基于稳定氢氧同位素的昆明市松华坝水库渗漏量估算研究

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云南位于我国西南部,区域内石灰岩广布,是典型的喀斯特地貌地区。因其以热带、亚热带季风气候为主,导致降水年际分布不均,且集中在雨季;良好的水热组合条件,使得区域溶蚀作用强烈,溶洞和地下暗河等广泛发育。大气降水降落后,迅速渗入地下,地下水开采利用困难,湖泊(水库)等已然成为区域最重要的饮用水源地,特别是对于高原城市而言。然而,岩溶地区湖泊(水库)渗漏则是一直困扰与影响地区生态环境和水安全的重要问题之一,严重危及云南的社会经济发展。因此,本研究选取高原岩溶地区水库—昆明市松华坝水库为研究对象,通过对研究区降水及库水的连续采样,并分析其水体氢氧稳定同位素的变化特征,探讨了松华坝水库水体同位素的时空变化特征。结合库区水情、气象等数据,利用水量平衡与稳定同位素物质平衡模型,估算了昆明城市水源地松华坝水库渗漏量,探讨区域水安全。研究得到以下主要结论:(1)库水全年氢氧稳定同位素变化幅度小,δ18O变化范围是-11.69‰-9.86‰,平均值-10.73‰;δD值的范围为-83.91‰-73.97‰,平均值-79.12‰,说明水库的补给水源稳定,补给源相对单一。库水氢氧同位素存在明显的时空变化特征:在时间分布上呈现出明显的季节变化特征,雨季偏正,旱季偏负;在空间变化上,库水氢氧同位素分布范围较窄,其组分随着水流方向向库首富集程度不明显,这可能与水库每日供水使得水库更新周期短、混合较充分有关。通过对入库河水氢氧同位素的特征研究发现,入库河水氢氧稳定同位素在时间上与库水同位素变化规律相同,雨季偏正,旱季偏负。(2)库水全年稳定同位素的关系为:δD=5.10δ18O-24.89(r=0.99)。雨季库水蒸发线为:δD=5.58δ18O-19.45(r=0.97),旱季库水蒸发线为:δD=5.21δ18O-23.07(r=0.98)。雨季与旱季库水蒸发线的斜率与截距均低于全球大气降水线,表明库水受到了强烈的蒸发分馏作用。雨季蒸发线的斜率与截距均高于旱季,说明雨季库水中稳定同位素含量的富集主要受平衡分馏影响,旱季动力分馏系数对其影响较大。(3)库水雨季过量氘变化范围为3.47‰7.86‰,平均值为5.36‰;旱季过量氘变化范围为5.69‰9.53‰,平均值为8.28‰。入库河水雨季过量氘变化范围为5.01‰6.67‰,平均值为5.84‰;旱季过量氘变化范围为6.17‰9.29‰,平均值为8.01‰。库水和入库河水的过量氘值存在明显的季节变化,雨季较低,旱季较高,与库水同位素变化规律相反。与湿度呈负相关关系,空气湿度越大,过量氘值越小;空气湿度降低,过量氘值反而增大。(4)湖泊(水库)水体氢氧稳定同位素反映了湖泊(水库)蒸发强度及流域水文状况,利用稳定同位素物质平衡方法,可快速有效地估算湖泊(水库)的蒸发量和渗漏量。利用水量平衡法与稳定同位素渗漏模型,估算了松华坝水库蒸发量和渗漏量。松华坝水库年蒸发量为1072.8mm,月平均蒸发量为89.4mm,雨季蒸发量为541.3mm,占总蒸发量的50.5%;旱季蒸发量为531.5mm。与气象局监测的年净蒸发量1060mm接近。旱雨季蒸发量接近,最大蒸发量与最小蒸发量均出现在旱季,这与昆明地区特殊的地理位置和气候有关。(5)水库年渗漏量约为106.75万m3,占总库容的1.1%,旱雨季总渗漏量接近,分别占总渗漏量的51%和49%;其中,雨季库容增大,渗漏量增加,反之旱季库容减小,渗漏量减小,其渗漏量变化与库容变化趋势一致,指示了水库渗漏量与库容变化有关。该研究结果与水库修建时设计的渗漏量(年均库容量1%)基本一致。同时与水量平衡法估算的渗漏量(126.14万m3)接近。本研究结果将为定量研究湖泊(水库)渗漏量,特别是高原岩溶区的湖泊(水库)渗漏与评估,提高淡水资源的利用率,合理调配水资源应对极端气候事件及保障地区水安全提供科学支撑。研究成果为进一步开展岩溶区水量平衡奠定科学基础,并充实和丰富利用稳定同位素探究水汽循环及水量平衡的相关研究。
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