基于氢氧同位素的黄土区小流域水资源转化与水传输研究

摘要

黄土高原的生态建设工程使区域水循环过程发生了明显的变化，了解区域水循环的转化机理及特点，是水资源合理利用的基础。本文于2014年7月～2014年9月对韭园沟流域降水、地表水、土壤水、地下水进行监测，利用氢氧同位素示踪技术标记不同水体，对流域内不同水体的同位素特征进行研究，分析了流域内降水-地表水-地下水之间的转化关系，初步计算了地表水-地下水的传输时问，得出以下几点结论：
　　(1)流域当地大气降水线为δD=7．94δ18O+8．16(R2=0．99，n=118)。通过对不同场次降雨样品分析，不同场次降雨δD、δ18O值差异较大。通过对降水d-excess分析得到，研究区监测期间降雨水汽主要来源于沿低纬度海洋地区，受海洋性季风气候影响。
　　(2)地表水δ19-δ18O线性关系为：δD=3．35δ18O-35．79(R2=0．52)。地表水中δD、δ18O值与纬度以及高程有较为良好的线性关系，地表水中δD、δ18O与纬度的线性关系：δD=-175．77x+6544．10(R2=0．42)，δ18O=-38．39x+1435．30(R2=0．46)；地表水中δD、δ18O与纬度的关系：δD=．0．0627H-402(R2=0．47)，δ18O=．0．0147H+5．71(R2=0．59)；地表水中分别以6．27*10-3/(100m)、1．47*10-3/(100m)的速率随海拔递减。
　　月尺度下：地表水δD、δ18O变幅明显小于降水δD、δ18O的变幅；日尺度下：地表水δD、δ18O变化相对稳定，地表水同位素受到降雨影响，降水同位素贫化时，地表水也表现为贫化，降水同位素富集时，地表水也表现为寓集；时尺度下：在发生降雨时，降水会明显影响地表水的变化，降雨结束之后会逐渐能恢复到平均水平。
　　(3)地下水δD变化范围为：-76．53‰～-56．37‰，变幅为：20．16‰，平均值为：-64．93‰，变异系数：2．3％；δ18O变化范围：-11．65‰～6．72‰，变幅为：4．93‰，平均值：-8．49‰，变异系数为：7．9％，地下水同位素变化较小。通过监测地下水同位素值得变化，得出：降水补给地下水滞后时间大约10～20天。
　　(4)通过二端元混合模型的计算：7月份，降水以及地表水主要补给地下水，补给比例分别是：27．88％和72．12％；8月份，降水以及地下水主要补给地表水，补给比例分别是：1．19％％和98．81％；9月份，降水以及地下水主要补给地表水，补给比例分别是：11．84％和88．16％。
　　(5)土壤水同位素δD-δ18O线性关系式：δD=6．57δ18O-8．41，大气降水在补给土壤水时经历了强烈的蒸发；d-eXcess值小于10，说明发生了强烈的非平衡分馏，不同立地条件下，土壤水同位素δD-δ18O线性关系线有所差别，主要表现在斜率和截距上，坝地的δD～δ18O线性关系线最接近当地大气降水线，说明坝地能够有效的减少蒸发。
　　不同立地条件下，林地、草地、梯田上部土壤水同位素值变化较大，随深度的增加，梯田、林地、草地土壤水同位素趋于一致；随时间的推移，上部土壤水同位素变化剧烈，深层土壤水同位素值变化不明显。坝地土壤水同位素值随深度以及时间的推移并没有表现出明显的规律，这可能与淤地坝坝地土壤层状结构有关。
　　(6)地表水的δD、δ18O以及d-eXcess随季节变化较大；地下水的δD、δ18O以及d-eXcess的变化趋势平稳。地下水随季节变化不明显，存在滞留效应，地表水与地下水的交换周期较长。分别以δD、δ18O为示踪剂计算，地表水与地下水交换周期分别为：298．7d(0．8year)、201．1d(0．55year)，故地表水-地下水的交换周期为250d。

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1 绪论

1.1 研究背景与意义

1.2 国内外研究现状

1.3 研究内容

1 .4 研究方法

2 研究区概况以及数据来源

2.1 研究区概况

2.2 数据来源及处理

3 降雨氢氧稳定同位素

3.1 黄土高原降水氢氧同位素特征

3.2 流域降雨氢氧同位素特征

3.3 流域大气降水线

3.4 降水氘盈余特征

3.5 小结

4 地表水及地下水氢氧同位素特征

4.1 地表水氢氧同位素特征

4.2 地下水氢氧同位素特征

4.3 不同水体转换比率分析

4.4 小结

5 土壤水氢氧同位素特征

5.1 土壤水δD、δ18O特征

5.2 土壤水氢氧同位素值变化

5.3 小结

6 地表水-地下水传输时间计算

6.1 水传输时间计算原理

6.2 地表水、地下水年际变化

6.3 计算结果分析

6.4 小结

7 结论及展望

7.1 结论

7.2 展望

致谢

参考文献

附录