一种利用氢氧同位素的湖泊补给水源示踪方法技术

本发明专利技术公开一种利用氢氧同位素的湖泊补给水源示踪方法，通过主要步骤：采集湖水样品，并测定湖水的氢氧同位素(

【技术实现步骤摘要】
一种利用氢氧同位素的湖泊补给水源示踪方法
本专利技术属于水文测量领域，具体地说是涉及基于同位素示踪技术来确定湖泊补给水源的技术方法。
技术介绍
前沿的物理化学领域研究认为，水体的物理信息与水体本身的化学特征紧密相关。进一步地，在宏观把握物理自然规律如何决定或影响水体的化学信息的基础上，通过监测水体的化学信号变化，构建合理的数学模型，可有效反演出水体的物理形态。已知有利用氢氧同位素(18O，2H)的质量守恒模型来定量评估湖泊蒸发与入流的方法，例如专利CN109598082A公开了基于氢氧同位素的湖泊蒸发量及关键水文信息的计算方法，在蒸发过程中，受气象场控制，水体的同位素比值发生瑞利分馏。基于此构建湖泊水量平衡模型可获取湖泊的蒸发入流比例。然而此种方法，过于概化假设湖泊水位恒定不变，且所取得结果是建立在几次的同位素测试结果之上的平均结果，难以正确反映出湖泊的补给量动态变化，也不能客观全面的展现湖泊水量的时间尺度变化特征；其次，例如专利CN106370802A该方法能够利用氢氧同位素对湖泊进出水量进行还原，并不能够对水源成分进行区分，定量计算的结果是所有湖泊补给量的总和，并不能够区分其中涉及的降水、降雪、融雪径流、地表径流、地下径流等复杂的成分，因而限制了该技术方法的应用场合。因此，亟需提出一种正确反映湖泊补给水源动态变化的新技术，弥补现有数学模型中的不足。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对现有技术存在的问题，提供一种利用氢氧同位素的湖泊补给水源示踪方法，基于湖泊的氢氧同位素特征结合湖泊的水量动态演变规律，来重建湖泊的水文平衡过程，为研究流域的湖泊水文稳态与非稳态提供新的技术方法。本专利技术的上述目的是通过以下技术方案实现。一种利用氢氧同位素的湖泊补给水源示踪方法，包括以下步骤：步骤1，在t1到tn时段内按一定的时间频率采集湖水样品，在各个ti时刻测定湖水氢氧同位素丰度δLi及湖泊表面的气温Ti、相对湿度hi；收集湖泊所处地区的逐日降水量与蒸发量资料；i＝1...，n；构建研究区域的大气氢氧同位素降水线LMWL；步骤2，对研究区域的月降水氢氧同位素的各月加权平均丰度进行月降水量和月蒸发量的加权处理；步骤3，计算各个ti时刻蒸发平衡与极限状态下的氢氧同位素丰度理论值，构建湖泊动态蒸发过程线LELi；步骤4，还原湖泊水量在未经历蒸发同位素分馏阶段情景下的氢氧同位素丰度；步骤5，计算湖泊蒸发量占总入流量的比例Ei/Ii；步骤6，分割湖泊补给水源与消耗蒸发项的水量及同位素丰度；步骤7，湖泊入流水量及对应的同位素丰度随时间变化过程线，综合分析湖泊入流水源的变化情况。优选的，步骤1所述大气氢氧同位素降水线LMWL通过以下方法得到：通过数据库选取研究区域附近3-5个站点的月降水氢氧同位素的多年平均丰度，通过各站点与研究区域的距离对各月进行加权平均处理；将得到的研究区域的月降水氢氧同位素的各月距离加权平均丰度点绘在氢氧同位素的丰度框架内，即y轴纵坐标为δ2H丰度，x轴横坐标为δ18O丰度的绘图空间，并对采集月份的所述距离加权平均丰度各散点进行线性拟合，构建研究区域的大气降水线LMWL。优选的，步骤2包括：分别对研究区域附近3-5个站点的月降水氢氧同位素的各月距离加权平均丰度进行月降水量和月蒸发量加权处理，分别获得降水同位素丰度的年降水通量与年蒸发通量代表值，记为δp，δfwp。优选的，步骤3包括：利用降水同位素丰度的年降水通量代表值δp、实测的所述湖水的氢氧同位素丰度δLi、湖泊表面的气温Ti、相对湿度hi，同时分别计算各个ti时刻蒸发平衡与极限状态下的氢氧同位素丰度理论值，记为δSSLi和δ*i；并且点绘在氢氧同位素的丰度框架内，将δSSLi和δ*i连线，所得的各个连线对应为ti各时刻的湖泊动态蒸发过程线LELi,湖泊动态蒸发过程线LELi的斜率记为Si。优选的，步骤4包括：通过δLi构造斜率为Si的直线，将它们与LMWL交点记为Ii，Ii代表ti-1到ti时段内变化的湖泊水量在未经历蒸发同位素分馏阶段情景下的氢氧同位素丰度δIi。优选的，步骤5包括：计算ti-1到ti时段内湖泊蒸发量占总入流量的比例Ei/Ii。优选的，步骤6包括：构建各个ti时刻的湖泊水量与同位素质量守恒方程，并带入步骤5计算得到的湖泊蒸发量占入流量的比例Ei/Ii，消除Ei项，从而完成对各个时段湖泊补给水源与消耗蒸发项的水量及同位素丰度的分割，得到湖泊入流水量Ri及对应的同位素丰度δRi。优选的，步骤7包括：点绘湖泊入流水量Ri及对应的同位素丰度δRi随时间ti变化过程线，综合分析湖泊入流水源的变化情况。优选的，步骤3所述δSSLi和δ*i的计算公式为：其中，ε+是同位素的平衡分离值，α+是同位素的平衡分馏系数，ε+＝α+-1；α+是温度Ti的函数，εK是同位素动力分馏系数，εK(18O)＝0.0142(1-hi)εK(2H)＝0.0125(1-hi)δA为湖泊上方水蒸气的同位素丰度：δA＝(δfwp-ε+)/(1+10-3ε+)优选的，步骤5中：Ei/Ii＝(δLi-δIi)/(δE-δLi)其中，δE为湖泊蒸发水汽的氢氧同位素的丰度；δE＝((δLi-ε+)/α+-hiδA-εK)/(1-hi+10-3εK)优选的，步骤6中湖泊入流水量Ri及对应的同位素丰度δRi由以下公式计算得到：δIiIi＝δpPi+δRiRi-δEEiIi＝Pi+Ri-Ei更优选的，一种利用氢氧同位素的湖泊补给水源示踪方法，包括以下步骤：步骤1，按一定时间频率，在需要观测的t1到tn时段内，且每次时刻记为ti，i＝1...,n，采集湖水样品，并测定每次湖水的氢氧同位素(2H，18O)丰度δLi及采样时期湖泊表面的气温Ti、相对湿度hi；收集湖泊所处地区的逐日降水量与蒸发量资料。同时，获取研究区域的月降水氢氧同位素(δ2H，δ18O)的丰度，构建研究区域的大气氢氧同位素降水线LMWL，方法如下：通过IAEA数据库选取研究区域附近3到5个站点的月降水(1月到12月内)氢氧同位素(δ2H，δ18O)多年平均丰度，通过各站点与研究区域的距离对各月的氢氧同位素(δ2H，δ18O)丰度进行加权平均处理，将得到的研究区域的月降水氢氧同位素(2H，18O)的各月距离加权平均丰度点绘在氢氧同位素(δ2H，δ18O)的丰度框架内，即y轴纵坐标为δ2H丰度，x轴横坐标为δ18O丰度的绘图空间，并对这12个散点进行线性拟合，构建研究区域的大气降水线LMWL。步骤2，分别对研究区域附近3-5个站点的月降水氢氧同位素(δ2H，δ18O)的各月距离加权平均丰度进行月降水量和月蒸发量加权处理，δp＝∑(Pj/P×δLi)Pj为第j月的降水量，P＝∑Pj。δfwp＝∑(Ej/E×δLi)Ej为第j本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种利用氢氧同位素的湖泊补给水源示踪方法，其特征在于，包括以下步骤：/n步骤1，在t

【技术特征摘要】
1.一种利用氢氧同位素的湖泊补给水源示踪方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，在t1到tn时段内按一定的时间频率采集湖水样品，在各个ti时刻测定湖水氢氧同位素丰度δLi及湖泊表面的气温Ti、相对湿度hi；收集湖泊所处地区的逐日降水量与蒸发量资料；i＝1...，n；
构建研究区域的大气氢氧同位素降水线LMWL；
步骤2，对研究区域的月降水氢氧同位素的各月加权平均丰度进行月降水量和月蒸发量的加权处理；
步骤3，计算各个ti时刻蒸发平衡与极限状态下的氢氧同位素丰度理论值，构建湖泊动态蒸发过程线LELi；
步骤4，还原湖泊水量在未经历蒸发同位素分馏阶段情景下的氢氧同位素丰度；
步骤5，计算湖泊蒸发量占总入流量的比例Ei/Ii；
步骤6，分割湖泊补给水源与消耗蒸发项的水量及同位素丰度；
步骤7，湖泊入流水量及对应的同位素丰度随时间变化过程线，综合分析湖泊入流水源的变化情况。


2.根据权利要求1所述的一种利用氢氧同位素的湖泊补给水源示踪方法，其特征在于，步骤1所述大气氢氧同位素降水线LMWL通过以下方法得到：通过数据库选取研究区域附近3-5个站点的月降水氢氧同位素的多年平均丰度，通过各站点与研究区域的距离对各月进行加权平均处理；将得到的研究区域的月降水氢氧同位素的各月距离加权平均丰度点绘在氢氧同位素的丰度框架内，即y轴纵坐标为δ2H丰度，x轴横坐标为δ18O丰度的绘图空间，并对采集月份的所述距离加权平均丰度各散点进行线性拟合，构建研究区域的大气降水线LMWL。


3.根据权利要求2所述的一种利用氢氧同位素的湖泊补给水源示踪方法，其特征在于，步骤2包括：分别对研究区域附近3-5个站点的月降水氢氧同位素的各月距离加权平均丰度进行月降水量和月蒸发量加权处理，分别获得降水同位素丰度的年降水通量与年蒸发通量代表值，记为δp，δfwp。


4.根据权利要求3所述的一种利用氢氧同位素的湖泊补给水源示踪方法，其特征在于，步骤3包括：利用降水同位素丰度的年降水通量代表值δp、实测的所述湖水的氢氧同位素丰度δLi、湖泊表面的气温Ti、相对湿度hi，同时分别计算各个ti时刻蒸发平衡与极限状态下的氢氧同位素丰度理论值，记为δSSLi和δ*i；并且点绘在氢氧同位素的丰度框架内，将δSSLi和δ*i连线，所得的各个连线对应为ti各时刻的湖泊动态蒸发过程线LELi，湖泊动态蒸发过程线LELi的斜率记为Si。


5.根据权利要求4所述的一种利用氢氧同位素的湖泊补给水源示踪方法，其特征在于，...

【专利技术属性】
技术研发人员：余钟波，万程炜，周华，李恺，樊婧妍，陈澄昊，衣鹏，鞠琴，
申请(专利权)人：河海大学，泰州市水资源管理处，苏州市相城区河道管理处，水利部交通运输部国家能源局南京水利科学研究院，
类型：发明
国别省市：江苏;32