干旱区地下水咸化机制的区域氘盈余解析

定量研究干旱区地下水的咸化机制对于水资源管理具有重要意义。针对已有研究需要考虑补给源水δ18O和δ2H值的局限,提出了一种利用区域氘盈余计算初始水、蒸发和溶滤对地下水咸化贡献的方法,并以罗山地区第四系地下水为例进行了分析。结果表明:该方法计算误差较小,可以有效区分蒸发和溶滤的贡献。地下水先溶滤后蒸发的自然咸化过程决定了溶滤作用的主导地位,咸化规模主要取决于溶滤作用程度。

基于氘盈余分析季节性降水对浅层地下水的补给——以鹰潭孙家农田小流域为例

本研究基于氢氧稳定性同位素技术，分析了2012年4月至2014年3月孙家农田小流域降水、灌溉水和地下水的氢氧同位素季节变化规律，并应用δD-δ18O关系图和氘盈余质量平衡法分别确定了研究区浅层地下水的主要补给来源和季节性降水对地下水补给的贡献率。结果表明，研究区大气降水线方程为：δD=8．49δ18O＋16．7m=110，R2=0．98）。降水中δD（-113．3‰～7．5‰）和δ18O（-14．9‰--0．9‰）季节性差异明显；地下水δD和δ18D（-45．3‰--40．4‰和-7．29‰---6．44‰）相对稳定；灌溉水δD和δ18O分别介于-66．2‰--28．39‰和-9．17‰--5．00‰，变化范围小于降水，大于地下水。在δD-δ18O关系图中，地下水各水样点主要分布在当地大气降水线附近，说明地下水主要受大气降水补给。降水中氘盈余（dexcess）介于113‰～23．7‰，夏半年（4—9月）巩dexcess平均值（10．8‰）显著低于冬半年（10-3月）dexcess平均值（17．1‰）。地下水氘盈余相对稳定，介于8．75‰～14．9‰，平均值为11．9‰。通过氘盈余质量平衡法计算得出，夏半年降水对地下水的贡献率为83％，而冬半年的贡献仅有17％，表明季节性降水对地下水补给的贡献差异显著，夏半年降水对地下水补给具有主导性作用。

南京与西安地区降水同位素的氘盈余和水汽压分析

在全球大气降水同位素观测网(GNIP)西安和南京站点大气降水氢氧稳定同位素资料的基础上,结合2个地区实际气象数据资料,研究分析了南京和西安地区大气降水稳定同位素的组成,并建立了2个地区大气降水线方程和氘盈余多年月平均变化曲线。通过对比分析,揭示了2个地区大气降水线分布特征的差异性、氘盈余的变化趋势、以及水汽压对大气降水稳定同位素的影响。结果表明:南京地区氘盈余相对西安地区较平稳,变化幅度相对较小;年度尺度上,西安地区大气降水稳定同位素中δD与水汽压成负相关,δ18O与水汽压之间为正相关关系,而南京地区大气降水中氢氧稳定同位素与水汽压皆为负相关关系。

青藏高原西北部班公湖流域夏季主要水体H-O同位素组成及其影响因素

作为高寒内陆区的青藏高原西北部班公湖流域水文数据资料较为匮乏,导致对区域水循环过程和气候环境的认识不够深入,氢氧稳定同位素示踪技术可为解决该问题提供理想途径。本文系统分析班公湖流域夏季含湖水、河水、冰川融水和地下水4种不同类型的水体中氢氧同位素的组成,阐释水体氢氧同位素、氘盈余参数沿程变化的特征及其与水体矿化度、高程、经纬度和全球大气降雨线之间的关系,并进一步剖析同位素组成变化的控制因素。结果显示,水体中δ^(2)H和δ^(18)O的波动范围分别为-112.37‰~-24.90‰和-14.84‰~2.01‰,平均值及标准差分别为-76.73‰±26.49‰和-8.43‰±5.24‰。湖水δ^(2)H和δ^(18)O相对其他水体富集,测定结果更偏正值,冰川融水δ^(2)H和δ^(18)O相对其他水体更为贫化。流域水体氢氧同位素的大陆效应总体不明显,部分水体有一定高程效应体现。水体氢氧同位素演化趋势表明,冰川融水与全球大气水线接近,易受大气降雨影响。同时其他水体线的较小截距和斜率值,表明大气降雨不是这些水体的直接补给源。河流沿程的水体δ^(2)H和δ^(18)O呈递增趋势,越远离冰川融水补给端的河水和湖水值越偏正,反映强蒸发的特点。水体氘盈余参数及其与矿化度之间的关系也指示蒸发作用是影响该区域水体氢氧同位素变化的主要因素。

氢氧稳定同位素的研究进展及在地热流体运移演化中的应用

地热流体作为地下水循环系统的重要组成部分,具有较强的经济价值和社会意义,而氢氧稳定同位素是认识水循环系统的重要信息指标,其组成特征可揭示区域内地热流体运移演化过程的规律变化,对掌握区域内地热流体补给来源,认清地热水循环路径具有重要作用,进而对合理开发利用保护地热资源提供理论支撑具有重要意义。现阶段,常利用丰度、同位素比值(R值)、千分偏差值(δ值)及氘盈余和17O盈余等变量来表示氢氧稳定同位素组成特征,并通过与标准品等参照物的比对,分析氢氧稳定同位素的变化规律及趋势,从而判断海洋水、大气水汽和降水、江河、湖泊水及地下水循环系统中氢氧稳定同位素区域性的演化分异特点,进而分析水循环系统所处温度、湿度、地质条件特征;明确其补给来源及补给比例;判断系统内水蒸发量、滞留时间等要素。而地热流体作为地下水循环系统的一部分,其氢氧稳定同位素的相关研究仍有不足,应加强针对地热流体氢氧稳定同位素的研究,认清其与区域内其他水循环系统的关系,同时注意引用新参数,应用新方法,并坚持开展长期持续性监测研究。

西秦岭地区大气降水氢氧稳定同位素特征

为了明确西秦岭地区大气降水氢氧稳定同位素特征,于2020年1~12月在甘肃陇南收集了109个降水样品,对其氢氧稳定同位素比率的年内变化及其影响因素进行了分析,并结合HYSPLIT模型后向轨迹分析了降水同位素与水汽来源的联系。结果表明:研究区大气降水中δ^(18)O和δ^(2)H加权平均值分别为-11.0‰和-74.1‰,表现出雨季低(δ^(18)O=-11.5‰,δ^(2)H=-79.0‰)而非雨季高(δ^(18)O=-9.0‰,δ^(2)H=-55.1‰)的年内变化特征。局地大气降水线为δ^(2)H=8.1δ^(18)O+14.6,斜率和截距均高于全球大气降水线。降水δ^(18)O呈现一定的降水量效应,温度效应不显著。雨季受季风作用显著,对应着δ^(18)O偏低的降水,西风全年影响该地区但带来的降水有限。本研究有助于提高对西秦岭山区大气降水氢氧稳定同位素演化的认识,明晰降水同位素的影响因素,为现代水文气象和古气候研究提供参考。

长河流域δD、δ^(18)O特征及水体补给关系

研究流域不同水体δD、δ^(18)O特征及补给关系,可以进一步弄清流域水循环特征。以长河流域为对象,对枯、丰两水期各水体δD、δ^(18)O组成及分布特征进行分析。结果表明:(1)大气降水是长河流域主要补给源之一,受蒸发作用影响,同位素分馏导致水体中δD、δ^(18)O呈现出“枯水期较丰水期富集”的特征。(2)流域氘盈余值表现出枯水期低、丰水期高的差异,两个时期地表水与浅层地下水均受到了蒸发与水-岩作用影响,且枯水期影响更加强烈。(3)流域上游主要是地表水补给浅层地表水,中游两水间在季节上存在交替补给现象,下游为浅层地下水补给地表水。

黄土高原岔巴沟流域降水氢氧同位素特征及水汽来源初探

降水是流域水循环中重要的输入因子，对其同位素组分的研究有助于确定流域水体间的水力联系，还可反映流域综合自然地理及气象气候信息；结合地表水、土壤水及地下水同位素组分变化，可以确定降水入渗及产汇流过程、地下水补给及更新能力，进而为完整的水循环机理研究提供依据。结合水文气象观测，本文分析了黄土高原典型丘陵沟壑区岔巴沟流域2004年-2005年月降水以及曹坪西沟实验流域次降水环境同位素组分雨量效应、高程效应、季节变化、δD与δ^18O间的关系等，并对不同时空尺度上大气降水线的变化规律进行分析，结果表明该地区不同年份及雨季前后，降水的水汽来源不同且经历蒸发过程差异较大；同时发现大气降水线中斜率与氘盈余之间存在良好的线性关系9．74×S—d=69．3，即虽然不同年份大气降水线存在差异，但两者存在相对稳定的线性关系，该关系可能与水汽来源之外的某种固定的综合自然地理特征有关，也为获得可靠的分析结果提供了参考。

长江干流径流同位素同步监测

基于2003年1月长江干流径流同位素同步监测资料,分析了径流同位素与大气降水同位素18O和D相对丰度之间的关系,探讨了18O相对丰度和氘盈余(Ed)的空间变化规律.分析结果表明:长江干流径流同位素时程变化主要受降水同位素季节变化的影响;区域降水同位素场是长江干流径流同位素18O和D相对丰度空间变化的主要影响因素;长江流域湖泊或水库蒸发效应是导致长江干流径流重同位素沿程富集的主要因素之一;监测期间长江流域上中游蒸发较为强烈,中游区蒸发最强烈,下游区蒸发变化剧烈.

淮南煤田潘谢矿区深层地下水氢氧同位素特征分析

从淮南煤田潘谢矿区采集了不同水体(大气降水、地表河水、太原组灰岩水、奥陶系灰岩水和寒武系灰岩水)样品34个,进行溶解性总固体(TDS),δD和δ18 O的测试,分析了不同水体的氢氧同位素组成特征及其成因.结果表明:不同的蒸发斜率以及氘盈余表明潘谢矿区多个灰岩含水层的蒸发作用以及地下水滞留时间的差异.太原组灰岩水与地表水(河流)水力联系相对于奥陶系灰岩水更强,灰岩水(石炭系、奥陶系、寒武系的碳酸盐岩裂隙岩溶水)的同位素组成特征可能因为浅层水与深部地下水的混合.水岩作用等原因导致灰岩含水层表现出了不同程度的氢氧同位素漂移.

上海地区大气降水中氢氧同位素特征及其环境意义

本研究基于上海地区2016年9月~2017年8月期间采集的大气降水样品,测定并分析了雨水中δD、δ18O和δ17O特征,进一步探索氘盈余(d值)和17O盈余的环境意义。结果显示:(1)降水同位素年内变化明显,δD、δ18O和δ17O同位素比值冬春偏重、夏秋偏轻,单次降水过程中同位素呈不断贫化的趋势;(2)δ18O存在降雨量效应和反温度效应:大气降水线方程、d值显示上海地区气候整体温和湿润,蒸发作用相对较小;冬春季降水较少,相对湿度较小,同位素较富集;夏秋季降水较多,相对湿度较高,同位素较为贫化;(3)综合分析17O盈余,发现上海地区大汽降水的水汽处于从海洋向陆地转移的过程当中,在运移过程中受到沿途陆表蒸发,且雨季的大气降水来源主要为海洋气团,干季主要来源于内陆,以本地蒸发为主。

蒋家沟流域雨季降水中氢氧同位素特征分析

通过分析蒋家沟流域2001—2009年内降雨资料,发现降雨频率服从幂指数分布,分析蒋家沟流域2010年雨季降水的氢氧同位素组成,得出当地大气降水线,其截距与我国大气降水线相比较小,这与研究区地处内陆干热河谷、蒸发作用强烈有关;降水中氘盈余7月中旬之前较大,均为正值,7月中旬到8月中旬由于空气湿度相对较高,氘盈余减小,8月中旬之后,随着空气湿度重新减小,d值增大;根据次降雨采集的降水样品分析,δ18 O显示出明显的降水量效应,即降水量较大的降水场次内δ18 O较小,在同一场降雨内,δ18 O也随着降雨时间的持续和降水量的增加而呈减小趋势;受山区降雨的随机性影响,蒋家沟流域内稳定同位素的高程效应较为反常,海拔越高的地方,δ18 O越大。

长武塬区大气降水中氢氧同位素特征分析

通过测定长武塬区2005年降水水样的氢氧同位素组成,分析了该区降水氢氧同位素组成的基本特征。结果表明,长武塬区大气降水线方程为δD=7.44δ^(18)O+1.69,其斜率和截距与全球以及我国大气降水线相比均偏小,这与研究区地理位置和气候条件有关;降水氘盈余d值4—6月份较大,大于或接近10,7—10月份则小于10;以天为时间单位采集的次降水,其氢氧同位素组成的温度效应和降水量效应均不显著,而连续2 d长历时降水的雨量效应极显著;降水氢氧同位素组成季节变化明显,春季降水的氢氧同位素值较高,夏季同位素值降低,秋季同位素值最小,这在以次降水量为权重的加权平均值中表现得更加明显。

黑河流域大气降水水汽来源分析

根据黑河流域取得的降水水样和降水气象资料,分析了该区域降水中氢氧同位素的时空差异与水汽输送的关系,定量估算了大陆性局地水汽循环在总降水中所占的比率。研究表明,春夏季降水主要受海洋性水汽来源影响,秋冬季降水受大陆性局地水汽来源影响;受水库水体蒸发水汽影响的附近区域降水氘盈余偏高,受海洋蒸发水汽控制的祁连山区降水氘盈余接近全球平均值10‰;基于氘盈余值估算,局地水循环对区域降水贡献率较大,占全年降水比例至少达31.06%。

太行山两侧地区大气降水氢氧同位素特征研究

基于石家庄、太原两地区1986—1988年间大气降水氢氧同位素和气象资料,分析了两地区大气降水稳定同位素的变化特征,结果表明:①两地区大气降水δD和δ18O都表现出明显的"夏高冬低"的季风气候降水特征;②两地区大气降水线方程的斜率和截距都比中国降水线方程的小;③两地区氘盈余值d相对很小,但整体都表现出"冬高夏低"的季节变化特点;④石家庄地区大气降水δ18O与温度间呈较明显的正相关性、与降雨量呈微弱的正相关关系,太原地区大气降水δ18O与温度间正相关性较弱、与降雨量负相关性较明显。

乌鲁木齐地区大气降水中δD和δ^(18)O的变化特征

本文研究了乌鲁木齐地区近17年(1986—2002)大气降水的氢氧同位素组成,提出了大气降水线方程为δD=7.21δ18O+4.50,并与全国及全球降水线方程进行对比,揭示了该降水线方程的特征。研究表明,乌鲁木齐水分来源复杂,主要是西风带输送的海洋水汽和局地的蒸发,大气降水的加权平均18O与月平均气温相关关系显著,与雨量效应(降水量效应)较相关,降水中温度效应明显,且在一定时期很大程度上其影响掩盖了雨量效应。乌鲁木齐降水中δ18O的季节变化与温度的季节变化几乎一致,温度是制约降水中稳定同位素变化的主要影响因子。

西北干寒区冰雪融水氢氧同位素水文地质意义

该文根据Dansgoard氘盈余理论,对中国西北干寒地区(甘肃祁连山-黑河流域、新疆塔什库尔干河流域、青海阿尼玛卿山和西藏羊八井)4个典型研究区大气降水、地表水、冰雪融水、地下水的氢氧同位素组成进行了研究对比;发现冰雪融水和部分地下水的δ~2H-δ^(18)O信号均位于地方降水线和全球降水线左上方的罕见现象;进一步研究证明了δ^(18)O、δ~2H和d值在干寒、缺水而有现代冰川分布区研究天然水循环过程有奇特的效果,可以识别地下水是由冰雪融水补给的还是由大气降水补给的,甚至可以区分不同含水层地下水的补给来源,同时分析δ~2H-δ^(18)O信号和氘盈余资料,对判断有冰川、积雪存在地区地下水的补给来源和循环演化具有普遍的水文地质意义和应用价值。

鹰潭地区大气降水中氢氧稳定同位素特征研究

降水中氢氧稳定同位素组成与降水地区各种气象因素变化密切相关。同时,降水中氢氧稳定同位素关系是水同位素应用的主要基础,对深入研究降水中水汽来源,地下水补给等水循环过程具有重要意义。根据江西鹰潭地区2012年4月至2013年3月大气降水中氢氧稳定同位素组成和气象资料,研究了该地区大气降水中氢氧稳定同位素关系及降水量,温度等气象因素对氢氧稳定同位素组成的影响。研究表明,该地区大气降水线方程为δD=8.61δ18O+18.34(n=72,R2=0.98),与全球大气降水线方程(δD=8δ18O+10)相比,鹰潭地区大气降水线的斜率和截距均偏大,这与凝结物在未饱和大气中降落时重同位素的蒸发富集作用有关,同时反映了该地区湿润多雨,降水过程中受二次蒸发影响较小的气候特点。该地区降水中δD(-113.3‰~7.5‰)、δ18O(-14.9‰^-0.9‰)和氘盈余(3.8‰~23.2‰)变化幅度很大并呈现出明显的季节性变化,夏半年(4-9月)δD、δ18O与氘盈余均显著低于冬半年(10-3月)(P<0.01),反映出不同季节降水的水汽来源及蒸发条件的差异。对该地区降水同位素与降水量和温度相关性的分析表明,降水中δ18O与降水量和温度存在显著负相关关系,方程式分别为:y=-0.056x–4.7(R2=0.39,P<0.01)和y=-0.203x–2.99(R2=0.23,P<0.01),说明该地区降水中氢氧稳定同位素存在显著的降水量效应和反温度效应。

克鲁伦河流域下游水体氢氧同位素与水化学特征

通过对克鲁伦河流域下游河水与地下水的主要离子水化学与氢氧同位素进行分析,结合区域水文地质资料,利用Durov图、空间插值、统计分析等方法分析了河水与地下水水化学与氢氧同位素特征。结果表明,河水的水化学类型主要为Na-Ca-HCO3型,地下水水化学类型为Na-Cl和Ca-Na-HCO3型。克鲁伦河水主要离子浓度与氢氧同位素空间分布特征显著较地下水稳定、空间差异小。流域内地下水与地表水主要来自降水补给,地下水也是克鲁伦河的主要补给源。氘盈余变化揭示出克鲁伦河水的蒸发分馏程度强于地下水,除流域内水体蒸发主要受地质地貌影响外,人类活动对河水的影响显著于周边地下水。G3点所在的西庙为一个完整独立的水文地质单元,其表现出的水化学与氢氧同位素特征均异于其他地下水。流域内部分地下水F-含量超标,虽然一定程度是受人类活动影响,但更多的是基于综合水文地质条件基础上的自然现象,已严重威胁人类生存,应引起当地有关部门的高度重视,避免氟中毒事件重现。

白洋淀地表水和地下水的稳定氢氧同位素特征

为解析白洋淀湿地各水体的氢氧同位素组成特征,探究水体来源,采集了白洋淀地表水及周边地下水的水样,测定了水样中稳定氢氧同位素(δD、δ^18O和δ^17O)的值,并运用数理统计等方法分析了δD、δ^18O和δ^17O的相互拟合关系.结果表明:δD、δ^18O和δ^17O的变化范围分别为0.815%"~8.517%、0.107%~1.152%和0.056%~0.606%;地下水中稳定氢氧同位素的变化范围最大,河水与淀水中稳定氢氧同位素较地下水中的同位素富集;由于强烈的蒸发作用,白洋淀地区水体的同位素在4月枯水期较9月丰水期富集;白洋淀水体δD与δ^18O的拟合关系线为δD=5.777δ^18O+16.264(R^2=0.986),δ^17O与δ^18O的关系为δ^17O=0.526δ^18O+0.013(R2=1.000);氘盈余值为0.25%,17O盈余值为0.003%,丰枯水期17O盈余值的差异表明白洋淀水体的主要来源发生了变化.