淮河流域降水中氫氧同位素特征分析

楊智曹艷秀苗欣慧

淮河流域降水中氫氧同位素特征分析

楊智1曹艷秀2苗欣慧1

一、引言

水中的氫氧穩(wěn)定同位素和由于環(huán)境變化導(dǎo)致的同位素分餾現(xiàn)象是水循環(huán)過程中的一個(gè)重要的組成部分。大氣降水中穩(wěn)定同位素的豐度與降水形成的氣象條件以及水汽源區(qū)的初始狀態(tài)存在密切聯(lián)系。因此大氣降水中穩(wěn)定同位素氘（2H）和氧-18（18O）可作為水文過程中的自然示蹤，能夠利用其變化來反演水文過程。環(huán)境同位素在水文中的應(yīng)用始于20世紀(jì)60年代，環(huán)境同位素在地表水和地下水水文方面的應(yīng)用范圍十分廣泛，在流域水文中能夠通過氫氧穩(wěn)定同位素來確定流域水文過程如降水是怎么產(chǎn)流，流域水文響應(yīng)時(shí)間等。為了在全球范圍內(nèi)調(diào)查環(huán)境同位素，1961開始，國(guó)際原子能機(jī)構(gòu)（IAEA）和世界氣象組織（WMO）在全球范圍內(nèi)啟動(dòng)了降水中同位素觀測(cè)計(jì)劃（The GlobalNetworkofIsotopesin Precipitation，簡(jiǎn)稱GNIP），在全球建立多個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，對(duì)降水中穩(wěn)定同位素成分進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)。我國(guó)在20世紀(jì)80年代才陸續(xù)開始在齊齊哈爾、和田、銀川等城市建立降水觀測(cè)站，開始進(jìn)行水樣收集與降水中穩(wěn)定同位素的研究工作，其中多個(gè)監(jiān)測(cè)站已被納入IAEA全球觀測(cè)網(wǎng)。目前淮河流域有煙臺(tái)、鄭州、南京3個(gè)降水同位素觀測(cè)站被納入IAEA全球觀測(cè)網(wǎng)。同時(shí)國(guó)內(nèi)也有許多學(xué)者開展了環(huán)境同位素在水文中和大氣降水同位素的研究。

二、研究進(jìn)展

水中的氫氧同位素通常用和標(biāo)準(zhǔn)海水均值（StandardMeanOceanWater（SMOW））的關(guān)系，通常用千分比表示：

式中：δsample為樣品中的同位素量相對(duì)比例[‰]；Rsample為樣品中同位素的絕對(duì)含量；RVSMOW為IAEA發(fā)布的標(biāo)準(zhǔn)值。大氣降水氧同位素受環(huán)境因素影響主要有緯度效應(yīng)、溫度效應(yīng)、高度效應(yīng)、降水量效應(yīng)、大陸效應(yīng)等。

研究大氣降水中氫氧穩(wěn)定同位素氘（D）和氧18通常采用的全球降水線（Global Meteoric WaterLine（GMWL））為：

式中：δD為氘的相對(duì)值；δ18O為氧18的相對(duì)值。不同地區(qū)的大氣降水中δD和δ18O的相對(duì)關(guān)系往往不同于公式（2），在具體應(yīng)用中應(yīng)結(jié)合局部降水線（Local MeteoricWaterLine（LMWL））開展研究。

三、淮河流域大氣降水穩(wěn)定同位素特征

1.淮河流域降水同位素觀測(cè)概況

淮河流域現(xiàn)有鄭州、煙臺(tái)、南京3個(gè)觀測(cè)站在GNIP觀測(cè)網(wǎng)中。本文對(duì)這3個(gè)觀測(cè)站的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，3個(gè)觀測(cè)站相對(duì)距離在610～740km之間。觀測(cè)數(shù)據(jù)基本情況見表1。

表1　淮河流域降水同位素觀測(cè)站基本情況表

2.降水中同位素和影響因素分析

根據(jù)淮河流域3個(gè)觀測(cè)站中降水氫氧同位素的觀測(cè)結(jié)果（圖1），煙臺(tái)站的觀測(cè)結(jié)果變化較大，可能由于距離海洋較近受到局部地區(qū)水汽濕度和溫度分餾條件等變化影響較大，同時(shí)斜率不為8表明在水汽從海洋向內(nèi)陸移動(dòng)過程中的降水來自非平衡分餾。鄭州和南京的觀測(cè)結(jié)果分析水線方程分別為：

圖1　淮河流域降水同位素觀測(cè)結(jié)果示意圖

由于鄭州站和南京站和海洋距離不等，攜帶有較重同位素的水汽在由海洋向內(nèi)陸移動(dòng)時(shí)先在南京隨降水降下，在鄭州觀測(cè)到的大氣降水中氫氧同位素的含量較少，大陸效應(yīng)明顯。由于南京觀測(cè)站的海拔高程為26m，鄭州站的海拔高程為110m，盡管大氣降水應(yīng)受到高程效應(yīng)影響，但是由于兩個(gè)觀測(cè)站距海洋的距離差距非常大，因此淮河流域內(nèi)南京和鄭州兩個(gè)觀測(cè)站的降水同位素受到大陸效應(yīng)影響更為顯著。

表2　淮河流域降水同位素和氣象因素相關(guān)關(guān)系系數(shù)表

圖2　淮河流域降水同位素觀測(cè)站氣象條件（a）南京站降水量和氧18（b）、氘（d）關(guān)系鄭州站降水量和氧18（c）、氘（e）關(guān)系圖

從圖2（a）中可以看出，淮河流域降水同位素觀測(cè)站鄭州站和南京站的觀測(cè)氣象條件類似，都屬于季風(fēng)氣候區(qū)，其中鄭州比南京的各月同期氣溫、降水量減少較為明顯。同時(shí)從圖2（b/c/d/e）中鄭州和南京站氫氧穩(wěn)定同位素和降水量的關(guān)系進(jìn)一步證明淮河流域降水同位素的分布和降水量的關(guān)系，在春秋季由于季風(fēng)氣候的影響，淮河流域大氣中水汽凝結(jié)成降水較少，降水中同位素含量較高，而在降水較多的夏季，由于前期降水中較重的氫氧同位素已經(jīng)凝結(jié)成降水，因此在夏季降水量較大的時(shí)期降水中的氫氧同位素含量下降明顯，降水量效應(yīng)顯著。從表2可見淮河流域中南京和鄭州的大氣降水中氫氧穩(wěn)定同位素和氣象因素如降水、氣溫、水汽壓均呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。其中降水量和同位素之間主要受降水量效應(yīng)影響，而氣溫和氫氧同位素出現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系，說明在淮河流域同位素的溫度效應(yīng)影響不明顯，主要是大氣降水受到降水量效應(yīng)的影響較大，已經(jīng)掩蓋了溫度效應(yīng)。同時(shí)δ18O與氣溫存在明顯的負(fù)相關(guān)性，這是低緯季風(fēng)區(qū)大氣降水中δ18O變化所特有的現(xiàn)象。

四、結(jié)論與建議

由于受到季風(fēng)氣候的影響，淮河流域沿海的煙臺(tái)測(cè)站觀測(cè)到的大氣降水中氫氧穩(wěn)定同位素的含量受到局部氣候條件影響變化較大。在鄭州和南京兩個(gè)測(cè)站具有相似的氣候條件和水汽來源，大氣降水中的氫氧穩(wěn)定同位素呈現(xiàn)明顯的大陸效應(yīng)和季節(jié)（降水量）效應(yīng)。夏季同位素含量低，春季同位素含量高；越往內(nèi)陸氫氧穩(wěn)定同位素含量越低。

大氣降水中穩(wěn)定同位素的空間變化主要是由區(qū)域氣候環(huán)境背景和局部的地理要素相互作用和綜合影響的結(jié)果。本研究揭示了淮河流域沿海地區(qū)對(duì)大氣降水起到主導(dǎo)作用的是局部氣候和地理要素，而在其他地區(qū)主要是受降水量效應(yīng)和大陸效應(yīng)的影響為主。研究結(jié)果可為淮河流域地表—地下水循環(huán)、水資源保護(hù)等提供一定的研究依據(jù)

（作者單位：1.淮河流域水資源保護(hù)局淮河水資源保護(hù)科學(xué)研究所233001 2.淮河流域水資源保護(hù)局淮河流域水環(huán)境監(jiān)測(cè)中心233001）