室外水體蒸發(fā)氫氧同位素日變化特征

鐘瑞

摘 要：為研究室外水體蒸發(fā)氫氧同位素變化特征，連續(xù)12個(gè)小時(shí)采集四川大學(xué)聽(tīng)荷池的水樣，獲得了水體蒸發(fā)氫氧穩(wěn)定同位素與溫度的關(guān)系。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，水體蒸發(fā)實(shí)驗(yàn)中，溫度越高，蒸發(fā)速度越快，在同樣的蒸發(fā)時(shí)間內(nèi)水體重同位素富集程度越大；室外水體自由蒸發(fā)實(shí)驗(yàn)中得出的蒸發(fā)線方程斜率較大地偏離了當(dāng)?shù)亟邓€，表明實(shí)驗(yàn)期間水體蒸發(fā)分餾作用較明顯。該研究為進(jìn)一步揭示水體蒸發(fā)分餾規(guī)律提供了可靠的實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：水體蒸發(fā)；氫氧同位素；日變化；實(shí)驗(yàn)研究

中圖分類號(hào)：P339 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2017）32-0019-02

1 實(shí)驗(yàn)區(qū)概況

取樣點(diǎn)位于成都市武侯區(qū)四川大學(xué)聽(tīng)荷池，北緯30°38'3.64〃，東經(jīng)104°05'12.38〃，海拔大約為490m，池面積為1.2hm2，降水是聽(tīng)荷池水量的主要來(lái)源。成都市屬于中亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候區(qū)，常年最多風(fēng)向是靜風(fēng)，冬濕冷、春早、無(wú)霜期較長(zhǎng)，四季分明，熱量豐富，年平均氣溫16°C，最高氣溫38.6°C，最低氣溫-5.9°C，無(wú)霜期為287d，初霜期出現(xiàn)的時(shí)候大約為11月底，終霜期一般在2月，冬季的平均氣溫大概為5°C，平均氣溫比同緯度的長(zhǎng)江中下游地區(qū)高1～2°C。冬春雨少，夏秋多雨，雨量充沛，多年平均降雨量約為900～1300mm，多集中在7～9月份。光、熱、水基本同季，氣候資源的組合合理，很有利于生物繁衍。風(fēng)速小，風(fēng)速為1～1.5m/s，晴天少，日照率在24～32%之間，年平均日照時(shí)數(shù)為1042～1412小時(shí)。

2 樣品收集與分析

2.1 樣品收集

2016年12月4日，在聽(tīng)荷池采集水樣，氣象數(shù)據(jù)為當(dāng)時(shí)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量記錄。

取樣品之前，需要把塑料瓶放入7N的HNO3浸泡一整天，然后用超純水清洗多次，接著放入烘箱將塑料瓶的水烘干，為了保證取樣工具的潔凈與干燥，以免污染樣品。采取樣品時(shí)，盡量將水樣裝滿瓶子，這是因?yàn)榭紤]到液態(tài)水分子之間存在著范德華力，它會(huì)使水分子的運(yùn)動(dòng)速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于氣態(tài)情形，這樣可以降低蒸發(fā)時(shí)的分餾作用。

取樣采集：2016年12月4日，8：00至20：00，每個(gè)小時(shí)分別在聽(tīng)荷池東南西北角采集水樣，每次取樣的地點(diǎn)以及取樣的深度基本上都沒(méi)有變化。每次將取好的水樣裝入50ml的塑料瓶中，現(xiàn)場(chǎng)記錄日期和溫度等，用封口膜將瓶口封住，以免造成分餾。最后把裝好的樣品帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行分析。

2.2 樣品處理及分析

所有樣品在測(cè)量之前用1ml一次性注射器和0.45μm濾頭進(jìn)行過(guò)濾，然后把過(guò)濾好的樣品在四川大學(xué)水利水電學(xué)院同位素實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行分析。水在蒸發(fā)時(shí)，組成水分子的氫和氧同位素含量將產(chǎn)生微小的變化。自然界中穩(wěn)定同位素組成的變化很微小，國(guó)際上一般用δ值表示元素的同位素含量。采用激光液態(tài)水穩(wěn)定同位素分析儀，測(cè)定抽取水樣的δD、δ18O和δ17O，其測(cè)定精度分別達(dá)0.3‰、0.08‰ 和0.08‰。測(cè)得的水樣中氫氧同位素含量為“與標(biāo)準(zhǔn)平均大洋水（SMOW）”的千分差，表示為

δ=（Rsample-Rstandard）×1000/Rstandard

式中：Rsample為水樣中D、18O或17O的濃度；Rstandard為SMOW中 D、18O或17O的濃度。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

樣品同位素分析結(jié)果見(jiàn)表1。

（1）根據(jù)采樣獲得的樣品同位素值，可以看出，自由水體蒸發(fā)實(shí)驗(yàn)蒸發(fā)線斜率（s=5.907），水體δ18O蒸發(fā)線方程為δD=5.907δ18O-11.003，我國(guó)西南地區(qū)大氣降水線為δD=7.96δ18O+9.52，可看出蒸發(fā)線和當(dāng)?shù)亟邓€發(fā)生了比較大的偏離，說(shuō)明冬季水體的蒸發(fā)作用是非常明顯的，在沒(méi)有降雨輸入混合的條件下蒸發(fā)水體δ18O較容易富集。根據(jù)采樣獲得的樣品同位素值，畫(huà)出δ17O-δD關(guān)系圖，可以看出水體δ17O蒸發(fā)線方程為δD=8.086δ17O-31.185，與大氣降水線較接近，說(shuō)明蒸發(fā)作用對(duì)δ17O的影響不明顯。

（2）水體蒸發(fā)主要受制于溫度、氣壓和相對(duì)濕度等諸多氣象條件。實(shí)驗(yàn)中溫度與水體蒸發(fā)量成正比，溫度越高，蒸發(fā)得速度就越快，然而蒸發(fā)量就越大。根據(jù)聽(tīng)荷池2016年12月4日連續(xù)12個(gè)小時(shí)的取水樣品的實(shí)際檢測(cè)值分析，一號(hào)水樣中δD值介于-80.02‰～-79.25‰之間，變化幅度為0.77‰；δ18O值介于-11.89‰～-11.45‰之間，變化幅度為0.44‰；δ17O值介于-6.23‰～-5.86‰，變化幅度為0.37‰。二號(hào)水樣中δD值介于-77.44‰～-76.40‰之間，變化幅度為1.04‰；δ18O值介于-11.09‰～-10.54‰之間，變化幅度為0.55‰；δ17O值介于-5.91‰～-5.67‰，變化幅度為0.24‰。在同樣的濕度、風(fēng)速等氣象因素條件下，溫度變化相同，δ17O的變化幅度最小，δ18O次之，δD的變化幅度最大，δD日平均改變量分別為δ18O、δ17O的1.82倍和3.21倍，δD更敏感地響應(yīng)溫度的變化。根據(jù)相應(yīng)圖水樣δD和溫度T相關(guān)性分析，水體中δD與溫度T的關(guān)系方程分別為δD=0.0165T-79.987，δD=0.0642T-77.626；水樣δ18O和溫度T相關(guān)性分析，水體中δ18O與溫度T的關(guān)系方程分別為δ18O=0.0301T-11.955，δ18O=0.0181-11.040。可以看出，水樣中的δD、δ18O隨著溫度的升高均呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)，δD、δ18O與溫度有顯著的正相關(guān)性關(guān)系，說(shuō)明溫度越高，蒸發(fā)速度越快，相同時(shí)間間隔內(nèi)蒸發(fā)量越大，水體中的富集程度也越大。

4 結(jié)論

（1）通過(guò)水體自由蒸發(fā)實(shí)驗(yàn)，得到了蒸發(fā)線方程為δD=5.907δ18O-11.003，與當(dāng)?shù)卮髿饨邓€方程δD=7.96δ18O+9.52相比，斜率要偏小許多，結(jié)果顯示，在試驗(yàn)期間氫氧同位素蒸發(fā)分餾比較地明顯，水體中較富集重同位素。

（2）水體蒸發(fā)實(shí)驗(yàn)中，溫度越高，蒸發(fā)的速度越快，在同樣的蒸發(fā)時(shí)間內(nèi)水體中重同位素富集程度越大。

蒸發(fā)對(duì)研究不同水體穩(wěn)定同位素組成、揭示水分運(yùn)動(dòng)規(guī)律、示蹤水循環(huán)具有重要意義。由于蒸發(fā)同位素分餾是一個(gè)相對(duì)復(fù)雜的過(guò)程，國(guó)內(nèi)在這方面的研究和應(yīng)用還非常欠缺，需做更多的基礎(chǔ)理論和實(shí)驗(yàn)研究。

參考文獻(xiàn)：

[1]張應(yīng)華，許彥卿.黑河流域不同水體中δ18O的變化[J].水科學(xué)進(jìn)展，2007，18（6）：864-870.

[2]章新平，姚檀棟，田立德，等.烏魯木齊河流域不同水體中的氧穩(wěn)定同位素[J].水科學(xué)進(jìn)展，2003，14（1）：50-56.

[3]包為民，胡海英，王濤，等.蒸發(fā)皿中水面蒸發(fā)氫氧同位素分流的實(shí)驗(yàn)研究[J].水科學(xué)進(jìn)展，2008，19（6）：780-785.endprint