黑河上游红泥沟小流域基于溶解硅的降雨径流路径示踪

为揭示高寒山区冻土对降雨-径流过程的影响,对黑河上游红泥沟小流域典型降雨事件全过程出口断面的径流量进行了观测,采集降雨和河水样品,测定其中溶解硅的质量浓度,进而分析径流量和溶解硅质量浓度的动态变化规律,并以溶解硅为示踪剂将小流域出口径流分割为地面径流(腐殖层中流和坡面流)和地下径流(矿质层中流)。结果表明,洪峰上升期,地面径流对河道径流的贡献率为47%,地下径流贡献率为53%;洪峰降落期,地面径流贡献率为29%,地下径流贡献率为71%。整个观测过程中地面径流对河道径流的贡献率为30.7%,地下径流的贡献率为69.3%,说明洪峰期间河道径流以地下径流为主。分析认为冻土分布地区夏季降雨-径流过程中,由于土壤逐渐解冻,降雨入渗驱替冻土层上水排入河网,流域产流仍以地下径流为主。     

江淮丘陵区典型农业小流域磷素输出时程变化特征

以安徽省滁州市花山流域为例,开展水量与地表径流磷素浓度同步监测,研究了江淮丘陵区典型农业小流域总磷浓度和输出负荷的时程变化特征和不同连续天数最大输出负荷占全年负荷的比例特征。研究结果表明:花山流域总磷浓度年内变化对于降雨径流过程存在响应关系,年内总磷浓度汛期普遍高于非汛期;流域总磷输出负荷在年中呈现脉冲式输出特点,且输出主要集中在夏季汛期的雨洪时段,在不到全年10%的时段内,花山流域的总磷输出负荷占到全年输出负荷的50%以上。     

青藏高原西北部班公湖流域夏季主要水体H-O同位素组成及其影响因素

作为高寒内陆区的青藏高原西北部班公湖流域水文数据资料较为匮乏,导致对区域水循环过程和气候环境的认识不够深入,氢氧稳定同位素示踪技术可为解决该问题提供理想途径。本文系统分析班公湖流域夏季含湖水、河水、冰川融水和地下水4种不同类型的水体中氢氧同位素的组成,阐释水体氢氧同位素、氘盈余参数沿程变化的特征及其与水体矿化度、高程、经纬度和全球大气降雨线之间的关系,并进一步剖析同位素组成变化的控制因素。结果显示,水体中δ²H和δ¹⁸O的波动范围分别为-112.37‰～-24.90‰和-14.84‰～2.01‰,平均值及标准差分别为-76.73‰±26.49‰和-8.43‰±5.24‰。湖水δ²H和δ¹⁸O相对其他水体富集,测定结果更偏正值,冰川融水δ²H和δ¹⁸O相对其他水体更为贫化。流域水体氢氧同位素的大陆效应总体不明显,部分水体有一定高程效应体现。水体氢氧同位素演化趋势表明,冰川融水与全球大气水线接近,易受大气降雨影响。同时其他水体线的较小截距和斜率值,表明大气降雨...     

基于氢氧稳定同位素的武汉北部新城地表水-地下水转换关系研究

【研究目的】揭示武汉北部新城地表水、地下水的氢氧稳定同位素特征及其相互作用。【研究方法】2019年，采集、测定了降水样7件、河水样6件、水库样14件、民井样98件、泉水样3件和钻孔样11件，并收集到武汉站1986—1998年的监测数据50件，以空间分析和流域分析为基础，氢氧稳定同位素分析为手段。【研究结果】（1）武汉降水氢氧同位素随季节变化，并表现出“降雨效应”明显、“温度效应”不明显的特点；（2）地表水在枯水期受到强烈的蒸散发，表现出一定的“地貌效应”与“干支流效应”的特征；（3）民井、泉和钻孔等地下水均源于大气降水，表现出“含水层埋深效应”与“山区平原效应”的特点；（4）枯水期，界河流域中界河获得了上游水库和地下水的补给，夏家寺水库流域中夏家寺水库得到了地下水补给。【结论】氢氧同位素能显著提高武汉北部新城地表水-地下水相互转换规律的认识。创新点：利用各类水体氢氧同位素组成及空间分布特征，揭示了武汉北部新城降水、地表水和地下水相互转换的规律     

北江河水溶解无机碳同位素的季节变化

在有碳酸盐岩分布的河流流域, 河水地球化学主要反映的是风化速率较高的碳酸盐矿物风化的信息, 而硅酸盐矿物风化的信息往往被掩盖掉.北江流域碳酸盐岩和硅酸岩分布广泛, 为追踪其中的硅酸盐矿物风化的信息, 分析了北江河水中溶解无机碳同位素的时空变化.河水样品按4个季节自北江的上游到下游采集6个样点, 分析结果显示, 除上游武江的采样点同位素值季节变化不大外, 中下游采样点的同位素值有明显季节变化, 主要表现在6月份的δ13C_DIC显著变轻(-16‰~-19‰).在详细剖析矿物风化过程对碳同位素的影响后, 指出除了显著的碳酸盐矿物风化过程外, 北江流域在夏季还存在明显的硅酸盐矿物风化过程, 大大提高了流域的碳汇作用.      

长江河水~(87)Sr/~(86)Sr值的季节性变化及其指示意义:以长江大通站为例

在长江下游大通水文站进行了为期1年的每2周1次的水样采样,分析测试其Sr含量及其同位素组成。结果表明,长江溶解Sr浓度在1.74~2.92μmol/L之间变化,87Sr/86Sr值的范围为0.710125~0.710965,河水Sr含量及同位素组成出现明显的季节性差异,表现为从洪水季节开始87Sr/86Sr值逐步升高,至12月达到最高值后缓慢下降并在下一个洪水季节到来时升高。研究认为,下游河水87Sr/86Sr值的季节性变化主要受流域降雨的时空变化所导致的物源相对贡献比例变化控制。受季风气候影响,当洪水期短期强降雨集中在上游地区时,强烈的风化使得上游贡献增多,致使下游河水Sr同位素组成迅速降低。采样期间(2011年1~5月)中下游的持久干旱致使中下游硅酸盐岩风化对河水Sr贡献减少从而造成河水同位素组成持续降低。同时,基于全年样品数据计算得出长江溶解Sr同位素组成的入海特征值为0.710628,Sr通量为1.9×109mol/a。研究结果表明河水Sr同位素组对流域极端气候的响应较好,可为今后使用历史时期物质Sr同位素研究解释极端气候变化奠定基础。     

矿区流域不同水体同位素时空特征及水循环指示意义

为了探究平朔矿区所在流域不同水体同位素的时空变化规律,揭示采煤活动下区域水循环规律,于2020年8月和12月对流域内地表水、地下水和矿井水进行采样,测试样品的D和¹⁸O同位素组成,并利用贝叶斯混合模型MixSIAR计算了矿井水不同来源的贡献率。结果表明：(1)地表水和矿井水δD和δ¹⁸O夏季较冬季高;地下水δD和δ¹⁸O季节差异不明显。地表水氢氧同位素值沿程呈增加趋势,但局部受到矿井水的补给,出现贫化;地下水氢氧同位素值沿径流方向呈逐渐增加趋势。(2)采煤区氢氧同位素值较非采煤区明显增加。受季节效应影响,在空间分布上8月浅层地下水氢氧同位素高值区域较12月明显增多。(3)δ¹⁸O与δD关系图表明,地表水在接受大气降水的补给之后受到了蒸发分馏作用的影响;浅层地下水的补给源较复杂,深层地下水由于采煤形成的导水裂隙带受到了浅层地下水和地表水的补给;矿井水受地表水、浅层地下水和深层地下水的补给。(4) MixSIAR模型揭示出深层地下水是矿井水的主要补给来源,占61.60%～67.20%,且补给比例冬季大于...     

基于随机暴雨移置方法的城市设计暴雨分析

城市地区暴雨洪灾发生频繁，合理计算设计暴雨是解决城市洪涝的重要前提。采用随机暴雨移置方法（Stochastic Storm Transposition，SST），设定暴雨移置区并提取出暴雨目录，通过区域性概率重采样与暴雨空间变换相结合的方式进行降雨频率分析，估计本地化的极端暴雨频率。以上海地区为例，研究发现暴雨移置区内暴雨分布具有空间异质性，暴雨随机移置概率不均，计算得到的设计暴雨方案包含了降雨时空分布信息，在不同重现期下设计暴雨的时空结构存在变异性，说明传统方法中采用的简化雨型和均一化空间分布假设会增加设计暴雨的不确定性。     

基于随机暴雨移置方法的城市设计暴雨分析

城市地区暴雨洪灾发生频繁，合理计算设计暴雨是解决城市洪涝的重要前提。采用随机暴雨移置方法（Stochastic Storm Transposition，SST），设定暴雨移置区并提取出暴雨目录，通过区域性概率重采样与暴雨空间变换相结合的方式进行降雨频率分析，估计本地化的极端暴雨频率。以上海地区为例，研究发现暴雨移置区内暴雨分布具有空间异质性，暴雨随机移置概率不均，计算得到的设计暴雨方案包含了降雨时空分布信息，在不同重现期下设计暴雨的时空结构存在变异性，说明传统方法中采用的简化雨型和均一化空间分布假设会增加设计暴雨的不确定性。     

贵州红枫湖硫酸盐来源及循环过程的硫同位素地球化学研究

红枫湖是云贵高原上一个中等富营养化的季节性厌氧湖泊。对红枫湖流域湖水及其入湖河流河水一年内四个季节的水体硫酸盐硫同位素组成进行了系统研究,结果表明,红枫湖湖水硫酸盐的δ^34S值介于-8．7‰-4．9‰之间,平均-6．8‰,入湖河流的δ^34S值变化范围为-14．7‰-＋0．8‰。湖水的硫同位素组成主要受煤以及大气降水的控制,硫化物和蒸发岩的贡献较小。全年内湖水的δ^34S值季节性变化明显,表现为夏季〉秋季〉冬季、春季的特征,反映了大气降水对湖水硫酸盐贡献的季节性差异。此外,湖水垂直剖面上呈现出明显的季节性差异,冬季、春季湖水的剖面上下δ^34S值几乎没有变化,而夏季、秋季湖水表层和底层相对较高,呈规律性变化,这与湖水冬季混合、夏季分层的特点有关;夏季湖水分层期间雨水在湖泊表层的滞留,以及湖泊底层的硫酸盐细菌还原等相关生物地球化学过程是水体垂直剖面上δ^34S值规律性变化的主要原因。     

哈尼梯田麻栗寨河流域泉水氢氧同位素的海拔效应

氢氧同位素是示踪流域水循环过程的有效方法,水是维系哈尼梯田景观稳定性的关键.以哈尼梯田文化景观遗产核心区的麻栗寨河流域泉水为研究对象,通过采集不同海拔的33个样品分析泉水氢氧同位素的海拔效应.结果表明：总体上看,泉水氢氧同位素随海拔的上升而下降,其递减率随海拔增加而变大,并具有高、中、低三段海拔分异的特征;低海拔段（1 060 m以下）和高海拔段（1 510 m以上）均具有明显的海拔效应,但中海拔段（1 060~1 510 m）相关关系不显著;泉水氢氧同位素关系方程与全国大气降水线相比斜率略小,说明在泉水形成之前曾受雨量效应、蒸发作用和补给等因素影响;在氘盈余方面,低海拔段的d值与全国大气降水线相当,中海拔段明显低于全国大气降水线,高海拔段明显高于全国大气降水线,说明研究区泉水存在强烈的混合作用,且其海拔效应是在补给水源多次循环和利用过程中形成.     

祁连山古浪河流域径流组分特征

为了探究气候变暖、冰冻圈急剧萎缩背景下祁连山内陆河的水文状况,依据古浪河流域所采集的各类水体样品和相关观测数据,分析了各水体稳定同位素特征及其所指示的环境意义,并进行了径流分割。结果表明：（1）与降水相比,河水稳定同位素年际变化较小,从季节变化角度来看,河水δ¹⁸O值夏季 > 秋季 > 春季 > 冬季,反映了不同季节蒸发强度的差异。（2）泉水稳定同位素特征与河水相似,年际变化较为稳定,表明山区河水与泉水之间可能存在转换过程。（3）由于土壤水分交换、地表土壤蒸发、植被蒸腾以及土壤水和地下水之间的同位素差异,引起土壤水同位素组成的梯度差异比较明显,土壤水δ¹⁸O由地表向下经历了富集―贫化―富集的过程,d-excess变化则与之相反。（4）径流分割结果显示大气降水对古浪河流域出山径流的补给率高达76%±2.4%,冻土层上水补给为24%±2.4%。     

黔中小流域水体C、S同位素特征及主要风化过程

选取贵州省红枫湖流域四条支流为研究对象,通过对水体中C、S元素浓度及稳定同位素特征的分析,探讨了典型碳酸盐小流域的主要风化过程对流域C、S循环的贡献。红枫湖流域河水中的C同位素组成在-7．47‰--11．68‰之间,硫酸根浓度为295．5～1315．6μmol／L,除受当地煤矿影响较大的区域外,其余部分水体中离子的δ^34S值在-3‰--7‰之内,反映了这些河段中硫化物矿物的氧化的影响。通过质量守恒的方法,得到硫化物的氧化、蒸发岩溶解以及大气输入对河水硫酸根离子的贡献率分别为63．8％、30．8％和5．4％。来自硫酸对碳酸盐岩、碳酸对碳酸盐岩以及碳酸对硅酸盐岩风化的DIC比例为1：3．58：1．37,三种不同的风化过程对区域二氧化碳的净吸收量为7．97×10^9mol／a。     

亚热带典型河流水化学特征、碳通量及影响因素

为揭示碳酸盐岩风化对河流流域化学风化过程及碳汇效应的影响,以流经我国亚热带地区的典型河流——西江为对象流域,在2011年4月~2012年3月对西江阳朔、昭平、梧州三个干流断面每月定期和暴雨期加密分析河水水样。研究结果表明:(1)三个断面都属于偏碱性水质,水化学类型为HCO3—Ca型,电导率沿西江干流逐渐升高,这主要是体现了流域内广泛分布的碳酸盐岩对河水水化学特征的控制作用。(2)在一个完整的水文年中,通过对三个干流断面逐月计算得出西江河口梧州断面碳通量总通量为51.03×108kg CO2/a,昭平段和阳朔段分别为1.55×108kg CO2/a和1.80×108kg CO2/a;碳通量强度分别为15 606.13kg CO2/km2/a、10 373.61kg CO2/km2/a、32 223.08kg CO2/km2/a。(3)流量为岩溶碳通量的主控因子,降雨影响流量,进而影响碳汇效应的这种现象可能会受到人为作用的干扰。三个干流水体HCO3-浓度的变化趋势各有不同,这可能是因为HCO3-浓度与碳通量的关系比较复杂,涉及到不同的反应机理。三个断面的p H值和温度与碳通量没有明显的相关性,这可能是由于生物的"生物泵"作用主要是日变化为主,月尺度的p H和水温变化并不能真正反映p H和温度对碳通量的影响。     

预估全球升温1.5℃与2.0℃下淮河流域极端降雨的变化特征

淮河流域暴雨洪水灾害严重，科学预估未来全球升温1.5℃和2.0℃下淮河流域极端降雨的变化特征对流域防洪减灾及应对气候变化具有重要意义。基于最新的第六次国际耦合模式比较计划(CMIP6)中22个全球气候模式数据，利用改进的可靠性集合方案与概率比法，采用6个极端降雨指标预估了全球升温1.5℃和2.0℃下淮河流域未来极端降雨的时空变化与风险变化特征。结果表明：改进可靠性集合方案对淮河流域极端降雨的模拟性能要优于单一气候模式与算术平均集合方案；全球升温达到1.5℃与2.0℃阈值的平均时间段分别约为2017—2046年和2026—2055年；全球升温2.0℃下极端降雨指标增幅约为升温1.5℃下的1.4～2.6倍，其中流域北部地区为极端降雨增幅大值区；2种升温条件下极端降雨发生风险呈增加趋势，且额外增暖0.5℃将导致淮河流域极端降雨风险更高，如100 a重现期的极端降雨在升温1.5℃和2.0℃下将分别变为32年一遇和22年一遇，未来淮河流域极端降雨将会更加频繁。     

水稳定同位素示踪的冰川流域水文模拟及不确定性研究

水文模拟不确定性长期以来是制约寒区水文发展的瓶颈问题。水稳定同位素示踪为认识冰川流域径流过程提供了重要“指纹”信息,但仍缺乏有效模型将该信息与冰川水文模型耦合,而且同位素信息对冰川流域水文模型不确定性的约束效果也有待检验。将水稳定同位素信息（δ¹⁸O）与冰川流域水文模型FLEX^G相耦合,实现对冰川流域水稳定同位素和径流过程的耦合建模（FLEX^G-iso）,并在乌鲁木齐河源1号冰川流域进行模拟检验和径流分割。结果表明：模型不仅对2013—2016年径流过程有良好的模拟效果,还可以重现水稳定同位素、冰川物质平衡等重要过程。利用水稳定同位素这一辅助数据,提高了模型参数的识别能力,减少了模拟过程中各水源的相互妥协效应和不确定性范围。2013—2016年1号冰川断面径流32%~34%来自融雪,48%~51%来自融冰,0%~7%来自地下水,12%~15%来自降雨径流。水稳定同位素对雪和冰川相关中间过程有明显的约束能力,原有模型对融冰贡献的模拟偏高约7%。FLEX^G-iso模型的建立有助于推动寒区水文学理论和方法的发展,以及寒区水资源、生态环境保护等相关决策制定。     

南伊沟水体水化学及氢氧同位素特征分析

南伊沟是林芝地区重要水源涵养区,研究南伊沟水体水化学和氢氧同位素特征,揭示“三水转化”规律,对提高林芝地区水体水文地球化学研究程度,支撑当地林水关系研究,服务高原地区水生态保护具有重要意义。运用水化学和氢氧同位素分析方法,分析了地区水化学特征、水岩作用情况和水循环特征。结果表明：南伊沟水体为极低矿化度淡水,地表水水化学类型为HCO₃-Ca·Mg型和SO₄·HCO₃-Ca·Mg型,地下水水化学类型为HCO₃-Ca·Na型;地表水和地下水的水化学离子成分主要受岩石风化控制,离子来源主要受碳酸盐岩溶解和硅酸盐岩风化影响,地表水中Na⁺、K⁺、Cl^-主要来源于盐岩溶解,同时还受降雨影响,地表水和地下水中Ca²⁺、Mg²⁺主要来源于碳酸盐岩矿物溶解;地下水和地表水水岩作用较弱,对比上游雅鲁藏布江和拉萨河地表水,大部分δ¹⁸O、δD值具有明显的高度效应和大陆效应;南伊沟枯水年内强烈...     

中国干旱内陆流域水体 N、P负荷特征与动态变化——以黑河流域为例

以黑河流域中游地区为研究区域，通过11年在不同河流断面的长期监测和区域内各类水体如地下水、泉水、水库和河流的空间选点取样分析，研究了干旱内陆流域水体 N、P等植物营养元素的负荷与时空分布及动态变化特征。浅层地下水与河水中NO₃-N含量普遍较高，含量超过 1．1 m g／L，大部分平原水库水中NH₄-N含量超过 0．3 m g／L；河水与浅层地下水TP、NH₄-N与NO₃-N含量均呈现沿流域从出山口至下游的显著递增变化，同时还具有明显的随时间递增趋势，其中NH₄-N含量在河流出山口及下游断面平均年增加幅度分别为 0．11 m g／L和 0．114 m g／L；流域水体 N、P含量的季节变化明显，黑河流域春季及春夏之交的枯水期大部分河段NH₄-N、NO₃-N和TP等要素含量为全年最高并出现水质超标污染。控制干旱内陆流域水域尤其是枯水期的 N、P污染，应成为干旱内陆流域水资源保护问题中值得关注的关键内容。     

贵州阿哈湖物质循环过程中的铁同位素地球化学及其指示意义

使用AGMP-1氯化物型阴离子交换树脂(100--200目)对夏季贵州阿哈湖流域水体悬浮颗粒物等样品进行了化学分离,并在多接收电感耦合等离子体质谱仪(MC-ICP-MS)上进行了铁同位素分析.分析结果表明,夏季阿哈湖湖水分层期间湖水悬浮颗粒物及各端员环境样品的铁同位素组成变化较大:湖水悬浮颗粒物的δ56Fe为负值,分布范围为-1.36‰～-0.10‰之间;各支流河水悬浮颗粒物的铁同位素组成在-0.88‰～-0.16‰之间;大气颗粒物的平均铁同位素组成为 0.06‰±0.02‰;而未经化学清洗的浮游藻类的铁同位素组成为 0.08‰.对比研究表明,湖水悬浮颗粒物的铁同位素组成不仅受各输入端员的影响,湖泊内部复杂的生物地球化学过程也对颗粒物的铁同位素组成产生了重要影响.陆源输入的颗粒有机结合态铁使得湖泊表层悬浮颗粒物的铁同位素组成偏低,而大气沉降颗粒物和湖泊表层的浮游藻类整体上对铁同位素组成的影响并不显著."ferrous wheel"铁循环对于氧化还原界面附近水层中铁同位素的重分配起到了主要的控制和影响作用.δ56Fe值与Fe/A1呈现良好的负相关关系,也显示出活性铁的循环迁移是造成氧化还原界面附近水层中悬浮颗粒物的铁同位素组成变化的重要原因,表明铁同位素与Fe/A1可能可以作为表征水体生物地球化学环境的良好指标.     

祁连山中段排露沟流域水化学特征及成因

2012年11月-2013年10月,在祁连山中段排露沟流域持续采集1 a的大气降水和出口断面径流样品,对主要可溶离子、pH、电导率EC和总溶解固体TDS进行了分析。结果表明：流域径流与大气降水相比,各项对应离子浓度显著增加,径流TDS均值（255.50 mg·L^-1）远大于降水（46.77 mg·L^-1）。径流离子类型为Ca²⁺-Mg²⁺-HCO₃^-,呈弱碱性。大气降水离子类型为Ca²⁺-HCO₃^-,接近中性。所有径流样品都落在Gibbs分布图的左中端,表明径流离子组成主要受流域岩石风化作用控制。根据Piper图和主要离子的摩尔比值,综合分析得出控制径流离子过程主要是流域碳酸盐岩风化,其次伴随部分硫酸盐和硅酸盐岩石风化。并通过海盐校正分析方法,得出大气降水对出口断面径流主要离子贡献率仅为4.58%。