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

论文摘要

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,p<0.02）δD=9.12T-79.38（r=0.43,p<0.04）。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,p<0.01）,δ18D=-11.76P-0.77（r=0.56,p<0.05）。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%。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 选题背景及研究意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 多年冻土区河流水化学研究
• 1.2.2 多年冻土区水循环研究中的环境同位素应用
• 1.2.3 多年冻土区流域水文特性研究
• 1.3 主要研究内容及技术路线
• 1.3.1 科学问题
• 1.3.2 主要研究内容
• 1.3.3 技术路线
• 第二章 研究区概况
• 2.1 地理位置
• 2.2 气候
• 2.3 植被
• 2.4 土壤
• 2.5 水文
• 2.6 多年冻土及冻结融化特征
• 第三章 研究方法与采样
• 3.1 研究方法及应用原理
• 3.1.1 水文循环中氢氧稳定同位素
• 3.1.2 气象和径流数据采集
• 3.2 采样方案与测试
• 3.2.1 采样方案
• 3.2.2 采样方法及样品测试
• 第四章 研究流域降水中环境同位素特征
• 4.1 地区大气降水线及氘盈余（d）特征
• 18O时间变化特征'>4.1.1 降水中δD和δ¹⁸O时间变化特征
• 4.1.2 地区大气降水线
• 4.1.3 降水中氘盈余特征
• 4.2 降水中同位素效应
• 4.2.1 降水中氢氧同位素与温度的相关关系
• 4.2.2 降水中氢氧同位素与降水量的相关关系
• 4.3 小结
• 第五章 研究流域河水中环境同位素及水化学时空变化特征
• 5.1 河水中氢氧同位素及其时空变化特征
• 5.1.1 氢氧同位素季节变化特征
• 5.1.2 氢氧同位素空间变化特征
• 5.1.3 河水氘盈余（d）特征
• 5.2 河流水化学及其时空变化特征
• 5.2.1 水化学季节变化特征
• 5.2.2 水化学空间变化特征
• 5.2.3 河流主要离子来源与成因分析
• 5.3 研究区域"三水"转化的同位素示踪
• 18O的相互关系'>5.3.1 地表水、地下水与大气降水δD--δ¹⁸O的相互关系
• 5.3.2 径流组分分割
• 5.4 小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 硕士在读期间参加的科研项目和发表的论文
• 致谢