泸沽湖热力学及其水体稳定同位素研究

发布时间：2020-10-19 11:50

　　 泸沽湖位于青藏高原东南缘,云南省西北部和四川省西南部两省交界处,处于西南季风气候区,属于暖温带山地季风气候。其气候特征表现为干湿季分明,雨季主要受西南季风影响,降水丰沛,降水量约占该区全年降水量的87%,旱季受大陆性干燥气团的影响,干燥少雨,蒸发量较大。泸沽湖主要依靠降水和地表径流补给,通过草海外泄和湖面蒸发而消耗水量,其水量收支基本处于平衡状态。泸沽湖属于深水型淡水湖泊,湖水全年不冻结,入湖径流和出湖径流对湖泊热量平衡的影响极小,同时,湖水交换周期长,并且受人类活动影响较小。因此,它是研究湖泊热力学状况、湖水同位素特征以及其流域水文循环的最佳选择对象。然而,目前关于云贵高原大型深水湖泊的热力学及其水体同位素的研究还相对比较薄弱,而且水体氢氧稳定同位素作为一种非常成熟精确的示踪方法广泛用于水文学领域中。因此,基于此种情况,本论文以泸沽湖为研究对象,对其热力学、湖水同位素以及水文循环等进行了探索性研究。本论文首先以水温为依据,分析了泸沽湖热力分层及其热量收支状况;其次分析了各种水体中δ~2H和δ~(18)O的特征,得出不同水体之间的相互补给关系,初步认识了泸沽湖的水文循环过程,并建立了西南地区半封闭湖泊氧同位素模型,估算了泸沽湖湖面蒸发量;最后分析了垂直断面湖水同位素特征,并探讨了其影响机理。本论文的研究结论主要体现在以下几个方面:(1)泸沽湖水温在一年中以全同温层和正温层状态两种形式存在,垂向上形成明显的变温层、温跃层和均温层的三层结构。热力分层在3~6月形成,在7~9月稳定发展,10月初开始进入消亡期,到次年2月,温跃层完全消失。湖水热量收支计算表明:在3~5月湖水吸收的太阳辐射最多,旱季的有效辐射大,感热通量最小。(2)泸沽湖湖水中δ~(18)O在空间分布上表现为南低北高的变化趋势,主要是由于入湖河流在南部,受河水补给以及蒸发作用的双重影响,可以揭示湖泊的内循环过程。根据湖泊水量平衡方程和同位素质量平衡方程,建立了西南地区半封闭湖泊氧同位素模型,并结合气象数据,估算了泸沽湖湖面蒸发量(E/I)。(3)建立了地表水线方程:δ~2H=5.34δ~(18)O-30.43(R=0.99,P0.01),该方程斜率体现了地表水受到降水的补给之后,经历了强烈的蒸发过程,并通过计算得出了地表水补给源降水的初始同位素值(-14.12‰,-105.85‰)。通过对降水、河水、湖水中δ~2H和δ~(18)O分析,发现湖水同位素值明显偏正,表明湖面受到强烈的蒸发作用,并揭示了河水在补给湖水前也经历了一定程度的蒸发。(4)泸沽湖湖水δ~(18)O在垂向上变化幅度小,表明湖水同位素受常年累积蒸发效应的影响。湖水δ~(18)O在垂向上出现分层现象,其分层位置与温跃层位置基本一致。上层湖水δ~(18)O波动性大,主要受外界气温、降水、相对湿度等因素影响;下层湖水δ~(18)O波动性很小,主要与湖水滞留时间及水体混合缓慢有关。湖水同位素垂向上季节变化明显,旱季大雨季小。(5)建立了湖面旱季和雨季的湖水蒸发线方程,分别为:δ~2H=5.65δ~(18)O-28.86(R=0.86,P0.01)和δ~2H=7.43δ~(18)O-18.67(R=0.84,P0.01)。旱季斜率均小于全球大气降水线(GMWL)和丽江大气降水线(LJLMWL)的斜率,体现了旱季湖水受到强烈的蒸发影响;雨季斜率与LJLMWL的斜率接近,这是由于湖水受到不同时段降水或不同水体的混合补给所致。(6)探讨了泸沽湖湖水同位素的影响机理,发现δ~(18)O与水温存在正相关关系(δ~(18)O=0.035T-5.53,R=0.49,P0.01),与瑞利分馏理论相矛盾,由此可说明水温不是影响湖水中δ~(18)O的主要因素。进而对δ~(18)O与水质参数(如电导率、pH、溶解氧)之间的相关性进了分析,得出这些参数与δ~(18)O也同样存在微弱的正相关性,这体现了影响湖水δ~(18)O因素的复杂性。通过比较相对湿度和水温对湖水δ~(18)O的影响程度,发现相对湿度影响程度大,说明相对湿度是影响湖水同位素组成的主要控制因素。
【学位单位】：云南师范大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2017
【中图分类】：P333
【部分图文】：

第一章 绪论定的分层现象。典型湖泊的分层结构示意图[33]，如图 1.1 所示。与气温的季节变化一样，同样水温也具有很强的季节性变化规律但却存滞后效应。在秋末冬初，随着气温的降低，水温也逐渐降低，表底层的水温也逐渐减小直至二者基本相等，此时，表层水通过对流下渗到底层从而形成下水体的对流混合，这也就是在对湖泊的热力分层研究时，通常所谓的秋季转现象[15]。

图 1.2 依据纬度(进行了海拔校正)和水深之间的关系所划分的 8 种湖泊类型[39]图1.2中的纬度校正是根据海拔每升高200 m，相应的纬度降低0.6 ~ 1°进行，那么从图 1.2 中可以清楚地看出，全球湖泊的分布格局主要取决于水深和地理位置(纬度)。如果仅从水深来看，可将全球湖泊可分为两种类型，(1) 浅水多次混合型湖泊，该类型的湖泊由于深度较浅、储热能力较弱，不能维持长时间的分层(一般不超过 24 小时)；(2) 深水二次混合型或暖单次混合型湖泊，该类型的湖泊具有足够的深度或体积，储热能力强，可维持长时间的稳定分层。根据深水湖泊分层时间的长短

1.3 水体蒸发过程中过量氘(d)与相对湿度之间的关系馏效应同同位素之间由于相对原子质量的差别，轻重同位素原子或化合物之间在物理化学应速度等)，使得它们以不同比例在不同物物相 δ 值的差异，称为同位素分馏(Isotope以及生物过程都可能引起同位素分馏。根式一般可分为两种类型[63]：(1) 热力学同ractionation)：热力学原因(熵、焓、内能和同位素原子或分子在化合物或物相之间重物相中存在很大的差异性；(2) 动力学同tion)：不同同位素原子或分子的质量不同造使得它们在化学反应或蒸发过程中，出现起同位素分馏。引起同位素分馏的机制主要
【引证文献】

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1 毕荣鑫;昆明呈贡区降水稳定同位素特征及水汽分析[D];云南师范大学;2018年

2 周瑜;杞麓湖水质参数及水体稳定同位素特征研究[D];云南师范大学;2018年

本文编号：2847158