應(yīng)用案例

Picarro L2140-i在降水到地下水同位素信號(hào)傳輸機(jī)制中的應(yīng)用

發(fā)表時(shí)間：2024-08-09

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https://doi.org/10.1016/j.jhydrol.2024.130746

摘要

本研究通過(guò)一系列滲透儀土柱實(shí)驗(yàn)，探討降水同位素信號(hào)從大氣傳遞至地下水過(guò)程中的動(dòng)態(tài)變化及其影響因素。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，降水規(guī)模、土壤質(zhì)地、地下水埋深以及土壤蒸發(fā)均對(duì)于降水同位素信號(hào)傳遞具有重要影響。

研究背景

降水通過(guò)包氣帶補(bǔ)給地下水是水循環(huán)的重要環(huán)節(jié)，這一過(guò)程受介質(zhì)條件、包氣帶厚度、降水特征等多種因素共同影響。人類活動(dòng)和氣候變化雙重影響下，降水形式正在發(fā)生改變，包氣帶厚度的變動(dòng)也更加顯著，降水到地下水的入滲過(guò)程的認(rèn)識(shí)存在很大不足。氘氧同位素是示蹤水循環(huán)的有效工具，過(guò)往研究通常利用降水的同位素均值作為地下水輸入項(xiàng)，但降水的同位素信號(hào)向地下水的傳遞機(jī)制及其影響因素尚不明確，尤其是對(duì)降水事件及入滲后的土壤水同位素的高頻率同步監(jiān)測(cè)鮮有報(bào)道。

分析過(guò)程與方法

本研究選取了季風(fēng)區(qū)內(nèi)8組不同土壤類型和深度的降雨測(cè)量開展降水和土壤水的同位素監(jiān)測(cè)工作，重點(diǎn)對(duì)比暴雨和小降水條件下，兩種不同介質(zhì)（砂礫石和黃土質(zhì)黏砂）在不同地下水位埋深情景下的土壤水出水量的分布特征及其同位素變化。以30分鐘為采樣間隔高頻采集降水以及滲透儀出流水樣，記錄水量并留存樣品進(jìn)行同位素分析測(cè)試。

(a)在兩個(gè)降雨事件中，樣本的時(shí)間δ¹⁸OP變化，以及樣本的數(shù)量加權(quán)平均δ¹⁸O值與(b)強(qiáng)降雨（HR）和(c)小降雨（LR）的累積P之間的相關(guān)性。

（a）砂礫石強(qiáng)降水、（b）砂礫石小降水、（c）黃土質(zhì)黏砂強(qiáng)降水和（d）黃土質(zhì)黏砂小降水期間及之后每30min間隔出流水δ²H-δ¹⁸O（顏色由淺到深的漸變表示時(shí)間趨勢(shì)）。

Picarro儀器的應(yīng)用

本研究使用Picarro L2140-i液體水同位素分析儀在實(shí)驗(yàn)室中測(cè)量樣品的δ¹⁸O（氧同位素）和δ²H（氫同位素）值。這些測(cè)量結(jié)果以相對(duì)于維也納標(biāo)準(zhǔn)平均海洋水（V-SMOW）的千分率偏差（‰）來(lái)表示。其中δ¹⁸O的測(cè)量精度為0.1‰，δ²H的測(cè)量精度為0.5‰。這種高精度的同位素分析對(duì)于研究降水和地下水之間的同位素信號(hào)傳遞及其控制因素至關(guān)重要，因?yàn)樗鼈兛梢詭椭芯空邷?zhǔn)確追蹤和量化降水事件對(duì)地下水補(bǔ)給的影響，以及不同地下水埋藏深度和土壤類型對(duì)同位素信號(hào)衰減的影響。

Picarro L2140-i作為一種高精度的同位素分析工具，在這項(xiàng)研究中發(fā)揮了關(guān)鍵作用，為理解地下水補(bǔ)給過(guò)程中的同位素動(dòng)態(tài)提供了重要的數(shù)據(jù)支持。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果和數(shù)據(jù)分析，我們得出了一些重要結(jié)論。首先，土壤質(zhì)地對(duì)于降水同位素信號(hào)傳遞至地下水具有顯著影響。不同土壤質(zhì)地的土柱在同位素信號(hào)的傳遞速率和程度上存在差異。其次，降水規(guī)模和埋藏深度也對(duì)入滲過(guò)程和同位素組成也有重要影響，暴雨事件對(duì)入滲過(guò)程影響更大。冗余分析表明，降水量是影響出流量變化的最主要因素(~51%，p<0.05)，水位埋深是影響同位素時(shí)間變化的關(guān)鍵因素(~52%，p<0.05)。進(jìn)一步的分析表明，在4個(gè)滲透儀中觀測(cè)到土壤水分與強(qiáng)降雨事件分量的混合，混合比例fP在10%~50%范圍內(nèi)變化，表明強(qiáng)降雨對(duì)土壤的有效補(bǔ)給。與當(dāng)?shù)卮髿馑€平行的樣品強(qiáng)調(diào)了土壤蒸發(fā)的影響。

結(jié)論

通過(guò)本研究，我們對(duì)于降水同位素信號(hào)傳遞至地下水的過(guò)程和影響因素有了更全面的認(rèn)識(shí)，對(duì)于使用地下水同位素進(jìn)行古氣候研究有指導(dǎo)意義，指出了水位波動(dòng)在古氣候研究中應(yīng)得到特別關(guān)注，蒸發(fā)導(dǎo)致的¹⁸O富集在古氣候研究中同樣也是不可忽視的，并且進(jìn)一步證實(shí)了強(qiáng)降水事件對(duì)于地下水同位素組成的影響。未來(lái)建議在古氣候研究中使用地下水同位素時(shí)，考慮到強(qiáng)降雨造成的不成比例補(bǔ)給、過(guò)去地下水動(dòng)力學(xué)的混亂波動(dòng)以及蒸發(fā)引起的扭曲等附加限制。

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