室外水体蒸发氢氧同位素日变化特征
室外水体蒸发氢氧同位素日变化特征
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。
标签：水体蒸发；氢氧同位素；日变化；实验研究
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，相同时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，與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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[2]章新平，姚檀栋，田立德，等.乌鲁木齐河流域不同水体中的氧稳定同位素[J].水科学进展，2003，14（1）：50-56.
[3]包为民，胡海英，王涛，等.蒸发皿中水面蒸发氢氧同位素分流的实验研究[J].水科学进展，2008，19（6）：780-785.。
慕士塔格地区大气水汽氢氧稳定同位素季节内变化特征及影响因素分析
第43卷第2期冰川冻土V〇1.43,N〇.2 2021 年 4 月J O U R N A L O F G L A C I O L O G Y A N D G E O C R Y O L O G Y Apr. , 2021D O I： 10. 7522/j. issn. 1000-0240. 2021.0010R E N Xingkuo, G A O Jing, Y A N G Yulong, et a l.Intra-seasonal characteristics of atmospheric water vapor stable isotopes at Muztagata and i t s climate controls[J]. Journal of Glaciology and Geocryology, 2021,43(2):33卜341.[任行阔，髙晶，杨育龙，等.慕丨:塔格地区大气水汽氢氧 稳定同位素季节内变化特征及影响因素分析[J].冰川冻土，2021,43(2) :331-341.]慕士塔格地区大气水汽氢氧稳定同位素季节内变化特征及影响因素分析任行阔〃，高晶'，杨育龙h2，陈曼丽\牛晓伟'，赵爱斌1(1.中W科学院青藏高原研究所藏高原环境变化与地表过程重点实验室，北京100101; 2.中M科学院大学.北京100049)摘要：慕士塔格地区位于青藏高原西北部，常年受西风影响为了更清楚地认识西风水汽来源和局地蒸发过程对区域水循环过程的影响，利用2017年7月26日一2017年11月6日和2018年7月30日一2018年12月10日在慕十塔格西风带环境综合观测研究站的监测数据，分析了地表大气水汽氢氧稳定同位素组成和相关局地气象要素的变化特征及其相关关系研究发现：慕士塔格地K水汽中S‘s O、A e x c e s s与局地温度和比湿呈现明显的小时变化，日变化和季节变化；水汽S180值与温度的著正相关关系存:不同时间尺度稳定存在；在小时和日尺度上，水汽#0值与比湿呈现对数关系；后向轨迹追踪表明，西风将西伯利亚和北大西洋及慕士塔格周围地区的水汽传输至观测站点；当水汽自地中海和北大西洋长距离传输至慕士塔格时，水汽#0显著降低可达约7%。
“季风三角区”西部氢氧稳定同位素特征及水汽再循环
“季风三角区”西部氢氧稳定同位素特征及水汽再循环引言：氢氧稳定同位素是探究水文循环及气候变化的重要工具，而“季风三角区”西部是亚洲最具代表性的季风区域之一。
本文将以“季风三角区”西部为探究对象，探讨其氢氧稳定同位素特征及水汽再循环过程，为当地气候变化探究和水资源管理提供借鉴。
一、氢氧稳定同位素的来源与特征1.1 氢氧稳定同位素的来源氢氧稳定同位素主要来源于大气降水和地表水。
1.2 氢氧稳定同位素的特征氢氧稳定同位素具有地理分布特征和季节变化特征，其分布受到温度、降水量、海洋水汽来源等多种因素的影响。
二、“季风三角区”西部氢氧稳定同位素特征2.1 季风三角区西部的地理环境季风三角区西部位于亚洲大陆东南部，包括印度、孟加拉国和缅甸。
该地区气候潮湿，受到南亚季风的影响。
2.2 氢氧稳定同位素的时空分布探究表明，季风三角区西部的氢氧稳定同位素呈现着明显的地理分布特征。
在孟加拉国东北部，氢氧稳定同位素值较高，而在印度半岛西部地区则较低。
此外，氢氧稳定同位素的值还会随着季节的变化发生变化，一般来说，夏季降水带来的降水量大，氢氧稳定同位素值较低，而冬季则相反。
三、水汽再循环过程及对氢氧稳定同位素的影响3.1 水汽再循环过程季风三角区西部的水汽再循环过程主要包括大气降水和地表蒸发。
3.2 氢氧稳定同位素值与水汽再循环的干系水汽再循环过程中，大气降水会带走一部分地表水，其中不同稳定同位素的分馏作用会导致降水中的同位素比例发生变化。
因此，通过探究大气降水中的同位素比例，可以揭示水汽再循环的过程及其影响因素。
四、季风三角区西部氢氧稳定同位素探究的意义4.1 对气候变化的探究意义通过探究氢氧稳定同位素可以了解季风三角区西部气候变化的规律，为猜测将来气候变化提供科学依据。
4.2 对水资源管理的意义水资源管理是季风三角区西部的重要问题。
探究氢氧稳定同位素可以揭示降水的来源和水汽的再循环过程，为水资源的合理配置和管理提供参考。
都思兔河氢氧稳定同位素沿流程的变化及其对河水蒸发的指示
都思兔河氢氧稳定同位素沿流程的变化及其对河水蒸发的指示钱会;窦妍;李西建;杨柄超;赵振宏【期刊名称】《水文地质工程地质》【年(卷),期】2007(34)1【摘要】本文在对都思兔河流域水文地质条件进行介绍的基础上,根据实测结果对河流量及δ18O和δD沿流程的变化进行了讨论,分析了其变化机理.结果表明都思兔河流量沿流程的变化与地下水等水位线及河水与地下水的补排关系吻合很好.把河水的氢氧稳定同位素成分与流域内其他水体的成分进行比较发现,河水明显受蒸发作用的影响.河水同位素成分的变化主要由地下水的补给及河水的蒸发两种作用共同引起,地下水的补给使河水的δ18O和δD减小,河水的蒸发则使其同位素成分增大.文章使用Rayleigh平衡分馏方程对河水的蒸发比例进行了计算,结果表明,河水的累计蒸发比例可达20%～48%.【总页数】6页(P107-112)【作者】钱会;窦妍;李西建;杨柄超;赵振宏【作者单位】长安大学环境科学与工程学院,西安,710054;长安大学环境科学与工程学院,西安,710054;长安大学环境科学与工程学院,西安,710054;西安地质矿产研究所,西安,710054;西安地质矿产研究所,西安,710054【正文语种】中文【中图分类】P64【相关文献】1.呼伦湖流域氢氧稳定同位素特征及其对水体蒸发的指示作用 [J], 高宏斌;李畅游;孙标;史小红;赵胜男;樊才睿2.莱州湾白浪河河水和河口海水的水化学和氢氧稳定同位素特征 [J], 杨巧凤;王瑞久;徐素宁;李文鹏;王志一;梅军军;丁志磊;杨培杰3.都思兔河中段河水化学成分的形成机制分析 [J], 钱会;宋秀玲;窦妍;候广才;赵振宏4.黄河流域都思兔河河道治理工程堤防渗流稳定计算 [J], 殷春艳5.氢氧稳定同位素对达里湖水体蒸发与补给来源的指示作用 [J], 郭鑫;李文宝;孙标因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
呼伦湖流域氢氧稳定同位素特征及其对水体蒸发的指示作用
呼伦湖流域氢氧稳定同位素特征及其对水体蒸发的指示作用高宏斌;李畅游;孙标;史小红;赵胜男;樊才睿【摘要】The aim of this paper is to analyze water stable isotopes(δD and δ18O) in Lake Htdun Basin,and to explore the indicative function of stable isotopes in hydrological cycle in this region.The analytical results of lake water,river water and well water around Lake Hulun indicate that there are temporal variations of stable isotopes in lake and river water and spatial variations in river water along the flow path.Furthermore,the relationship between δ18O and δD in lake water,river water and groundwater in Lake Hulun Basin shows the crossing points of lake and river water are located in the lower right of local meteoric water line,suggesting lake water and river water have suffered from evaporation.However,the crossing points of well water are located closely to the local meteoric water line except southwestern area (W1) around the lake,indicating all groundwater except W1 reflects a precipitation origin,and the weird high isotope values in W1 may have connections to the lake water and well ing the relationship between stable isotopic rado in residual water and residual water proportion with consideration of the effect of temperature and humidity,the proportions of modem lake water and river water after evaporation are calculated as 0.85-0.96 for river water,and 0.71-0.77 for lake water.Obviously,the extent of lake water evaporation is greater than that of river water,with 4％-15％ water loss for rivers and 23％-29％ water loss for the lake.In addition,the annual lake water evaporation wascalculated based on isotopic mass balance method,the low relative error (5.4％) compared with measured data indicates this model is appropriate to calculate water evaporation for Lake ing stable isotope (δD and δ18O) is an essential method to study on hydrological cycle in a basin,thus stable isotope still has a wide application space in hydrological cycle in Lake Hulun Basin.%以呼伦湖流域为例研究该区域氢氧稳定同位素在不同水体中的分布特征,并探讨氢氧稳定同位素对在该区域水文过程的指示作用.流域湖水、入湖河水、周边地下水水样的氢氧稳定同位素分析结果表明,夏季8月份湖水中的重氢氧稳定同位素比7月份的更加富集.而河水中氢氧稳定同位素在同一时间内的河流沿程上存在明显的差异,下游水体中的氢氧稳定同位素要比上游更加富集.研究区的河水和湖水的δ18O-δD关系特征显示,河水和湖水的δ18O-δD的关系点全部位于当地降水线的右下方,说明流域河水和湖水水体受到明显的蒸发作用.而井水的δ18O-δD的关系点大都靠近当地大气降水线,说明这一区域的地下水主要是大气降水渗入地下形成.利用氢氧稳定同位素分馏过程中的氢氧稳定同位素的比率与剩余水体的关系,并在考虑湿度因子的动力分馏模拟下,计算出河水的剩余水体比例在0.85～0.96之间,而湖水的剩余水体比例在0.71～0.77之间.最后,利用氢氧稳定同位素质量平衡法对呼伦湖多年平均蒸发量进行了估算,估算的湖泊蒸发量结果与实测值相近,相对误差为5.4％,说明方法可靠.氢氧稳定同位素对于研究区域水文过程有着重要的作用,在今后呼伦湖流域水文研究中有着更加广泛的应用空间.【期刊名称】《湖泊科学》【年(卷),期】2018(030)001【总页数】9页(P211-219)【关键词】氢氧稳定同位素;分馏;蒸发;地下水;水文过程;呼伦湖【作者】高宏斌;李畅游;孙标;史小红;赵胜男;樊才睿【作者单位】内蒙古农业大学水利与土木建筑工程学院,呼和浩特010018;内蒙古农业大学水利与土木建筑工程学院,呼和浩特010018;内蒙古农业大学水利与土木建筑工程学院,呼和浩特010018;内蒙古农业大学水利与土木建筑工程学院,呼和浩特010018;内蒙古农业大学水利与土木建筑工程学院,呼和浩特010018;内蒙古农业大学水利与土木建筑工程学院,呼和浩特010018【正文语种】中文地球上的水分通过降水、蒸散发、下渗、径流等过程控制着水分的循环. 自然界中蒸发和凝结作用是造成水体中的氢氧稳定同位素分馏的重要方式，也是造成各种地表水体的氢氧稳定同位素组成差别并且具有一定分布规律的重要原因[1]. 一方面，水分子在蒸发、凝结过程中发生分馏，造成组成水分子的氢氧稳定同位素含量发生变化，使得不同状态的水体含有不同的氢氧稳定同位素值[2-3]. 利用这种异质性，氢氧稳定同位素作为示踪剂成为近年来指示流域水循环、确定地表水和地下径流的来源和地表水、地下水相互作用关系等研究方面的重要技术手段. 例如，Clark等[4]利用氢氧稳定同位素的示踪性，明确了不同时间、空间尺度下的地下水水文循环过程；Wassenaar等[5]和Wang等[6]运用氢氧稳定同位素对地下水进行了研究，识别出了地下水的补给源和补给区域； Currell等[7]和Cui等[8]对湖泊和地下水的氢氧稳定同位素进行了研究，明确了湖水与地下水的混合区域和补给关系. 另一方面，通过对水体蒸发过程中氢氧稳定同位素的分馏机制的研究，建立水体蒸发分馏模型模拟氢氧稳定同位素的分馏规律，以及确定水体蒸发量是氢氧稳定同位素在水文循环研究中的另一个应用. 例如，田立德等[9]在1998年首次对青藏高原中部地区进行了水体氢氧稳定同位素在蒸发过程中的研究，通过野外水蒸发实验和模拟计算结合，认为水在蒸发过程中其剩余水体中的氧氢稳定同位素值与剩余水体显著相关，而且蒸发分馏因子的大小受相对湿度的影响. 马斌等[10]对华北平原水蒸发过程中氢氧稳定同位素的分馏特征进行了研究，获得了氢氧稳定同位素变化量与累积蒸发量的关系，并且认为盐分对蒸发分馏产生的影响较低. 钱会等[11]使用瑞利平衡分馏方程对河水的蒸发比例进行了计算，表明河水的累计蒸发比例相对最初的水量可达到20%～48%. 肖薇等[12-14]利用氢氧稳定同位素的比率估算了湖泊的多年平均蒸发量，并与实测蒸发量比较，认为利用氢氧稳定同位素计算湖泊蒸发量的方法可靠.鉴于上述，氢氧稳定同位素对于研究区域水文过程有着重要的作用. 目前对呼伦湖流域水文过程中的氢氧稳定同位素特征的相关研究鲜有报道，一定程度上制约了对该流域的水文循环过程、地表水与地下水相互关系等方面的深刻认识. 本文基于对内蒙古呼伦湖流域不同水体的氢氧稳定同位素组成分析，利用氢氧稳定同位素的指示作用对呼伦湖流域水文过程的机理进行研究，为流域水资源持续利用和生态环境建设提供科学参考.图1 研究区及采样点位置Fig.1 Location of the study area and sampling sites 1 材料与方法1.1 研究区概况呼伦湖(48°33′～49°20′N，116°58′～117°48′E)为中国第五大湖，也是我国北方最大的湖泊，位于内蒙古自治区满洲里市及新巴尔虎左旗、新巴尔虎右旗之间(图1). 呼伦湖全流域面积为25.6万km2，我国部分为9.3万km2，所占比例为37.3%；蒙古国部分为16.3万km2，所占比例达63.7%[15]. 呼伦湖地区处在半干旱的高纬度地带，属中温带大陆性气候，年平均气温为1.2℃，年平均降雨量为235 mm,年平均蒸发量为1470 mm左右，最大湿度达到80%(来自1961-2013年水文站数据). 呼伦湖湖水的补给除了来源大气降水外,主要来源于蒙古境内肯特山脉的克鲁伦河，以及连接贝尔湖的乌尔逊河. 其中每年接纳平均降水量大约为6.29亿m3；多年平均径流量为12.58亿m3；除此之外，呼伦湖区域的地下水也是湖水重要的补给来源，年补给量约为3.90亿m3[16]. 呼伦湖近年来由于其出流河口被人为控制，基本上成了内陆封闭湖泊，因此湖水除了之前个别年份通过新开河泄水外，其水量损失主要是来自湖面的蒸发，多年平均水面蒸发量为1103 mm,折算成水量为25.80亿m3[16]. 近年来，由于气候和人为因素的影响，呼伦湖径流量减少，湖泊水位下降，面积减小，水质变差，同时，由于水土流失和草地退化使得进入呼伦湖的污染物浓度升高[16]，湖泊水环境及其生态环境的恶化受到了广泛的关注.1.2 样品的采集与测定分析根据呼伦湖的水系特征及水文地质条件，于2014年夏季的6-8月对呼伦湖湖面、两条入湖河流(克鲁伦河、乌尔逊河)、周边地下井水(井深在1～15 m之间)、以及泉水分别采样，共采集31个水样. 其中6月26日分别采集克鲁伦河的上、中、下游3个水样；7月4日和8月3日分别采集呼伦湖湖面水样，每次7个，共14个，以及克鲁伦河下游处和乌尔逊河相同位置处各2个，共4个；7月30日在湖周边的西南部区域采集9个地下井水样品和1个泉水样. 采样过程中用GPS定位采样点(图1)，采集的所有水样立即用封口膜密封在100 ml的聚乙烯瓶中，放于保温箱，带回实验室.所有水样(湖水、井水、河水、泉水)在测定分析前都经0.45 μm的滤膜过滤. 氢氧稳定同位素采用内蒙古农业大学水环境实验室的高精度的美国LGR公司的液态水氢氧同位素分析仪测定(仪器型号:LMIA-V2(DLT-100)，精度δD：1‰，δ18O：0.1‰). 计算结果以维也纳平均海水VSMOW为标准，公式为：δ[‰]=[Rsample/Rstandard-1]×1000(1)式中，δ为同位素组成,R为重氢氧稳定同位素与轻氢氧稳定同位素的比值.2 结果与分析2.1 呼伦湖流域不同水体氢氧稳定同位素的分布特征呼伦湖流域不同水体具有不同的氢氧稳定同位素组成特征(表1). 其中，湖水中的氢氧稳定同位素的值最大，δD分布在-72.83‰～-63.44‰之间，δ18O分布在-8.55‰～-7.12‰之间，河水的氢氧稳定同位素值较湖水的次之，δD分布在-95.99‰～-80.69‰之间，δ18O分布在-12.35‰～-10.17‰之间，地下水除了W1点(δD：-78.52‰，δ18O：-8.91‰)和W3点(δD：-72.02‰，δ18O：-9.41‰)异常偏正外，其他的井水和泉水的氢氧稳定同位素值都接近或小于附近河水中的值，δD分布在-120.87‰～-86.86‰之间，δ18O分布在-15.91‰～-11.40‰之间.表1 呼伦湖流域各种水体中氢氧稳定同位素分析结果*Tab.1 The results of δD and δ18O in water samples from Lake Hulun Basin水体样品号(日期)18OV⁃SMOW/‰DV⁃SMOW/‰水体样品号(日期)18OV⁃SMOW/‰DV⁃SMOW/‰湖水A10(7月4日)-8．55-72．83D7(7月4日)-7．83-66．59F5(7月4日)-7．61-66．36F9(7月4日)-7．66-65．71G2(7月4日)-7．47-65．70H3(7月4日)-7．33-65．71X1(7月4日)-7．49-65．75A10(8月3日)-8．21-71．87D7(8月3日)-7．38-67．24F5(8月3日)-7．12-65．91F9(8月3日)-7．16-65．88G2(8月3日)-7．27-65．21H3(8月3日)-7．25-65．23X1(8月3日)-7．12-63．44河水KLL上(6月26日)-12．35-95．99KLL中(6月26日)-11．84-94．48河水KLL下(6月26日)-10．98-85．72KLL下(7月4日)-10．46-84．00KLL下(8月3日)-10．30-83．20WEX(7月4日)-11．24-87．56WEX(8月3日)-10．17-80．69地下水W1(7月30日)-8．91-78．52W2(7月30日)-11．40-86．86W3(7月30日)-9．41-72．02W4(7月30日)-11．98-89．61W5(7月30日)-12．33-93．05W6(7月30日)-13．34-100．54W7(7月30日)-11．64-89．38W8(7月30日)-15．91-120．87W9(7月30日)-14．25-105．24泉水(7月30日)-13．06-98．35*KLL表示克鲁伦河，WEX表示乌尔逊河，W表示井水.2.2 湖水和河水的氢氧稳定同位素组成随时间的变化氢氧稳定同位素组成的季节变化明显，同时在同一季节由于不同时间段的温度对水体蒸发作用的影响程度不同，因此氢氧稳定同位素组成也随之变化. 比较夏季两次不同时间获得的样品的氢氧稳定同位素分析结果(图2)，总体上看，除了湖面上D7点和F9点8月样品的δD值小于7月，其他的点位8月样品的δD和δ18O值要高于7月样品的，特别是δ18O值在不同时间上的体现更为明显，说明呼伦湖在7月到8月之间经过强烈的蒸发作用，湖水中的重氢氧稳定同位素更加富集，一定程度上体现了该地区水体中氢氧稳定同位素组成在夏季随时间的变化. 而δ18O较δD变化更为明显，可能是由于在通常水体中氧稳定同位素的含量要高于氢稳定同位素，测量时误差小而结果更加准确，也正因为此，很多研究中氧稳定同位素的应用要比氢稳定同位素广泛一些.图2 呼伦湖各采样点水体中氢氧稳定同位素组成随时间的变化Fig.2 Temporal variations of δD and δ18O of each sampling site in Lak e Hulun在野外实验过程中由于交通原因，对克鲁伦河的取样更为密集，因此将克鲁伦河同一位置下游处3个不同时间段的水样氢氧稳定同位素作比较(图3)，发现河水的δD和δ18O随时间的变化与湖水具有相似的特征，从6月到8月初，δD和δ18O表现为明显的递增趋势，同样反映了蒸发作用对河水中氢氧稳定同位素分布特征的影响.图3 克鲁伦河水体中氢氧稳定同位素组成随时间的变化Fig.3 Temporal variations of δD and δ18O of water samples in Kelulun Riv er2.3 河水氢氧稳定同位素组成的沿程变化克鲁伦河水体中的δD和δ18O从上游到下游呈明显增大的趋势，δD从-95.99‰增大到-85.72‰，δ18O从-12.35‰增大到-10.98‰(图4). 克鲁伦河氢氧稳定同位素的这种沿程分布变化，一方面与上、中、下游汇入水体的氢氧稳定同位素特征有关，另外主要还是与河流流动过程中沿程受到的蒸发作用有关.图4 克鲁伦河水体中氢氧稳定同位素组成的沿程变化Fig.4 Variations of δD and δ18O of water samples in Ke lulun River from upstream to downstream3 讨论3.1 呼伦湖流域大气降水和其他水体中δ18O-δD的关系特征研究流域氢氧稳定同位素的分布特征，确定当地降水线是研究的基础. Craig[17]在研究北美大气降水时发现大气降水的氢氧稳定同位素组成呈线性变化，并确定了最初的全球大气降水方程. 但后来研究者发现由于不同地区海拔、地貌、气候等条件的不同，各地大气降水线偏离全球降水线的情况各不相同，因此为了更加精准合理地研究当地的氢氧稳定同位素特征，应建立相应的当地降水线. 目前，在呼伦湖流域氢氧稳定同位素的研究还鲜有报道，同时受研究区流域降水资料的限制，当地大气降水线不能利用该区域实测的数据生成. Tsujimura等[18]在2007年对克鲁伦河流域的不同水域同位素进行了研究，并确定了该区域的大气降水线，由于文献中的研究区克鲁伦河流域属于呼伦湖流域的一个部分，二者的地理位置和气候环境相差不大，因此本文采用该结果作为呼伦湖流域的当地大气降水线，关系式如下：δD=7.5 δ18O+2.1(2)图5 呼伦湖湖水、河水、井水和泉水δ18O-δD的关系 Fig.5 The cross-plot ofδ18O and δD from water of Lake Hulun, river water, well water and spring 一个地区水体蒸发线反映了区域气象参数，不同气候条件下的水体的蒸发线的斜率会有所区别. 结合本研究获得的数据，得出呼伦湖流域不同水体δ18O-δD的关系(图5)，研究区的河水和湖水δ18O-δD 的关系点全部位于当地降水线的右下方，说明流域河水和湖水水体受到明显的蒸发作用. 而湖水的δ18O-δD关系点分布范围沿蒸发线并位于最上方，河水的分布范围位于下方，说明湖水受到的蒸发作用更大. 研究区井水和泉水的δ18O-δD关系点除了W1外，全部落在当地降水线附近，说明这一区域的地下水主要是大气降水渗入地下形成，这种地下水氢氧稳定同位素特征是一种普遍的现象，在其他研究中也多有报道[19]. W1点井水的δ18O-δD关系点偏离至当地降水线的右下方，说明该井水体也受到明显的蒸发作用. 由于井水位于地下不易受到强烈的蒸发作用，且该井水δ18O-δD关系点介于湖水之下和大部分地下水之上，因此可能是因为蒸发的湖水进入该井水并与蒸发作用不明显的地下水发生了混合作用.3.2 剩余水体中氢氧稳定同位素组成与剩余水体量比例的关系蒸发在水文循环中是重要的环节，特别是对于半干旱区的呼伦湖流域，河水和湖水的蒸发是水量流失的主要过程. 水体蒸发过程中，相对轻的氢氧同位素水分子间的氢键优先被破坏，使部分轻的氢氧同位素先形成蒸汽离开液面，重的氢氧同位素逐渐被富集在剩余水体中，这一过程称为分馏[3,9]. 在瑞利平衡蒸发条件下，剩余水体的氢氧稳定同位素组成(δ)与受蒸发后剩余水体和原始水体的比率(f)呈指数关系，服从瑞利蒸发分馏模型[20]：δ=(δ0+1)f(a-1)-1(3)式中，δ0为水体氢氧稳定同位素的初始组成，f为剩余水体的比例，a为分馏系数.由氢氧稳定同位素确定的当地降水线和蒸发线的交点常常被认为是受蒸发水体氢氧稳定同位素的最初组成，故本文选用这一交点(δ18O：-13.00‰，δD：-99.97‰)作为δ0值，δ为呼伦湖河水和湖水的实测值，因此，只要确定分馏系数a，就可以计算出剩余水体量的比例. 由于式(3)中δ的绝对值很小，为方便起见，该式可简化为：δ-δ0=103(a-1)ln f(4)在瑞利平衡分馏过程中，温度是控制氢氧稳定同位素分馏的主要因素，分馏系数随环境温度的变化而改变. 由Majoube[21]提出的温度从273.15 K到373.15 K变化时的经验方程，蒸发分馏系数a与温度(T)存在以下关系：103ln a O18=1.137-0.4156-2.0667(5)103ln a D=24.844-76.248+51.612(6)因此，可以根据上式计算出不同温度下的分馏系数. 结果表明，氢氧稳定同位素的分馏系数与温度呈反比，温度越低，分馏系数越大，分馏程度就越深.图6 平衡条件下剩余湖水、河水中δ18O 与剩余水体比例的关系(T=1.2℃) Fig.6 Relationship between δ18O and f in residual lake water and river water under equilibrium condition(T=1.2℃)根据呼伦湖流域的气象数据得知，呼伦湖常年平均温度1.2℃. 因此，采用T=1.2℃计算出的蒸馏系数a=1.0116作为确定呼伦湖湖水和河水剩余水体的比例. 根据前人的研究发现，计算水体蒸发量时使用δ18O更为可靠[11]，故本文采用δ18O的计算结果(图6). 如图6所示，通过呼伦湖流域水体δ18O的实测值落在δ18O与剩余水体比例的模拟线上的位置，可以清楚地确定水体受到的蒸发程度. 河水和湖水由于受蒸发程度的不同，剩余水体比率的分布分为两个部分，河水的剩余水体比例在0.78～0.95之间，而湖水的剩余水体比例在0.60～0.68之间，说明现有的河水由于蒸发损失的量在最初水体的5%～22%之间，而湖水由于封闭状态下受到的累积蒸发更大，损失量在最初水体的32%～40%之间.已有大量研究表明，由于分子扩散作用所引起的动力效应和水体与空气氢氧同位素之间的相互关系和交换因子等的影响，自然条件下的实际蒸发分馏与理想的平衡蒸发分馏存在一定的差异，这主要是因为实际水的蒸发不仅有平衡蒸馏过程，还有动力蒸馏的过程[22-23]. 动力蒸馏主要与大气湿度有关，Gonfiantini[24]给出分馏系数与湿度的计算关系式：图7 不同相对湿度下剩余水体中δ18O与剩余水体比例的关系(T=1.2℃)Fig.7 Relationship between δ18O and f in residual water under different relative humidities (T=1.2℃)Δε18O=14.2(1-h)×10-3(7)式中，ε为富集系数，ε=1000(1-a)；h为湖面的相对湿度. 据此可以模拟出不同大气相对湿度下的水中δ18O的分馏过程，并与在相同温度下(T=1.2℃)的瑞利平衡分馏过程作对比. 结果表明，湿度对蒸发分馏过程有着重要的影响，随着湿度的增加，剩余水体中δ18O随剩余水体比例的变化逐渐减小(图7). 对比瑞利平衡分馏(h=100%)，其他相对湿度下剩余水体中δ18O的分馏程度都要大于瑞利平衡分馏，这再次说明了在实际水体蒸发过程中，由湿度因子引起的动力分馏作用必须予以考虑.根据呼伦湖实测气象数据得知，多年平均相对湿度大约在60%左右，利用该湿度值计算出的蒸发分馏过程中剩余水体中δ18O随剩余水体比例模拟线(灰色粗线)以及相应的实测水体中δ18O的值如图7所示，根据实测δ18O值落在模拟线上的位置，可以看出计算出的河水和湖水水体剩余水体比例较瑞利平衡蒸馏下的大很多，河水的剩余水体比例在0.85～0.96之间，而湖水的剩余水体比例在0.71～0.77之间，对应的河水蒸发损失的量占最初水体的4%～15%，而湖水损失量占最初水体的23%～29%.3.3 氢氧稳定同位素平衡法估算湖泊蒸发量氢氧稳定同位素方法对于推求湖泊蒸发量是一个非常有效的工具，特别是对于实测资料缺乏的研究区. 通常使用水量平衡方法计算蒸发量时，由于无法准确地确定水量平衡各项的要素，尤其是地下水入湖量，造成计算结果的不确定性. 利用氢氧稳定同位素计算湖泊蒸发量的优势在于不必测定入湖水量，只需测定各种入湖水体的氢氧稳定同位素组成，结合水量平衡方程和氢氧稳定同位素物质平衡方程，就可计算出湖泊的蒸发量.湖泊中的水量平衡方程可以表示为：=I+P-Q-E(8)式中，V为湖泊的体积，I为进入湖泊的水量，P为降水量，Q为流出湖泊的水量，E为湖泊的蒸发量.而对于一个浅水湖泊，由于其混合程度较好，氢氧稳定同位素物质平衡方程可以表示为：=δi·I+δp·P-δq·Q-δe·E(9)式中，δ l、δ i、δ p、δ q和δe分别为湖水、入湖水、降水、出流水和湖泊蒸发水氢氧稳定同位素的组成. 由式(8)和(9)合并(湖泊完全混合下，δl=δ q)，湖泊蒸发量E可表示为：E=(10)根据Saxena [25]通过模型给出的湖水蒸发过程中蒸发水汽氢氧同位素组成δe的求法：δe=-1(11)式中，δa为大气水汽为氢氧稳定同位素组成；h=60%；β为重轻分子传输阻力系数，大约为1.013；大气中氢氧同位素的δa按照下式计算[26]：δa=-0.014T2+0.67T-23.4(12)式中，T为湖面气温(℃)，采用呼伦湖气象数据的常年平均温度1.2℃.呼伦湖是一个受湖泊水位控制出流的湖泊，近年来由于水位较低成为了封闭性湖泊，因此水面蒸发是湖泊的唯一支出项，Q可以忽略不计. 假定湖水在短时间内的氢氧稳定同位素组成保持不变，则有dδl/dt=0，式(10)可简化为：E=(13)式中，δ l取所有实测湖水样品中测得的δ18O的算术平均值，为-7.51‰；δ i可通过当地降水线与蒸发线的交点获得，为-13.00‰，这一方法已被证明可以很好地估算湖泊的入湖水中氢氧稳定同位素的权重值[27-28]. δ p来自IAEA(国际原子能机构)设立在齐齐哈尔长期监测站δ18O的平均值，取值为-15.00‰，由公式(12)、(13)求得的δ a和δ e分别为-23.40‰和-13.75‰.根据呼伦湖周边水文站1961-2013年的实测资料，得知呼伦湖50多年来平均湖泊面积为2020 km2,多年蓄水量变化为1.25亿m3,可换算为61.9 mm；多年平均降雨量为235 mm；多年平均蒸发量为1470 mm(水文站20 cm蒸发皿)左右，折合水面蒸发量为1140 mm(折算系数0.776来源于文献[29]). 将各项及参数代入公式(14)中,可得出呼伦湖多年平均蒸发量为1078 mm,与实测值1140相差62mm，相对误差为5.4%，这可能是在计算过程中由于涉及的参数较多出现的误差，特别δe值是按照经验公式计算得出，计算值的偏大或偏小都对蒸发量的估算有很大的影响. 另外，计算中采用不同水体中平均氢氧稳定同位素组成可能会因为实测样品量的不足而存在一定的误差. 但整体来说利用氢氧稳定同位素平衡方法估算呼伦湖蒸发量是可靠的.4 结论1)对研究区不同水体中的氢氧稳定同位素进行研究，结果表明湖水和河水中氢氧稳定同位素在时间和空间上由于受不同程度蒸发作用的影响都存在明显的差异. 此外，根据氢氧稳定同位素在不同水体中的δ18O-δD关系特征，表明研究区的湖水和河水受蒸发作用明显，且湖水受到的蒸发作用更大；周边地下水主要是大气降水渗入地下形成，而位于湖岸部分区域的井水存在异常偏正的氢氧稳定同位素值，可能是由于受蒸发的湖水进入该井水并与蒸发作用不明显的地下水发生了混合作用.2)考虑温度和湿度因子的结果显示河水的剩余水体比例在0.85～0.96之间，而湖水的剩余水体比例在0.71～0.77之间，换而言之，河水蒸发损失的量为最初的水体的4%～15%，而湖水损失量为最初的水体的23%～29%. 利用剩余水体中氢氧稳定同位素组成与剩余水体比例的关系计算水体剩余水体比例以及蒸发损失的比例，可能是评估水体受蒸发程度的一种有效的方法.3)对于缺乏实测资料的研究区，氢氧稳定同位素平衡估算湖泊蒸发量是非常有效的方法. 利用氢氧稳定同位素方法对呼伦湖多年平均蒸发量进行计算，计算结果与实测值相近，说明了该方法的可靠性. 但同时需要指出的是，计算过程中由于涉及的参数较多，对蒸发量的估算结果均有不同程度的影响，需要在计算时考虑周全.4)氢氧稳定同位素对于研究区域水文过程有着重要的作用，本文由于受制于研究区调查范围及样品采集密度，仅对其在上述几个方面作出了应用，但实际上氢氧稳定同位素还有更加广泛的应用空间，比如研究区域地下水、湖水的补给来源，判断承。
持续蒸发与补给蒸发过程中水体咸化及同位素分馏的实验研究
氢氧同位素的分析仪器为 Mat253 气体同位素 质谱仪, 氢同位素测试精度优于 2‰, 氧同位素测试 精度优于 0.2‰。
2 结果与讨论
实验水样的原始组成及蒸发水样的测试结果如 表 1 和表 2 所示。其中唐山水样主要用来分析两种 蒸发实验中水化学演变差异, 衡水水样主要用来分 析同位素富集的差异。
第 44 卷 第 6 期 2015 年 11 月
GEOCHIMICA
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
Vol.44, No.6, 556~563 Nov., 2015
持续蒸发与补给蒸发过程中水体咸化及 同位素分馏的实验研究
李 静 1,2, 王 聪 3, 梁 杏 4*, 马 斌 1, 葛 勤 1
(1. 中国地质大学(武汉) 环境学院, 湖北 武汉 430074; 2. 国土资源部 地裂缝地质灾害重点实验室, 江苏 南京 210018; 3. 湖 北省 环境科学研究院, 湖北 武汉 430072; 4. 生物地质与环境地质国家重点实验室, 中国地质大学(武汉), 湖北 武汉 430074)
实验方案结果说明氢氧同位素在水相的富集不成比例, 氢同位素在蒸发过程中富集速率大于氧同位素。 关键词: 蒸发实验; 补给; 咸化; 氢氧同位素
中图分类号: P597; P599
水面蒸发量昼夜变化初步分析
Analysis of t he Change of t he Wat er Surf ace T r anspir at ion Rat e at Day and Nig ht
WANG Jian-bo, WANG Mei
( H eil on gjian g Erl ongshan Evaporat ion Laborat ory, Bin Coun ty 150400, China)
631 0
421 0 311 2 421 2 361 1 511 8 391 2 421 7 391 6 341 0 391 0 421 5
371 0
5 20 cm
昼 1841 7 791 5 1581 8 811 4 1541 3 841 5 1391 2 871 0 1041 0 841 7 1481 7
表 1 二龙山站 20 m2 蒸发池各月昼、夜蒸发量及占日量百分比统计表
Tabl e 1 20 m2 evaporates pond each month of day and night evaporates rate and quanti ty percentage statistical
5月
6月
水面蒸发量昼夜变化初步分析
王建波, 王 梅
( 黑龙江省二龙山蒸发实验站, 宾县 150400)
摘 要: 以实测资料为基础, 对 20 m2 蒸发池和 E-601、5 20 cm 蒸发皿蒸发量的昼、夜变化进行了初步分析。
关键词: 水面蒸发量; 昼、夜变化; 分析
中图分类号: P332. 2
文献标识码: A
561 2
701 7
431 8
651 5
551 3
581 7
浅析水面蒸发变化规律
浅析水面蒸发变化规律浅析水面蒸发变化规律水面蒸发是水循环过程中的一个重要环节，在水资源评价、水文模型确定、水利水电工程中都需要精确的水面蒸发资料。
随着国民经济的不断发展，人为活动影响环境较大，水资源的开发、利用急剧增长，要求更精确地进行水资源的评价。
常用的水面蒸发器是 E-601型和 20厘米口径蒸发皿，不能够代表自然水体的蒸发能力，影响水资源评价的质量。
国内外许多分析资料认为，当蒸发池的直径大于3.5米时，所测得的水面蒸发量比较接近大水体在自然条件下的蒸发量。
而20平方米蒸发池的直径为5.05米，水深为 2米，符合这一要求。
衡水水文实验站自 1983年建站以来，一直对 20平方米蒸发池水面蒸发进行观测。
经分析资料完整，可靠性高。
水面蒸发量年内年际变化较大，并发现年蒸发量呈减少趋势。
年内分配最大月平均水面蒸发量出现在6月份，其月水面蒸发量可达174.9mm。
月平均蒸发量最小值出现在12月份或1月份，其值一般在 14～ 18mm之间。
1～6月份月平均蒸发量呈上升趋势， 6月份以后呈递减趋势。
6 月份正值麦收时节，太阳辐射强，降水少，气温往往为最高时期，因而蒸发力特别大。
12、 1月份是太阳辐射最小的时期，气温亦为全年最低的月份，因而蒸发力较小。
从季节时段水面蒸发量计算结果看，夏季水面蒸发总量最大，占全年蒸发量的38%；冬季最小，仅占全年蒸发量的 8%。
年际变化水面蒸发量的年际变化较大，变化幅度达317.8mm ,但总体呈递减趋势。
月水面蒸发量越大，其年际变化也越大；7月份变幅最大达80.8mm，1月份变幅最小为15.4mm。
水面蒸发逐渐减小的趋势在6～ 7月表现得最为突出， 6月蒸发量的递减率每年达 1.75mm。
造成水面蒸发量下降的主要原因为近地面平均风速和日照时数均呈显著减少趋势。
这是由于风弱的时候，气流慢，蒸发面的水汽就不易被带到大气中；而日照减少时，蒸发面接受的能量少，水分子动能减弱，水汽扩散也就减慢，水面蒸发量就减小。
滇中地区水库水环境特征分析—以楚雄州境内28座水库为例
环境科学导刊2021，44（1）CN03-1600/X ISSN1673-9655滇中地区水库水环境特征分析—以楚雄州境内28座水库为例段立曾（云南大学生态与环境学院/高原湖泊生态与治理研究院，云南昆明657570）摘要：通过野外监测和室内分析，获取了楚雄州境内28座水库水体的水温、pH值、溶解氧、浊度、电导率、叶绿素o浓度、藻蓝蛋白浓度、氢氧稳定同位素（D、8150）等参数。
梳理了水环境特征及变化，利用相关分析探讨了各参数之间的相互关系。
结果表明：浅水湖库的水温与太阳辐射同步变化,水体的pH值为7~9.3，呈弱碱性至碱性，水体溶解氧浓度为0.0~16.5mg/L，三个水质参数随深度增加而递减。
受风力扰动的影响，水体浊度较高且随深度呈递增趋势。
电导率与溶解性固体总量相对较低，两者在垂向上的变化趋势具有一致性。
大部分水库水中叶绿素a浓度在16p,g/L以内，藻蓝蛋白浓度在5000 cells/mL以内，垂向变化特征一致，表征了蓝藻为水体中的优势藻群。
稳定同位素指示了区域性的降水为水库水源补给的主要形式。
部分水库的水温与叶绿素a、pH，以及藻蓝蛋白与溶解氧、pH之间呈显著的正相关关系。
关键词：水质参数；特征及变化；水库水体；楚雄中图分类号：X52文献标志码：A文章编号：1673-9655（2221）01-0041-160前言水库是介于河流与湖泊之间半自然、半人工的生态系统，具有水位不稳定、水置换周期长、生产力低等特点［1-9］o云南省楚雄州境内的水库众多（232余座），水库类型和功能各异，在区域粮食安全、经济发展、生态稳定等方面具有重要作用［］o 楚雄州水库多修建于20世纪五六十年代，运行年代久远，随着城市发展和人口剧增，点源、面源污染负荷的增加，水质日益恶化、富营养化不断加剧+5］o导致水库功能的减弱或丧失，制约地区社会经济的发展甚至危及人类的健康o水体的基本理化指标如水温、pH、溶解氧、透明度、浊度，氮、磷等营养盐，以及如叶绿素a 和藻蓝蛋白等生物指标，是深入认识湖库水体环境的基础［To其中，水温是水环境评价的重要因子之一，对水生态环境系统中的物理、化学和生物过程起着重要作用5］o叶绿素n浓度、溶解氧含量作为衡量水体富营养化及自净能力的指标5］,两者之间相互影响。
大气降水氢氧同位素组成特征及水汽来源探讨
大气降水氢氧同位素组成特征及水汽来源探讨1 引言氢(δD)、氧(δ18O)稳定同位素是广泛地存在于自然水体中的环境同位素.自然水体通过蒸发、凝聚、降落、渗透和径流等形成水分的循环，且在水分循环过程中产生同位素分馏现象，即较轻的同位素(1H和16O)会先蒸发到气相中，同时较重的同位素(2D和18O)则先凝结到液相.降水是水循环过程中的一个重要环节.大气降水中氢(δD)、氧(δ18O)稳定同位素组成及分布主要受到蒸发和凝结作用的制约，当云中的水蒸汽冷凝形成雨滴时，18O和D不断由潮湿的空气中优先冷凝，当降水不断进行，降水中中重的18O和D不断被淋洗，则表现为降水中δD和δ18O逐渐贫化.大气降水中稳定同位素组成及分布与产生降水水汽来源的初始状态及水汽输送过程发生的变化密切相关，同时，降水中氢氧同位素存在着大陆效应、温度效应、降水量效应和纬度效应等.不同时间和区域大气降水的同位素发生有规律的变化，因此，国内外学者常借助降水中氢氧稳定同位素变化来研究水汽的来源地域、水循环过程的历史信息、天气气候特征等.早在1961年，世界气象组织WMO和国际原子能机构IAEA就已建立全球大气降水同位素观测网络，开始对大气降水中同位素组成进行观测，为研究全球和局地大气环流及循环的机制提供同位素资料数据.我国对降水中氢氧同位素的研究起步较早，大量的研究对大气降水稳定同位素组成与温度、降水量、蒸发等因素进行了探讨分析并建立降水线方程，如我国较干旱的东北地区、西北内陆地区及华北地区，较湿润的西南地区、华东地区和华南地区，这些基础数据为研究水循环特征提供了依据.HYSPLIT后向轨迹模型主要用于降水水汽源的模拟和分析，确定各水汽源的来源和输送路径，特别是基于聚类分析的结果具有较好的可信性，可用于确定不同水汽输送路径的权重比例.厦门地处东南沿海地区，是典型的亚热带季风气候区.虽已有学者对厦门岛内大气降水的同位素分布特征及同位素值与温度、降水量等影响因素的关系进行了比较深入的探讨，积累了重要的原始数据基础，然而观测点主要局限于厦门岛内单个点，对于整个厦门地区的降水同位素情况了解不够全面.此外，对于降水水汽来源及输送路径缺乏模型模拟的分析，而关于水汽来源及输送路径所占的权重比例研究更是未见报道.因此，本研究同步采集厦门地区6个站点的典型月份降水来分析其降水中氢(δD)、氧(δ18O)同位素值的变化特征，同时，利用测定的降水中δD和δ18O 基础数据建立厦门地区大气降水线方程，并分析年尺度和月尺度下降水中稳定同位素值与降水量之间是否存在显著的“降水量效应”.同时，采用HYSPLIT后向模型模拟厦门地区的水汽来源及输送路径，并基于聚类分析的结果探讨不同水汽输送路径的权重比例.2 材料与方法2.1 监测布点本研究在厦门地区共设立6个雨水监测点(图 1)，分别为海沧新阳工业区(缩写XY)、翔安混合区(缩写XA)、洪文商住混合区(缩写HW)、鼓浪屿商住混合区(缩写GLY)、坂头水库区(缩写BT)、小坪森林公园(缩写XP).其中，坂头水库区和小坪森林公园为自然保护区，鼓浪屿作为厦门市重要的旅游区.图1 厦门地区大气降水采样点分布图2.2 样品的采集与贮存降水样品的收集采用智能降水采集器(ZJC-Ⅱ型，杭州恒达公司生产)自动搜集降雨.若一天中有几次降水过程，可合并为一个样品测定;若遇连续几天降雨，则收集当日上午8：00至次日上午8：00的降水，即24 h降水样品作为一个样品进行测定.为避免干沉降的影响，降水结束后0.5 h 内立即取回.采集的样品移入洁净干燥的聚乙烯塑料瓶中，密封保存.样品带回实验室后立即经0.45 μm的混合纤维素滤膜过滤后置于4 ℃冰箱保存待测.所有样品在10 d内完成从采样到分析的全过程.根据厦门沿海地区气象条件的特点，选取采样期降水量多的月份、并且可代表各个季节的典型月份.其中，以2012年12月、2013年4月和7月分别代表冬季、春季和夏季，在6个站位共收集到60个降水样品.2.3 样品的分析降水中氢氧同位素值的测定采用稳定同位素质谱仪(ThermoFisherTM MAT 253)、元素分析仪(ThermoFisherTM Flash 2000)和Con FloⅣ连续流模式同位素质谱仪联用.分析过程中采用手动进样，将0.1 μL降水样品注入裂解炉，在高温下形成的水蒸气与填充于裂解炉内的玻璃碳粒在1400 ℃下发生还原反应，形成的H2和CO混合气在He载气(流速100 mL · min-1)的携带下，通过柱温90 ℃、内填0.5 nm分子筛的气相色谱柱分离，然后依次通过Con Flo Ⅳ导入稳定同位素质谱仪的离子源内，实现单次分析中顺序同时测定δD和δ18O.样品的标准样品为国际标样SMOW(标准平均大洋水)，样品测试一定量间隔插入标准样品的测试，用于检测仪器是否稳定，偏差在5%以内可继续进行样品分析.测量精度δD为±0.3‰，δ18O为±0.1‰.2.4 轨迹模式简介本文中气团轨迹模型采用美国海洋大气研究中心空气资源实验室开发的HYSPLIT.模型所使用的气象资料来自美国国家环境预报中的全球再分析资料，可在ftp:///pub/下载.通过HYSPLIT后向轨迹追踪模式来追踪厦门地区大尺度上水汽输送路径，模式分别计算春季、夏季和冬季降水期间每天00：00、06：00、12：00和18：00到达厦门地区的气团轨迹，既可覆盖连续性降水，也可提高追踪水汽来源路径的精确性，并进行聚类分析计算出每组输送路径的比例权重.3 结果与分析3.1 大气降水δD和δ18O的分布特征图 2为厦门地区大气降水氢氧同位素的季节性分布图.厦门地区大气降水δD和δ18O的波动范围较大，δD在-93.61‰~16.14‰范围内波动，平均值为-32.29‰±26.69‰，而δ18O在-11.98‰~0.29‰范围内波动，平均值为-5.40‰±3.13‰.研究表明，我国大气降水δD的范围为-190‰~ 20‰，δ18O的范围为-24‰~2.0‰.与之比较，厦门地区大气降水的δD和δ18O均落在我国大气降水δD值和δ18O值的范围内.1998年厦门岛内大气降水δD值为-108‰~-3.0‰，δ18O值为-14.87‰~-2.17‰，而2004—2006年厦门岛大气降水δD值为-74.7‰~7.3‰，δ18O值为-10.30‰~-0.13‰.比较可知，本文研究期间厦门地区降水中δD和δ18O变化幅度(分别为109.75‰和12.27‰)与1998年厦门岛降水中δD和δ18O的变化幅度(分别为106‰和12.7‰)高度一致，且均高于2004—2006年间厦门岛降水中δD和δ18O的变化幅度(分别为82‰和10.7‰)，反映出本文研究期间和1998年研究期间厦门地区可能经历了极端气候的影响(如2013年的超级台风“苏力”和热带风暴“西马仑”，1998年的第10号台风).图2 大气降水δD和δ18O的分布厦门地区冬、春、夏3个季节δD值分别为-27.83‰±8.77‰、-7.86‰±8.07‰和-61.17‰±4.85‰;而冬、春、夏3个季节δ18O值分别为-5.62‰±1.14‰、-2.18‰±0.80‰和-8.42‰±0.62‰.厦门地区6个采样点δD值和δ18O值均表现出显著的季节性差异，不同采样点降水的δD和δ18O值均表现出春季最高，而夏季最低.厦门地区大气降水的氢氧同位素值呈现出显著的季节特征，这种季节特征主要受到两个方面的影响：一是大尺度上的水汽来源，包括水汽的蒸发来源和水汽在输送过程中同位素所发生的变化;另一方面是区域性的地理因素，其中，包含了温度、降水量、相对湿度、采样点等各项因素的共同作用.研究表明，厦门地区季节变化的主要决定性因素应是季风气候的影响.因此，本文首先利用HYSPLIT模式来模拟厦门地区春、秋和冬季降水期间水汽的输送情况，勾画大气气团在一定时间内的运动路径，从而判断降水水汽的来源和输送途径.后向轨迹聚类图(图 3)中，线条的指向表示水汽的来源，线条的起伏波动表示水汽输送的路径，线条的百分比表示该水汽输送路径占总的输送路径的比重.3.2 后向轨迹分析降水水汽的来源看厦门地区不同降水期间的后向轨迹图.根据后向轨迹的聚类分析，厦门地区夏季降水期间的气团均来自温暖湿润的低纬度地区，主要是南海(36%)和西太平洋地区(64%)，其具有湿度大、蒸发较弱的特点.海洋湿润气团在向大陆移动过程中，沿途气团中的重同位素受到较强的冲刷作用，使得其降水同位素值越来越贫化.由这两类气团带来的大量降水导致了厦门地区夏季降水的δD 和δ18O值最低(分别为-61.17‰±4.85‰和-8.42‰±0.62‰).卫克勤指出，台风中心经过的地区常有大暴雨或特大暴雨，由于气团长距离迁移和降水量效应(即降水中稳定同位素比值与降水量之间存在显著的负相关关系)导致台风雨δ值相当低.2013年7月13日和7月19日，厦门地区先后受到超级台风“苏力”和热带风暴“西马仑”的影响，由于该类气团本身的同位素值偏低并且伴随着大量的降水，因此，该时间段δD和δ18O值表现为全年最低值.“苏力”台风影响期间，厦门地区δD和δ18O最低值分别为-49.86‰和-10.06‰(坂头)，而热带风暴“西马仑”影响期间，δD和δ18O最低值分别为-86.01‰和-11.45‰(坂头).受此类水汽影响，厦门地区夏季δD值(-61.17‰±4.85‰)和δ18O值(-8.42‰±0.62‰)偏低，远低于冬季和春季的δD和δ18O 值.厦门地区冬季降水期间有部分受到来源于北方亚洲大陆的气团输送(4%来自哈萨克斯坦).这一气团经我国蒙古及华北地区，不经湿润的海域直接到达研究区域，气团输送过程中，由于气团干燥，蒸发作用强烈而产生同位素富集，使得蒸发水汽中同位素值偏高;另外，来自西部近地源(华中地区82%)的气团及14%来自俄罗斯的气团在传输过程中先进入东海海域再到达研究区域，从海上带来的较为湿润的水汽对冬季降水同位素值偏低作出贡献.厦门地区冬季δD值(-27.83‰±8.77‰)和δ18O值(-5.62‰±1.14‰)并未表现为年最高值，而低于春季的δD和δ18O值，说明带来低值同位素降水的水汽比带来高值同位素降水的水汽贡献大.春季降水期间气团来源较为复杂多样，有来自于俄罗斯(19%)和我国华北地区(52%)湿度低的冷空气，也有来自于南海及南亚国家湿润气团(28%)的贡献.春季厦门有一场降水的δD和δ18O值最高，分别为δD=5.782‰，δ18O=-0.929‰.厦门地区观测期间受到内陆(西北内陆及俄罗斯)冷气团的影响，由于其空气湿度较小，局地蒸发较快，因而降水中重同位素δD和δ18O富集，导致降水中同位值偏高.厦门地区春季(4月份)降水中同位素值最高，这与蔡明刚的研究结果是一致的.春季同位素值的偏高除了与水汽来源有关，还与雨水在下降过程中受到强烈的二次蒸发作用导致重同位素富集影响有关.厦门地区6个采样点降水的δD和δ18O值春季和夏季无明显的时空分布规律，而冬季表现出随地理位置由北至南逐渐富集的现象(具体地理位置分布见图 1)，即δXP<δBT<δXA<δXY<δHW<δGLY.由图 3后向气团轨迹图可知，冬季影响厦门地区降水气团相对来说较为单一，以内陆的干冷空气为主，因此，局部的地理因素是冬季δD和δ18O值空间规律性的主要影响因素，其中包括气象要素(如降水量、气温、湿度等)及经纬度、海拔高度、采样点的选择等.3.3 厦门地区大气降水线图 4为厦门地区大气降水线.由于水在蒸发和凝结过程中的同位素分馏，使大气降水的δD和δ18O之间存在着线性关系，这一关系用最小二乘法表示，即为大气降水线方程.大气降水线可以较好地反映某一地区的自然地理和气象条件，在解决气候变迁和水汽来源等方面具有明显的优势.由图 4可知，厦门当地大气降水线方程为δD=8.35δ18O+12.52，与Yurtsever提出的全球降水线方程(δD=8.17δ18O+10.56)近似.厦门地区降水线方程的R2=0.906，表明厦门地区降水的δD 和δ18O值有显著的相关性.表 1为国内城市降水线方程汇总表.本文研究期间厦门地区大气降水线方程与蔡明刚和陈锦芳等的方程相比较，截距及斜率略有偏高.但仍可发现，本次降水线与蔡明刚等的研究结果吻合度较高，这可能与两次研究期间，厦门地区均受到台风带来的强降水作用有关，而陈锦芳等研究期间，台风/热带风暴的影响相对较弱.图4 厦门地区大气降水线由于雨滴在降落过程中受到不平衡的二次蒸发作用而引起同位素分馏，降水中同位素值相应地会因蒸发而偏离全球大气降水线/全国大气降水线，从而表现为斜率及截距变小的当地大气降水线.空气相对湿度越低的地区，不平衡蒸发作用越强烈，则大气降水线的斜率和截距越小.由表 1可知，区域分布上，我国大气降水线总体表现为南方地区(主要包括华东、华南和华中地区)大气降水线的斜率及截距大于全球大气降水线/全国大气降水线的斜率及截距，而北方地区(主要包括东北、华北地区)则相反，反映出南方地区空气湿润多雨，北方地区干燥少雨的特点.位于湿润多雨的华南地区的厦门，在本文研究期间及1998年研究期间大气降水线的斜率和截距均高于全球大气降水线，而2004—2006年研究期间在受到二次蒸发作用的影响，大气降水线也有表现为斜率和截距低于全球大气降水线的情况.表1 我国主要城市的降水线方程我国地域辽阔，气候类型复杂多样，大气降水中氢氧同位素及大气降水线常出现一些特别的例子.如干旱、半干旱的西北地区，大气降水线总体表现为斜率及截距都低于全球大气降水线(表 1)，然而平凉、拉萨和银川(表 1)的大气降水线的斜率和截距高于全球大气降水线的斜率和截距，表明这些地区在形成降水的过程中受到温度、蒸发等因素的影响.在形成降水的水汽经过多次蒸发，分子质量小的氢同位素比分子质量大的氧同位素的分馏速度快，因此，在其他条件相同的情况下，降水中δD偏重的程度大于δ18O，表现为这些地区降水的斜率和截距都偏大.湿润温暖的西南地区，大气降水线的斜率及截距总体高于全球大气降水线(如表 1中西南地区的云南腾冲和重庆)，然而位于四川盆地的成都和黄龙大气降水线的斜率及截距表现为低于全球大气降水线的斜率和截距，这与四川盆地的地理位置有关.四川盆地地处西风带越过青藏高原后的背风区，盆地内的降水水汽主要来源于地表水的蒸发，所以降水中δ18O偏正，大气降水线的斜率和截距也就偏小.3.4 大气降水中氘剩余值图 5为厦门地区降水氘剩余值变化趋势，其中，氘剩余值(d值)用方程d=δD-8δ18O来表示.d 值的大小相当于某一地区降水线斜率ΔδD/Δδ18O为8时的截距，可直观地反映该地区大气降水蒸发、凝结过程的不平衡程度.一般而言，降水水汽来源于空气相对湿度越低的干燥地区，其不平衡蒸发越强烈，d值越高;而相对湿度越大的湿润地区，蒸发作用小，d值则越小.由图 5可知，厦门地区d值波动范围较大，在-5.13‰~32.25‰范围内变化，说明厦门地区降水的水汽来源较为多样，降雨条件较为复杂.厦门地区降水的d值的平均值为10.95‰±1.77‰，略高于全球d平均值(10‰).总体上，厦门地区全年d平均值表现为冬季最高，春季次之，夏季最低，甚至出现负值.综合HYSPLIT轨迹模型的分析，厦门地区d值出现夏低冬高的规律，主要与其水汽来源有关，夏季的水汽气团主要来自西太平洋和南海湿润地区，来自这些地区的气团湿度大、蒸发弱，则d值较低;而冬季则来自于干燥的亚欧大陆、俄罗斯地区，此外还有近地源(华中地区)的影响，来自这些地区的气团湿度小、蒸发大，则d值较高.由图 5还可知，春季降水d值在部分采样点(如XY和GLY)表现出较低值，这可能与春季有一场来自于南海湿润地区气团贡献的降水有关(图 3).理论上，大尺度的水气循环中，厦门地区6个采样点受到相同的水汽源的影响，应表现为相同的d值，而图中表现为不同采样点相同季节d值的差异.这与不同采样点周围环境的差异(如湿度、温度)导致其影响水汽二次蒸发的程度不同，从而表现为不同采样点相同季节d 值的差异.图5 厦门地区降水氘剩余值变化趋势3.5 大气降水量和同位素值相关性图 6为厦门地区大气降水量与同位素值的相关性分析结果.厦门地处东南沿海地区，受季风气候的影响较大.大量的研究表明，厦门地区由于受季风气候影响很大，降水量效应显著，掩盖了温度效应，即温度效应不明显，而降水量效应明显，因此，本研究只对降水量与同位素的关系进行探讨.由图 6可知，年尺度下，厦门地区氢氧同位素与降水量呈显著负相关关系(r分别为-0.477和-0.369，p<0.01)，即降水量效应.这种现象首先与厦门地处东南沿海地区，降水的水汽受到来自海洋的气团影响较大有关，海洋气团具有湿度大、蒸发弱、降水量大、氢氧同位素组成相对较低的特点;此外，厦门地区全年温度变化小、相对湿度大、降水量大，降水过程中空气饱和差容易得到补偿，随着降水的持续，余地蒸发浓缩作用不明显，导致降水同位素组成偏低.而厦门地区7月份降水量与δD值相关性不显著，而降水量与δ18O呈显著的正相关关系(r=0.716，p<0.05).这种月、季尺度出现氢氧同位素和降水量不呈负相关的现象在南京地区(王涛等，.2013)和华北地区等地均出现过.由于本文降水中氢氧同位素值是基于日降水所得的观测数据，因此，更易受到风速、大气稳定度、湿度及水汽来源等短期天气因素的影响，从而表现出反降水量效应的现象.图6 大气降水量与δD、δ18O值的相关性4 结论1)厦门地区大气降水中氢氧同位素组成具有明显季节性差异，其中，夏季降水中氢氧同位素最为贫化，春季降水氢氧同位素相对偏正.这种季节性差异与厦门地区水汽来源有重要的关系，夏季降水气团主要来自于湿润温暖的西太平洋和南海，而春季的气团主要来自于寒冷干燥的亚欧大陆、俄罗斯及我国华北地区.说明水汽来源是影响厦门地区大气降水稳定同位素组成的最重要原因.2)厦门当地大气降水线方程为δD=8.35δ18O+12.52，截距及斜率相较于全球大气降水线(δD=8.1718O+10.56)和全国大气降水线(δD=7.9δ18O+10.56)均略有偏高.汇总我国大气降水线，总体表现为南方地区(主要包括华东、华南和华中地区)大气降水线的斜率及截距大于全球大气降水线，而北方地区(主要包括东北、华北地区)则相反，反映出南方地区空气湿润多雨，北方地区干燥少雨的特点.厦门位于湿润多雨的南方地区，大气降水线一般表现为斜率及截距高于全球大气降水线，在受到二次蒸发作用的影响大气降水线也有表现为斜率和截距低于全球大气降水线的情况.3)厦门地区d值波动范围较大，在-5.13‰~32.25‰范围内变化，说明厦门地区降水的水汽来源较为多样，降雨条件较为复杂.总体上，厦门地区降水中d值表现为夏季低，冬季偏高，这与夏季降水气团来源于较湿润地区，冬季则相对干燥有关.具体参见污水宝商城资料或更多相关技术文档。
黄河水氢、氧同位素组成的空间变化特征及其环境意义
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