黑河流域中上游地区降水线及降水中氢氧同位素的时空分布特征

黑河流域中上游地区降水线及降水中氢氧同位素的时空分布特征

0环境氧同位素要素大气降水是自然界水循环的重要环。对大气降水环境异质环境因素的研究是环境异质环境质量技术所必需的先决条件。1953年，dansgail开始研究水循环过程中的环境认同。然而，降水环境的同源性不仅受气候的严重变化，还受当地天气和地理条件的影响。随着时间和空间的一定规律，其组成随时间和空间的一定规律而变化。因此，国际原子能源机构（iata）和世界气候组织（wmo）的合作，直到196年，才开始有组织的采样工作，跟踪和测试全球降水中的环境因子和相应的气候因素，为推动应用环境因子研究全球和地方当局的水循环机制提供支持。Craig通过对大气降水中氢氧同位素的研究发现,氢氧同位素组成显示线性相关的变化,并给出之间的数学关系式δD=δ18O+10(‰),这就是公认的全球大气降水方程,即Craig方程,又称为全球大气降水线(GMWL).降水中环境同位素在蒸发、凝聚和降落形成的水分循环过程中产生分馏作用,主要受雨滴凝结时的温度和降水的水汽来源控制,降水同位素组成变化很大且随空间、时间而异.因此,世界各地不同地区的降水方程往往偏离全球性方程,不同地区都有反映各自降水规律的降水线,即地区大气降水线(LMWL),特别是在干旱或半干旱地区,研究地区降水线是必不可少的.为了量化与比较不同地区大气降水蒸发、凝结过程的不平衡程度的差异,Dansgaard提出了氘盈余(d)的概念.d值实际上是一个大气降水的重要的综合环境因素指标,与形成降水的水汽来源地的大气相对湿度、风速和水体表面温度等相关.水源地出发的水汽团向降水区混合演化过程中,其受控制的主导环境因素在降水中的d值中得到较好的体现.因此,常利用降水中的d值来推断降水的水汽来源、形成气象条件以及估算由局地蒸发水汽形成的降水所占的比重.黑河流域是典型的西北地区内陆河流域,水资源短缺和如何合理利用是当前面临的严峻问题,而解决问题的关键是要深入了解水循环机理.环境同位素技术以其在水循环研究中的优越性正逐渐被应用到西北地区的水文水资源研究中,针对黑河流域同位素的研究正逐渐展开.本文利用在黑河流域采集的水样资料,分析降水中氢氧同位素组成特征,为应用同位素技术示踪该流域水循环的研究提供科学依据.1样品与分析方法黑河流域面积约13×104km2,地处青藏高原向蒙古高原的过渡带,流域大部分属干旱气候,仅南部祁连山地较为湿润.气候具有明显的差异,降水量自东向西和自南向北递减,蒸发量则相反.流域位于干旱的气候大背景下,山地与盆地相间,水资源在流域的水循环中形成、运移、转化和消耗.山区是水资源的形成区,盆地是水资源的消耗区,在山前平原地表水和地下水关系复杂、转换频繁,河川径流形成、利用、消失分区明显.2000年8月至2001年8月对黑河中上游14个水文站点和2个气象站设立站点采集全年降水水样,按照气象观测规范要求,对每次降水过程都实施取样,所有的取样位置如图1所示.在收集降水样的同时,分别记录下了降水时的起止时间、降水前的气温、降水后的气温和降水事件的降水量.水样样品均被密封在特制的塑料水样瓶中,避免因蒸发而引起同位素分馏.对于冬季固态降水,装入密封容器在室温下完全融化,再装入水样瓶中加以密封.在每个水样瓶上按一定顺序编号,与取样记录编号保持一致.密封的水样被运送至中国地质科学院国家地质实验测试中心,测18O是用CO2与水样交换H2O-CO2平衡法制成CO2,测D采用700℃金属锌还原法进行氢气制样,然后用MAT-252气体质谱仪分析测得氢氧同位素含量.测得的氢氧同位素比率的结果为与“标准平均海洋水(SMOW)”的千分差δ18O和δD,测量精度分别为±0.2‰和±1‰.2分析与讨论2.1月算术平均和降水加权平均氢氧同位素含量的关系根据降水方程,在δD～δ18O平面图中用来表示降水的δD和δ18O关系变化的直线,称之为降水线.除全球降水线外,不同地区都有反映各自降水规律的降水线.Yurtsever根据IAEA的观测资料,给出了北美洲的地区降水线:δD=7.95δ18O+6.03(‰);Ingraham等根据在南内华达州采集的降水同位素资料,得出当地的降水线:δD=6.87δ18O-6.5(‰);在我国,于津生、章新平等研究了不同地区的大气降水氢氧同位素的关系.图2为黑河流域中上游地区降水中氢氧同位素含量的δD～δ18O关系图.由图2(a)中可以看出,该区降水中δD～δ18O值之间呈明显的线性关系,从而得到黑河中上游地区的地区降水线(LMWL)为:δD=3.8369δ18O−22.5923(‰),R2=0.78,n=142(1)δD=3.8369δ18Ο-22.5923(‰),R2=0.78,n=142(1)实际上δD～δ18O之间的关系线受多种因素影响,如:1)初始水汽同位素含量的构成;2)降水初始时刻雨水凝结点的温度;3)降水过程中温度的变化幅度;4)降水水汽凝结的过程.因此,降水事件中氢氧同位素含量的关系一般不能很好的代表地区降水线,为了更好的反映一个地区总的气候条件,通常用月平均或者年平均降水中氢氧同位素含量之间的关系来确定.将黑河中上游地区年内所取降水水样中氢氧同位素含量依据式(2)和式(3),分别进行月算术平均和降水量加权平均: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为月算术平均同位素含量;δi为降水事件中同位素含量;n为月内降水事件的次数;δwm为月降水量加强平均同位素含量;P为月内总降水量;pi为降水事件的降水量.然后,根据月算术平均和降水量加权平均的氢氧同位素含量,分别得到不同的δD～δ18O同位素关系线(图2b).该地区大气降水线(无论是算术平均还是降水量加权平均)明显偏离全球大气降水线(GMWL)δD=δ18O+10(‰).对比图中月算术平均回归线和降水量月加权均值回归线,两者基本相似,相关系数几乎相等,故此推断该区降水量对降水中δD～δ18O关系线影响不大(图2b).月平均降水中氢氧同位素含量之间的R2=0.98,远高于降水事件中氢氧同位素含量之间的R2,得出该区比较符合该地区的实际地区大气降水线:δD=4.1447δ18O−20.6852(‰),R2=0.98(4)δD=4.1447δ18Ο-20.6852(‰),R2=0.98(4)通常温度为20℃>t>-20℃的降水,单一的瑞利条件下凝结过程引起的同位素分馏,导致的降水线斜率最小才能达到7.5;雨水凝结时同位素动力分馏效应导致的斜率必将>8;而研究区域的地区降水线的斜率(s)为4.1447,小于8,与降水量少而蒸发作用强烈的干旱和半干旱地区降水线的斜率非常吻合.较低的斜率主要是由于雨滴降落过程中受到不平衡蒸发引起的同位素分馏导致,斜率越小,反映降水过程受到的蒸发作用越强烈,降水区空气的相对湿度越低.该区降水线斜率远小于8,表明该区氢氧同位素在降水过程中受蒸发发生强烈的同位素动力分馏效应.降水中氢氧同位素含量关系线的斜率随季节变化而不同,冬秋两个季节降水线的斜率约为4.69,明显高于春夏两个季节的斜率3.2;冬秋季节降水中氢氧同位素之间的相关性远远高于春夏季节.这主要是因为春夏季节与冬秋季节相比较,前者的空气相对湿度比后者低,降水过程中雨水更容易受到蒸发的影响发生同位素动力分馏效应(不平衡蒸发),同时冬秋季节降水形式多为固态,降低了同位素因蒸发引起的同位素分馏;不仅如此,春夏和秋冬季节水汽来源的差异性及降水中局地水循环的不同贡献量也是影响斜率差异的间接原因.黑河中上游地区,干旱的气候大背景下山地与盆地相间,形成了我国的西北干旱区独特的内陆河流域,区域内局地水循环非常强烈,使该区域降水的水汽来源非常复杂,降水中氢氧同位素含量主要受水汽来源控制.所以,无论春夏还是冬秋季节,氢氧同位素含量变化幅度都比较大(图3);降水中δ18O与δD之间有很好的线性关系,但是这种关系在冬秋和春夏存在差异,冬秋季节降水主要受局地水循环的水汽来源影响,大气降水线的斜率和截距较高;春夏季节降水主要受海洋性水汽来源影响,大气降水线的斜率和截距较低.这与田立德等对青藏高原氢氧同位素相关关系研究所得出的结论相似.2.2对降水中的盈余和降水特征的影响氘过量参数亦称氘盈余,同全球性降水线方程相比,任何地区的大气降水,都可以计算出一个氘过量参数d,d被定义为:d=δD-8δ18O.研究降水中d的变化,可以揭示降水的水汽来源及其水循环方式的时空变化,以及水汽蒸发源地气候特征的变化.深入研究古水的d变化,有望揭示古气候的演化特征.由于降水的水汽来源及水汽循环过程的季节变化,全球不同地区降水中d也存在季节变化,中国东部地区降水中d显示冬高夏低的季节变化.研究表明降水中氘盈余主要受水汽来源地水体蒸发时周围环境空气相对湿度的影响,水体表面温度及其风速则对氘盈余影响相对较小,假如水汽源地空气的相对湿度增加10%,将会导致降水中氘盈余下降6‰.另外,降水受到强烈蒸发发生动力同位素分馏效应时,也将导致氘盈余的下降,尤其是裸地土壤蒸发导致其地下水中氘盈余的下降更为显著.图4为研究区降水事件中d的变化散点图,降水事件中d的变化幅度很大,处于-45‰～65‰波动范围之间,这主要是由于降水水汽来源、水汽来源地的蒸发状况和降水条件的复杂性所引起.如黑河流域处于山区和盆地相间的干旱半干旱地区,水汽来源及降水条件复杂;冬季降水往往以固体形式存在,降落的雨滴在大气中的蒸发的影响可以忽略,夏季降水事件中一些极低的d值可能受到了降落雨滴重新蒸发的影响,尤其是对于一些降水量较小而持续时间又较长的降水过程;局地水体在空气相对湿度非常低的干旱背景下,强烈蒸发形成局地水循环,致使该区降水中出现一些极高的d值.图5给出了黑河流域中上游地区16个取样站点降水中平均值d的空间变化,降水中d的空间分布呈现山区高平原低的趋势.瓦房城、肃南、李桥和鹦鸽嘴的d值偏高,因为这4个水文站都位于水库附近,主要受干燥气候背景下水库水体蒸发形成局地水循环的影响.山区冰沟、托勒、野牛沟和新地的d值接近于全球大气降水氘盈余的平均d值10‰,这些水文站区降水的水汽来源主要受海洋蒸发的水汽影响.其它水文站d值偏低,除受水汽来源于较湿润气候环境下的水汽蒸发影响外,也受降水中水滴蒸发的影响.从黑河流域月平均降水中d的季节变化趋势来看(图6),具有与中国东部地区降水中相似的氘盈余d季节变化性,即冬高夏低.降水中d从8月起呈递增趋势,次年的3月份到达最大值后,转为递减趋势,直到6月份的最小值.降水中d在10月至次年4月偏高,这期间降水也多为固态,所以水滴的蒸发影响非常微小,偏高的d值反映大陆性水汽气团降水及其水汽来源地的气候干燥条件;5月至9月降水中d为一低值期,这不仅与夏季水滴蒸发的影响有关,也正好与夏季季风降水期一致,反映了较低湿度条件下海洋蒸发水汽的影响.3上游地区氢氧同位素的时空分布规律(1)依据黑河流域中上游地区降水氢氧同位素实测数据,建立了降水方程为δD=4.1447δ18O-20.6852(‰),即地区大气降水线(LMWL).δD～δ18O的斜率很低,符合干旱区降水线斜率很低的规律,表明该