降水过程中氢氧稳定同位素理论关系研究

大气降水过程中氢氧稳定同位素比值呈现一定的规律,分析了瑞利分馏中分馏系数的影响因子,基于瑞利分馏原理和质量守恒定律,分别推导了开放系统和封闭系统降水过程中的稳定同位素微分方程模型,研究了大气降水过程中氢、氧稳定同位素变化规律,导出了云团水汽和降水氢、氧之间的相互关系,结果表明这一关系并非简单的线性关系。     

蒸发过程中水体稳定同位素富集与空气湿度的关系

通过同位素分馏模型的物理意义分析及实验模拟分析,探讨空气湿度对蒸发过程水体稳定同位素富集过程的影响机理,研究认为:1空气相对湿度决定了扩散系数和自由空气同位素组成对分馏系数的影响比例,空气相对湿度越小,分馏系数受扩散分馏系数影响越大,分馏系数受自由空气水汽同位素组成影响则越小,反之亦然;2空气相对湿度与蒸发残余水体氢氧稳定同位素富集程度具有负相关性,即空气湿度越大越不利于残余水体重同位素富集;3模拟残余水体同位素丰度对空气相对湿度的敏感性呈负指数关系。在无外界气态水介入的蒸发实验中,残余系数为0.194条件下,当相对湿度小于80%时,H、O稳定同位素模拟结果对湿度的敏感性均小于0.0002,即相对湿度变化对模拟残余水体同位素丰度影响很小;当湿度大于80%时,湿度变化对模拟结果的影响呈指数关系急剧增加,湿度大于80%的蒸发实验需要准确观测相对湿度值。     

水体蒸发过程中稳定同位素分馏的模拟

通过对非平衡条件下水体蒸发中稳定同位素分馏机制的分析, 模拟了蒸发水体中稳定同位素比率的变化及与温度、大气湿度的关系. 在瑞利模式中, 剩余水中的稳定同位素随剩余水比例f的减小不断富集, 富集的速率与温度呈反比. 在动力蒸发条件下, 稳定同位素的分馏不仅与相变温度有关, 而且受大气湿度和液-气相之间物质交换的影响. 在动力蒸发过程中, 相对湿度越小, 剩余水中稳定同位素比率随 f的变化越快. 当相对湿度较大时, 在经历了一段时间蒸发后的剩余水中的δ将不随 f变化. 蒸发水体达到稳定状态的速率主要取决于大气的相对湿度. 当温度约20℃时, 在瑞利平衡条件下模拟的蒸发线与全球大气水线较接近. 在非平衡蒸发条件下, 蒸发线的梯度项和常数项与温度和相对湿度呈正比.     

基于瑞利分馏模式的水体蒸发线斜率模型

瑞利分馏模式是研究水体蒸发同位素变化规律的重要方法。分析了瑞利分馏中分馏系数的影响因子,基于瑞利分馏模式推导了自由水体蒸发线斜率理论方程。分析了湿度和温度因子对于蒸发线斜率的影响。结果表明,在温度不变的情况下,蒸发线斜率随着湿度的增加而减少;在湿度不变的情况下斜率随着温度的升高而增大。利用黄河中游地区的湿度和温度气象因子,基于该斜率模型模拟了黄河中游地区地表水体蒸发线斜率,并进行了实例验证。     

蒸发皿中水面蒸发氢氧同位素分馏的实验研究

气象要素与蒸发密切相关,通过室内外不同气象条件下的器皿水蒸发实验,获得了水面蒸发氢氧稳定同位素分馏因子与气象要素的关系。实验结果表明,随着蒸发的进行,剩余水体中逐渐富集重同位素;自由水体蒸发同位素分馏在垂线上有分层现象,表层水体同位素值比垂线平均的同位素值略富集;不同温度条件下的室内蒸发实验中,温度越高,液-气间分馏系数越小,相应于同一剩余水体体积比,剩余水体稳定同位素值则越低。室外器皿水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。     

华北平原典型区水体蒸发氢氧同位素分馏特征

为研究华北平原衡水地区水体蒸发氢氧同位素分馏特征,采集不同盐度的深层地下淡水(TDS 为0.61g/L)和浅层地下咸水(TDS为7.97g/L),现场开展室外器皿蒸发实验,获得了当地气象条件下氢氧同位素分馏参数.实验结果显示,淡水及咸水剩余表层水δ18O与剩余水比率f呈指数关系,与瑞利分馏模拟结果一致,δD和δ18O蒸发线斜率分别为4.78和4.69.整个蒸发过程中,淡水及咸水氢氧同位素值增量ΔδD分别为Δδ18O的4.82倍和4.76倍;剩余表层水相对于初始水δD和δ18O的变化量与累积蒸发量之比,淡水分别为2.68‰/cm和0.56‰/cm,咸水分别为2.78‰/cm和0.61‰/cm;而在不同的蒸发时段,剩余表层水δD和δ18O的变化量与蒸发量无明显相关性.受水分子扩散的影响,蒸发皿中氢氧同位素分馏在垂线上分层微弱.由于水体盐度较低,在当地气候条件下进行自由蒸发时,氢氧同位素分馏的盐效应可以忽略.     

稳定性氢氧同位素在水体蒸发中的研究进展

介绍了同位素分馏的基本概念以及利用稳定同位素研究水体蒸发的基本原理。综述了国内外对水体蒸发中稳定同位素分馏机制的研究,分析了温度、湿度等气象因子对蒸发同位素分馏的影响,对动力分馏模型进行了详细推导,概述了利用同位素估算蒸发量的方法。指出了国内这方面研究的不足,并展望了今后的研究趋势。     

基于氢氧同位素方法的城市水体蒸发定量估算

氢氧稳定同位素常用于水体蒸发研究,但传统同位素分析手段会明显制约水量平衡的定量估算。基于国际上新发展的液态水氢氧同位素分析技术,分析了2012年10月和2013年1月上海市区河水的氢氧同位素组成。研究发现,10月份河水蒸发量可达8.6%,1月份蒸发量仅为2.8%;受蒸发量的影响,10月河水δ18O平均值(-6.60‰)高于1月(-6.95‰);而因1月河水的同位素分馏程度高于10月,使δD的平均值(-48.04‰)高于10月(-49.13‰)。河水蒸发线为δD=4.4δ18O–16.5,在一定程度上反映了上海地区少雨季节(11月至翌年4月)流通性相对不畅的水面受蒸发影响的程度。该研究可为定量估算大型水库以及与地表径流交换较弱的湖泊等水体蒸发量和水循环机制研究提供借鉴。     

树轮氢、氧同位素研究进展

总结了树轮氢氧同位素的分馏原理及其时间序列和空间变化与气候变迁之间的关系。研究表明,树轮氢氧同位素组成的变异反映了源水同位素组成、温度、相对湿度和降水量的变化。同时,对今后树轮同位素的发展方向作了展望。     

利用δ53Cr定量评价Cr(VI)还原程度的实验研究

地下水污染的原位修复是当今国际上净化地下水最具发展前景的新技术,但对铬污染地下水原位修复尚未有科学有效的评价方法。定量评价地下水中Cr(Ⅵ)的被还原程度成为保护与修复铬污染地下水的关键问题。通过室内Cr(Ⅵ)的还原实验,分析Cr(Ⅵ)在还原过程中铬稳定同位素变化规律,研究其分馏机理,探索利用铬同位素定量评价地下水中Cr(Ⅵ)还原程度的可行性。研究结果表明:Cr(Ⅵ)在被还原成Cr(Ⅲ)过程中,发生明显的同位素分馏,即反应物中53Cr逐渐富集,同时生成物中52Cr逐渐富集;分馏过程可用瑞利分馏模型描述,分馏系数α为常数0.99842。表明δ53Cr能够定量评价水体中Cr(Ⅵ)的还原程度,为评价地下水铬污染修复提供了新途径。     

水位流速耦合演算模型研究

河道防洪,水位和流速是重要的预报特征量.目前对于缺乏流量观测资料和没有稳定水位流量关系线的河道,几乎还没有实用、有效和具有通用性的水位与流速双变量预报模型.以水流质量和力的平衡方程为基础,根据因次分析方法,提出摩阻的导数表达结构,并差分形成水位流速双变量耦合演算模型.通过钱塘江、赣江和桂江3个流域中4个河段的模拟检验,取得了较好的结果,率定期和检验期的确定性系数都大于0.7.初步证明了双变量耦合演算模型结构的合理性和模拟实际河道水流的有效性.     

祁连山古浪河流域径流组分特征

为了探究气候变暖、冰冻圈急剧萎缩背景下祁连山内陆河的水文状况,依据古浪河流域所采集的各类水体样品和相关观测数据,分析了各水体稳定同位素特征及其所指示的环境意义,并进行了径流分割。结果表明：（1）与降水相比,河水稳定同位素年际变化较小,从季节变化角度来看,河水δ¹⁸O值夏季 > 秋季 > 春季 > 冬季,反映了不同季节蒸发强度的差异。（2）泉水稳定同位素特征与河水相似,年际变化较为稳定,表明山区河水与泉水之间可能存在转换过程。（3）由于土壤水分交换、地表土壤蒸发、植被蒸腾以及土壤水和地下水之间的同位素差异,引起土壤水同位素组成的梯度差异比较明显,土壤水δ¹⁸O由地表向下经历了富集―贫化―富集的过程,d-excess变化则与之相反。（4）径流分割结果显示大气降水对古浪河流域出山径流的补给率高达76%±2.4%,冻土层上水补给为24%±2.4%。     

Turnover of oxygen and hydrogen isotopes in the body water, CO2, hair, and enamel of a small mammal

Oxygen and hydrogen isotope signatures of animal tissues are strongly correlated with the isotope signature of local precipitation and as a result, isotope signatures of tissues are commonly used to study resource utilization and migration in animals and to reconstruct climate. To better understand the mechanisms behind these correlations, we manipulated the isotope composition of the drinking water and food supplied to captive woodrats to quantify the relationships between drinking water (δ_dw), body water (δ_bw), and tissue (δ_t). Woodrats were fed an isotopically constant food but were supplied with isotopically depleted or enriched water. Some animals were switched between these waters, allowing simultaneous determination of body water turnover, isotope change recorded in teeth and hair, and fractional contributions of atmospheric O₂, drinking water, and food to the oxygen and hydrogen budgets of the animals. The half-life of the body water turnover was 3-6 days. A mass balance model estimated that drinking water, atmospheric O₂, and food were responsible for 56%, 30%, and 15% of the oxygen in the body water, respectively. Drinking water and food were responsible for 71% and 29% of the hydrogen in the body water, respectively. Published generalized models for lab rats and humans accurately estimated δ_bw, as did an updated version of a specific model for woodrats. The change in drinking water was clearly recorded in hair and tooth enamel, and multiple-pool and tooth enamel forward models closely predicted these changes in hair and enamel, respectively. Oxygen and hydrogen atoms in the drinking water strongly influence the composition of the body water and tissues such as hair and tooth enamel; however, food and atmospheric O₂ also contribute oxygen and/or hydrogen atoms to tissue. Controlled experiments allow researchers to validate models that estimate δ_t based on δ_dw and so will increase the reliability of estimates of resource utilization and climate reconstruction.     

基于环境同位素技术的河水补给研究——以沈阳黄家傍河水源地为例

河水入渗补给是傍河水源地的主要补给来源,确定河水补给强度对于促进水源地长期安全的开采具有十分重要的意义。以沈阳黄家水源地为研究区,通过对比研究区河水、地下水的水化学及氢氧稳定同位素特征,分析了水源地地下水的补给来源及强度。结果表明:傍河水源地地下水主要接受河水的入渗补给和区域地下水的侧向补给;受河床沉积物和含水介质的岩性及结构在空间上的差异影响,河水入渗补给后在向地下水位漏斗中心流动的过程中具有浅层和深层两条地下水流路径,深层地下水与河水的水力联系更为紧密;河水对地下水的补给强度具有明显的时空变化特点,表现为雨季河水入渗强度明显大于旱季,并且随着与辽河距离的增加,水源地地下水获得的河水补给量呈逐渐减小的趋势。     

Oxygen isotope partitioning between phosphate and carbonate in mammalian apatite

The oxygen isotope compositions of phosphate and structural carbonate in mammalian enamel and bone apatite are linked to that of body water at constant body temperature near 37°C, but the isotope systematics of oxygen in structural carbonate are not well understood. Using coupled measurements of the oxygen isotope composition of structural carbonate and phosphate from horse tooth enamel, the apparent oxygen isotope fractionation factor between structural carbonate and body water is estimated to be 1.0263 ± 0.0014. These estimates provide a quantitative basis for using the oxygen isotope composition of structural carbonate in mammalian biogenic apatite for ecological, climatological, and physiological reconstruction.     

含分数阶的灰色模型及其在地基沉降预测中的应用

基于灰色理论建立的传统沉降预测模型均为整数阶,存在不连续、与实测数据差异较大的缺陷。鉴于此,本文以灰色模型为研究对象,通过改变模型中的整数阶微分为分数阶微分来改进灰色模型的预测效果。本模型与传统模型的最大区别在于增加了分数阶阶次的识别,首先结合灰色理论得到无输入的常微分方程;接着对其引入输入项,并将常微分方程做变换得到含分数阶的微分方程;最后将该模型与实测数据进行对比,且与传统灰色理论沉降预测模型进行误差计算,发现本文建立的沉降预测模型可以较好地预测地基沉降。     

Preliminary research on hydrogen and oxygen stable isotope characteristics of different water bodies in the Qilian Mountains,northwestern Tibetan Plateau

Hydrogen and oxygen stable isotope in water bodies is a widely used tracer in hydrological process studies. In order to provide a basis for stable isotopic characteristics in different water bodies at the high mountainous area of northwestern Tibetan Plateau, samples for river water, groundwater, soil water, and plant water were collected from 10 sites in the Qilian Mountains during July and August 2015, and then analyzed for δ¹⁸O and δD, respectively. Results indicated that the stable isotope values of soil water were mostly plotted below the global meteoric water line (GMWL), which suggested that evaporation made heavy isotope in soil water enriched. The stable isotope values of soil water were quite different in the top soil layer, but tended to be uniform in the deep soil layer. Furthermore, the stable isotope difference of plant water is related to climatic conditions, water isotopes utilized by plant, plant species, growing season, and so on. Additionally, the variation of δ¹⁸O values for river water and groundwater relatively coincided with each other, and this showed the recharge sources of above two water bodies may be consistent. The stable isotope values of river water and groundwater were mainly plotted on the upper left of GMWL, and the lower level of isotopic fractionation due to weak evaporation may accountable for this.     

水稳定同位素示踪的冰川流域水文模拟及不确定性研究

水文模拟不确定性长期以来是制约寒区水文发展的瓶颈问题。水稳定同位素示踪为认识冰川流域径流过程提供了重要“指纹”信息,但仍缺乏有效模型将该信息与冰川水文模型耦合,而且同位素信息对冰川流域水文模型不确定性的约束效果也有待检验。将水稳定同位素信息（δ¹⁸O）与冰川流域水文模型FLEX^G相耦合,实现对冰川流域水稳定同位素和径流过程的耦合建模（FLEX^G-iso）,并在乌鲁木齐河源1号冰川流域进行模拟检验和径流分割。结果表明：模型不仅对2013—2016年径流过程有良好的模拟效果,还可以重现水稳定同位素、冰川物质平衡等重要过程。利用水稳定同位素这一辅助数据,提高了模型参数的识别能力,减少了模拟过程中各水源的相互妥协效应和不确定性范围。2013—2016年1号冰川断面径流32%~34%来自融雪,48%~51%来自融冰,0%~7%来自地下水,12%~15%来自降雨径流。水稳定同位素对雪和冰川相关中间过程有明显的约束能力,原有模型对融冰贡献的模拟偏高约7%。FLEX^G-iso模型的建立有助于推动寒区水文学理论和方法的发展,以及寒区水资源、生态环境保护等相关决策制定。