-同位素水文学-第1讲-水循环概论-2011版本
同位素水文学与水资源_水环境
同位素水文学与水资源、水环境汪集(中国科学院地质与地球物理研究所,北京100029)收稿日期:2002-06-09作者简介:汪集(1935-),男,中国科学院院士,研究员,长期从事理论和应用地热研究.同位素水文学(isotope hydrolog y)是20世纪50年代发展起来的一门新兴学科,它主要利用同位素技术解决水文学中一些关键问题.众所周知,同位素是指原子核内质子数相同中子数不同的那些原子,可分为稳定同位素和放射性同位素2种.前者指目前尚未发现存在放射性衰变的同位素,而后者则指具有放射性衰变的同位素.存在于自然界的上述2种同位素称为天然同位素或环境同位素,目前在水文学中常用的环境同位素有2H 、3H 、3H e 、4He 、13C 、14C 、18O 、34S 、36Cl 等.不同类型的水(海水、湖水、河水、地下水, ),其化学成分会有很大变化,但同位素组成却相对稳定.因此,水的同位素成分可视作水的指纹 (finger print)或 DNA .也正是基于这一点,水同位素或同位素水文学技术被广泛用来解决或帮助解决各类水资源、水环境问题,诸如水的成因、各类水(雨水、地表水、地下水)的相互作用及转化、地下水系统的封闭程度及水交替强度、各类水体的污染程度及污染源问题等.正是由于同位素水文学的重要性,目前在国际原子能机构(IAEA)内建有同位素水文学部,并设有一个设备齐全、技术先进的同位素水文学实验室.20世纪50年代后期,国际原子能机构(IAEA)与国际气象组织(WM O)共同建立了全球大气降水同位素监测网 (GNIP),自1961年起即向世界各国公布有关数据.最近,IAEA 正拟与联合国教科文组织(UNESCO)联手,在全球42条大江大河(包括我国长江在内)建立类似的水同位素监测网,这对推动同位素水文学的发展将起到不可限量的作用.我国同位素水文学的工作始于20世纪60年代,当时在珠峰地区曾取冰、雪样品做2H 、18O 同位素分析.之后,不同学者在北京、上海及我国东部地区对大气降水的2H 、18O 及3H 进行了测定,得出一些很有意义的结果.1988年,在水利部的大力支持下,我国首批建立的10个大气降水同位素监测站开始运转,并纳入IAEA/WMO 的GNIP 之中.目前,在GNIP 中的中国网站已增至30个.当前,水资源短缺及水环境恶化已成为全球性的大问题.据世界银行(World Bank)预测,若按现有的耗水模式及耗水速率继续下去,则至2025年全球2/3的人将生活在水资源短缺的窘迫状态之中.目前世界银行为解决水资源、水环境问题而投放到发展中国家的资金为每年700~800亿美元.全球对水资源的需求量在未来15年内将增加2倍.为此,包括IAEA 在内的联合国下属24个机构正在制定世界水资源评价计划,以根本解决水资源短缺问题.水多(洪水)、水少(短缺)、水脏(污染)亦是我国水资源、水环境面临的三大问题.黑河流域水资源短缺,太湖地区水环境退化、水污染问题严重已引起国务院的重视并要求切实加以解决.同位素水文学技术对解决上述问题将起到独特甚至是不可替代的作用.总之,机遇与挑战并存,风险与希望同在.目前正是我国在加速同位素水文学发展及水同位素技术中大显身手的大好时机.第27卷第5期地球科学 中国地质大学学报Vol.27 No.52002年9月Ear th Science Journal of China University of Geosciences Sep. 2002Isotope Hydrology and Water Resources plus Hydro -EnvironmentWANG J-i y ang(I nstitute of Geology and Geop hysics,Chinese A cademy o f Sciences,Beij ing 100029,China)Abstract:Isotope hy drology is a new discipline in earth sciences developed since 1950s.Its main targ et is to use isotope technique to solve various problems in hydrology.It is w ell know n that isotope refers to those atoms whose numbers of proton are the same but w hose numbers of neutron are different.Isotopes can be d-i vided into two ty pes:stable and radioactive.For stable isotopes,no radioactive decay has been found so far.But for radioactive isotope,there ex ists radioactive ually,the term natural and/or environmen -tal isotopes w ere used for the tw o types of isotope mentioned above.The environmental isotopes commonlyused in hydrology are:2H ,3H,3He,4He,13C,14C,18O,34S,36Cl,etc.It must be noted that for different types of w a -ter,such as sea w ater,lake water,river water and ground w ater,the isotope com position seems to be quite different but relatively stable,althoug h the w ater chemistry varies greatly.T herefore,the isotope composition can be,to certain degree,regarded as the finger print and/or DNA of the w ater.Also for this reason,the isotope com position in the w ater and the isotope hydrology technique are w idely used to solve various prob -lems in w ater resources assessment and hydro -environment evaluations such as the origin of w ater,the interac -tion of surface and g roundw ater,the rain -off w ater,the degree of openness of a groundw ater system ,the in -tensity of w ater cycling,the pollution deg ree and the pollution source of a w ater body.In recognition of the importance of isotope hydrolog y,an isotope hydrology section has been established in the International Atomic Energy Agency (IAEA)and an isotope hydrolog y laboratory is set up simultaneously w ith advanced technique and equipment.Since late 1950s,a Global Netw ork for Isotopes in Precipitation (GNIP)has been initiated jointly by IAEA and WM O (World Meteorological Organization)and all the data have been published since 1961.Recently,sponsored by IAEA/UNESCO,a similar global netw ork for isotopes in the large rivers in the w orld is under the w ay to set up.It is of significant importance in promoting isotope hydrology development w orldw ide.In China,isotope hydrolog y studies can be traced back to the late 1960s.In the scientific investigation of w ater resources in Jolmo Lungma reg ion,2H and 18O w ere determ ined in snow and ice sam ples.Since then,2H and 18O have been analyzed for precipitations in Beijing,Shanghai and East China by different researchers with g reat achievement.In 1988,Supported by the M inistry of Water Resources,the first 10stations ,for mon-i toring the isotopes in precipitation in China w ere established and now they have been included in the IAEA/WM O GNIP.At present,the total number of stations has increa sed to 30.Now adays,water resources shortage and hydro -environments degradation become more and more serious w orldw ide.According to the prediction by the World Bank,2/3world population w ill live in a serious water -shortage environment if we follow the present w ater -consuming model.At present,70-80billions of U S do-l lars has been offered to the developing countries to alleviate the annual w ater resources shortag e.The global demand for w ater resources w ill be doubled in the coming 15years.For this reason,altogether 24internation -al organizations including IAEA are w orking on a World Project for Water Resources Assessment to reduce the g lobal w ater shortag e. flood , w ater shortage and water pollution have become three main problems in China now adays.Both the w ater shortages in the Heihe river reg ion and the deg radation of hydro -environment in T aihu lake area have attracted g reat attention from the State Council.The isotope hydrology technique m ay play a particular role in solving these problems.All in all,opportunities and challenges co -exist and it is a right time to ex pedite the development of isotope hydrology in China.533第5期 汪集:同位素水文学与水资源、水环境。
水文基础第一章
2
1.1.1 地球上水的来源
❖ 关于水的起源的认识仍存在很大的分歧,目前在约有32种关于水的形成的学说。这 里简述几种主要学说。
❖ 一种学说认为在地球形成之前的初始物质中存在一种H2O分子的原始星云，类似于 现在平均含水0.5%的陨石，地球形成后降到地球上，从而使地球上有了水。
❖ 另一种学说认为在地球形成后才有形成水的原始元素（氢和氧）。氢与氧在适宜的 条件下化合。生成羟基（OH）。羟基再经过复杂的变化，形成水（H2O）。
❖ 荷兰的天文学家奥特认为，地球上的主要来源是我们这颗行星的内部的岩石圈的上 地幔。岩石圈的物质一半是由硅组成，其中硅酸盐和水分。这些岩石在一定的温度 和适宜的条件下（如火山爆发）脱水，从而形成了地球的水。
外流区 内流河域 世界海洋
降水量 径流量 蒸发量 降水量 蒸发量 降水量 径流量 蒸发量
110000 47000 63000 9000 9000 458000 47000 505000
全球
降水量 蒸发量
577000 577000
年水深（mm）
924 395 529 300 300 1270 130 1400
❖ 初生氺：在地下深处熔融的岩浆上升过程中分异出的水蒸气，遇冷 凝结而成的地下水
❖ 脱出水：有些矿物含有结晶水，结构水和沸石水，在一定的物理化 学条件下从矿物中脱出形成，又称矿物脱出水。
5
1.2 自然界水的分布
❖ 表部圈层水：根据水的状态特点，我们把从大气圈到地球上半部分 称为地球的的表部圈层，这里分布着大气水、地表水、和传统水文 地质学所指的地下水。
215.9 141.1
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水循环ppt课件新人教版
湖泊流出
湖泊中的水通过出口河流 流至下游地区，参与下游
的水循环过程。
03
人类活动对水循环影响
城市化进程对水循环影响
01
02
03
不透水面积增加
城市化进程中，大量自然 地表被建筑物、道路等不 透水面积替代，导致地表 径流增加，下渗减少。
热岛效应
城市热岛效应加速城市水 循环，提高蒸发散失和降 水强度。
水循环ppt课件新人教版
CONTENTS
• 水循环概述 • 自然界中水循环实例 • 人类活动对水循环影响 • 水资源利用与保护策略 • 实验：模拟自然界中不同类型
水循环过程 • 总结与展望
01
水循环概述
定义与意义
定义
水循环是指地球上各种形态的水，在 太阳辐射、地心引力等作用下，通过 蒸发、降水、渗透等过程，不断地在 地球各个圈层之间循环流动的过程。
排水系统改变
城市排水系统改变自然水 流路径，影响地下水和地 表水的补给关系。
农业生产对水循环影响
灌溉
农业灌溉增加土壤水分，提高蒸发和蒸腾 ，改变水循环过程。
耕作措施
耕作、排水等措施改变土壤结构和水分运 动，影响下渗和产流过程。
农药和化肥使用
农药和化肥使用可能污染地下水，影响水 质和水循环。
工业发展对水循环影响
实验操作步骤说明
01 准备实验器材
包括透明塑料盒、小石头、土 壤、植物、灯泡、喷雾器等。
02 建立实验模型
在塑料盒中分别设置不同的生 态系统类型，如森林、草原、 沙漠等。
03 模拟水循环过程
通过控制光照、温度、湿度等 条件，模拟不同类型的水循环 过程，观察并记录实验现象。
0 分析实验结果 4根据实验结果，分析不同类型
同位素 水循环 -回复
同位素水循环-回复同位素是指具有相同原子序数（即原子核中具有相同质子数）但质量数不同的同种元素。
而水循环是指地球上水分的不断循环过程。
水分子具有三种同位素：氢的同位素氘（质量数为2），氧的同位素氧-18（质量数为18）和氧-16（质量数为16）。
首先，水循环是地球上水分不断循环的过程，包括水的蒸发、降水、地下水和河流循环，以及水分子在不同地理区域之间迁移的过程。
同位素是指具有相同原子序数但质量数不同的同种元素，而水分子具有三种同位素：氘、氧-18和氧-16。
水循环的第一步是蒸发。
当太阳照射到水体表面时，水分子中的激发能量会增加，一部分水分子的动能足够大，从液体状态转变为气体状态，即蒸发。
蒸发的过程中，会带走一些水分子，其中包括不同同位素的水分子，但不同同位素之间的蒸发速率有所差异。
蒸发后的水汽会升高到大气中，形成云。
云是由许多水汽凝结而成的，云中的水分子包含了不同同位素的比例。
氢同位素的氘和氧同位素的氧-18和氧-16会按照它们的质量进行分配，并且在降水过程中会进行区分。
第二步是降水。
当云中的水蒸气达到一定饱和度时，水分子会开始凝结成水滴或冰晶，并从云中降落到地表，形成雨、雪或冰雹等降水形式。
在降水过程中，不同同位素的水分子会以不同的方式分离和分布。
由于氘和氧-18相对于氧-16具有更大的质量，它们在降水过程中更容易沉积，因此降水中的氢同位素和氧同位素的比例会有所不同。
第三步是地下水和河流循环。
其中一部分降水渗入地下，形成地下水。
地下水的含有不同同位素的比例会受到地质和地下水流动的影响。
地下水有时会通过泉水或地下水脱溶等方式返回到地表，继续参与水循环。
另一部分降水会流入河流或湖泊等地表水体。
河流的水流是由降水和地下水补给的，其中的水分子包含了各种不同同位素的比例。
在河流循环中，水分子会沿河道流动，最终进入大海或湖泊，并再次蒸发或与海洋中的水下沉积物混合。
最后，水循环中的水分子也可以通过植物蒸腾进入大气中。
同位素 水循环 -回复
同位素水循环-回复同位素：同位素是指具有相同原子序数（即原子核中质子的数量相同）的元素，但质量数不同的不同原子核。
同位素通过核子数量的差异而具有不同的质量，这种差异导致同位素在化学和生物过程中的行为存在一定的差异。
水循环：水循环，又称为水蒸发-降水循环或水蒸发循环，是指在地球上水分由水域（如海洋、湖泊等）蒸发至大气中，形成云雾，随后降水（如雨、雪等）回到地表，最后流入水域的过程。
水循环是地球上水资源得以循环利用的重要机制，也是维持生态平衡和地球气候稳定的重要因素。
在水循环的过程中，同位素起着重要的作用。
由于同位素的质量数差异，同位素在水循环中的行为和传输方式存在差异，这对于认识和研究水循环具有重要的意义。
首先，同位素在水蒸发过程中可以起到示踪的作用。
通过对水蒸发过程中同位素的变化进行观测和分析，我们可以了解水分来源以及其在不同地区的传输过程。
比如，氢同位素（氘和氢-1）可以用于追踪地下水和地表径流水的源头，通过测量不同位置的同位素含量，可以确定水分的起源地和水流路径。
而在降水过程中，同位素也能够提供关于降水的有效信息。
通过对降水中同位素含量的测定，我们可以了解水分在大气中的传输和净化过程。
比如，氢和氧同位素的测量可以帮助我们了解降水中水分的来源和形成机制，从而为了解地球气候变化等提供重要线索。
此外，同位素还可以用于研究地球上淡水资源的循环和利用。
通过对地下水和地表水中同位素含量的测定，可以了解水分的充盈情况、水文循环过程以及水分的贮存和释放方式。
这对于水资源的合理开发利用和环境保护具有重要指导意义。
总之，同位素在水循环中的应用具有广泛的研究价值，可以为我们深入了解水循环的机制和过程提供重要的线索。
通过对同位素的测定和分析，我们可以追踪水分的来源和传输路径，了解地球上淡水资源的循环和利用，从而为有效管理和保护水资源提供科学支持。
因此，同位素研究在水循环领域的应用前景广阔，也将为我们认识和保护地球环境做出重要贡献。
5位素水文学-第2讲-水同位素变化-2011版本
中国科学院研究生院，同位素水文学课程教学用，庞忠和， z.pang@，
Rayleigh fractionation formula
A major role was attributed to the phase transitions of water, namely between ice/liquid/vapour, respectively.
J.R. Gat
水循环中的稳定同位素分馏
1. 2. 3.
Rayleigh fractionation Meteoric Water Lines d-excess parameter
The inception, the role that these classical concepts of isotope hydrology played in the evolution of the discipline and how they have stood the test of time…
fundamental labelling...
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18O
中国科学院研究生院，同位素水文学课程教学用，庞忠和， z.pang@，
天然物质中的氧同位素分馏
中国科学院研究生院，同位素水文学课程教学用，庞忠和， z.pang@，
中国科学院研究生院，同位素水文学课程教学用，庞忠和， z.pang@，
中国科学院研究生院，同位素水文学课程教学用，庞忠和， z.pang@，
同位素水文学
同位素水文学齐孟文中国农业大学同位素水文学，是一门应用同位素理论与方法,根据天然的同位素指纹及水中溶质物质的同位素组成特征，对自然界水汽运动和循环过程中的水文学问题进行研究的学科。
自20 世纪50 年代末期提出以来,至今已得到长足的发展，在水文、水资源及环境地质等诸多领域，诸如水汽来源、降雨径流关系、干旱半干旱区水资源评价、地表水与地下水相互作用、地下水起源及测年、湖泊蒸发及换水周期、水体污染物的来源、地热资源以及气候变化和人类活动对水循环的影响等研究领域应用十分广泛，方法学上也日臻完善。
1. 相关基本知识1.1同位素丰度的一般表示在用环境同位素进行相关示踪的研究中，示踪元素稀有稳定性同位素核素的丰度，常用与普通同位素核素的比率对参考物质的偏差δ给出，并以千分数表示：S/R δ(‰)10001-R R (reference sample×=）其中，R 代表同位素比率，如，下角标S 和代表样品和标准，的标准为标准平均海水 (SMOW),的为Pee Dee Belemnite(PDB)。
C C/R O,O/R H,H/R 121313161818122===和等R OD 18δδ、C 13δ物质相变过程的同位素分馏效应一般采用分馏因子α描述，其定义为同位素比率在两相中的比值，即 AB B/A R R =α 因1≈α,为明显起见，同位素效应常用同位素分馏ε表示，定义为 1-R R 1-A B B/A B/A ==αε 1.2蒸发过程的同位素效应自然条件下的蒸发，常为由裸露水面向不饱和大气所进行的非平衡过程，此时同位素效应是热力学和动力学分馏共同作用的结果，且为相关环境参数的函数，蒸汽中同位素构成可由Graig 和Gordon（1965）模型描述：diffdiff V/L A L V/L E -h -1--h -εεεδδαδ= 这里，A L δδ和分别为水体及水面上方自由大气的同位素构成，V/L α为水汽在两相平衡时的分馏系数，为温度的函数，由实验确定的计算关系，对分别为D O 18和233-V/L 18T 10137.1-T 4156.0100667.2ln ×+×=α 233-V/L 2T 10844.24-T 248.7610612.52-ln ×+×=α 另外，)0(1V/L V/L <−=αε,diff ε为动力学分馏（扩散），有diff diff )h -1(n Δ=φε式中，表示扩散亚层在完全扩展状态（diff Δ），，1n 10h ===φ时，重同位素的最大贫化Δ，对分别为-25.1‰和-28.5‰,。
同位素生态水文学01：D、18O
以 δ18O 为 例
各初始水
降水
-9‰
河水
-5‰
ห้องสมุดไป่ตู้
2011-10-21
中国地质大学（武汉）
（一）原 理
2、计算植物对各潜在水源的吸收比例 、
解决方案1解决方案 区间模型：
根据初始水源对土壤水的补 给深度，将土壤剖面划分为 垂向上的几个区间，用不同 区间内土壤水δD、δ18O值代 替各初始水源δD、δ18O值， 代入模型进行计算。
⑵ hydrological processes
canopy interception, stem flow, and throughfall evapotranspiration and groundwater recharge surface flow and subsurface flow runoff generation and water balance atmospheric moisture sources and regional climate
D、18O同位素在生态水文学中的应用 、 同位素在生态水文学中的应用
一、植物水分来源的示踪 二、河道径流成分的划分 三、ET的定量分割 ET的定量分割 四、植物水分竞争与共享机制 五、植被变化对水文过程的影响 植被变化对水文过程的
2011-10-21
6
中国地质大学（武汉）
D、18O稳定同位素技术在生态水文学中的应用 、 稳定同位素技术在生态水文学中的应用
干旱环境下植物水分生态特征及 生态特征及适应机制 ⑴ 干旱环境下植物水分生态特征及适应机制
植物水分来源（where vegetation is extracting water?） 植物水分利用效率（water use efficiency, WUE ） 物种间的水分竞争与共享机制（competition and partition for water） ……
同位素水文
以水为例任一时刻的分馏系数为： R1dN1/dN Rw N1/N
N1为稀有同位素组分
N1-dN1, N- dN
N1, N
dR
R
Rt
N1
N1
dN1
dN 1
N1 dN N
N N dN
N dN
dR R ( N dN 1 1) R ( 1)
dN N dN N1dN
N dN
dR dN ( 1) dN ( 1)
稀有同位素的丰度 R 丰富同位素的丰度
• 分馏系数 fractionation：α • 富集系数enrichment：ε
10
千分差值δ
• 值是指样品中两种稳定同位素的比值相对 于标准样品同位素比值的千分之偏差
‰R样品R标准1000
R标准
o 值能反映出样品同位素组成相对于标准样品的 变化方向和程度。如值为负值，表明样品中的 稀有元素比标准样品少，反之，表明样品中稀 有元素比标准样品多。
同位素水文
1
同位素的基本概念
• 核内质子数相同，所含中子数不同的一类 核素
o 在化学元素周期表中占据相同位置，它们具有 相同的核外电子排布结构，因而总的化学性质 相同，只是质量不同。
氘氚
2
同位素分类
• 根据原子结构的稳定性
o 稳定同位素
• 原子核的质子数和中子数以及原子核结构都是稳定 不变的，自然界中多数原子核都属于这一类，如2H、 18O。
Rayleigh仅是个反应条件，即反应物生成后立即从系统中 分馏出去。在Rayleigh条件下，即有平衡分馏也可以有动 力分馏。公式中的α对应相应分馏模式中的分馏系数。对 降水过程，可视为Rayleigh平衡分馏，对蒸发，湿度较大 时可视为Rayleigh平衡分馏，湿度较小时要考虑动力分馏。
%BD%8D素水文学-第3讲-大气降水同位素-2011版本
在δ18O-δD图上，当地降水线偏离大气水 线，具有较低的斜率s，这主要取决于相对湿 度。Gonfianfini(1986)建立了这个关系的数学 模型。如图所示，当湿度h值很低，动力蒸发 达到最大值，s值也很低。
中国科学院研究生院，北京, 2011年2月－6月
中国科学院研究生院，北京, 2011年2月－6月
全球大气降水线
中国科学院研究生院，北京, 2011年2月－6月
H. Craig，1961
大气降水同位素的瑞利分馏
水的蒸发、凝结是大气降水氢氧稳定同位素 分馏的直接过程，也是造成不同水体同位素 组成差异的重要原因。 瑞利模型可用来讨论大气中水汽凝结形成降 水和地表水体的蒸发过程中氢氧稳定同位素 的富集或贫化。它给出了酿酒过程中蒸馏作 用（distillation）使气体分离的数学原理 (Rayleigh,1896) 。
大气降水同位素的时空分布特征
新疆干旱区大气降水同位素最新成果简介
中国科学院研究生院，北京, 2011年2月－6月
大气降水同位素
降水是自然界水循环过程中的一个重要环节，在实现 海水—大气水—降水的相变过程中，氘-氧同位素之 间的内在关系 降水同位素受气候、地理因素影响，具有明显的时空 变化，并且与云团凝结温度、降雨量、高程等地理因 素等有关。 分析大气降水δ18O和δD在不同地区的分布特点， 以及其与各种环境因素之间的因果关系，不仅有助于 定性或定量地解决地下水的起源和成因，区分补给源 区和补给高程等水文学问题，而且也有助于判断水气 来源等气象学研究
American Geochemist 1926-2003
第四章 同位素水文地球化学
2．零点能的概念：不同的同位素组成的分子具有一 些不连续的能级，其中最低的能级称之零点能。在 化学式相同的分子中，由轻同位素组成的分子的零 点能较大，而由较重同位素组成的分子的零点能较 小。这意味着含重同位素分子的基本振动频率较低， 要破坏一个含重同位素分子需要更多的能量。 一般来说，同位素的分馏效应与分子的平动能、转 动能和振动能都有关，但与温度有关的同位素分馏 效应却只取决于分子的振动能。
2．同一元素的同位素质量数不同，由它的形成 的不同化合物之间的物理化学性质存在差异。 例如：水由氢、氧同位素可以组成9种同位 素水分子类型，分子量为18的H216O分子在天然 水的含量中占绝对优势，而其它相对较重的同 位素水分子则以不等的痕量形式存在。H2O和 D218O的物理性质和分子量，密度、粘度以及一 些热力学性质，如：蒸汽压、熔点、沸点、生 成热、焓等）都存在明显的差别。
4. δ值：样品中两种稳定同位素的比值相对于某种 标准对应比值的千分差值：
δ(‰)=｛ （Rx—Rs）/ Rs ｝× 1000
例如：硫同位素以迪亚布洛峡谷铁陨石中陨 硫 铁 的 硫 为 标 准 (CDT) ， 这 个 标 准 硫 的 34S/32S=0.0450045。它的同位素组成相当于整个地 球的平均同位素组成。样品的δ34S为“+”时，表示 样品比标准富34S，相反表示贫34S。 定义δ值的目的在于： ① 因为自然界的稳定同位素组成的变化很微，用 δ值可以明显表示变化的差异； ② 便于全世界范围内数据大小的对比。
–
二、稳定同位素分类：
1．轻质量稳定同位素：氢、氧、碳、硫 特点：（1） 同位素组成变化大； （2） 同位素分馏的原因：在于元素 的物理化学和生物作用。 2．重质量数稳定同位素：锶、钕、铅等 特点：（1）同位素组成的变化相对小些； （2）同位素组成变化的原因，主要 是由于它们的放射性母体同位素的衰变所引起 的。
同位素 水循环
同位素水循环同位素是指具有相同原子序数（即具有相同的质子数）但质量数不同的一类原子核。
因为同位素具有相同的原子序数，所以它们在化学性质上几乎无区别，但由于质量数不同，它们在物理性质上会有微小的差异。
同位素可以用原子核的符号表示，其中原子序数放在质子数的左下方，质量数放在右上方。
例如，氢的三个同位素分别为氢-1（质子数1、质量数1）、氢-2（质子数1、质量数2）和氢-3（质子数1、质量数3）。
同位素在水循环中起着重要的作用。
水循环是指水在地球大气圈、陆地和海洋之间的循环过程，包括蒸发、降水、漂移、再蒸发和地下水流等过程。
同位素的存在和转移可以通过水的同位素组成来追踪和研究水循环的过程。
在水循环中，同位素的分馏作用是指不同同位素在水循环过程中的分离和分布过程。
由于同位素在物理性质上的微小差异，它们在水循环过程中会有不同的迁移和聚集规律。
例如，在蒸发的过程中，重同位素（质量数较大的同位素）相对轻同位素（质量数较小的同位素）更容易蒸发，导致蒸发出的水中重同位素的含量较低，而降水中的重同位素含量相对较高。
这种分馏效应使得同位素可以被用来研究大气水循环的过程。
同位素分析是通过测量同位素的相对丰度来研究水循环的过程。
目前常用的同位素分析方法有稳定同位素分析和放射性同位素分析两种。
稳定同位素分析是通过测量同位素相对丰度的稳定性来研究水循环的过程，常用的同位素有氢同位素（例如氘和氢-1）、氧同位素（例如氧-18和氧-16）和碳同位素（例如碳-13和碳-12）等。
放射性同位素分析则是通过测量具有放射性的同位素的衰变过程来研究水循环的过程，常用的同位素有氚和碳-14等。
同位素分析可以用来研究水循环的过程和机制，以及水循环对全球气候和环境的影响。
例如，通过测量水中氘和氧-18的相对丰度，可以确定水源的地理位置和起源；通过测量降水和地下水中的同位素组成，可以研究水在大气圈和地下水层之间的转移和储存过程；通过测量冰川和冻土中的同位素组成，可以了解全球气候变化的历史和未来趋势。
水循环过程与原理
Na Zhao Zuo Qiting
2.2.2.4 土壤—植被—大气界面的水热传输
土壤—植被—大气间的水热传输（Soil-VegetationAtmosphere Transfer, SVAT）问题是陆面过程研究的重 点之一。 SVAT目前发展到含有多个植被层的物理-化学-生物 联合模式，并对水平方向的不均匀性进行了考虑。按其对 植被冠层的处理可分为单层模型、双层模型和多层模型。 现行的对土壤-植被-大气连续体内水分交换的估计， 主要基于能量平衡方程，即利用波纹比能量平衡法。
Na Zhao Zuo Qiting
2.2.2.3 地表能量平衡一般方程
根据能量守恒原理，地表能量的收支平衡关系如下：
Rn Ae LE H G Po Ad
（2.2.1）
式中：Rn 为净辐射，其值为到达地面的总辐射（包括短波辐射和长 波辐射）减去返回大气的辐射；LE为潜热通量，其中L代表汽化潜热 （2.45MJ/Kg），E为被蒸发水量；H为显热通量，代表与大气的显热 交换；G为地中热传导，代表通过地表物质的热量传输； Po为植物生化 过程的能量转换，其中植物光合作用的能量吸收约占净辐射的2％； Ae Ad为移流项 为人工热辐射量（燃料等消耗对地表产生的能量释放）； （因空气或水的水平流动引起的能量净损失）。
Na Zhao Zuo Qiting
“天然—人工”水循环示意图
Na Zhao Zuo Qiting
内因（水的物理特性）
外因（太阳辐射和地心引力）
水 循 环
Na Zhao Zuo Qiting
2.2 水循环原理
2.2.1 水量平衡原理
Water balance（水量平衡）是指在任一时段内研究区 的输入与输出水量之差等于该区域内的储水量的变化值。水 量平衡研究的对象可以是全球、某区（流）域、或某单元的 水体（如河段、湖泊、沼泽、海洋等）。研究的时段可以是 分钟、小时、日、月、年，或更长的尺度。水量平衡原理是 物理学中“物质不灭定律”的一种表现形式。
水文学第2章 地球上的水循环及水量平衡
三、水循环国内研究进展 1 水循环要素研究进展 降水研究进展：①在暴雨时空分布统计特征研究方面出现一些有价值 的新成果，如“中国降水与暴雨季节变化”（王家祁等，1997）；② 关于致洪暴雨中期预报研究取得了新的进展并在实际应用中取得一定 成效（章淹等，1996）。 径流研究进展：在流域产流的理论和计算方法研究中，由于水向土壤 中入渗的研究取得了新成果（唐海行等，1995），推动了超渗产流机 制和模型的研究。在汇流方面的研究进展主要表现在两个方面：①将 水力学方法和水文学方法相结合的河道汇流研究取得显著进展（谭维 炎等，1996）；②数值地貌学的理论和方法被应用于流域汇流研究， 并取得一定成果。 蒸发研究进展：近年来关于作物蒸腾和土壤与潜水蒸发的研究取得了 较大进展，提出了一些植物蒸腾计算新公式（谢贤群等，1997）和土 壤蒸发计算新公式（罗毅等，1997）。
若以海洋为研究水量平衡对象，某时段△t内的水量平衡方程可 写成：
2.陆地水量平衡方程式
陆地上水循环可区分为外流区水循环系统及内流区水循环系统，其水量平衡 方程存在两种形式：
(1)外流区任意时段的水量平衡方程为： P外-E外-R地表-R地下=△s外 对于多年平均而言Δs外→0，并以R=R地表 + R地下，则有 P0 = E0 + R0 式中；P外、E外、R地表、R地下、△S外分别为外流区任意时段内降水 量、蒸发量、入海的地表与地下径流量。P0、E0、R0、分别为外流 区多年平均降水量，蒸发量及径流量。 (2)内流区基本上呈闭合状态，没有水量入海。水量平衡方程为： P内 = E内
5
四、水循环的作用与效应
水循环作为地球上最基本的物质大循环和最 活跃的自然现象，具有重要的自然地理环境功能 和社会影响作用，是水文学重要的基础研究领域。 1 .水循环具有促进自然地理环境中物质和能量迁移转化的功
水文循环概述
水文循环概述一、概念及过程生物体需要持续不断的能量流和物质流，以维持它们的生存。
如果能量流和物质流停止了，生物将死亡。
所有的物质都由原子组成。
这些原子在生态系统中的生物体和非生物体之间循环。
这些活动包括生物学、地质学和化学过程。
因此，这些养分循环通常称为生物地球化学循环（biogeochemical cycle）。
首先介绍水文循环，然后对碳、氮、磷3种元素在群落内部以及生态系统的非生物和生物部分之间的流动进行介绍。
所有的水，都被锁定在一个连续不断的循环过程中，这个过程称为水文循环（hydrological cycle），如图3-1所示。
一个完整的水文循环过程包括了蒸发（水面、植被蒸腾、土壤、降水、下渗、径流等几个方面）。
水圈中的各种水体，通过蒸散发、水气输送、降水、下渗和地表径流等水文过程紧密联系，相互转换，形成一个巨大的动态系统。
该循环中包括水的蒸发和凝结两个重要过程。
蒸发涉及给液体分子增加能量，使液体变成气体，在气相中分子之间的距离更远。
凝结是一个相反的过程，在凝结中气体分子释放出能量，分子聚集得越来越紧密，最终变成液体。
太阳提供能量，使水从海洋表面、土壤、淡水水体和植物表面蒸发或散发。
从植物表面蒸发的水有两个来源：一部分是以雨水、露水或雪的形式降落在植物上的水；另一部分是植物从土壤中汲取并运送到其叶部，在叶子表面进行蒸腾。
这个过程称为蒸发蒸腾作用（evapotranspiration）。
自然界的水循环遵循一个简单的模式。
大气中的湿气凝集成小水滴，以雨或雪的形式降落到地面，供地球上的生物使用，并维持其生命。
水，或作为地表水，在地球表面流动；或作为地下水，在土壤中流动，最终回到海洋，通过蒸发返回大气，再次开始循环。
图3-1 水文循环过程流经地表并进入小溪和河流的地表水，称为径流（runoff）。
进入土壤并且未被植物根部所吸收的水，缓慢地通过土壤和地表下物质之间的缝隙，最终到达不透水的岩石层。
这种充满地底层缝隙空间的水，称为地下水（groundwater）。
水文学原理第一章绪论
2006年7月韶关铁路成为河道
水中熄火的车辆
2006年7月韶关体育馆陷入汪洋
•.
•.
人类面临的主要水问题
水的自然属性 水借助于大气运动和蒸发、降水、径流等现象在由岩石圈、水圈、大气圈
和生物圈组成的地球系统中作周而复始的水文循环。 水是良好的溶剂，许多物质都容易溶解于水 水具有势能、动能、压力能和化学能等，这是驱使水发生流动、溶解物质、
携带泥沙和其他物质的动力。 水的社会属性 水是维持生命的不可替代的物质。 水多、水少、水污染都给人民的生活生产等都带来不良影响。 水资源可再生，但有时空变化。 水问题处理不好，会成为社会问题。
•.
面临的水问题
水旱、水涝灾害是人类面临的主要自然灾害（水旱灾害 造成的损失占各种自然灾害的总损失比例的55%，水灾占40%）
•.
世界在研究水资源和水文时,采用了大量先进科技手段,如: ①遥感与空间技术的应用.如航片、卫星、雷达等. ②在地下水文学中应用类推式计算机,模拟难以观测的地下水情况. ③核和放射性技术应用. ④随机水文学. ⑤确定的线性水文数学模式,确定的非线性水文数学模式. ⑥确定的线性水文系统,确定的非线性水文系统. ⑦水文学与水资源学的系统方法. 目前又增加: ①模拟与模型.主要是各种水文过程的复杂模拟和参数多的模型. ②系统方法.将水文和水资源看成一个系统进行研究,是模型化理论的基础,
观测方面，发明制造了雨量器、蒸发器、流速仪等，系统的水 文测验为水文定量计 算及预报奠定了坚实基础。 (2) 20世纪初至50年代，是应用水文学兴起阶段
进入20世纪，大规模的水利水电和交通事业建设蓬勃发展， 需要科学的水文计算和水文预报，使应用水文学迅速发展起来。
① 美国1900年J.A.塞登提出著名的塞登定律； ② 1924年H.A.福斯特建立了P-Ⅲ水文频率曲线计算方法； ③ 1932年L.R.K.谢尔曼提出单位线法 ④ 1935年G.T.麦卡锡建立了马斯京根河道洪水演算法。 这一时期我国水文学发展则比较落后。
同位素技术在水文学中的应用
同位素技术在水文学中的应用同位素技术在水文学中的应用一. 基本概念1 .同位素同位素：具有相同原子序数(即质子数相同，因而在元素周期表中的位置相同)，但质量数不同，亦即中子数不同的一组核素。
特点：相同元素同位素的化学性质相同。
同位素的分类：按照同位素是否衰变，可将同位素分为：放射性同位素和稳定同位素。
按照同位素是否是由人工产生的，可将同位素分为：天然同位素和人工同位素。
2.同位素技术同位素技术就是利用水中天然存在的环境同位素（如2H、3H、18O、14C 等）来标记和确定水的年龄、特征、来源及其组成，或者在水中加入放射性含量极低的人工同位素作为示踪剂来确定水的运移和变化过程。
前者称为环境同位素技术，后者称为人工同位素示踪技术。
2.1同位素技术方法的一般程序：第一，要按照一定要求，采集待测试的样品，并按规定进行包装；第二，把样品送到实验室进行测试；第三，根据测试结果进行仔细分析。
2.2同位素技术方法：第一，同位素丰度：反映同位素成分组成的指标是同位素绝对丰度和相对丰度。
第二，同位素分馏：由于同位素质量不同，因此在物理、化学及生物化学作用过程中，一种元素的不同同位素在两种或两种以上物质(物相)之间的分配具有不同的同位素比值的现象。
自然界中的化学反应、不可逆反应、蒸发作用、扩散作用、吸附作用、生物化学反应等过程都能引起同位素分馏。
同位素分馏系数（α）表示两种物质之间的同位素分馏程度，等于两种物质的同位素比值（R）之商，即а=R A/R B（式中：R A为分子在A或是A相态中重同位素与轻同位素的比值，R B为分子在B或是B相态中的重同位素与轻同位素的比值）二.同位素在水文学中的应用20 世纪50 年代开始，同位素技术应用于解决各种水文学和水文地质学问题，随着同位素分析技术的发展，通过研究水体及某些溶解盐类的同位素组成，同位素技术和方法已经成为水科学研究的现代手段之一，同位素技术和方法可以有效地示踪水循环，如指示水的来源，水体的运移途径和数量，确定水的年龄，记录水岩相互作用的地球化学过程，环境同位素和人工同位素在水汽来源、地表水与地下水的相互作用、地下水起源及测年、水体污染物的来源以及气候变化和人类活动对水循环的影响等研究领域的应用十分广泛.为确定各类水体的成因和演化机制提供重要的依据，也为合理利用水资源奠定了基础。
01地球上的水及其循环
采用重量单位时，用1m3空气中所含水汽的g数表示，重量 单位绝对湿度代表符号为m。
采用压力单位时，为空气中所含水汽分压相当于水银
柱高度的mm数，或以毫巴表示（1毫巴＝102Pa），代表符 号为e。
第一章 地球上的水及其循环
1.3.1 气象因素——湿度
绝对湿度只能说明某一时刻空气中水汽含量的多少，而 不能表明此时空气中水汽含量的饱和程度。因此又有相对湿 度的概念。
重力水（饱水带水）
23 400 000
16 500 300 000
1.69
0.0012 0.0216
大气水
生物水 合计
12 900
1 120 1 385 984 610
0.0009
0.0001 100
第一章 地球上的水及其循环
1.2 自然界的水循环
第一章 地球上的水及其循环
1.2 自然界的水循环
图1-1 水文循环示意图
第一章 地球上的水及其循环
图1-1 水文循环示意图
第一章 地球上的水及其循环
1.2.1 水文循环 特点：速度较快，途径较短，转换交替比较迅速 循环途径的不同：大循环和小循环 周期：大气水总量虽然小，但是循环更新一次只要8天，每 年平均更换约45次。河水（16天）；海洋水（2500年）。 地下水根据其不同埋藏条件，更新的周期由几个月到若干 万年不等。
水文循环是水文学与水 文地质学的研究重点 随着对各种成岩、成矿地质作用 认识的深化，水参与各种地质作 用过程的意义不断被人们所认识 研究水的地质循环，对于深入了 解水的起源，水在各种地质作用 过程乃至地球演化过程中的作用， 都具有重要意义
第一章 地球上的水及其循环
1.3 与水文循环有关的气象、水文因素
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南水北调工 程：跨流域调 水解决水的空 间分布问题
中国科学院研究生院，同位素水文学课程教学用，庞忠和， z.pang@，
长江三峡工程：修水库解决水的时间分布问题
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中国科学院研究生院，同位素水文学课程教学用，庞忠和， z.pang@，
我国的主要水问题
水少 我国水资源贫乏，人均水资源仅为世界1/4。水资源供 需矛盾突出, 对经济增长构成“瓶颈”，使区域可持续发 展受到挑战，特别是北方干旱区！ 水多 洪涝灾害频繁，给人民生命财产造成不可低估的损失 （例：1998年长江流域洪水） 水脏 水体污染形势严峻，给饮水安全与社会和谐带来威胁， 特别是沿海经济发达地区！近年来，地下水污染造成 300多个城市缺水。 应急能力弱 大中城市应对突发水污染事件的能力严重不足（哈尔滨 市因松花江水污染停水4昼夜，最近几年频频干旱出现 突击打井现象。）
主要应用
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同位素指纹效用
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地下水在保障我国饮水安全方面具有 非常重要的地位
地下水占我国水资源总量 的1/3，饮用水供水的 70%，农村饮用水的 90% ！！
1/3 2/3
19100亿m3 9200亿m3
地下水补给
Tritium (TU)
Bomb tritium
示踪剂:
•核爆氚及其它示踪剂：18O, 2H, 3H, …
Infiltration
Time
Tritium (TU)
Groundwater
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同位素水文学
Isotope Hydrology
水循环概论
主讲：庞忠和
研究员、博士生导师 中国科学院地质与地球物理研究所 z.pang@
中国科学院研究生院，同位素水文学课程教学用，庞忠和， z.pang@，
我国大陆水循环的特点
降水时空分布不均
南方多，北方少 降雨集中在夏季
南方洪涝、北方干旱 ！！ 这是由季风气候决定的！
中国科学院研究生院，同位素水文学课程教学用，庞忠和， z.pang@，
我国干旱分区
中国科学院研究生院，同位素水文学课程教学用，庞忠和， z.pang@，
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区域水循环研究的主要问题
地下水补给区和补给量的确定 地下水保护区的厘定 （污染严重地区） 地下水的可再生属性评价 （干旱区） 地下水地表水相互作用 （含水层与河流、湖 泊有接触的地方） 含水层抵御污染的能力 （污染严重地区）
世界性的水问题
2000年全球首脑会议指出：世界上有大约15亿人 没有安全饮用水！ 《新千年宣言》承诺：到2015年将15亿人减少一 半！ 联合国23个组织共同执行一个新的计划：WWAP （World Water Assessment Programme), 2001年 第一份报告的结论：亚洲人均最缺水！ 跨境水资源矛盾尖锐，人类将为水而战！
-120%0 , -15%
0
Evaporation
-150%0 , -20 %0
0%0 , 0%0
Radioactive isotope decay
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水循环与水资源
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自然界的水量平衡
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100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 70 全国 地表水 地下水
40 20
38
总供水量
饮用水
农田灌溉
工业用水
地下水
地表水
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地下水污染危害人民健康
全球大气降水氚分布时间系列
北半球
10000
TRITIUM CONCENTRATION (TU)
1000
O ttaw a, C an ad a
100
10
K aito ke, N ewZ ealan d
南半球
1 1950
1960
1970
Y E A R
1980
1990
2000
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地下水微量污染组 分，含量虽然很低，但 具有极强 “三致”（致 癌、致突、致畸）作 用，不仅使人的寿命减 少，甚至对人类繁衍构 成危机。
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十一五期间完成了珠三角、长三 角和环渤海地下水污染调查
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同位素与区域水循环研究
我国的主要水问题 水问题与水循环 区域水循环科学的机遇与挑战 区域水循环研究中的环境同位素 我国区域水循环研究 水循环研究在地球系统科学中的地 位
地下水的可持续利用
Time
水位 时间
Water Level
可持续利用
Sustainable
含水层疏干
中国科学院研究生院，同位素水文学课程教学用，庞忠和， z.pang@，
同位素与区域水循环研究
我国的主要水问题 水问题与水循环 水循环科学的机遇与挑战 区域水循环研究中的环境同位素 我国区域水循环研究 水循环研究在地球系统科学中的地 位
中国科学院研究生院，同位素水文学课程教学用，庞忠和， z.pang@，
水循环科学的机遇
”社会的需求比十所大学更能推动科学技术的 发展“。- Albert Einstein (爱因斯坦) 在水问题严重的形势下，水循环科学迎来的 发展的机遇 由于水循环问题比较复杂，研究工作富于挑 战性
Natural Water Cycle
-120%0, -15%0
庞忠和，1997
Isotope Labeling 自然界的水循环及其同位素标记
Isotope fractionation
Condensation
-70%0, -10%0
Transpiration Infiltration
-30%0 ,-5%0
世界性的水问题 我国的主要水问题 水问题与水循环 水循环科学的机遇与挑战 我国区域水循环研究 区域水循环研究中的环境同位素 水循环研究在地球系统科学中的地位
中国科学院研究生院，同位素水文学课程教学用，庞忠和， z.pang@，
水同位素变化与水的类型判别
d
大气降水线
本 地
全
球
海水
水面蒸发 现代地下水
H－ 2
古水
全球大气降水线： O-18 2 18 H = 8 O +10 中国科学院研究生院，同位素水文学课程教学用，庞忠和， z.pang@， (Craig, 1961，Science)
中国科学院研究生院，同位素水文学课程教学用，庞忠和， z.pang@，
关于水循环
（1）定义 地球上或某一区域内，在太阳辐射和重力以及地球构造运动的作用与影响 下，水分通过蒸发、水汽输送、降水、入渗、径流、排泄等过程不断转化、 迁移的现象。 （2）空间尺度 全球水循环：大陆与海洋之间的循环－地球水系统 大陆水循环 区域水循环：盆地或流域 局部水循环：局部水体之间 （河－湖、含水层之间） （3）时间尺度 长循环：103 年以上 中循环：102 －103 短循环：Nx10年
中国科学院研究生院，同位素水文学课程教学用，庞忠和， z.pang@，
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
同位素判别污染源
补给区 排泄区
污染源 污染源
百年
级
十年
污染检出
级
千年级
中国科学院研究生院，同位素水文学课程教学用，庞忠和， z.pang@，
同位素与区域水循环研究
我国的主要水问题 水问题与水循环 区域水循环科学的机遇与挑战 区域水循环研究中的环境同位素 我国区域水循环研究 水循环研究在地球系统科学中的地 位
中国科学院研究生院，同位素水文学课程教学用，庞忠和， z.pang@，
区域水循环研究中的同位素技术
同位素水文学基本原理 国际原子能机构的水资源计划
中国科学院研究生院，同位素水文学课程教学用，庞忠和， z.pang@，
区域水循环研究中的同位素技术
同位素
稳定同位素 （ 18O 、2H、 13C、 34S、15N、87Sr、 11B…） 放射性同位素（3H、14C、36Cl） 人工同位素 （131I、125I） 水源判别 （圈定补给区－保护区） 混合关系（混合方式、混合比例） 水动力学（年龄、速度、流场）
水源判别-依据稳定同位素
2H = -60‰ V-SMOW 2H = -120‰ VSMOW
西安自来水
拉萨自来水
只要两个不同水源的同位素差别足够大，就可以判别水源！ 中国科学院研究生院，同位素水文学课程教学用，庞忠和， 同样原理适用于其它饮料！
z.pang@，
Depth
Unsaturated Zone
应用:
•地下水再生能力 •包气带研究
Bom b tritium