同位素水文地质学的数学方法及其在西北干旱内陆河流域的应用——以黑河和石羊河为例

摘要

我国西北干旱区降水稀少，气候干燥，沙漠广布，但境内的高山如祁连山等却是荒漠中的“湿岛”。发源于冰川而最终消失于沙漠的内陆河孕育着许多绿洲。这种特殊的山地一盆地结构决定了山区是径流的形成区，盆地则是径流的耗散区，盆地内降水极少。一个流域可看作一个生态系统，大气降水一地表水一地下水之间相互转化，故以流域为生态单元进行开发研究已成为必然趋势。 近年来，随着国民经济的发展和人口的迅速增加，对水资源的不合理利用，导致了西北干旱区生态环境恶化。为了对水资源进行合理开发利用，实现水资源的可持续开发，研究干旱区内陆河流域地表水与地下水的相互转化、地下水的滞留时间、更新速率、区分不同层位地下水资源的属性是关键。环境同位素广泛的存在于自然界水体中，在降水、地表水、地下水、土壤水和植被体内相互转化的水循环过程中，同位素的分馏效应导致不同水体具有不同的同位素含量。利用不同水体同位素含量之间的差异，为研究它们之间的相互转化方式与转化数量，获得了传统方法不可能得到的一些重要信息；同时，放射性氚(3H)和碳(14C)测年技术可以提供地下水系统循环时间和更新速率的详细信息。这些技术为流域水资源可持续利用、合理开发地下水资源、保护脆弱的生态环境提供了科学依据。 本文在收集前人研究资料和成果的基础上，通过野外调查、水样采集、室内样品分析和数据整理，运用同位素水文学数学模型，以黑河和石羊河流域为例，研究了西北干旱内陆河流域地表水一地下水相互转化、地下水滞留时间与更新速率及以地下水为古环境变化的信息载体，建立含水层古气候档案，重建地下水资源形成演化及其对气候变化的响应过程。通过研究取得了以下主要研究成果： 1.利用小波分析得到黑河出山口径流的变化存在3年，5-9年、21-29年的主周期；从经验模态分解(EMD)残余变量R上，可以看出黑河出山口径流量呈增加趋势。特别进入20世纪80年代以后，黑河出山口径流量的增加趋势更加明显。这主要是由于该时期研究区气候由暖干向暖湿转变，降水量增加，山区春秋积雪量增多、河川径流量增大等因素造成的； 2.利用同位素质量守恒方程，研究了黑河山区径流中降水、冰雪融水、基岩裂隙水的混合比例。尽管在不同的样点位置上，不同组分的混合比例不同，但从平均上看，夏季山区地表径流中，冰雪融水对地表水贡献率最大，其次是基岩裂隙水，降水最小。 3.利用指数活塞流模型(Exponentional Piston Model，EPM)计算了额济纳盆地浅层地下水滞留时间。计算结果表明：额济纳浅层地下水的最老的年龄为58年，位于古日乃地区；最年轻的地下水处于鼎新-老西庙一带，年龄为13年：在额济纳县城一带的浅层地下水年龄为22年：在板滩井附近的浅层地下水年龄为20年。 4.根据3H和14C的比例混合模型和均匀混合模型，研究了额济纳盆地地下水的更新速率。结果表明：额济纳旗盆地浅层地下水系统具有一定的更新性，平均更新速率为0.76～3.3％·a-1；而深层地下水除了河道可影响的区域外，基本上属于不可更新资源，大部分更新速率变化范围为为0.003～0.006％·a-1。 5.研究民勤盆地地下水系统特征为：a.民勤盆地地下水的输入碳源极大可能是以C4植被类型为主的土壤CO2；b.在封闭条件下，发生碳酸岩溶解。并利用各种14C年龄校正模型，计算了民勤盆地地下水年龄范围为4ka B.P.～36kaB.P.。 6.利用深层地下水δ18O和δ2H信息解释了石羊河河流域、黑河流域区域性古气候的变化特征。36ka B.P～10ka B.P.，地下水的δ18O和δ2H值较低，反应了末次冰期的气候寒冷的特征，地表的平均温度是7.3℃；10ka B.P.～1ka B.P.，地下水的δ18O和δ2H值振荡增加，说明全新世转变时期气候波动频繁而不稳定，这一时期较低的δ值标志着进入全新世之前短暂的冷期，在短暂的冷暖交替之后，向全新世快速的转变。1ka B.P～至今，地下水的δ18O和δ2H值明显高于其平均值，说明全新世气候开始变暖。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

第一节研究目的和意义

一、西北内陆河流域水资源特点和开发利用现状

二、水循环特征研究中的同位素技术

第二节应用同位素技术研究水循环特征的国内外现状

一、国外研究现状

二、国内研究现状

三、国内外研究的差距及我国研究对策

第三节、研究内容、方法与创新点

一、研究内容与方法

二、创新点

第二章 黑河流域地表径流多时间尺度与环境同位素特征

第一节小波分析的基本理论

一.傅里叶变换

二.小波分析

第二节基于经验模态分解方法的水文波动的多时间尺度分析

一、EMD方法介绍

二、EMD方法对数据边界的处理

第二节小波变换、EMD方法在黑河流域地表径流多时间尺度的应用

一、资料来源

二、出山口年径流量周期性分析

三、黑河出山口年径流量的EMD分析

第四节地表径流与地下水相互转化规律研究

一、山区地表水形成

二、中游盆地地下水与河水转化

第三章 地下水平均滞留时间与更新速率推算

第一节同位素数学模型确定地下水的传输时间

一、数学模型原理简述

二、同位素稳定输入情况下的输出函数

三、系统流线特征与模型选择

第二节利用3H计算额济纳盆地浅层地下水滞留时间

一、研究区介绍

二、研究区大气降水3H浓度恢复曲线

三、研究区浅层地下水3H测年结果

四、结论

第三节放射性同位素(3H，14C)估算额济纳盆地地下水更新速率

一、方法原理和样品采集

二、结果与讨论

三、结论

第四章深层承压水14C年龄测定与古气候重建

第一节地下水14C测年原理与古气候信息因子

一、地下水14C测年原理与计算模型

二、古气候信息因子的确定

第二节西北内陆河盆地深层地下水年龄计算

一、民勤盆地水文地质特征

二、民勤盆地地下水样品采集

三、民勤盆地地下水年龄计算

四、利用校正模型确定民勤盆地深层地下水初始14C输入含量

第三节西北内陆河流域地下水中古气候记录

第五章总结与展望

第一节主要结论

第二节、问题与展望

参考文献

个人简历

在读期间发表论文

致谢

附录