黑河流域中上游地區(qū)降水線及降水中氫氧同位素的時(shí)空分布特征

黑河流域中上游地區(qū)降水線及降水中氫氧同位素的時(shí)空分布特征

0環(huán)境氧同位素要素大氣降水是自然界水循環(huán)的重要環(huán)。對(duì)大氣降水環(huán)境異質(zhì)環(huán)境因素的研究是環(huán)境異質(zhì)環(huán)境質(zhì)量技術(shù)所必需的先決條件。1953年，dansgail開(kāi)始研究水循環(huán)過(guò)程中的環(huán)境認(rèn)同。然而，降水環(huán)境的同源性不僅受氣候的嚴(yán)重變化，還受當(dāng)?shù)靥鞖夂偷乩項(xiàng)l件的影響。隨著時(shí)間和空間的一定規(guī)律，其組成隨時(shí)間和空間的一定規(guī)律而變化。因此，國(guó)際原子能源機(jī)構(gòu)（iata）和世界氣候組織（wmo）的合作，直到196年，才開(kāi)始有組織的采樣工作，跟蹤和測(cè)試全球降水中的環(huán)境因子和相應(yīng)的氣候因素，為推動(dòng)應(yīng)用環(huán)境因子研究全球和地方當(dāng)局的水循環(huán)機(jī)制提供支持。Craig通過(guò)對(duì)大氣降水中氫氧同位素的研究發(fā)現(xiàn),氫氧同位素組成顯示線性相關(guān)的變化,并給出之間的數(shù)學(xué)關(guān)系式δD=δ18O+10(‰),這就是公認(rèn)的全球大氣降水方程,即Craig方程,又稱(chēng)為全球大氣降水線(GMWL).降水中環(huán)境同位素在蒸發(fā)、凝聚和降落形成的水分循環(huán)過(guò)程中產(chǎn)生分餾作用,主要受雨滴凝結(jié)時(shí)的溫度和降水的水汽來(lái)源控制,降水同位素組成變化很大且隨空間、時(shí)間而異.因此,世界各地不同地區(qū)的降水方程往往偏離全球性方程,不同地區(qū)都有反映各自降水規(guī)律的降水線,即地區(qū)大氣降水線(LMWL),特別是在干旱或半干旱地區(qū),研究地區(qū)降水線是必不可少的.為了量化與比較不同地區(qū)大氣降水蒸發(fā)、凝結(jié)過(guò)程的不平衡程度的差異,Dansgaard提出了氘盈余(d)的概念.d值實(shí)際上是一個(gè)大氣降水的重要的綜合環(huán)境因素指標(biāo),與形成降水的水汽來(lái)源地的大氣相對(duì)濕度、風(fēng)速和水體表面溫度等相關(guān).水源地出發(fā)的水汽團(tuán)向降水區(qū)混合演化過(guò)程中,其受控制的主導(dǎo)環(huán)境因素在降水中的d值中得到較好的體現(xiàn).因此,常利用降水中的d值來(lái)推斷降水的水汽來(lái)源、形成氣象條件以及估算由局地蒸發(fā)水汽形成的降水所占的比重.黑河流域是典型的西北地區(qū)內(nèi)陸河流域,水資源短缺和如何合理利用是當(dāng)前面臨的嚴(yán)峻問(wèn)題,而解決問(wèn)題的關(guān)鍵是要深入了解水循環(huán)機(jī)理.環(huán)境同位素技術(shù)以其在水循環(huán)研究中的優(yōu)越性正逐漸被應(yīng)用到西北地區(qū)的水文水資源研究中,針對(duì)黑河流域同位素的研究正逐漸展開(kāi).本文利用在黑河流域采集的水樣資料,分析降水中氫氧同位素組成特征,為應(yīng)用同位素技術(shù)示蹤該流域水循環(huán)的研究提供科學(xué)依據(jù).1樣品與分析方法黑河流域面積約13×104km2,地處青藏高原向蒙古高原的過(guò)渡帶,流域大部分屬干旱氣候,僅南部祁連山地較為濕潤(rùn).氣候具有明顯的差異,降水量自東向西和自南向北遞減,蒸發(fā)量則相反.流域位于干旱的氣候大背景下,山地與盆地相間,水資源在流域的水循環(huán)中形成、運(yùn)移、轉(zhuǎn)化和消耗.山區(qū)是水資源的形成區(qū),盆地是水資源的消耗區(qū),在山前平原地表水和地下水關(guān)系復(fù)雜、轉(zhuǎn)換頻繁,河川徑流形成、利用、消失分區(qū)明顯.2000年8月至2001年8月對(duì)黑河中上游14個(gè)水文站點(diǎn)和2個(gè)氣象站設(shè)立站點(diǎn)采集全年降水水樣,按照氣象觀測(cè)規(guī)范要求,對(duì)每次降水過(guò)程都實(shí)施取樣,所有的取樣位置如圖1所示.在收集降水樣的同時(shí),分別記錄下了降水時(shí)的起止時(shí)間、降水前的氣溫、降水后的氣溫和降水事件的降水量.水樣樣品均被密封在特制的塑料水樣瓶中,避免因蒸發(fā)而引起同位素分餾.對(duì)于冬季固態(tài)降水,裝入密封容器在室溫下完全融化,再裝入水樣瓶中加以密封.在每個(gè)水樣瓶上按一定順序編號(hào),與取樣記錄編號(hào)保持一致.密封的水樣被運(yùn)送至中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院國(guó)家地質(zhì)實(shí)驗(yàn)測(cè)試中心,測(cè)18O是用CO2與水樣交換H2O-CO2平衡法制成CO2,測(cè)D采用700℃金屬鋅還原法進(jìn)行氫氣制樣,然后用MAT-252氣體質(zhì)譜儀分析測(cè)得氫氧同位素含量.測(cè)得的氫氧同位素比率的結(jié)果為與“標(biāo)準(zhǔn)平均海洋水(SMOW)”的千分差δ18O和δD,測(cè)量精度分別為±0.2‰和±1‰.2分析與討論2.1月算術(shù)平均和降水加權(quán)平均氫氧同位素含量的關(guān)系根據(jù)降水方程,在δD～δ18O平面圖中用來(lái)表示降水的δD和δ18O關(guān)系變化的直線,稱(chēng)之為降水線.除全球降水線外,不同地區(qū)都有反映各自降水規(guī)律的降水線.Yurtsever根據(jù)IAEA的觀測(cè)資料,給出了北美洲的地區(qū)降水線:δD=7.95δ18O+6.03(‰);Ingraham等根據(jù)在南內(nèi)華達(dá)州采集的降水同位素資料,得出當(dāng)?shù)氐慕邓€:δD=6.87δ18O-6.5(‰);在我國(guó),于津生、章新平等研究了不同地區(qū)的大氣降水氫氧同位素的關(guān)系.圖2為黑河流域中上游地區(qū)降水中氫氧同位素含量的δD～δ18O關(guān)系圖.由圖2(a)中可以看出,該區(qū)降水中δD～δ18O值之間呈明顯的線性關(guān)系,從而得到黑河中上游地區(qū)的地區(qū)降水線(LMWL)為:δD=3.8369δ18O?22.5923(‰),R2=0.78,n=142(1)δD=3.8369δ18Ο-22.5923(‰),R2=0.78,n=142(1)實(shí)際上δD～δ18O之間的關(guān)系線受多種因素影響,如:1)初始水汽同位素含量的構(gòu)成;2)降水初始時(shí)刻雨水凝結(jié)點(diǎn)的溫度;3)降水過(guò)程中溫度的變化幅度;4)降水水汽凝結(jié)的過(guò)程.因此,降水事件中氫氧同位素含量的關(guān)系一般不能很好的代表地區(qū)降水線,為了更好的反映一個(gè)地區(qū)總的氣候條件,通常用月平均或者年平均降水中氫氧同位素含量之間的關(guān)系來(lái)確定.將黑河中上游地區(qū)年內(nèi)所取降水水樣中氫氧同位素含量依據(jù)式(2)和式(3),分別進(jìn)行月算術(shù)平均和降水量加權(quán)平均:δm=1n∑i=1nδi(2)δwm=1P∑i=1n(pi,δi)(3)δm=1n∑i=1nδi(2)δmw=1Ρ∑i=1n(pi,δi)(3)式中:δm為月算術(shù)平均同位素含量;δi為降水事件中同位素含量;n為月內(nèi)降水事件的次數(shù);δwm為月降水量加強(qiáng)平均同位素含量;P為月內(nèi)總降水量;pi為降水事件的降水量.然后,根據(jù)月算術(shù)平均和降水量加權(quán)平均的氫氧同位素含量,分別得到不同的δD～δ18O同位素關(guān)系線(圖2b).該地區(qū)大氣降水線(無(wú)論是算術(shù)平均還是降水量加權(quán)平均)明顯偏離全球大氣降水線(GMWL)δD=δ18O+10(‰).對(duì)比圖中月算術(shù)平均回歸線和降水量月加權(quán)均值回歸線,兩者基本相似,相關(guān)系數(shù)幾乎相等,故此推斷該區(qū)降水量對(duì)降水中δD～δ18O關(guān)系線影響不大(圖2b).月平均降水中氫氧同位素含量之間的R2=0.98,遠(yuǎn)高于降水事件中氫氧同位素含量之間的R2,得出該區(qū)比較符合該地區(qū)的實(shí)際地區(qū)大氣降水線:δD=4.1447δ18O?20.6852(‰),R2=0.98(4)δD=4.1447δ18Ο-20.6852(‰),R2=0.98(4)通常溫度為20℃>t>-20℃的降水,單一的瑞利條件下凝結(jié)過(guò)程引起的同位素分餾,導(dǎo)致的降水線斜率最小才能達(dá)到7.5;雨水凝結(jié)時(shí)同位素動(dòng)力分餾效應(yīng)導(dǎo)致的斜率必將>8;而研究區(qū)域的地區(qū)降水線的斜率(s)為4.1447,小于8,與降水量少而蒸發(fā)作用強(qiáng)烈的干旱和半干旱地區(qū)降水線的斜率非常吻合.較低的斜率主要是由于雨滴降落過(guò)程中受到不平衡蒸發(fā)引起的同位素分餾導(dǎo)致,斜率越小,反映降水過(guò)程受到的蒸發(fā)作用越強(qiáng)烈,降水區(qū)空氣的相對(duì)濕度越低.該區(qū)降水線斜率遠(yuǎn)小于8,表明該區(qū)氫氧同位素在降水過(guò)程中受蒸發(fā)發(fā)生強(qiáng)烈的同位素動(dòng)力分餾效應(yīng).降水中氫氧同位素含量關(guān)系線的斜率隨季節(jié)變化而不同,冬秋兩個(gè)季節(jié)降水線的斜率約為4.69,明顯高于春夏兩個(gè)季節(jié)的斜率3.2;冬秋季節(jié)降水中氫氧同位素之間的相關(guān)性遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于春夏季節(jié).這主要是因?yàn)榇合募竟?jié)與冬秋季節(jié)相比較,前者的空氣相對(duì)濕度比后者低,降水過(guò)程中雨水更容易受到蒸發(fā)的影響發(fā)生同位素動(dòng)力分餾效應(yīng)(不平衡蒸發(fā)),同時(shí)冬秋季節(jié)降水形式多為固態(tài),降低了同位素因蒸發(fā)引起的同位素分餾;不僅如此,春夏和秋冬季節(jié)水汽來(lái)源的差異性及降水中局地水循環(huán)的不同貢獻(xiàn)量也是影響斜率差異的間接原因.黑河中上游地區(qū),干旱的氣候大背景下山地與盆地相間,形成了我國(guó)的西北干旱區(qū)獨(dú)特的內(nèi)陸河流域,區(qū)域內(nèi)局地水循環(huán)非常強(qiáng)烈,使該區(qū)域降水的水汽來(lái)源非常復(fù)雜,降水中氫氧同位素含量主要受水汽來(lái)源控制.所以,無(wú)論春夏還是冬秋季節(jié),氫氧同位素含量變化幅度都比較大(圖3);降水中δ18O與δD之間有很好的線性關(guān)系,但是這種關(guān)系在冬秋和春夏存在差異,冬秋季節(jié)降水主要受局地水循環(huán)的水汽來(lái)源影響,大氣降水線的斜率和截距較高;春夏季節(jié)降水主要受海洋性水汽來(lái)源影響,大氣降水線的斜率和截距較低.這與田立德等對(duì)青藏高原氫氧同位素相關(guān)關(guān)系研究所得出的結(jié)論相似.2.2對(duì)降水中的盈余和降水特征的影響氘過(guò)量參數(shù)亦稱(chēng)氘盈余,同全球性降水線方程相比,任何地區(qū)的大氣降水,都可以計(jì)算出一個(gè)氘過(guò)量參數(shù)d,d被定義為:d=δD-8δ18O.研究降水中d的變化,可以揭示降水的水汽來(lái)源及其水循環(huán)方式的時(shí)空變化,以及水汽蒸發(fā)源地氣候特征的變化.深入研究古水的d變化,有望揭示古氣候的演化特征.由于降水的水汽來(lái)源及水汽循環(huán)過(guò)程的季節(jié)變化,全球不同地區(qū)降水中d也存在季節(jié)變化,中國(guó)東部地區(qū)降水中d顯示冬高夏低的季節(jié)變化.研究表明降水中氘盈余主要受水汽來(lái)源地水體蒸發(fā)時(shí)周?chē)h(huán)境空氣相對(duì)濕度的影響,水體表面溫度及其風(fēng)速則對(duì)氘盈余影響相對(duì)較小,假如水汽源地空氣的相對(duì)濕度增加10%,將會(huì)導(dǎo)致降水中氘盈余下降6‰.另外,降水受到強(qiáng)烈蒸發(fā)發(fā)生動(dòng)力同位素分餾效應(yīng)時(shí),也將導(dǎo)致氘盈余的下降,尤其是裸地土壤蒸發(fā)導(dǎo)致其地下水中氘盈余的下降更為顯著.圖4為研究區(qū)降水事件中d的變化散點(diǎn)圖,降水事件中d的變化幅度很大,處于-45‰～65‰波動(dòng)范圍之間,這主要是由于降水水汽來(lái)源、水汽來(lái)源地的蒸發(fā)狀況和降水條件的復(fù)雜性所引起.如黑河流域處于山區(qū)和盆地相間的干旱半干旱地區(qū),水汽來(lái)源及降水條件復(fù)雜;冬季降水往往以固體形式存在,降落的雨滴在大氣中的蒸發(fā)的影響可以忽略,夏季降水事件中一些極低的d值可能受到了降落雨滴重新蒸發(fā)的影響,尤其是對(duì)于一些降水量較小而持續(xù)時(shí)間又較長(zhǎng)的降水過(guò)程;局地水體在空氣相對(duì)濕度非常低的干旱背景下,強(qiáng)烈蒸發(fā)形成局地水循環(huán),致使該區(qū)降水中出現(xiàn)一些極高的d值.圖5給出了黑河流域中上游地區(qū)16個(gè)取樣站點(diǎn)降水中平均值d的空間變化,降水中d的空間分布呈現(xiàn)山區(qū)高平原低的趨勢(shì).瓦房城、肅南、李橋和鸚鴿嘴的d值偏高,因?yàn)檫@4個(gè)水文站都位于水庫(kù)附近,主要受干燥氣候背景下水庫(kù)水體蒸發(fā)形成局地水循環(huán)的影響.山區(qū)冰溝、托勒、野牛溝和新地的d值接近于全球大氣降水氘盈余的平均d值10‰,這些水文站區(qū)降水的水汽來(lái)源主要受海洋蒸發(fā)的水汽影響.其它水文站d值偏低,除受水汽來(lái)源于較濕潤(rùn)氣候環(huán)境下的水汽蒸發(fā)影響外,也受降水中水滴蒸發(fā)的影響.從黑河流域月平均降水中d的季節(jié)變化趨勢(shì)來(lái)看(圖6),具有與中國(guó)東部地區(qū)降水中相似的氘盈余d季節(jié)變化性,即冬高夏低.降水中d從8月起呈遞增趨勢(shì),次年的3月份到達(dá)最大值后,轉(zhuǎn)為遞減趨勢(shì),直到6月份的最小值.降水中d在10月至次年4月偏高,這期間降水也多為固態(tài),所以水滴的蒸發(fā)影響非常微小,偏高的d值反映大陸性水汽氣團(tuán)降水及其水汽來(lái)源地的氣候干燥條件;5月至9月降水中d為一低值期,這不僅與夏季水滴蒸發(fā)的影響有關(guān),也正好與夏季季風(fēng)降水期一致,反映了較低濕度條件下海洋蒸發(fā)水汽的影響.3上游地區(qū)氫氧同位素的時(shí)空分布規(guī)律(1)依據(jù)黑河流域中上游地區(qū)降水氫氧同位素實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),建立了降水方程為δD=4.1447δ18O-20.6852(‰),即地區(qū)大氣降水線(LMWL).δD～δ18O的斜率很低,符合干旱區(qū)降水線斜率很低的規(guī)律,表明該