氫氧穩(wěn)定同位素在水團(tuán)混合計(jì)算中的應(yīng)用初探

葉振亞

摘 要：氫氧穩(wěn)定同位素作為天然示蹤劑，研究降水與地表水的混合作用、地表水與地下水的補(bǔ)給作用以及地表水之間的相互作用等過程中具有重要作用，通過二源線性混合模型可以計(jì)算二源和三源水團(tuán)混合過程中端元的貢獻(xiàn)率，而在計(jì)算多源混合過程中，則需要采用局部分析或者補(bǔ)充其他示蹤劑等方式來綜合計(jì)算。

關(guān)鍵詞：穩(wěn)定同位素；水體貢獻(xiàn)率；二源線性混合模型

近年來，河流和湖泊水體的富營養(yǎng)化問題日益嚴(yán)重，尤其對(duì)于大中型水庫而言，庫區(qū)干流水體營養(yǎng)狀態(tài)良好，而支流大多保持中營養(yǎng)狀態(tài)或者富營養(yǎng)化狀態(tài)，部分支流呈現(xiàn)重度富營養(yǎng)化狀態(tài)。研究表明，水體富營養(yǎng)化狀態(tài)主要由營養(yǎng)物質(zhì)的輸入以及水動(dòng)力條件的變化兩方面導(dǎo)致，水作為營養(yǎng)物質(zhì)的載體以及藻類植物的生長繁衍環(huán)境，其自身的運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)移過程直接影響到水體中營養(yǎng)鹽的遷移和轉(zhuǎn)化，以及對(duì)藻類植物生長繁殖過程的控制，因此計(jì)算水體內(nèi)不同水團(tuán)的混合比率對(duì)于研究水體富營養(yǎng)化狀態(tài)有著重要意義。目前，氫氧同位素作為一種穩(wěn)定示蹤劑，在河川徑流、降雨徑流、水源劃分以及植物體水分輸出等研究方面應(yīng)用較廣[1]，不同水體具有不同的氫氧同位素特征，因此可以利用氫氧穩(wěn)定同位素來計(jì)算河流和湖泊不同水團(tuán)混合過程中各水源的貢獻(xiàn)率。

1 氫氧穩(wěn)定同位素的天然示蹤效果

氫氧同位素均稱為穩(wěn)定同位素，這是因?yàn)橐运肿哟嬖诘腄和18O在常溫（低于40攝氏度）下非常穩(wěn)定，很難與接觸到的有機(jī)質(zhì)或礦物發(fā)生反應(yīng)，而影響其含量。氫氧穩(wěn)定同位素在自然界中含量極低，一般的表達(dá)方式較為復(fù)雜，因此，國際上規(guī)定統(tǒng)一采用待測(cè)樣品中某元素的同位素比值（R）與標(biāo)準(zhǔn)樣品中的同位素的相應(yīng)同位素比值 （R標(biāo)準(zhǔn)）的相對(duì)千分差作為量度，記為δ（‰）值[2]，即

δ=（R/R標(biāo)準(zhǔn)-1）×1000

式中：R是樣品中元素的重輕同位素豐度之比，如（D/H）和（18O/16O）；R標(biāo)準(zhǔn)是國際通用標(biāo)準(zhǔn)物的重輕同位素豐度之比，如（D/H）標(biāo)準(zhǔn)和（18O/16O）標(biāo)準(zhǔn)，一般水體中氫氧同位素測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)采用國際原子能機(jī)構(gòu)（IAEA）頒布的平均標(biāo)準(zhǔn)大洋水（Standard Mean Ocean Water，即SMOW），而后IAEA通過海水蒸餾后加入其他水配置的，非常接近SMOW的水樣作為新的標(biāo)準(zhǔn)，稱為VSMOW。由于水分蒸發(fā)和冷凝過程中同位素的分餾作用，使得自然界氫氧穩(wěn)定同位素的分布具有如下效應(yīng)：緯度效應(yīng)、大陸效應(yīng)、季節(jié)效應(yīng)和高度效應(yīng)，這也使得自然界中不同水體擁有不同的氫氧同位素特征。因此我們可以通過不同水團(tuán)混合過程中端元水團(tuán)氫氧同位素特征的變化來研究水團(tuán)混合的詳細(xì)過程，計(jì)算不同水團(tuán)的混合比率等。

2 降雨與地表水的混合作用

在自然界的水循環(huán)過程中，降水是陸地水體的主要補(bǔ)給來源，根據(jù)氫氧穩(wěn)定同位素的示蹤作用，在降水過程中，通過分析降水前后地表水體以及降水中的氫氧同位素組成，就可以分析出一次降水對(duì)某一區(qū)域地表水的補(bǔ)給作用，運(yùn)用二源線性混合模型[3]計(jì)算出降水的補(bǔ)給率。計(jì)算公式1如下：

δD后=AδD前+BδD降

δ18O后=Aδ18O前+Bδ18O降 （1）

A+B=1

式中：δD前、δ18O前表示一次降水前某一地表水水體的氫氧同位素比值；δD后、δ18O后表示一次降水后某一地表水水體的氫氧同位素比值；δD降、δ18O降表示一次降水中降水氫氧同位素比值；A、B分別為降水過程中地表水和降水所占比率。

在計(jì)算降雨與地表水混合作用的過程中，一次降水過程往往比較簡單，利用D或者18O均可以很好的計(jì)算出降水的補(bǔ)給率，因此可以選擇一種同位素標(biāo)記作為計(jì)算，而選擇另外一種同位素標(biāo)記作為驗(yàn)證，從而更為嚴(yán)謹(jǐn)?shù)氐玫揭淮谓邓畬?duì)地表水的補(bǔ)給率。然后自然界中水源混合作用往往比較復(fù)雜，地表水在收到一次降雨補(bǔ)給的同時(shí)還受到地下水的補(bǔ)給，在此情況下可以將公式1修正為公式2：

δD后=AδD前+BδD降+CδD地

δ18O后=Aδ18O前+Bδ18O降+CδD地 （2）

A+B+C=1

式中：δD前、δ18O前表示一次降水前某一地表水水體的氫氧同位素比值；δD后、δ18O后表示一次降水后某一地表水水體的氫氧同位素比值；δD降、δ18O降表示一次降水中降水氫氧同位素比值；δD地、δ18O地表示一次降水過程中地下水氫氧同位素比值；A、B、C分別為降水過程中地表水、降水和地下水所占比率。

修正后的計(jì)算模型可以很好的同時(shí)計(jì)算出一次降水過程中，降水、地下水以及降水前地表水的混合比率。

3 地表水之間的混合作用

目前所討論的地表水主要包括自然界中的河流以及湖泊，其直接來源除了降水以外，還包括高山融雪、融冰、地下水以及其他河流的交匯。對(duì)于湖泊來說，其水體來源主要是降水和源頭水體的補(bǔ)給，在此補(bǔ)給的過程中，利用二源線性混合模型計(jì)算水團(tuán)的混合作用依舊適用，但在湖泊水循環(huán)體系中，水體離開湖泊的主要方式為蒸發(fā)，蒸發(fā)過程往往伴隨著氫氧同位素的分餾作用，穩(wěn)定同位素由于不同同位素的水分子性質(zhì)不同，使得水在蒸發(fā)過程中，較輕的同位素分子優(yōu)先離開，而使得水蒸氣中富集較輕的同位素分子，而剩余水體中則相對(duì)富集較重的同位素分子，導(dǎo)致水體中氫氧穩(wěn)定同位素比值產(chǎn)生差異。湖泊體系中水體流動(dòng)性較差，垂向上水體交換不頻繁，表層水體長時(shí)間暴露空氣中，由于溫度及相對(duì)濕度的影響而使得分餾作用尤為強(qiáng)烈，因此在研究湖泊水系水循環(huán)的過程中，穩(wěn)定同位素的分餾作用非常重要。

開放式湖泊水體穩(wěn)定同位素的分餾作用主要包括熱力學(xué)平衡分餾和動(dòng)力學(xué)非平衡分餾兩種類型。熱力學(xué)平衡分餾作用代表河水蒸發(fā)過程的第一階段，處于穩(wěn)定同位素平衡狀態(tài)的水汽從液態(tài)進(jìn)入水-汽界面，由于平衡分餾作用造成殘余水體重同位素富集，水汽重同位素虧損的現(xiàn)象，由穩(wěn)定同位素平衡分餾系數(shù)α表征對(duì)于湖泊而言，水體滯留時(shí)間較長，因此選用較為常見的Majoub經(jīng)驗(yàn)方程[4]來計(jì)算熱力學(xué)平衡分餾過程中氫氧同位素的平衡分餾系數(shù)。動(dòng)力學(xué)非平衡分餾則代表河水蒸發(fā)過程的第二階段，當(dāng)進(jìn)入水-汽界面的水汽進(jìn)入大氣分子擴(kuò)散層時(shí)，由于水汽分子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)而造成水汽中重同位素的進(jìn)一步虧損現(xiàn)象，這一分餾過程與大氣相對(duì)濕度有著密切的關(guān)系，已有的研究結(jié)果表明：空氣相對(duì)濕度h與蒸發(fā)參與水體氫氧穩(wěn)定同位素富集程度具有負(fù)相關(guān)性，即h越大越不利于殘余水體重同位素富集，Cappa等給出了蒸發(fā)過程中的動(dòng)力學(xué)分餾計(jì)算公式[5]，而對(duì)于河流而言，河流水體除了降水來源外，主要由上游源頭以及各個(gè)支流源頭的補(bǔ)給，由于一般的河流支流較多，因此無法直接采用二源線性混合模型計(jì)算各個(gè)支流源頭的水體補(bǔ)給率，因此在計(jì)算支流較為分散的河流時(shí)，可以根據(jù)局部水體氫氧穩(wěn)定同位素的變化單獨(dú)計(jì)算各個(gè)支流的補(bǔ)給率，而在計(jì)算支流較為集中，各個(gè)支流水體由交叉混合現(xiàn)象的河流時(shí)，2個(gè)以下支流混合仍可以利用模型計(jì)算，而在多于2個(gè)支流混合的河流，需要補(bǔ)充其他指標(biāo)共同計(jì)算，如營養(yǎng)鹽、常量離子、重金屬等等。

4 結(jié)果與討論

穩(wěn)定穩(wěn)定同位素作為天然示蹤劑，在計(jì)算不同水團(tuán)混合過程中端元的貢獻(xiàn)率上有著重要的作用，但其具有一定的局限性。氫氧同位素在計(jì)算二源或者三源水體混合上具有良好的示蹤效果，而在計(jì)算多源混合過程中具有限制性，在研究河流、湖泊等內(nèi)陸水域時(shí)，通過局部研究、添加其他示蹤劑的手段，可以彌補(bǔ)氫氧穩(wěn)定同位素在此方面的不足。

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