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基于环境同位素的长江源典型多年冻土小流域水循环规律研究

任东兴  
【摘要】: 多年冻土对高寒地区水文循环各个要素及水文循环机制影响显著。位于青藏高原腹地的长江源多年冻土区环境十分恶劣,目前国内外对该区域水文过程的研究较为薄弱。环境同位素广泛存在于自然界水体中,在降水、地表水、地下水、土壤水和植物体内相互转化的水循环过程中,同位素的分馏导致不同水体具有不同的同位素特征。本论文选择位于青藏高原多年冻土区的北麓河流域风火山支流区,以典型多年冻土区高寒草甸草地嵌套小流域水文循环中的降水、地表水、地下水为研究对象,探讨不同水体中氢氧同位素和水化学时空变化特征,并对不同断面径流组分进行尝试性分割。主要结论如下: 1.降水中氢氧同位素特征 大气降水中δD和δ18O随时间波动较大,同时发现日内不同场次的降水也存在较大差异。对δD和δ18O进行回归分析,得到研究流域地区大气降水线方程(LMWL):δD=8.2δ18O+17.3。 大气降水事件中氘盈余(d)的变化幅度为-10.09‰-30.22‰,算术平均值为15.67%o,波动范围较小且集中;研究区降水的主要来源是局地水循环水汽,占的比例约为79.73%。 温度是控制风火山地区降水中δ18O和δD的主要因素,其相关回归方程分别为:δ18O=1.22T-12.44(r=0.49,p0.02)δD=9.12T-79.38(r=0.43,p0.04)。当T≥4℃时,降水中δ18O和δD表现出一定的“降水量”效应,回归方程分别为:δ18O=-1.53P-1.96(r=0.62,p0.01),δ18D=-11.76P-0.77(r=0.56,p0.05)。 2.河水中氢氧同位素特征 在日尺度下,河水中δ18O和δD随时间变化较大,从6月中旬至月底呈上升趋势,7月初达到最高值,随后开始下降到7月10日左右触底,剩余时段均在较小范围内波动;在月尺度下,河水中δ18O和δD在各个断面均表现出相似的特征,即6月7月8月;在次洪过程中,春汛期径流δ18O最高,夏汛期和秋季退水期的δ18O基本在同一水平,冻结枯水期δ18O最低。 春汛期1号、2号和3号流域河水中δ18O和δD相当,而4号和5号流域由于蒸发的影响,表现出重同位素富集的现象。夏汛期,河水中δ18O和δD表现出随着面积的增大,先降低后逐渐升高的趋势,4号和5号流域河水中δ18O和δD仍表现出蒸发富集效应。 3.河流水化学特征 河水中阳离子没有绝对优势的离子,以Ca2+和Na+为主,占阳离子总量的75.7%-91.4%;阴离子以SO42-为优势离子,占50.2%-87.3%。 土壤冻融状态变化控制着多年冻土区径流水化学特征的季节变化,春汛期表现出明显的“离子脉冲”现象,夏汛期主要受降水稀释影响,秋季退水期主要受土壤水控制,河水及土壤水分的冻结是冻结枯水期的主要特征;4个典型时期总离子质量浓度的相对大小依次为冻结枯水期、秋季退水期、春汛期、夏汛期。 随着流域面积的增大,总离子浓度呈三次多项式变化规律;NO3-离子浓度在采样的4个时期表现为升高-降低-升高的趋势,随着流域湿地面积百分比的增大而降低,尤以春汛和夏汛期下降最为剧烈。研究流域蒸发盐岩风化作用最强烈,其次为碳酸盐岩的溶解。 4.径流组分分析 6月份不同断面河水中地下水占据主要地位,1-5号流域的比例分别为77.6%、82.1%、77.5%、55.7%、58.2%,降水的比例相对较小;8月份降水在流域出口断面的河水中所占比例有所提高达到49.5%,地下水所占的比例有所下降,1-5号流域地下水所占的比例分别为50.5%、47.5%、47.2%、81.7%、78.3%。


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