补给来源存在差异性,旱季河水除了接受当时当地大气降水以外,还接受上游来水的滞后补给。旱季的咸淡水混合区相对雨季分布范围较广,雨季河水与海水的混合作用强于旱季。研究区内地下水大致分为2个分系统:一个为相对年轻的淡水系统,另一个为南部地下水年龄较老的系统。研究区分为2个地下水局部流场,南部为水头低值区,其沿海/河流部分受到海水入侵;北部为水头高值区,其主要为地下水排泄区。     

宜春鼻田和温汤地热水氢氧同位素特征研究

采集了鼻田和温汤地热水以及袁河水,分别测试了其氢氧同位素组成、酸碱度(pH)、电导率(EC)、溶解性总固体(TDS)和HCO₃^-浓度。结果表明,地热水TDS较小,呈弱碱性,导电率较小。地热水的δD值和δ¹⁸O值的变化范围分别为(-45.95‰～36.93‰)和(-7.54‰～4.36‰),比河水的δD值(-34.11‰～31.04‰)和δ¹⁸O值(-5.91‰～5.32‰)变化范围大。地热水的氢氧同位素分布与宜春地区大气降水线较一致。表明地热水的补给来源为大气降水,补给高程范围在370 m-761 m。结合该区水文地质条件,明确了地热的形成机理,即：地热水源自大气降水,是通过入渗进行补给,并沿断裂深部循环加温后所形成。地下热水在上升过程中,受花岗岩围岩具有阻水性的影响,其沿裂隙带上升并与浅部风化裂隙水混合后扩散。     

华北平原典型压采区地下水循环的氢氧同位素示踪

选取地下水压采效果显著的邯郸黑龙港平原作为研究对象,运用氢氧同位素技术示踪现状压采条件下水循环过程,确定地下水的补给来源。结果表明,研究区内地下水和地表水主要接受大气降水补给,且都受到蒸发作用的影响。地表水的平均蒸发比例约为40%,且地表水氢氧同位素组成季节变化显著,雨季较旱季明显富集。地下水受蒸发作用影响较小,平均蒸发比例约为24%,其氢氧同位素组成季节变化不明显。深层承压水同位素富集现象很可能与上层潜水的越流补给有关;古地下水的输入使得部分承压水同位素贫化。地下水与当地地表水水力联系密切,其中地下水对老漳河的补给比例约为30%;老沙河对下游地区地下水的补给比例约为20%。研究结果对华北平原地下水可持续管理具有重要意义。     

中亚高山区云下与地表降水氢氧稳定同位素时空分布特征及其水汽来源分析

基于中亚高山区7个站点的降水稳定同位素观测数据,利用Stewart雨滴蒸发模型及HYSPLIT模型,分析了云下与地表降水稳定同位素的时空分布特征及其与气象因子、地理环境和水汽来源之间的关系。结果表明:研究区地表与云下降水的δ²H和δ¹⁸O均表现出明显的季节波动,春夏富集,秋冬贫化；氘盈余则呈现相反的季节变化趋势;云下大气降水线斜率和截距均大于地表大气降水线,说明地表大气降水线受蒸发影响更显著；云下与地表降水的δ²H、δ¹⁸O和高程呈显著的负相关关系,而地表氘盈余呈现反高程效应；云下与地表降水δ¹⁸O与温度呈正相关关系,氘盈余与温度呈负相关关系,而降水量效应在云下与地表降水中均不显著；水汽输送轨迹显示,夏半年水汽主要源自西伯利亚大陆气团及局地再蒸发水汽,冬半年水汽主要源自西风带输送的北大西洋水汽,且在西风控制下的氘盈余值显著偏高。     

同位素技术在内陆河水循环研究中的应用前景

介绍了同位素技术的原理,初步探讨并提出了同位素技术应用在气候变化对内陆河流域水循环影响研究中的思路和重点,主要包括水汽来源分析、区域降水线与蒸发线特征分析、氘盈余的分布特征及古气候信息的提取等方面。通过创新气候变化背景下的内陆河流域水循环变化的研究模式,可为盆地内水循环理论与大气水文学的建立提供依据。     

苏北海岸带浅部弱透水层孔隙水咸化过程

由黏性土构成的弱透水层中的孔隙水很大程度上还保留着地下水形成演化的水文环境信息。为探讨海岸带浅部弱透水层孔隙水咸化过程,提取苏北海岸带H1及H2钻孔35 m以浅的弱透水层孔隙水,分析了孔隙水水化学及氘氧同位素特征。结果表明:H1孔与H2孔相距7 km,H1孔孔隙水TDS为3.6~9.9 g/L,H2孔孔隙水TDS为12.5~37.0 g/L;水化学组分中,相对于区域地下淡水体,Br^-明显富集,相对于海水组成,Na⁺、Ca²⁺浓度变化各异;δD、δ¹⁸O值呈现随深度增加再降低的趋势,在10.1 m处最富集;同时孔隙水δD、δ¹⁸O值明显聚集在当地雨水线和海水混合线交点下方。δD-δ¹⁸O、Cl-Br关系指示孔隙水主要起源于原始的全新世海水,后期被大气降水稀释淡化,但位于盐场的H2孔孔隙水受到盐场卤水混合的影响;孔隙水中Na⁺、Ca²⁺的富集或衰减反映了孔隙水咸化过程中发生了明显的水岩相互作用。     

马莲河流域下游水体222Rn特征及指示意义

为揭示黄土高原典型流域地表水和地下水相互作用规律,以马莲河流域下游为例,应用氡同位素²²²Rn示踪方法分析了不同水体²²²Rn分布特征、影响因素以及河水和地下水转化关系,并利用氡同位素梯度指示河水和地下水作用强度。结果表明:马莲河下游不同水体²²²Rn活度差异较大,表现为白垩系地下水>黄土地下水>第四系地下水>河水。岩性是控制地下水中²²²Rn活度分布的首要因素,构造和氧化还原条件对其也有影响,河水²²²Rn活度主要受地下水补给的影响。马莲河下游各段²²²Rn同位素梯度分布表明R02—R03,R03—R04,R13—R14段地下水大量补给河水,其他区段地下水无补给或补给强度较低。     

基于水化学和环境同位素的准格尔煤田地下水循环特征

为揭示准格尔煤田地区地下水循环特征,运用水化学技术、水汽轨迹模型和环境同位素等方法分析不同水体水化学特征、环境同位素特征、大气降水主要来源、地表水及地下水转化关系。结果表明:地表水矿化度低,呈弱碱-偏碱性,水化学类型以HCO_3·SO_4·Cl-Ca型水为主;地下水整体矿化度低,偏弱碱性,主要以HCO_3-Na·Ca型、Cl-Na型、HCO_3-Ca·Mg型、HCO_3·Cl-Na型水为主;黄河水δ(D)平均值为-79.6‰、δ(~(18)O)平均值为-10.47‰,第四系地下水δ(D)平均值为-66.25‰、δ(~(18)O)平均值为-9.1‰,白垩系地下水δ(D)值为-70.6‰、δ(~(18)O)值为-9.3‰,石炭-二叠系地下水δ(D)平均值为-77.07‰、δ(~(18)O)平均值为-9.9‰,寒武-奥陶系地下水δ(D)平均值为-75.73‰、δ(~(18)O)平均值为-10.06‰;大气降水受极地气团和季风影响,主要来源为西风带水汽、地表水和地下水水汽蒸发再循环;断层带、褶皱轴部裂隙带为不同含水层间主要导水通道,大气降水和黄河为地下水主要补给来源;高承压水头寒武-奥陶系岩溶裂隙水越流补给第四系松散孔隙水和砂岩裂隙水,第四系松散孔隙水通过地层间不整合接触面裂隙发育带向下补给石炭-二叠系砂岩裂隙水,黄河水对寒武-奥陶系地下水的补给比例受地质构造发育的影响较大。     

欧洲地中海气候区大气降水同位素组成分析

基于国际原子能机构和世界气象组织在全球范围内降水中同位素观测计划提供的2000~2010年地区数据,分析研究区数年内稳定同位素与季节、降水、纬度等因素的变化规律。结果表明:在降水量和温度的影响下,降水中的同位素表现为温度与δ~(18)O和δD值呈正相关,δ~(18)O和δD均在夏季明显偏重,冬季偏轻,δ~(18)O、δD与降水量分别呈现出夏季负相关,冬季正相关。随着纬度和海拔的增加,δ~(18)O和δD逐渐变轻。研究区大气降水线方程表明:该地区在降水下落过程中水汽经历了以动力分馏作用为主的二次蒸发,致使重同位素在雨水中富集。氘盈余值低于全球平均值,该地区的水汽来源区气候条件相对湿润。     

陡河流域地表水与地下水转化关系

通过对陡河流域地表水-地下水水样的氢氧同位素分布特征进行分析,发现研究区河岸带第Ⅰ含水层除了受大气降水、灌溉回归水入渗补给外,还接受河水早期的渗漏补给,第Ⅱ含水层对第Ⅲ含水层有越流补给,第Ⅱ含水层同时也受大气降水和灌溉回归水的影响,而远离河岸带的第Ⅳ含水层与上覆各含水层稳定同位素组成显著不同,河岸带水库附近的第Ⅳ含水层可能受地表水库渗漏影响。河岸带地下水与地表水水力联系的变迁严格受河岸带地下水水位变化控制,如景庄子剖面的地下水埋深为5m,雨季时河水补给地下水,旱季时地下水补给河水,而靠近地下水漏斗中心的越河乡剖面地下水水位埋深达25m,其常年受地表水补给。     

鄂尔多斯沙区大气降水同位素特征及其来源

在分析鄂尔多斯沙区2010—2011水文年大气降水同位素组成的基础上,结合该沙区已有的降水同位素数据,提出了最新的当地降水线方程,探讨了沙区大气降水同位素的季节变化规律。结果表明:1与全球降水线方程相比,最新的当地降水线方程δD=7.00δ18O-3.02斜率偏低,表明该地区大气降水经历了一定蒸发作用;2鄂尔多斯沙区降水同位素组成具有明显的季节性变化特征,夏季偏正而冬季偏负;3鄂尔多斯沙区冬季大气降水主要来源于西北方向,而夏季降水主要来自于东南方向。     

湖南省地热水氢氧同位素特征分析

本文通过研究湖南省地热水的氢氧同位素特征,来分析地热水的补给来源以及~(18)O的漂移和地热水的水-岩相互作用的强弱程度。对各个构造单元的氢氧同位素箱线分布图、δD-δ~(18)O值的关系分布图和氘过量d值的特征进行分析,结果表明:地热水的补给来源、形成环境和水-岩相互作用的程度基本是相似的,δD和δ~(18)O值大部分分布在区域大气降水线附近,说明湖南省地热水主要补给来源为大气降水,但有少量地下冷水的混入;各构造单元氘过量d值几乎都小于区域大气降水方程截距,说明湖南省地热水的水-岩相互作用的程度是比较强烈的,也解释了δD和δ~(18)O值偏离大气降水线的原因。该研究在一定程度上丰富了同位素研究在地热资源领域的成果。     

鄱阳湖典型洲滩湿地植被叶片和土壤δ15N特征分析

为研究鄱阳湖典型洲滩湿地植被叶片和土壤δ¹⁵N特征,以蚌湖和修水之间的洲滩作为研究对象,选取典型断面研究2015年10—12月和2016年4月植被叶片和土壤δ¹⁵N的相关关系,探讨土壤含水量和无机氮(铵态氮和硝态氮)对植被叶片和土壤δ¹⁵N的影响。结果表明:大部分C3植被的叶片δ¹⁵N大于C4植被;湿润时期植被叶片和土壤δ¹⁵N大于干旱时期,但湿润时期和干旱时期植被叶片均较土壤富集¹⁵N。铵态氮在湿地土壤中占比高达87.43%,是土壤主要的无机氮,但湿地植被主要吸收硝态氮。研究区氮循环开度较小,土壤δ¹⁵N随着可利用氮素的增加而降低,而随着土壤含水量的增加而增加。植被叶片δ¹⁵N与土壤δ¹⁵N呈显著的正相关关系,植被叶片δ¹⁵N主要受土壤氮素变化和氮同位素分馏的影响。     

太原地区大气降雨的氢氧同位素特征研究

大气降雨中氢氧同位素特征的研究是利用同位素理论研究水循环的基础。为了研究太原地区大气降雨的水汽来源、当地大气降水线及降雨过程中的蒸发效应,利用观测数据对太原地区大气降雨中氢氧同位素特征进行了分析。结果表明:在当地季风气候的影响下,大气降雨中的同位素组成具有明显的季节性变化;氘盈余值的变化范围较大,说明形成当地降雨的水汽来源区的空气湿度变化较大;研究区降雨主要来源于海洋,当地地表水体的蒸发对当地大气降雨几乎无影响;当地大气降水线的斜率小于全球大气降水线,但大于蒸发线,说明雨滴在降落的过程中发生了一定程度的蒸发。研究结果可为太原地区地表-地下水循环的研究提供一定的依据。