氫氧穩(wěn)定同位素在半干旱地區(qū)包氣帶中的分餾機(jī)制.pdf

1、包氣帶是地表—地下水系統(tǒng)水循環(huán)的紐帶、控制著旱區(qū)地下水的補(bǔ)給與排泄模式、強(qiáng)度與動(dòng)態(tài)特征，研究包氣帶水的形成、影響因素及運(yùn)移規(guī)律對(duì)闡明水文循環(huán)機(jī)理和途徑具有重要意義。氫氧穩(wěn)定同位素(D和18O)作為常見的穩(wěn)定同位素常常隨水流一起運(yùn)動(dòng)，并且較好地表征了包氣帶水分入滲、蒸發(fā)、蒸散和滲透等過程。因此，氫氧穩(wěn)定同位素技術(shù)近年來已經(jīng)成為研究包氣帶水分運(yùn)移的重要手段，開展氫氧穩(wěn)定同位素在包氣帶中的分餾機(jī)制研究具有重要的理論意義和實(shí)用價(jià)值。
　　

2、本文利用了風(fēng)積砂、渭河砂樣、黃土和古土壤4種包氣帶介質(zhì)，采用室內(nèi)模擬試驗(yàn)、野外原位觀測(cè)、模型計(jì)算和理論分析等方法，進(jìn)行了不同包氣帶介質(zhì)氫氧同位素的吸附、降雨入滲和降雨—蒸發(fā)條件下的分餾機(jī)制研究，在此基礎(chǔ)上利用氫氧穩(wěn)定同位素方法對(duì)黃土臺(tái)塬區(qū)和渭河高漫灘區(qū)的土面蒸發(fā)速率進(jìn)行了估算。
　　論文取得了以下主要成果：
　　（1）風(fēng)積砂、渭河砂樣、黃土和古土壤4種包氣帶介質(zhì)中，風(fēng)積砂對(duì)D和18O的吸附動(dòng)力學(xué)符合雙常數(shù)方程，渭河砂樣、黃土

3、和古土壤對(duì)D和18O的吸附動(dòng)力學(xué)符合拋物線方程；D和18O的等溫吸附符合Freundlich方程，D的吸附容量排序?yàn)辄S土>古土壤>風(fēng)積砂>渭河砂樣，18O的吸附容量排序?yàn)辄S土>古土壤>渭河砂樣>風(fēng)積砂，黃土和古土壤吸附氫氧穩(wěn)定同位素的能力強(qiáng)于風(fēng)積砂和渭河砂樣。吸附過程中的氫氧穩(wěn)定同位素分餾作用非常微弱，分餾過程為一瞬時(shí)平衡反應(yīng)，分餾平衡常數(shù)等于分餾系數(shù)。
　?。?）柱淋濾試驗(yàn)研究表明，入滲條件下氫氧穩(wěn)定同位素在4種包氣帶介質(zhì)中均發(fā)

4、生了明顯的分餾現(xiàn)象。在入滲鋒面處，分餾作用最為強(qiáng)烈，分餾作用使水朝“輕”水的方向偏移。氫氧穩(wěn)定同位素的分餾作用從強(qiáng)到弱的順序?yàn)椋猴L(fēng)積砂、古土壤、渭河砂樣、黃土。在柱淋濾試驗(yàn)重力排水過程中，隨時(shí)間出現(xiàn)了“輕”水段、“重”水段、“平衡”段三個(gè)階段。
　?。?）關(guān)中盆地大氣降水線為δD（‰）=7.9δ18O（‰）+4.5，斜率和截距均低于全球大氣降水線。土壤剖面中δD、δ18O值的研究表明土壤水蒸發(fā)線斜率具有差異性，黃土蒸發(fā)線斜率穩(wěn)定在

5、3.6-3.8之間，渭河砂樣蒸發(fā)線斜率穩(wěn)定在2.2左右。黃土和渭河砂樣的氫氧穩(wěn)定同位素變化在降雨前后具有明顯差異，在黃土中氫氧穩(wěn)定同位素有偏負(fù)趨勢(shì)，渭河砂樣中有偏正的趨勢(shì)。
　?。?）利用氫氧穩(wěn)定同位素的方法估算了半干旱區(qū)土壤蒸發(fā)速率，黃土臺(tái)塬區(qū)和渭河高漫灘區(qū)6-7月間，氫氧穩(wěn)定同位素方法估算的土壤蒸發(fā)速率結(jié)果分別為7.4mm/d和3.5mm/d。同時(shí)利用水均衡法和通量法對(duì)黃土臺(tái)塬區(qū)和渭河高漫灘區(qū)6-7月間土壤蒸發(fā)速率也分別計(jì)算，