淮河流域降水中氢氧同位素特征分析

2015-11-02杨智曹艳秀苗欣慧

治淮 2015年12期

杨智曹艳秀苗欣慧

淮河流域降水中氢氧同位素特征分析

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一、引言

水中的氢氧稳定同位素和由于环境变化导致的同位素分馏现象是水循环过程中的一个重要的组成部分。大气降水中稳定同位素的丰度与降水形成的气象条件以及水汽源区的初始状态存在密切联系。因此大气降水中稳定同位素氘（2H）和氧-18（18O）可作为水文过程中的自然示踪，能够利用其变化来反演水文过程。环境同位素在水文中的应用始于20世纪60年代，环境同位素在地表水和地下水水文方面的应用范围十分广泛，在流域水文中能够通过氢氧稳定同位素来确定流域水文过程如降水是怎么产流，流域水文响应时间等。为了在全球范围内调查环境同位素，1961开始，国际原子能机构（IAEA）和世界气象组织（WMO）在全球范围内启动了降水中同位素观测计划（The GlobalNetworkofIsotopesin Precipitation，简称GNIP），在全球建立多个观测点，对降水中稳定同位素成分进行连续监测。我国在20世纪80年代才陆续开始在齐齐哈尔、和田、银川等城市建立降水观测站，开始进行水样收集与降水中稳定同位素的研究工作，其中多个监测站已被纳入IAEA全球观测网。目前淮河流域有烟台、郑州、南京3个降水同位素观测站被纳入IAEA全球观测网。同时国内也有许多学者开展了环境同位素在水文中和大气降水同位素的研究。

二、研究进展

水中的氢氧同位素通常用和标准海水均值（StandardMeanOceanWater（SMOW））的关系，通常用千分比表示：

式中：δsample为样品中的同位素量相对比例[‰]；Rsample为样品中同位素的绝对含量；RVSMOW为IAEA发布的标准值。大气降水氧同位素受环境因素影响主要有纬度效应、温度效应、高度效应、降水量效应、大陆效应等。

研究大气降水中氢氧稳定同位素氘（D）和氧18通常采用的全球降水线（Global Meteoric WaterLine（GMWL））为：

式中：δD为氘的相对值；δ18O为氧18的相对值。不同地区的大气降水中δD和δ18O的相对关系往往不同于公式（2），在具体应用中应结合局部降水线（Local MeteoricWaterLine（LMWL））开展研究。

三、淮河流域大气降水稳定同位素特征

1.淮河流域降水同位素观测概况

淮河流域现有郑州、烟台、南京3个观测站在GNIP观测网中。本文对这3个观测站的观测数据进行了分析，3个观测站相对距离在610～740km之间。观测数据基本情况见表1。

表1　淮河流域降水同位素观测站基本情况表

2.降水中同位素和影响因素分析

根据淮河流域3个观测站中降水氢氧同位素的观测结果（图1），烟台站的观测结果变化较大，可能由于距离海洋较近受到局部地区水汽湿度和温度分馏条件等变化影响较大，同时斜率不为8表明在水汽从海洋向内陆移动过程中的降水来自非平衡分馏。郑州和南京的观测结果分析水线方程分别为：

图1　淮河流域降水同位素观测结果示意图

由于郑州站和南京站和海洋距离不等，携带有较重同位素的水汽在由海洋向内陆移动时先在南京随降水降下，在郑州观测到的大气降水中氢氧同位素的含量较少，大陆效应明显。由于南京观测站的海拔高程为26m，郑州站的海拔高程为110m，尽管大气降水应受到高程效应影响，但是由于两个观测站距海洋的距离差距非常大，因此淮河流域内南京和郑州两个观测站的降水同位素受到大陆效应影响更为显著。

表2　淮河流域降水同位素和气象因素相关关系系数表

图2　淮河流域降水同位素观测站气象条件（a）南京站降水量和氧18（b）、氘（d）关系郑州站降水量和氧18（c）、氘（e）关系图

从图2（a）中可以看出，淮河流域降水同位素观测站郑州站和南京站的观测气象条件类似，都属于季风气候区，其中郑州比南京的各月同期气温、降水量减少较为明显。同时从图2（b/c/d/e）中郑州和南京站氢氧稳定同位素和降水量的关系进一步证明淮河流域降水同位素的分布和降水量的关系，在春秋季由于季风气候的影响，淮河流域大气中水汽凝结成降水较少，降水中同位素含量较高，而在降水较多的夏季，由于前期降水中较重的氢氧同位素已经凝结成降水，因此在夏季降水量较大的时期降水中的氢氧同位素含量下降明显，降水量效应显著。从表2可见淮河流域中南京和郑州的大气降水中氢氧稳定同位素和气象因素如降水、气温、水汽压均呈负相关关系。其中降水量和同位素之间主要受降水量效应影响，而气温和氢氧同位素出现负相关关系，说明在淮河流域同位素的温度效应影响不明显，主要是大气降水受到降水量效应的影响较大，已经掩盖了温度效应。同时δ18O与气温存在明显的负相关性，这是低纬季风区大气降水中δ18O变化所特有的现象。