氢氧稳定同位素指示水体分馏与降水入渗补给研究

发布时间：2020-11-13 17:46

　　 水体蒸发是水文循环过程的第一阶段,也是引起水中氢氧稳定同位素分馏的一种主要方式。近20年同位素测试技术及高精度土壤孔隙水提取方法的迅速发展,使氢氧稳定同位素(2H、~(18)O)在示踪土壤水运移、评价地下水入渗补给量方面得到了广泛应用。国内外已有研究在2H、~(18)O同位素分馏及地下水入渗补给评价方面尚有不足,包括:⑴开放水面在华北平原现代气象条件下蒸发,气象要素与不同盐度水体蒸发分馏因子的关系还不明确。⑵降水在低含水率土壤中入渗,土壤水δ~2H、δ~(18)O受混合和分馏作用共同影响,其变化规律还不清楚。⑶华北平原中部植被类型及土壤质地对降水入渗方式如活塞流和优先流的影响仍不明确。本文以华北平原衡水试验场和栾城试验场为典型试验区,开展室内外水面蒸发实验及低含水率土壤降水入渗实验,建立了试验区气象要素与蒸发分馏因子的关系,探讨了降水在低含水率土壤入渗过程中,土壤水δ~2H、δ~(18)O受混合及分馏作用下的变化规律。野外实验系统监测了不同植被及土壤质地条件下降水、土壤水、地下水δ~2H、δ~(18)O的时空变化,揭示了降水通过活塞流和优先流的入渗过程,分析了影响差异性入渗的因素。在确定降水入渗模式及入渗规律的基础上,计算了天然降水入渗、灌溉水-天然降水交替入渗补给模式下的地下水入渗补给量,恢复了历史入渗补给量的演化规律。获得的主要认识包括:⑴衡水试验场实测水面蒸发过程中,剩余水δ~2H、δ~(18)O随剩余水比率f减小呈指数增长,淡水和咸水δ~2H、δ~(18)O的蒸发线斜率分别为4.78和4.69,具有明显蒸发分馏现象。相对于初始水δ~2H、δ~(18)O的变化量对累积蒸发量的关系,淡水分别为2.68‰/cm和0.56‰/cm,咸水分别为2.78‰/cm和0.61‰/cm。⑵烘干土柱降水入渗实验中,发现土壤水δ~2H、δ~(18)O较降水贫化,随入渗深度的增大呈指数减小,其分馏趋势与模拟的空气湿度为零时的动力蒸发分馏表现为反向直线关系。风干土柱降水入渗实验中,土壤水δ~2H、δ~(18)O在分馏和混合共同作用下,介于降水与原始土壤水非线性连线之间。⑶衡水试验场降水δ~2H、δ~(18)O季节效应不显著,雨季降水量效应明显。水平距离小于5 km时,降水通过草地以活塞流入渗,在杨树林地和夏玉米地以优先流入渗。认为优先流、活塞流的产生与含水率、降水强度没有必然联系。⑷衡水试验场1995至2006年年均降水入渗补给量为76.5mm。雨季强降水的快速入渗对天然降水入渗补给量的影响较大。栾城试验场2001至2011年年均降水-灌溉水入渗补给量为152.6 mm。
【学位单位】：中国地质大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2017
【中图分类】：P333
【部分图文】：

技术路线图

中国地质大学（武汉）博士学位论文 13第二章 试验区概况试验区位于半干旱-半湿润的华北平原（图 2.1）。华北平原位于我国东部，东临渤海，西抵太行山，北靠燕山，南至黄河。地理坐标为东经 112°30′~119°30′，北纬 34°46′~40°25′。区内包括北京市、天津市、河北全省以及鲁北地区、豫北地区，面积 13.6×104km2。

图 2.2 石家庄（图 a）、衡水（图 b）水文地质剖面图本文选取 2 个典型试验区—栾城试验场和衡水试验场（图 2.1）作为研究试验场位于华北平原山前冲积洪积倾斜平原，属华北平原山前典型的大带典型区，该区因农业灌溉等需求过量开采浅层地下水，导致水位下降包气带，引起地下水的垂向入渗补给发生变化[134]。衡水试验场处于华北典型的盐碱地区，因深部地下水的过度开采，形成深层复合地下水降落漏致上下层水头压力发生变化，引起区内咸淡水界面下移[135]，使得浅层地有所下降，进而影响该区浅层地下水的补排特征。2.1 栾城试验场栾城试验场地处华北平原腹地，河北省中南部（图 2.1），位于北纬 37°47′~3 114°28′~114°47′，面积 379 km2，属太行山东麓倾斜平原南部，由滹沱河缘、槐沙河洪积冲积扇北部及其扇间洼地组成。海拔 45~66 m，地势由西倾斜，坡度约 1‰。研究区地处欧亚大陆中低纬度东缘，属温带大陆性季
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本文编号：2882455