應用案例

Picarro L2140-i在降水到地下水同位素信號傳輸機制中的應用

發(fā)表時間：2024-08-09

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

摘要

本研究通過一系列滲透儀土柱實驗，探討降水同位素信號從大氣傳遞至地下水過程中的動態(tài)變化及其影響因素。實驗結果表明，降水規(guī)模、土壤質地、地下水埋深以及土壤蒸發(fā)均對于降水同位素信號傳遞具有重要影響。

研究背景

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

分析過程與方法

本研究選取了季風區(qū)內(nèi)8組不同土壤類型和深度的降雨測量開展降水和土壤水的同位素監(jiān)測工作，重點對比暴雨和小降水條件下，兩種不同介質（砂礫石和黃土質黏砂）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行同位素分析測試。

(a)在兩個降雨事件中，樣本的時間δ¹⁸OP變化，以及樣本的數(shù)量加權平均δ¹⁸O值與(b)強降雨（HR）和(c)小降雨（LR）的累積P之間的相關性。

（a）砂礫石強降水、（b）砂礫石小降水、（c）黃土質黏砂強降水和（d）黃土質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間趨勢）。

Picarro儀器的應用

本研究使用Picarro L2140-i液體水同位素分析儀在實驗室中測量樣品的δ¹⁸O（氧同位素）和δ²H（氫同位素）值。這些測量結果以相對于維也納標準平均海洋水（V-SMOW）的千分率偏差（‰）來表示。其中δ¹⁸O的測量精度為0.1‰，δ²H的測量精度為0.5‰。這種高精度的同位素分析對于研究降水和地下水之間的同位素信號傳遞及其控制因素至關重要，因為它們可以幫助研究者準確追蹤和量化降水事件對地下水補給的影響，以及不同地下水埋藏深度和土壤類型對同位素信號衰減的影響。

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

實驗結果分析

根據(jù)實驗結果和數(shù)據(jù)分析，我們得出了一些重要結論。首先，土壤質地對于降水同位素信號傳遞至地下水具有顯著影響。不同土壤質地的土柱在同位素信號的傳遞速率和程度上存在差異。其次，降水規(guī)模和埋藏深度也對入滲過程和同位素組成也有重要影響，暴雨事件對入滲過程影響更大。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間變化的關鍵因素(~52%，p<0.05)。進一步的分析表明，在4個滲透儀中觀測到土壤水分與強降雨事件分量的混合，混合比例fP在10%~50%范圍內(nèi)變化，表明強降雨對土壤的有效補給。與當?shù)卮髿馑€平行的樣品強調(diào)了土壤蒸發(fā)的影響。

結論

通過本研究，我們對于降水同位素信號傳遞至地下水的過程和影響因素有了更全面的認識，對于使用地下水同位素進行古氣候研究有指導意義，指出了水位波動在古氣候研究中應得到特別關注，蒸發(fā)導致的¹⁸O富集在古氣候研究中同樣也是不可忽視的，并且進一步證實了強降水事件對于地下水同位素組成的影響。未來建議在古氣候研究中使用地下水同位素時，考慮到強降雨造成的不成比例補給、過去地下水動力學的混亂波動以及蒸發(fā)引起的扭曲等附加限制。

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