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

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一、引言

水中的氫氧穩定同位素和由于環境變化導致的同位素分餾現象是水循環過程中的一個重要的組成部分。大氣降水中穩定同位素的豐度與降水形成的氣象條件以及水汽源區的初始狀態存在密切聯系。因此大氣降水中穩定同位素氘（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。環境同位素在水文中的應用始于20世紀60年代，環境同位素在地表水和地下水水文方面的應用范圍十分廣泛，在流域水文中能夠通過氫氧穩定同位素來確定流域水文過程如降水是怎么產流，流域水文響應時間等。為了在全球范圍內調查環境同位素，1961開始，國際原子能機構（IAEA）和世界氣象組織（WMO）在全球范圍內啟動了降水中同位素觀測計劃（The GlobalNetworkofIsotopesin Precipitation，簡稱GNIP），在全球建立多個觀測點，對降水中穩定同位素成分進行連續監測。我國在20世紀80年代才陸續開始在齊齊哈爾、和田、銀川等城市建立降水觀測站，開始進行水樣收集與降水中穩定同位素的研究工作，其中多個監測站已被納入IAEA全球觀測網。目前淮河流域有煙臺、鄭州、南京3個降水同位素觀測站被納入IAEA全球觀測網。同時國內也有許多學者開展了環境同位素在水文中和大氣降水同位素的研究。

二、研究進展

水中的氫氧同位素通常用和標準海水均值（StandardMeanOceanWater（SMOW））的關系，通常用千分比表示：

式中：δsample為樣品中的同位素量相對比例[‰]；Rsample為樣品中同位素的絕對含量；RVSMOW為IAEA發布的標準值。大氣降水氧同位素受環境因素影響主要有緯度效應、溫度效應、高度效應、降水量效應、大陸效應等。

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

式中：δD為氘的相對值；δ18O為氧18的相對值。不同地區的大氣降水中δD和δ18O的相對關系往往不同于公式（2），在具體應用中應結合局部降水線（Local MeteoricWaterLine（LMWL））開展研究。

三、淮河流域大氣降水穩定同位素特征

1.淮河流域降水同位素觀測概況

淮河流域現有鄭州、煙臺、南京3個觀測站在GNIP觀測網中。本文對這3個觀測站的觀測數據進行了分析，3個觀測站相對距離在610～740km之間。觀測數據基本情況見表1。

表1　淮河流域降水同位素觀測站基本情況表

2.降水中同位素和影響因素分析

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

圖1　淮河流域降水同位素觀測結果示意圖

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陸移動時先在南京隨降水降下，在鄭州觀測到的大氣降水中氫氧同位素的含量較少，大陸效應明顯。由于南京觀測站的海拔高程為26m，鄭州站的海拔高程為110m，盡管大氣降水應受到高程效應影響，但是由于兩個觀測站距海洋的距離差距非常大，因此淮河流域內南京和鄭州兩個觀測站的降水同位素受到大陸效應影響更為顯著。

表2　淮河流域降水同位素和氣象因素相關關系系數表

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

從圖2（a）中可以看出，淮河流域降水同位素觀測站鄭州站和南京站的觀測氣象條件類似，都屬于季風氣候區，其中鄭州比南京的各月同期氣溫、降水量減少較為明顯。同時從圖2（b/c/d/e）中鄭州和南京站氫氧穩定同位素和降水量的關系進一步證明淮河流域降水同位素的分布和降水量的關系，在春秋季由于季風氣候的影響，淮河流域大氣中水汽凝結成降水較少，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凝結成降水，因此在夏季降水量較大的時期降水中的氫氧同位素含量下降明顯，降水量效應顯著。從表2可見淮河流域中南京和鄭州的大氣降水中氫氧穩定同位素和氣象因素如降水、氣溫、水汽壓均呈負相關關系。其中降水量和同位素之間主要受降水量效應影響，而氣溫和氫氧同位素出現負相關關系，說明在淮河流域同位素的溫度效應影響不明顯，主要是大氣降水受到降水量效應的影響較大，已經掩蓋了溫度效應。同時δ18O與氣溫存在明顯的負相關性，這是低緯季風區大氣降水中δ18O變化所特有的現象。

四、結論與建議

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

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

（作者單位：1.淮河流域水資源保護局淮河水資源保護科學研究所233001 2.淮河流域水資源保護局淮河流域水環境監測中心233001）