室外水体蒸发氢氧同位素日变化特征

钟瑞

摘 要：为研究室外水体蒸发氢氧同位素变化特征，连续12个小时采集四川大学听荷池的水样，获得了水体蒸发氢氧稳定同位素与温度的关系。实验结果表明，水体蒸发实验中，温度越高，蒸发速度越快，在同样的蒸发时间内水体重同位素富集程度越大；室外水体自由蒸发实验中得出的蒸发线方程斜率较大地偏离了当地降水线，表明实验期间水体蒸发分馏作用较明显。该研究为进一步揭示水体蒸发分馏规律提供了可靠的实验依据。

关键词：水体蒸发；氢氧同位素；日变化；实验研究

中图分类号：P339 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2017）32-0019-02

1 实验区概况

取样点位于成都市武侯区四川大学听荷池，北纬30°38'3.64〃，东经104°05'12.38〃，海拔大约为490m，池面积为1.2hm2，降水是听荷池水量的主要来源。成都市属于中亚热带湿润季风气候区，常年最多风向是静风，冬湿冷、春早、无霜期较长，四季分明，热量丰富，年平均气温16°C，最高气温38.6°C，最低气温-5.9°C，无霜期为287d，初霜期出现的时候大约为11月底，终霜期一般在2月，冬季的平均气温大概为5°C，平均气温比同纬度的长江中下游地区高1～2°C。冬春雨少，夏秋多雨，雨量充沛，多年平均降雨量约为900～1300mm，多集中在7～9月份。光、热、水基本同季，气候资源的组合合理，很有利于生物繁衍。风速小，风速为1～1.5m/s，晴天少，日照率在24～32%之间，年平均日照时数为1042～1412小时。

2 样品收集与分析

2.1 样品收集

2016年12月4日，在听荷池采集水样，气象数据为当时现场测量记录。

取样品之前，需要把塑料瓶放入7N的HNO3浸泡一整天，然后用超纯水清洗多次，接着放入烘箱将塑料瓶的水烘干，为了保证取样工具的洁净与干燥，以免污染样品。采取样品时，尽量将水样装满瓶子，这是因为考虑到液态水分子之间存在着范德华力，它会使水分子的运动速度远远小于气态情形，这样可以降低蒸发时的分馏作用。

取样采集：2016年12月4日，8：00至20：00，每个小时分别在听荷池东南西北角采集水样，每次取样的地点以及取样的深度基本上都没有变化。每次将取好的水样装入50ml的塑料瓶中，现场记录日期和温度等，用封口膜将瓶口封住，以免造成分馏。最后把装好的样品带回实验室进行分析。

2.2 样品处理及分析

所有样品在测量之前用1ml一次性注射器和0.45μm滤头进行过滤，然后把过滤好的样品在四川大学水利水电学院同位素实验室进行分析。水在蒸发时，组成水分子的氢和氧同位素含量将产生微小的变化。自然界中稳定同位素组成的变化很微小，国际上一般用δ值表示元素的同位素含量。采用激光液态水稳定同位素分析仪，测定抽取水样的δD、δ18O和δ17O，其测定精度分别达0.3‰、0.08‰ 和0.08‰。测得的水样中氢氧同位素含量为“与标准平均大洋水（SMOW）”的千分差，表示为

δ=（Rsample-Rstandard）×1000/Rstandard

式中：Rsample为水样中D、18O或17O的浓度；Rstandard为SMOW中 D、18O或17O的浓度。

3 实验结果

样品同位素分析结果见表1。

（1）根据采样获得的样品同位素值，可以看出，自由水体蒸发实验蒸发线斜率（s=5.907），水体δ18O蒸发线方程为δD=5.907δ18O-11.003，我国西南地区大气降水线为δD=7.96δ18O+9.52，可看出蒸发线和当地降水线发生了比较大的偏离，说明冬季水体的蒸发作用是非常明显的，在没有降雨输入混合的条件下蒸发水体δ18O较容易富集。根据采样获得的样品同位素值，画出δ17O-δD关系图，可以看出水体δ17O蒸发线方程为δD=8.086δ17O-31.185，与大气降水线较接近，说明蒸发作用对δ17O的影响不明显。

（2）水体蒸发主要受制于温度、气压和相对湿度等诸多气象条件。实验中温度与水体蒸发量成正比，温度越高，蒸发得速度就越快，然而蒸发量就越大。根据听荷池2016年12月4日连续12个小时的取水样品的实际检测值分析，一号水样中δD值介于-80.02‰～-79.25‰之间，变化幅度为0.77‰；δ18O值介于-11.89‰～-11.45‰之间，变化幅度为0.44‰；δ17O值介于-6.23‰～-5.86‰，变化幅度为0.37‰。二号水样中δD值介于-77.44‰～-76.40‰之间，变化幅度为1.04‰；δ18O值介于-11.09‰～-10.54‰之间，变化幅度为0.55‰；δ17O值介于-5.91‰～-5.67‰，变化幅度为0.24‰。在同样的湿度、风速等气象因素条件下，温度变化相同，δ17O的变化幅度最小，δ18O次之，δD的变化幅度最大，δD日平均改变量分别为δ18O、δ17O的1.82倍和3.21倍，δD更敏感地响应温度的变化。根据相应图水样δD和温度T相关性分析，水体中δD与温度T的关系方程分别为δD=0.0165T-79.987，δD=0.0642T-77.626；水样δ18O和温度T相关性分析，水体中δ18O与温度T的关系方程分别为δ18O=0.0301T-11.955，δ18O=0.0181-11.040。可以看出，水样中的δD、δ18O随着温度的升高均呈现上升的趋势，δD、δ18O与温度有显著的正相关性关系，说明温度越高，蒸发速度越快，相同時间间隔内蒸发量越大，水体中的富集程度也越大。

4 结论

（1）通过水体自由蒸发实验，得到了蒸发线方程为δD=5.907δ18O-11.003，与当地大气降水线方程δD=7.96δ18O+9.52相比，斜率要偏小许多，结果显示，在试验期间氢氧同位素蒸发分馏比较地明显，水体中较富集重同位素。

（2）水体蒸发实验中，温度越高，蒸发的速度越快，在同样的蒸发时间内水体中重同位素富集程度越大。

蒸发对研究不同水体稳定同位素组成、揭示水分运动规律、示踪水循环具有重要意义。由于蒸发同位素分馏是一个相对复杂的过程，国内在这方面的研究和应用还非常欠缺，需做更多的基础理论和实验研究。

参考文献：

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