CN111783027A - 一种利用同位素计算降水、地下水对地表水补给率的方法 - Google Patents

一种利用同位素计算降水、地下水对地表水补给率的方法 Download PDF

Info

Publication number
CN111783027A
CN111783027A CN202010550422.1A CN202010550422A CN111783027A CN 111783027 A CN111783027 A CN 111783027A CN 202010550422 A CN202010550422 A CN 202010550422A CN 111783027 A CN111783027 A CN 111783027A
Authority
CN
China
Prior art keywords
water
surface water
atmospheric precipitation
isotope
precipitation
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202010550422.1A
Other languages
English (en)
Inventor
闫少锋
曹国良
高力群
刘羽
刘昱
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hubei Provincial Water Resources and Hydropower Planning Survey and Design Institute
Original Assignee
Hubei Provincial Water Resources and Hydropower Planning Survey and Design Institute
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Hubei Provincial Water Resources and Hydropower Planning Survey and Design Institute filed Critical Hubei Provincial Water Resources and Hydropower Planning Survey and Design Institute
Priority to CN202010550422.1A priority Critical patent/CN111783027A/zh
Publication of CN111783027A publication Critical patent/CN111783027A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F17/00—Digital computing or data processing equipment or methods, specially adapted for specific functions
    • G06F17/10—Complex mathematical operations
    • G06F17/11—Complex mathematical operations for solving equations, e.g. nonlinear equations, general mathematical optimization problems
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/62—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating the ionisation of gases, e.g. aerosols; by investigating electric discharges, e.g. emission of cathode

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Mathematical Physics (AREA)
  • Pure & Applied Mathematics (AREA)
  • Data Mining & Analysis (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Mathematical Optimization (AREA)
  • Mathematical Analysis (AREA)
  • Computational Mathematics (AREA)
  • Algebra (AREA)
  • Operations Research (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Databases & Information Systems (AREA)
  • Software Systems (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Other Investigation Or Analysis Of Materials By Electrical Means (AREA)
  • Sampling And Sample Adjustment (AREA)

Abstract

本发明公开了一种利用同位素计算降水、地下水对地表水补给率的方法，步骤为：(1)采样检测，分别采集流域内的地表水、地下水及大气降水；将水样过滤后统一测定环境同位素含量，得到δ地表水、δ地下水、δ大气降水；(2)建立计算模型，由于地表水是由大气降水与地下水共同补给，有δ地表水＝Xδ大气降水+(1‑X)δ地下水；(3)计算大气降水对地表水的补给率X＝(δ地表水‑δ地下水)/(δ大气降水‑δ地下水)×100％；(4)计算地下水对地表水的补给率Y＝1‑X。本发明操作便捷，计算准确，深入分析降水、地表水和地下水之间的转化关系及流域演化规律，进而揭示人类活动影响下的降水、地表水与地下水的相互作用关系，为大尺度水循环研究提供依据。

Description

一种利用同位素计算降水、地下水对地表水补给率的方法
技术领域
本发明涉及水文领域，具体地指一种利用氢氧同位素计算降水、地下水对地表水补给率的方法。
背景技术
近年来，人类活动以及大量水利工程的建设对流域水循环，水资源问题正日益影响着全球的经济与环境发展。在社会发展和人类活动对自然干预逐渐加剧下，天然的水循环在地表水与地下水相互作用过程中产生了明显的变化。在不同地区，由于气候和地质条件的差异，地表水和地下水相互作用不同，影响程度也不同。
随着气候变化和人类活动的影响加剧，尤其是跨流域调水(如南水北调、引江济汉、引滦入津、引黄济青等工程)和大规模地下水抽取工程实施，导致区域地表水和地下水相互作用更为频繁、作用规律变得更为复杂，这种变化造成了自然界水循环模式的改变，严重影响了生态环境，对水资源及生态环境造成了恶劣的后果。能否合理利用和有效保护水资源主要取决于人类对水循环的认识水平。因此，加强降水、地表水与地下水之间相互作用规律研究，保证流域内水资源可持续利用、生态环境可持续发展，不仅对区域水循环模式的建立、水资源形成机制的了解、以及水资源总量的评价与综合管理具有重要的理论意义，而且对水资源合理开发利用和生态环境保护都具有十分重要的实际意义。
传统计算大气降水、地表水与地下水的相互转化过程，需要开展土壤入渗野外试验、室内实验等工作，开展难度大，准确度低。同位素有良好的标记作用，大部分同位素化学性质稳定，不易沉淀与吸附，2H、3H、18O本身就是水的组成成分，因此可以随水同步运动。同时，同位素测定精度极高，通过测定同位素组分，可以研究与追踪水的运动和水循环。稳定同位素D(即2H)和18O，分别是氢和氧的同位素，作为环境示踪剂，在水文学中已经得到了广泛运用。来源不同的水体往往具有不一样的同位素特征，而氢和氧是水的基本组成部分，能够跟随水一起运动，因而稳定同位素方法还可用于进行流域内水文循环过程的研究，确定水循环中各部分水体的来源，解释地表水与地下水之间的相互作用关系等。大气降水、地表水与地下水的相互转换是水文循环的重要组成部分，尤其是在地质情况复杂或者大量抽取地下水的地区，地表水与地下水的相互转换频繁，交换水量在整个水资源量中占相当大的比例。研究其中的转换规律，成为流域水资源管理的关键问题。
环境同位素方法是水循环研究的重要手段。由于蒸发和凝结等作用，自然界中的水体在运移过程中发生不同程度的同位素分馏，且分馏程度主要受温度和相对湿度的影响，可以据此研究降水的水汽来源、地表水蒸发及混合、土壤水入渗与消耗、地下水利用与补给等。其可以用来有效地示踪水循环，如指示水的来源，不同环境状况下水的运移和数量(包括江河湖泊)，从而为认识水的形成、运动及其成分变化机制提供重要的依据，为合理利用宝贵的水资源奠定基础。
因此，开发出一种方便快捷、准确度高、研究范围广的利用环境同位素计算大气降水、地下水对地表水补给率的方法具有重要意义。
发明内容
本发明的目的就是要解决上述背景技术的不足，提供一种方便快捷、准确度高、研究范围广的利用环境同位素计算大气降水、地下水对地表水补给率的方法。
本发明的技术方案为：一种利用同位素计算降水、地下水对地表水补给率的方法，其特征在于，步骤为：
(1)采样检测
分别采集流域内的地表水、地下水及大气降水，将水样过滤后测定环境同位素含量，分别得到地表水、地下水及大气降水的环境同位素含量δ地表水、δ地下水、δ大气降水；
(2)建立计算模型
由于地表水是由大气降水与地下水共同补给，根据同位素质量守恒原理，有
δ地表水＝Xδ大气降水+(1-X)δ地下水
其中：δ地表水＝地表水内环境同位素含量，
δ大气降水＝大气降水内环境同位素含量，
δ地下水＝地下水内环境同位素含量，
X＝地表水中大气降水所占体积百分比，同为大气降水对地表水的补给率，
(3)计算大气降水对地表水的补给率X
X＝(δ地表水-δ地下水)/(δ大气降水-δ地下水)×100％；
(4)计算地下水对地表水的补给率Y
Y＝1-X。
优选的，所述环境同位素为氢同位素D或氧同位素18O。
优选的，步骤(1)中采用同位素比质谱仪测定水样中的同位素含量，同位素比质谱仪对氢同位素D分析精度为2‰，对氧同位素18O分析精度分别为0.2‰。
优选的，步骤(1)中所述地表水为流域内河流表层水。
本发明中，同位素含量为同位素千分偏差值δ，δ地表水、δ地下水、δ大气降水同时为δD或同时为δ18O。
本发明中，X意义为地表水中大气降水所占体积百分比，Y意义为地表水内地下水所占体积百分比，X+Y＝100％。
本发明的有益效果为：
1.降水降至地表产生汇流、不同河流交汇、地表水下渗转换成地下水等过程中，导致环境同位素(2H或18O)发生不同程度的混合，依据不同水体中氢、氧同位素组成的不同，本发明通过分析取自检测的水体的多个水样品中溶解态氢、氧同位素的组成比率，获得水体中不同来源水量的贡献率。
2.从微观入手，基于来源不同的水体具有不一样的同位素特征的特点，分析水循环过程中各部分水体的来源，明确大气降水、地下水对地表水的供给关系。
3.具有操作便捷，计算准确的特点，可以深入分析降水、地表水和地下水之间的转化关系及流域演化规律，为进一步研究气候变化和人类活动(跨流域调水、大规模地下水抽取工程等)对流域水循环影响研究提供依据。
附图说明
图1为本发明流程图
具体实施方式
下面具体实施例对本发明作进一步的详细说明。大气降水以坡面流的形式补给地表水(实施例中以河流水体为地表水)、以入渗的形式补给地下水，入渗补给的地下水再通过侧渗补给地表水，河流水体在流动的过程中受到蒸发作用的影响，再以水蒸气的形式返回大气，完成了不同水体的循环。
实施例1
如图1所示，本发明提供的一种利用氢氧同位素计算降水与地表水、地下水转换率的方法，步骤为：
(1)采样检测
在流域内的上下游处、支流汇入干流处、干流分流为支流处均可布设采样点，依据国家水质采样行业标准在流域内进行采样。
分别采集流域内的地表水、地下水及大气降水，将水样经0.22μm滤头过滤，然后装入1.5ml进样瓶中，采用同位素比质谱仪测定水样中的环境同位素含量(氢同位素D或氧同位素18O的千分偏差值，同位素比质谱仪对δ18O和δD分析精度分别为0.2‰和2‰)，得到地表水内同位素含量δ地表水、大气降水内同位素含量δ大气降水、地下水内同位素含量δ地下水，δ地下水、δ地表水、δ大气降水三者同时为δD或δ18O；
(2)建立计算模型
由于地表水是由大气降水与地下水共同补给，根据同位素质量守恒原理，有
δ地表水＝Xδ大气降水+(1-X)δ地下水
其中：δ地表水＝地表水内环境同位素含量，
δ大气降水＝大气降水内环境同位素含量，
δ地下水＝地下水内环境同位素含量，
X＝地表水中大气降水所占体积百分比，同为大气降水对地表水的补给率，
(3)计算大气降水对地表水的补给率X
则有X＝(δ地表水-δ地下水)/(δ大气降水-δ地下水)×100％；
(4)计算地下水对地表水的补给率Y
Y＝1-X。
本实施例中，在流域内对地表水、地下水及大气降水进行2次取样，各水样测定δ18O值：
第一次水样测定的数据结果分别为：大气降水、地下水、地表水δ18O值分别为δ大气降水＝-8.38‰、δ地下水＝-5.21‰、δ地表水＝-6.42‰；
第二次水样测定的数据结果分别为：大气降水、地下水、地表水δ18O值分别为δ大气降水＝-2.17‰、δ地下水＝-4.9‰、δ地表水＝-3.77‰；
计算出两次取样大气降水对地表水的补给率X分别为38.2％、41.4％，大气降水对地表水平均补给率则为39.8％；
计算出两次取样地下水对地表水的补给率Y分别为61.8％、58.6％，地下水对地表水平均补给率则为60.2％。
实施例2
本实施例中，除测定水样中的环境同位素含量为δD外，其余步骤均与实施例1相同。
在流域内对地表水、地下水及大气降水进行2次取样：
第一次水样测定的数据结果分别为：大气降水、地下水、地表水δD值分别为δ大气降水＝-63.2‰、δ地下水＝-37.1‰、δ地表水＝-46.8‰；
第二次水样测定的数据结果分别为：大气降水、地下水、地表水δD值分别为δ大气降水＝-11.1‰、δ地下水＝-33.9‰、δ地表水＝-24.3‰；
计算出两次取样大气降水对地表水的补给率X分别为37.2％、42.1％，大气降水对地表水平均补给率则为39.6％；
计算出两次取样地下水对地表水的补给率Y分别为62.8％、57.9％，地下水对地表水平均补给率则为60.4％。
实施例1-2中四次测定结果以及计算得出的转换率X如下表所示。
表1水样中同位素含量以及转换率
Figure BDA0002542295350000061
从上表1可以得到，利用同位素δ18O与δD得到的河流水体中大气降水所占体积百分比(X)分别为39.8％、39.6％，利用同位素δ18O与δD得到的河流水体中地下水所占体积百分比(Y)分别为60.2％、60.4％。结果显示，利用同位素δD与δ18O数据测定结果基本一致，结果可靠性较高。
在传统的降水、地表水、地下水以及土壤水的水量转换关系计算中，通常采用的是水资源量估算、模型模拟、水化学离子计算等方法，而以上方法存在准确性差、精度低以及稳定性差等方面的问题。同位素在自然界中具有很好的稳定性，不易沉淀与吸附，且具有良好的标记作用，其不仅可以失踪水的来源，还可以追踪其补给过程，本发明利用同位素计算大气降水、地表水、地下水、土壤水的转化关系及转化比率具有计算准确、精度高等优点，优于传统计算方法。

Claims (4)

1.一种利用同位素计算降水、地下水对地表水补给率的方法，其特征在于，步骤为：
(1)采样检测
分别采集流域内的地表水、地下水及大气降水，将各水样过滤后测定环境同位素含量，分别得到地表水、地下水及大气降水的环境同位素含量δ地表水、δ地下水、δ大气降水；
(2)建立计算模型
由于地表水是由大气降水与地下水共同补给，根据同位素质量守恒原理，有
δ地表水＝Xδ大气降水+(1-X)δ地下水
其中：δ地表水＝地表水内环境同位素含量，
δ大气降水＝大气降水内环境同位素含量，
δ地下水＝地下水内环境同位素含量，
X＝地表水中大气降水所占体积百分比，同为大气降水对地表水的补给率，
(3)计算大气降水对地表水的补给率X
X＝(δ地表水-δ地下水)/(δ大气降水-δ地下水)×100％；
(4)计算地下水对地表水的补给率Y
Y＝1-X。
2.如权利要求1所述的利用氢氧同位素计算降水与地表水、地下水转换率的方法，其特征在于，所述环境同位素为氢同位素D或氧同位素18O。
3.如权利要求2所述的利用氢氧同位素计算降水与地表水、地下水转换率的方法，其特征在于，步骤(1)中采用同位素比质谱仪测定水样中的环境同位素含量，同位素比质谱仪对氢同位素D分析精度为2‰，对氧同位素18O分析精度分别为0.2‰。
4.如权利要求1所述的利用氢氧同位素计算降水与地表水、地下水转换率的方法，其特征在于，步骤(1)中所述地表水为流域内河流表层水。
CN202010550422.1A 2020-06-16 2020-06-16 一种利用同位素计算降水、地下水对地表水补给率的方法 Pending CN111783027A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010550422.1A CN111783027A (zh) 2020-06-16 2020-06-16 一种利用同位素计算降水、地下水对地表水补给率的方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010550422.1A CN111783027A (zh) 2020-06-16 2020-06-16 一种利用同位素计算降水、地下水对地表水补给率的方法

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN111783027A true CN111783027A (zh) 2020-10-16

Family

ID=72756018

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202010550422.1A Pending CN111783027A (zh) 2020-06-16 2020-06-16 一种利用同位素计算降水、地下水对地表水补给率的方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN111783027A (zh)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112508352A (zh) * 2020-11-18 2021-03-16 河北工程大学 一种定量区分水循环演变过程中不同因素贡献的方法
CN113704932A (zh) * 2021-07-15 2021-11-26 中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司 一种基于稳定同位素的城镇污水管网外水混入定量评估方法
CN115144556A (zh) * 2022-07-05 2022-10-04 重庆交通大学 基于同位素和叶面积指数量化降雨水汽来源的方法和装置

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2010025919A (ja) * 2009-04-23 2010-02-04 Mitsubishi Materials Techno Corp 地下水起源解析方法、地下水起源解析システム、地下水起源解析プログラム及び記録媒体
JP2010044051A (ja) * 2008-07-15 2010-02-25 Mitsubishi Materials Techno Corp 地下水起源解析方法及び地下水起源解析システム
CN103808790A (zh) * 2012-11-09 2014-05-21 天津市环境保护科学研究院 一种基于同位素的地表水污染源解析方法
CN106777968A (zh) * 2016-12-14 2017-05-31 中国水利水电科学研究院 一种大深埋条件下地表水补给地下水的计算方法及装置
CN107764960A (zh) * 2017-09-15 2018-03-06 国家电网公司 基于同位素示踪技术测抽水蓄能电站地下厂房渗水来源法
CN109387575A (zh) * 2017-08-04 2019-02-26 中国科学院城市环境研究所 一种地表水中人畜药物多组分残留的高精度检测方法

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2010044051A (ja) * 2008-07-15 2010-02-25 Mitsubishi Materials Techno Corp 地下水起源解析方法及び地下水起源解析システム
JP2010025919A (ja) * 2009-04-23 2010-02-04 Mitsubishi Materials Techno Corp 地下水起源解析方法、地下水起源解析システム、地下水起源解析プログラム及び記録媒体
CN103808790A (zh) * 2012-11-09 2014-05-21 天津市环境保护科学研究院 一种基于同位素的地表水污染源解析方法
CN106777968A (zh) * 2016-12-14 2017-05-31 中国水利水电科学研究院 一种大深埋条件下地表水补给地下水的计算方法及装置
CN109387575A (zh) * 2017-08-04 2019-02-26 中国科学院城市环境研究所 一种地表水中人畜药物多组分残留的高精度检测方法
CN107764960A (zh) * 2017-09-15 2018-03-06 国家电网公司 基于同位素示踪技术测抽水蓄能电站地下厂房渗水来源法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
张升东: "基于环境同位素的锦绣川流域水循环规律研究", 中国优秀硕士学位论文全文数据库 基础科学辑, no. 06, pages 012 - 5 *

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112508352A (zh) * 2020-11-18 2021-03-16 河北工程大学 一种定量区分水循环演变过程中不同因素贡献的方法
CN113704932A (zh) * 2021-07-15 2021-11-26 中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司 一种基于稳定同位素的城镇污水管网外水混入定量评估方法
CN115144556A (zh) * 2022-07-05 2022-10-04 重庆交通大学 基于同位素和叶面积指数量化降雨水汽来源的方法和装置
CN115144556B (zh) * 2022-07-05 2024-03-26 重庆交通大学 基于同位素和叶面积指数量化降雨水汽来源的方法和装置

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Gao et al. Hydrogeochemical characteristics and processes of groundwater in an over 2260 year irrigation district: A comparison between irrigated and nonirrigated areas
Hao et al. Stable isotope evidence for identifying the recharge mechanisms of precipitation, surface water, and groundwater in the Ebinur Lake basin
CN111783027A (zh) 一种利用同位素计算降水、地下水对地表水补给率的方法
Wang et al. Hydrogeochemical characterization of groundwater flow systems in the discharge area of a river basin
Yang et al. Hydrochemical and isotopic interpretation of interactions between surface water and groundwater in Delingha, Northwest China
Yuan et al. Water transfer imposes hydrochemical impacts on groundwater by altering the interaction of groundwater and surface water
Neal et al. Boron in the major UK rivers entering the North Sea
Wen et al. The altitude effect of δ 18 O in precipitation and river water in the Southern Himalayas
Pang et al. Impacts of human activities on the occurrence of groundwater nitrate in an alluvial plain: a multiple isotopic tracers approach
Yang et al. Groundwater and surface-water interactions and impacts of human activities in the Hailiutu catchment, northwest China
Zheng et al. Combining hydrochemistry and hydrogen and oxygen stable isotopes to reveal the influence of human activities on surface water quality in Chaohu Lake Basin
Chen et al. Assessing groundwater availability and the response of the groundwater system to intensive exploitation in the North China Plain by analysis of long-term isotopic tracer data
Dinçer et al. Application of environmental isotope tracers to modeling in hydrology
Dun et al. Identifying interactions between river water and groundwater in the North China Plain using multiple tracers
Xia et al. Influence of saline intrusion on the wetland ecosystem revealed by isotopic and hydrochemical indicators in the Yellow River Delta, China
CN106370802A (zh) 一种应用氢氧同位素确定水库水量损失的方法
Zhang et al. Spatial patterns in water quality and source apportionment in a typical cascade development river southwestern China using PMF modeling and multivariate statistical techniques
Zhang et al. Using water isotopes and hydrogeochemical evidences to characterize groundwater age and recharge rate in the Zhangjiakou area, North China
Tao et al. Anthropogenic impacts on isotopic and geochemical characteristics of urban streams: a case study in Wuhan, China
Che et al. Interaction between surface water and groundwater in the Alluvial Plain (anqing section) of the lower Yangtze River Basin: environmental isotope evidence
Hong et al. Relative contribution of multi-source water recharge to riparian wetlands along the lower Yellow River
Xiao et al. Hydrochemical characteristics and controlling factors of typical dolomite karst basin in humid subtropical zone
Ren et al. Tracing the sources and evaporation fate of surface water and groundwater using stable isotopes of hydrogen and oxygen
Qu et al. Research on hydrogeochemical characteristics and transformation relationships between surface water and groundwater in the Weihe River
Gan et al. The assessment of baseflow separation method and baseflow characteristics in the Yiluo River basin, China

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination