基于环境同位素方法结合水文观测的水循环研究：以太行山区流域为例
文献类型：学位论文
| 作者 | 李发东 |
| 答辩日期 | 2005-08-24 |
| 文献子类 | 学术型学位 |
| 授予单位 | 中国科学院研究生院 |
| 授予地点 | 中国科学院地理科学与资源研究所 |
| 导师 | 刘昌明 |
| 关键词 | 环境同位素 水文实验 氘 氧-18 水循环 水量平衡 流域水文 地下水补给 太行山 |
| 学位名称 | 博士 |
| 学位专业 | 自然地理学 |
| 英文摘要 | 地下水是我国华北大部分地区赖以生存的主要水源，过去几十年的过度开采和滥用，华北平原地下水位急剧下降，形成许多降落漏斗，从而增加了地下水补 给路径，降雨直接入渗补给地下水减少。此外, 河道干涸，湖泊萎缩，也同时导致地下水补给减少。因此，山区侧向补给的贡献相对增加，成为主要的补给来源之一，山区水循环及其对山前地下水补给成为水文研究的热点。然而，山区侧向 补给研究薄弱，机制尚不清楚，如何量化还缺乏实验数据的支持。本研究的目的是明确山区水循环规律和地下水补给机制，回答山区对平原的侧向补给量，为山区水循环和水资源的评价提供依据。实验主要在中国科学院太行山山地生态实验站(114º15´50"E，37º52´44"N) 所处的牛家庄流域（9.13 km 2）及该流域内的石门流域（0. 6 km 2）进行。流域属太行山低山丘陵区，为华北平原西侧、太行山脉中部山地，是太行山片麻岩地区的典型代表。研究的主要方法是对坡面和流域尺度的降水－地表径流－土壤水和地下水进行系统观测，并进行氘和氧-18环境同位素采样，包括点到面的单次降水，石门流域地表径流，荒草、荆条和刺槐共3种植被的10、20、30、50、70、90和 110cm 的土壤水，牛家庄流域上中下游地下水。将水文过程观测结果与环境同位素分析结果相结合最终揭示太行山区水循环机制和山区对平原的侧向补给量。 获得主要结果如下： 1.1 首次给出了太行山区降水、地表径流、地下水和不同植被土壤水环境同位素 关系曲线 曲线的方程分别为： 降水：D = 7.346 18O - 0.244 r 2 = 0.9101, n=77 径 流：D = 8.515 18O + 11.888 r 2 = 0.7561, n=41 地下水：D = 3.753 18O - 31.348 r 2 = 0.7877, n=117 荆条：D= 6.84418O - 3.498 r 2 = 0. 7560， n=74 刺槐：D= 7.64218O - 2.180 r 2 = 0. 7849， n=87 荒草：D= 6.96418O - 7.243 r 2 = 0. 8676， n=38 土壤水在入渗前，荆条坡面土壤水的蒸发分馏的程度较刺槐和荒草坡面弱。荆条、刺槐和荒草坡面土壤水的D 和18O 值在剖面方向上的变化趋势一致，均为上层低，向下逐渐富集升高。50cm 以上各层环境同位素差异不大，70cm以下深层差异明显，荒草坡面环境同位素富集最严重，刺槐次之，荆条最轻。这表明荒草坡面土壤水入渗时，伴随的蒸发作用非常明显，导致环境同位素富集；刺槐坡面盖度较好，蒸发相对较小，但蒸腾较荆条强烈，故D和18O值比荆条的高。此外，土壤水18O 连续变化过程可以清晰的描绘土壤水蒸发和入渗补给深层的情况。 太行山典型流域降水环境同位素季节变化不明显，变化的总趋势是夏季环境同位素相对贫化，秋季相对富集。高程效应不明显。但存在单次降水高程效应， 如2004年7月10日，海拔每升高100m，环境同位素18O下降 1.83‰。18O 与降水量呈负相关变化趋势，即降水量越大，降水中的18O贫化越严重，而降水量小则呈富集趋势。不同降雨日18O的空间变化分布不同，通过流域面上的采样，根据各采样点降水的环境同位素梯度变化，可以确定降雨过程中的水汽运动方向。这对通过环境同位素确定径流和地下水的补给来源具有重要意义。 径流的环境同位素表明，通过对径流和降水的环境同位素测定，可以确定暴雨产流的类型，确定径流中的来源是原来蓄存在流域内的旧水，还是降雨直接补 给的新水。这一点是传统的降雨径流分割法所不能实现的。地下水环境同位素可以很好的指示地下水位的波动，描述地下水的补给和排泄过程。 1.2 揭示了太行山区不同植被自然坡面土壤水势剖面及其季节变化，以及土壤水消耗特征 春季主要是土壤水的消耗期，荆条自然坡面土壤水势 10～20cm 的土壤水变 化活跃层，30～50cm变化较小，70～110cm稳定。刺槐坡面土壤水势明显偏低，20cm土层水势最低。荒草地土壤水势在-35kPa 以下，土壤较为干旱，各深度土壤水势较接近。在保持土壤水能力方面，荆条>荒草>刺槐。夏季不同植被坡面最低值出现在30 cm，表现出以受植被蒸腾为主，蒸发为辅。前期土壤含水量对土壤水势的变化影响非常大，当前期土壤含水量较高时，5mm左右的降水即可入渗至50 cm。荒草坡面在夏季20 cm水势一直处于较低水平，主要因为荒草的根系在该层最为活跃，蒸散耗水强烈。结果表明，夏季土壤 水水势的差异主要驱动因素是植被的蒸腾作用。秋季后，土壤水由补给转向消耗，土壤水势开始下降，此时浅层较湿润而深 层干燥，季末各层水势将趋向一致。荆条、刺槐和荒草3种植被的土壤水沿剖面的动态变化表明，春季，随着植 被的生长不断消耗水分，土壤含水量下降，土壤水势持续降低，刺槐坡面土壤水 势最低、荒草次之、荆条坡面最高。夏季土壤水势变化最大，土壤水的运动受前期土壤含水量、降雨量和降雨强度的共同影响；秋季处于土壤水消耗期，至 9月底刺槐和荒草的各层土壤水势均降至－50kPa 以下，而荆条的持水性较好，土壤水势为－35kPa 左右。 1.3 用传统水量平衡、零通量面方法和地下水位波动法对不同尺度的水量平衡进行了计算，给出来流域径流系数和山前补给系数 零通量面法可以分别计算土壤的蒸发量和入渗量。太行山区土壤零通量面呈多种类型，如发散型、收敛型和复合型。零通量面的类型和出现深度主要受降雨 量和前期土壤含水量的影响。当降雨前各层土壤水势在－40kPa以下时，土壤含水量很低，地表接受到降水入渗的水量只集中在表层，入渗水只达到30cm，雨停后水势迅速下降。当表层土壤水势降低时，发散型ZFP以下土壤水分还在向下移动，受上层影响小。零通量面在降雨入渗过程中是不断变化的。多次降雨容 易导致符合型零通量面的形成。2004年5－9月的水量平衡结果表明，荆条坡面 的入渗系数为 13.9%，径流系数为4.7%。4年的平均结果表明，降水量为 650.3mm，径流量为 59.14mm，蒸散耗水 591.16mm，径流系数为 9.1%。流域径流系数取决于降水量的分配，而不是年总的降水量。2004年 4－11月的结果表明，牛家庄流域山区对山前的侧向补给量为153万m 3，补给系数(补给总量/降水总量)为 0.242。下游补给系数最大，中游次之，上游最小。 最后，用概念模型对太行山区流域水循环机制和山前侧向补给的机制进行的 阐述。 |
| 语种 | 中文 |
| 公开日期 | 2010-12-16 |
| 源URL | [http://192.168.22.105/handle/311030/16]  |
| 专题 | 地理科学与资源研究所_研究生部 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 李发东. 基于环境同位素方法结合水文观测的水循环研究：以太行山区流域为例[D]. 中国科学院地理科学与资源研究所. 中国科学院研究生院. 2005. |
入库方式： OAI收割
来源：地理科学与资源研究所
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