基于环境同位素的黄土塬区降水-土壤水-地下水转换关系研究

摘要

地下水是黄土塬区工农业生产与居民生活的重要水源，研究地下水动态变化规律、补给来源和方式，可以为合理利用和科学管理有限的地下水资源提供依据。环境同位素技术在流域水循环中的理论和应用研究在国内外已取得了诸多进展，证明是一种行之有效的方法；在黄土高塬沟壑区，降水、土壤水、地下水之间的水分转换关系目前还不是完全清楚，应用环境同位素方法可以对这一问题进行深入探讨。本文对长武塬区降水、土壤水和地下水的环境同位素组成进行研究，并结合水文观测，初步揭示了区域水循环中降水-土壤水-地下水之间的转换关系，得出了以下几点结论: 1 黄土塬区大气降水特征与降水的氢氧同位素组成及其影响因素1）长武塬区降水季节和年际分布不均匀。年内降水集中分布在7～9 月，占全年降水量的53.1％；年均降水量为578.7mm，年际变化大。长武塬区次降水量小，年均降水日为100.7 天，但日降水量<5mm 的无效降水占总次数的67％，大于10mm 的降水次数仅占1/3。1960～1990 年降水量围绕均值波动，在总体上呈增加趋势；1991～ 2006 年除2003 年降雨量为观测期间最大值外，降水量呈明显下降趋势。 2）长武塬区降水线方程为：δD＝7.44δ18O+1.69（R2=0.94，n=30），与全球及我国降水线方程相比，斜率与截距均偏小，与研究区地处内陆、次降水量小、空气湿度低、降水在降落过程中经过较强的蒸发有关。次降水氢氧同位素组成的温度和降水量效应不显著，但长历时降水与降水量之间呈显著负相关。降水δD和δ18O的算术值和降水量加权平均值之间差别明显，反映了汛期雨量较大的降水事件对其组成的显著影响。 2 黄土10m 剖面土壤物理性质黄土塬区10m深剖面土壤质地大多数为中壤，部分为重壤。剖面土壤容重在1.23～1.44g cm-3之间，在0～1m土层内容重变化明显，均值为1.34 gcm-3；1m以下容重变化相对较小，1～2m和2～10m平均容重为1.28 gcm-3和1.30 gcm-3。水分特征曲线经幂函数拟合，其参数a值在0～2m范围内变化较大，在38.23～45.85 之间，均值为41.51；2m以下变化相对较小，2～10m范围内a的均值为46.36。参数b在10m剖面变化较大，其值在0.0973～0.1682 之间，均值为0.1308。剖面土壤田间持水量和萎蔫湿度分别为21.16％±0.86％和7.46％±0.65％。 3 土壤水分动态与土壤水同位素组成2005 年雨季降水在裸地补给深度可达5m；2006 年8 月份前降水较少，土壤水分损失明显，主要在1.5m 以内。0～5m 土层范围内土壤储水量盈余6.3mm，5～8m 土壤水分储量增加17.4mm。8.0～9.8m 剖面内水分减少量大于5～8m 土壤水增加量，将有部分水分向下补给10～13m 红土层土壤，其水分增加量约10.8mm。 0～ 1.5m剖面土壤水δD变化范围为：-24.89‰～ - 77.15‰，δ18O变化范围为： -3.39‰～-13.00‰，其均值分别为-51.50‰± 9.09‰和-7.22‰± 1.45‰。土壤水δD和δ18O值在剖面内30cm处最大，向下迅速减小，1m以下变化较小，基本稳定。根据δD和δ18O值变异系数和剖面深度的对数关系计算的δD和δ18O值衰减临界深度平均为1.4m。 4 地下水氢氧同位素组成特征井水δD变化范围为-78.76‰～ - 66.98‰，均值为-70.67‰；δ18O变化范围为-11.00‰～- 9.08‰，均值为-9.76‰。泉水δD变化范围为-74.38‰～- 65.84‰，均值为-70.47‰；δ18O变化范围为-10.25‰～ - 8.76‰，均值为-9.46‰。井水与泉水δD和δ18O值较降水和土壤水变化范围都明显较小，井水δD和δ18O标准差分别为2.32 和0.42，泉水δD和δ18O标准差分别1.43 和0.27。井水与泉水δD和δ18O非常接近，说明二者的补给来源相同或相似。 5 地下水补给来源与方式及其动态地下水来源为当地降水，降水一方面转化为土壤水缓慢补给地下水；另一方面通过降雨形成径流，在塬面的黄土碟、黄土胡同或者居民开挖的涝池等负地形地段汇集后补给地下水，补给滞后时间多为30～40 天，也可能有较短的为10 天左右，受降雨量、降雨强度以及补给通道湿度等因素影响。 塬区4 处监测井地下水埋深多年变化不尽相同，两处具有明显的季节变化，其余两处年内变化幅度较小，这与当地的地形地貌、水文地质条件、开采状况和降水特征有关。塬区地下水开采量逐年增加，而地下水资源可持续利用则宜控制机井数目，限制地下水的开采量，“以补定采”。

目录

文摘

英文文摘

声明

致谢

第一章绪论

第二章研究区概况与研究方法

第三章黄土塬区降水特征及其环境同位素研究

第四章黄土塬区土壤水运动及其环境同位素特征

第五章黄土塬区地下水来源与补给及其动态特征研究

第六章主要结论与展望

参考文献

后记