宋献方-再谈基于环境同位素的.pdf

第一届中国同位素水文学论坛：—2020年12月3日于北京鸿翔酒店 再谈基于环境同位素的 流域水循环研究 宋献方: 电话 010-64889849 手机：13911622701 E-mail: songxf@igsnrr.ac.cn 热列祝贺 国际水文科学协会（IAHS）中国委员会 同位素水文学委员会 成立！！！ 提 纲 我国应用同位素研究水问题回顾 水循环要素环境同位素研究 水循环过程的环境同位素研究 水循环过程中产生的同位素分馏 Isotopes in the Water Cycle -16 ? -25? -13 ? VAPOUR TRANSPORT -15 ? PRECIPITATION EVAPORATION 0-20TU -17 ? TRANSPIRATION SURFACE RUNOFF PERCOLATION -15 ? EVAPORATION -7 ? -13 ? 0-10TU -3 ? PRECIPITATION LAKE RIVER -10 ? -10 ? -7 ? 0-5 TU -5 ? RETURN FLOW 0? 0-2TU GROUNDWATER FLOW Example: oxygen-18 and tritium in the water cycle 我国应用同位素研究水问题回顾 同位素水 文学委员 会成立 地质部门主要水文地质 同位素水文学 1980年代 珠峰科考降水 同位素研究 1966 生态环境部门 同位素水文地质学 水利部门大 规模应用 ◆研究对象：先天上-后地下-再地表，单要素-多要素-多过程，多学科交叉 ◆采样测试：人工-自动，地面-卫星，质谱仪-激光，点-面-流域-区域-全球， 多同位素 ◆研究内容：单要素-过程，离散-系统，水相关领域交叉（生态环境广泛领域） 大气降水稳定同位素  尽管其含量小，却在非常敏感地响应环境的变化，并记载着水循环演化的历史信息  同位素的分馏作用贯穿于水循环的各个环节 三个影响降水同位素的组分的过程 ➢发生在海洋－大气界面上的蒸发过程 ✓海洋表面温度 SST ✓湿度 ✓风场 ➢水汽传输中的大气环流过程 ✓季风、ENSO等大规模海天事件 ➢局地降水过程 ✓与水汽源地的距离 ✓温度、降水量 环境同位素分馏作用示意（IAEA/WMO,2010） ✓雨滴在云下蒸发 ✓下垫面水汽的再循环 （如土壤、开放水体蒸发水汽混入） 大气降水稳定同位素  同位素效应－同位素与气候变量及地理因子的相关关系 温度效应 纬度效应 降水量效应 高程效应 季节效应 大陆效应  同位素效应的存在，使得降水中的同位素可作为水汽来源及运动路 径的自然示踪，进而来反演天气系统、大气环流过程及气候变化 Cold Warm High elevation High latitude Low elevation Low latitude -34‰ (Liu et al., 2011) -26‰ δ18O -16‰ -20‰ -12‰ -10‰ -10‰ -4‰ -0‰ 海洋 陆地 降水的δ18O组成随向内陆深入逐渐贫化（据IAEA重绘） (Schürch et al., 2003) 大气降水稳定同位素  气候变化的研究通常是借助温度、湿度、温室 气体、冰川和海冰等器测资料实现的  涉及的时期长且空间范围大，器测记录只能提 供有限的视角  同位素与气候变量存在着密切的相关关系  利用古沉积物（如冰芯、石笋、树木年轮等） 中蕴含的历史气候信息进行定量恢复，是从时 间和空间上扩大相关气候过程研究的重要手段  使GCM模拟更接近实际观测的途径  对当前不同时空尺度下的降水同位素与气候变 量关系的掌握，过去气候情况的了解，和对未 来气候变化预测的关键 (IPCC AR4, 2007) 大气降水稳定同位素 全球尺度上的已开展的降水同位素与气候变量关系研究  全球大气降水同位素观测网络（IAEA/WMO, 1961)  GNIP- Global Network of Isotopes in Precipitation  起步最早、最系统地观测降水D和18O  累积的50 多年降水同位素及气象数据  使得全球、长时间序列同位素与气候变量关系的解译提供了可能 GNIP 站点分布 (1961~2011) 大气降水稳定同位素 区域尺度上的降水同位素与气候变量关系研究 降水同位素国家网络 大气降水稳定同位素  自1960s全球范围对降水同位素系统连续观测以来，迄今已有近50年数据的累积  时间尺度上可与如温度和降水量等气候变量的波动相比  对全球、长时间序列尺度降水同位素与气候变量关系的解译，识别二者在不同时 域及频域上的相关关系，可为气候变化提供依据  月尺度降水中同位素丰度的变化，体现的是水汽从源地蒸发－环流输送－产生降 水，一系列相变过程中，分馏作用综合结果  区域尺度降水同位素与气候变量关系的解译，可以探清控制区域内降水同位素变 化的主要气候因子、以及大气环流状况  对局地站点、单场降水事件的观测及其中同位素含量差异的分析可以获取比年尺 度或月尺度降水同位素更多潜在的降水天气控制信息，如环流模式和结构等 扩展：水汽、动物迁移、侦破案件等 不同的水分过程产生的同位素分馏过程 在自然条件下， 水分发生同位素 分馏的主要过程 蒸发和凝结 非稳定同位素 不同深度、不同时间土壤水同位素变化 环境同位素技术在水循环研究中的应用 研究区域大气循环，回答水蒸气的来源问题 ⚫ 研究河流流量过程曲线，区分基流和洪峰流量， ⚫ 及其比例关系 ⚫ 判明地下水补给源并推算补给量 ⚫ 研究流域水循环机理 ⚫ 判明污染源及污染途径 ⚫ 研究古水文，古气候，古地理 ⚫ 通过地下水年龄的测定，研究地下水循环系统及 ⚫ 探讨了地下水资源的可再生性问题 ⚫ ⚫ …….. CHINA ISOTOPE——CHINA ISOTOPE IN WATER ◆ CHNIP ◆ CHNIR ◆ CHMIBA ◆ ISOTPE IN Some BASINS 野外水循环观测网络 ◼ 形成了多要素、多过程、多尺度的流域 水循环实验观测网络 环境同位素研究网络 ◼ 研发了地下水位简易电测仪、便携式地 下水14C提取器、便携式氮氧同位素过滤 吸附装置、泥沙全自动在线监测装置等 一批新仪器、新装置 大江大河同位素网络 华北平原地下水自动观 测网 环渤海环境监测系统 （海水入侵 我国在GNIP的发展历史 连续的、长时间序列 资料匮乏 各生态系统的气候变化规律、气候效应及预测未来气候变化 CHNIP - Chinese Network of Isotopes in Precipitation 研究大气—植物—土壤界面水分及物质传输规律 （CＨＭＩＢＡ的建立） 研究不同自然地理条件、生态系统下的“大气降水 —地表水—土壤水—地下水”转换模式 判别水资源的污染源及污染途径 ◆ 同位素示踪 探讨水资源安全问题 水体年龄（Residence Time） 水资源的可再生性 大气降水的环境同位素系统研究 降水同位素数据是研究水循环、气候变化等重要信息 三个时空尺度： 全球尺度—长时间 区域尺度—月 点尺度—次 大气降水中的同位素信息敏感地响应环境的变化，记载着水循环演化的历史信息 大气降水的环境同位素系统研究 首次利用同位素与气候变量在不同时域和频域上的小波相关系数，验证 并揭示了气候变化的事实及同位素对大规模海天事件的响应 ◆ 成功示踪和反演了中国夏季三条主要水汽通道，定量估算了不同的降水 水汽来源比例 ◆ 应用HYSPLIT模型推算并对比了亚洲季风区典型大陆站点和岛屿站点降 水水汽来源和运动路径 ◆ 应用多元非线性逐步回归的方法，建立了降水同位素与各气候变量的关 系模型，为实现缺少观测资料地区降水同位素的定量拟合和估算提供了 可能 ◆ 已发表SCI论文6篇等 J. Geophys. Res., Climate Research Chin. Sci. Bull.,J. Geogr. Sci., 农田SPAC系统的环境同位素研究 揭示农作物耗水机制，为提高水分 利用效率提供科学依据 氢氧稳定同位素在土壤-植物-大气系统的降 水、入渗、蒸发蒸腾过程中发生着规律性的 传递和分馏作用 农田SPAC系统的环境同位素研究 ◆阐明了晋南主要农作物夏玉米、棉 花和冬小麦在不同生长期的根系吸 水来源变化 根系主要吸水范围（cm） ◆根据水量平衡和同位素质量守恒方 法分割了灌溉条件下的农田蒸散发 量，求得深层入渗量，评估灌溉水 的利用率 0 20 40 60 80 100 120 140 夏玉米 棉花 期 期 期 拔节 开花 完熟 ◆利用Hydrus-1d模型对夏玉米、棉 花和冬小麦生长期的水循环通量进 行了计算 已发表SCI论文5篇等 苗期 蕾期 冬小麦 期 成 花铃 吐絮熟期 期 期 期 返青 抽穗 成熟 作物生长期 2008年8月11日夏玉米灌溉（漫灌） 深层入渗量46.7% 蒸腾量38% Agricultural water management ]. Hydrological Processes 蒸发量15.3% 2009年3月15日冬小麦灌溉（喷灌） 深层入渗量31.4% 蒸腾量42.3% 蒸发量26.3% Environmental Earth Sciences 重点区域流域尺度的“四水转换”同位素示踪研究 松花江流域大规模农业开发区地表水与地下水相互作用机理 人类活动影响下（河 流开发、农业等经济 用水、超采地下水等 ），不同区域的“降 水-生物水-地表水-土 壤水-地下水”的转 化与水资源的形成关 系变化规律 重点区域流域尺度的“四水转换”同位素示踪研究 ◆ 揭示了沿河、湖周围的浅层地下水与地表 水联系密切 ◆ 运用二端元模型，结合氧稳定同位素 δO18值定量估算了地表水和地下水相互 转换关系，浅层地下水对江水的补给比例 占到50%以上 ◆ 运用氚同位素和氟利昂(CFCs)估算的浅层 地下水年龄约在40年左右,更新时间快 水资源潜力很大，需要加大地表水与地下水 联合使用力度 已发表SCI 论文3篇等 松花江流域 重点区域流域尺度的“四水转换”同位素示踪研究 沙颖河流域污染河道的地表水与地下水相互作用机理研究 ➢淮河是我国污染最严重的河流 ➢研究污染河流的地表水与地下水 的相互转化规律 为水污染治理开发利用提供科学的 决策依据 重点区域流域尺度的“四水转换”同位素示踪研究 ◆ 查明了地表水与地下水的相互作用关 系，提出了河道附近污染的地下水也 是河流的新污染源 ◆ 运用多种环境示踪剂研究地表水与地 下水之间的水力和水量关系，是研究 淮河流域不同水体交换的一种新的方 法 ◆ 基于多元统计方法，首次提出了沙颖 河流域地表水污染分区（极重、重度 、中度、轻度四级） 已发表SCI论文6篇等 ENVIRONMENTAL EARTH SCIENCES Hydrol. Earth Syst. Sci 重点区域流域尺度的“四水转换”同位素示踪研究 人类活动影响下的白洋淀流域浅层地下水循环机理 ◆ 山区地下水补给机理 ◆ 地下水漏斗区浅层地下水与下伏 承压水水量交换关系 ◆ 白洋淀水与浅层地下水相互作用 重点区域流域尺度的“四水转换”同位素示踪研究 ◆ 基于在山区实验流域的详细的水文过程观测和分析， 估算了降水入渗对地下水的补给系数为0.26-0.43 ◆ 首次运用干河床非饱和带土壤水的氯离子平衡法（ CMB），得到白洋淀流域平原区多年平均降水入渗补 给速率为3.8 ± 0.6 mm/y（2.1-7.1），并提出了恢复历 史降水入渗补给速率的新方法 ◆ 将FCM、LDA 和 Paired t test 等数学方法与同位素和 水化学分析方法相结合，阐明了浅层地下水漏斗激发 深层地下水越流补给、白洋淀淀水与地下水相互作用 关系改变 R= P  Cl p Cl sw 已发表SCI论文6 篇等 ENVIRONMENTAL EARTH SCIENCES 黄土高原产流及地下水补给机制 黄土高原丘陵沟壑区产流变化与浅层地下水补给机制 黄土高原丘陵沟壑区地下水 补给机制长期争议？ 从流域层面 ◆ 确定地下水补给源的时 空变化和主要补给模式 ◆ 划分地下水的补给比例 和主要补给区域 ◆ 确定流域地下水的更新 能力 环境同 位素信 息等 黄土高原产流及地下水补给机制 70 出流量(ml/min) 60 50 40 30 原始草地 割除50% 割除100% 20 10 0 0:00:00 0:14:24 0:28:48 0:43:12 0:57:36 1:12:00 降雨历时 ◆ 从流域层面上提出了黄土高原丘陵沟壑 区浅层地下水的六种主要补给模式 ◆ 采用基于氘盈余的氢氧同位素质量守恒 方程，判断了地下水的补给源并估算了 补给比例 的影响 ◆ 评估了流域的地下水更新能力并进行了 分区 1200 马虎墕 K 1000 主要离子含量（mg/L） ◆ 半定量化地评估了淤地坝对地下水补给 Na 800 Ca Mg 600 Cl NO3 400 SO4 200 0 May Jun Jul Aug Sep Oct May 2005年 Jun Jul Aug Sep Oct 2006年 Xs0+ Xi= Xs1 δ2Hsw0*Xs0+δ2Hp*Xi=δ2Hsw1* 已发表SCI论文2篇等 ENVIRONMENTAL EARTH SCIENCES Xs1 δ18Osw0*Xs0+δ18Op*Xi=δ18Os w1*Xs1 环渤海海水入侵机制 关注的热点 ◆ 准确界定咸淡水界面的空间位置 ◆ 揭示卤/咸水入侵过程中的水文 地球化学作用 ◆ 揭示水循环过程中降水—河水— 地下水—海水之间的相互作用 环渤海海水入侵机制 ◆ 通过地下水监测、多元示踪、数值模 拟等手段：准确界定了咸淡水界面的 空间位置 ◆ 首次利用14C计算莱州湾南岸含水层 中不同地下水体的年龄 ◆ 揭示了不同地下水体来源、补给条件 及混合作用，特别是古卤水入侵淡水 含水层的机制 ◆ 利用水文地球化学模拟，定量揭示了 不同水体之间相互转换过程及物质迁 移演化机制 已发表SCI论文4篇等 Applied Geochemistry Hydrological Processes Journal of Hydrology