氫氧穩(wěn)定同位素在半干旱地區(qū)包氣帶中的分餾機制.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)地下水的補給與排泄模式、強度與動態(tài)特征，研究包氣帶水的形成、影響因素及運移規(guī)律對闡明水文循環(huán)機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動，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制研究具有重要的理論意義和實用價值。
　　

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、野外原位觀測、模型計算和理論分析等方法，進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)條件下的分餾機制研究，在此基礎(chǔ)上利用氫氧穩(wěn)定同位素方法對黃土臺塬區(qū)和渭河高漫灘區(qū)的土面蒸發(fā)速率進行了估算。
　　論文取得了以下主要成果：
　?。?）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D和18O的吸附動力學(xué)符合雙常數(shù)方程，渭河砂樣、黃土

3、和古土壤對D和18O的吸附動力學(xué)符合拋物線方程；D和18O的等溫吸附符合Freundlich方程，D的吸附容量排序為黃土>古土壤>風(fēng)積砂>渭河砂樣，18O的吸附容量排序為黃土>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，分餾過程為一瞬時平衡反應(yīng)，分餾平衡常數(shù)等于分餾系數(shù)。
　?。?）柱淋濾試驗研究表明，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到弱的順序為：風(fēng)積砂、古土壤、渭河砂樣、黃土。在柱淋濾試驗重力排水過程中，隨時間出現(xiàn)了“輕”水段、“重”水段、“平衡”段三個階段。
　　（3）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)定同位素有偏負趨勢，渭河砂樣中有偏正的趨勢。
　?。?）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。同時利用水均衡法和通量法對黃土臺塬區(qū)和渭河高漫灘區(qū)6-7月間土壤蒸發(fā)速率也分別計算，