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 O

D 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 A

B 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：

diff

diff 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‰,。对于裸露水面情形，一般取,则有

D O 18和5.0n = ）

（）（h -12.14-h -15.12-diff 18diff 2

==ε

ε

图. 裸露水面向不饱和大气蒸发的同位素分馏过程（Graig 和Gordon,1965）

1.3系统周转时间及混合关系

当处于动态稳恒状态时，所研究的水文系统的平均周转时间，可由计时同位素核素示踪，并由如下关系（eg.nir and lewis1975,zuber 1986）计算，即

Q /V T m =

式中，系统可流动水的容积，Q 是系统流出水的容积流量率。

m V 在研究河流、湖泊与地下水的相互作用，或对水文系统进行分割时，经常要用混合系统模型进行解析，假设混合系统是由两个（或以上），各自具有特征同位素信号的端源库经混合而成，则由同位素的质量平衡，有

N N 2211mix M

M M M M M δδδδ⋅+⋅⋅⋅⋅⋅+⋅+⋅= 式中，和i M i δ(,...N 1,2i ，=

)分别是各端源对系统贡献及相应的同位素丰度。

1.4水汽运动过程的参照线

水汽运动过程的参照线，是指全球大气降水线、局地气象降水线和水汽蒸发线，各线所反映的水汽同位素特征及相互关系见下图。

全球或特定区域大气降水中氢--氧同位素组成之间的线性相关线称大气降水线,Rozanski 等（1993）通过全球AEA 网络站对世界各地206个样品分析得到全球大气降水线表达式为。降水线是一线性关系，说明在不同时空点，雨水的同位素构成不同，但因水汽分子在演化过程中

始终作为整体而运动，）（（0.0610.56O )06.017.8D 18±+±=δδD δ和具有时空变化的协同性，因此表现为线性关系；

局地气象降水线由于有当地水汽参与,而先前落到地面的雨水因蒸发重同位素被富集，若重新蒸发参与降雨过程，这时由于同位素间的协同作用，气象降水线的斜率基本与全球降水线的一致，但y 截距将出超，称为D 出超。至于蒸发线，蒸发使蒸汽相的重同位素贫化，但较O 18δO 18δD δ贫化幅度更多，因此蒸发线的斜率较

降水线的小。以上特征在解释各种水分运动时具有重要的参照价值。

图.各水汽线的特征，及形成过程示意图。

2.典型应用方面

2.1水体间相互作用研究

图.Virttankanga 地下水的同位素构成图。地下水位于Finish气象降水线FMWL，河水（黄三角）和湖水（红方块）脱离FMWL,湖水的值在当地的蒸发线上，且通过地下水的同位素平均值，表明其完全来自地下水，河水与地下水的同位素构成明显不同，其平均值连接成绿线，两者混合的值将在绿线上。参考文献：Geological Survey of Finland, Special Paper 49, 279–284, 2011

2.2地下水盐碱化监测

参见，First International Conference on Saltwater Intrusion and Coastal Aquifers—