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氣候變化背景下的天山山區同位素水文研究

包郵 氣候變化背景下的天山山區同位素水文研究

作者:孫從建
出版社:科學出版社出版時間:2022-11-01
開本: B5 頁數: 208
本類榜單:自然科學銷量榜
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氣候變化背景下的天山山區同位素水文研究 版權信息

  • ISBN:9787030626134
  • 條形碼:9787030626134 ; 978-7-03-062613-4
  • 裝幀:一般膠版紙
  • 冊數:暫無
  • 重量:暫無
  • 所屬分類:>

氣候變化背景下的天山山區同位素水文研究 內容簡介

本書主要圍繞天山山區典型內陸河流域氣候變化特征以及在氣候變化背景下天山山區同位素水文過程,詳細分析了天山山區典型內陸河流域不同水體的水化學特征、環境同位素時空分布特征以及徑流組分特征,為天山山區在氣候變化下水資源的合理利用、優化配置以及社會經濟的的可持續發展提供理論依據和科技支撐。

氣候變化背景下的天山山區同位素水文研究 目錄

目錄
前言
第1章 緒論 1
1.1 研究背景 1
1.2 國內外研究現狀及發展趨勢 3
1.2.1 同位素與同位素水文學 4
1.2.2 國外研究現狀及發展趨勢 5
1.2.3 國內研究現狀及發展趨勢 7
第2章 研究區概況 10
2.1 總體地理概況 10
2.1.1 地質構造 10
2.1.2 地貌特征 11
2.1.3 氣候特征 11
2.1.4 土壤特征 12
2.2 土地利用/土地覆被變化特征 13
2.2.1 中天山土地利用/土地覆被變化 14
2.2.2 基于LUCC的中天山時空變化特征 16
2.3 水文水資源特征 19
2.3.1 地表徑流水資源 19
2.3.2 天山冰川水資源 22
2.3.3 天山積雪水資源 23
2.3.4 天山地表水資源的變化 24
2.3.5 水儲量變化 27
第3章 樣品采集測試及研究方法 29
3.1 采樣的前期準備和要求 29
3.1.1 采樣方案的制定 29
3.1.2 采樣設備及采樣材料 30
3.1.3 樣品采集的常規方法介紹 33
3.2 樣品的采集方法介紹 38
3.3 樣品的測試方法 39
3.3.1 水體化學的測試 39
3.3.2 水體氫氧穩定同位素的測試 39
3.4 主要研究方法介紹 41
3.4.1 同位素水文學研究方法 41
3.4.2 水化學研究方法 42
3.4.3 水汽來源分析方法 44
3.4.4 氣候變化研究方法 45
第4章 天山山區氣候變化特征 50
4.1 氣候基本特征 50
4.2 氣溫變化特征 53
4.2.1 氣溫年際變化趨勢 53
4.2.2 氣溫年際周期變化特征 61
4.2.3 氣溫變化趨勢和突變點分析 73
4.3 降水變化特征 76
4.3.1 降水年際變化趨勢 76
4.3.2 降水年際周期變化特征 84
4.3.3 降水變化趨勢和突變點分析 98
4.4 本章小結 100
第5章 天山山區不同水體水化學特征 102
5.1 天山山區冰雪融水水化學特征 102
5.2 天山山區降水水化學特征 104
5.3 天山山區地表水水化學特征 105
5.3.1 河流水化學基本特征 105
5.3.2 河水水化學的年際空間變化 109
5.3.3 地表水水化學類型 117
5.3.4 河流水化學離子來源及控制因素 119
5.4 地下水水化學特征 122
5.4.1 地下水水化學基本信息 122
5.4.2 地下水水化學類型 124
5.4.3 地下水水化學離子來源及控制因素 126
5.5 本章小結 128
第6章 天山山區不同水體穩定同位素特征 130
6.1 天山山區降水氫氧穩定同位素特征 130
6.1.1 降水δ18O的時間變化 132
6.1.2 降水δ18O的空間變化 136
6.1.3 大氣降水線 138
6.1.4 溫度與降水δ?18O和氘盈余 139
6.1.5 降水δ18O與溫度 143
6.1.6 降水??18O與降水量 145
6.1.7 降水??18O與高程 147
6.1.8 氘盈余的空間變化 149
6.1.9 降水氘盈余的時間變化 150
6.1.10 蒸發對降水穩定同位素的影響 152
6.2 天山山區冰雪融水的氫氧穩定同位素特征 155
6.3 天山山區地下水的氫氧穩定同位素特征 159
6.3.1 烏魯木齊河流域地下水穩定同位素特征 159
6.3.2 開都河流域地下水穩定同位素特征 161
6.3.3 阿克蘇河流域地下水穩定同位素特征 163
6.4 天山山區地表水的氫氧穩定同位素特征 164
6.4.1 地表水穩定同位素特征 165
6.4.2 天山西部地表水穩定同位素特征 167
6.4.3 烏魯木齊河流域地表水穩定同位素特征 168
6.4.4 開都河流域地表水穩定同位素特征 170
6.5 本章小結 172
第7章 天山山區內陸河流域徑流組分特征 173
7.1 阿克蘇河徑流組分特征 174
7.1.1 河水穩定同位素濃度過程線特征 174
7.1.2 基于多元混合模型質量守恒法的徑流分割 176
7.2 開都河流域徑流組分特征分析 178
7.2.1 河水穩定同位素濃度過程線特征 178
7.2.2 基于多元混合模型質量守恒法的徑流分割 179
7.3 天山南北典型內陸河同時期徑流組分對比分析 180
7.3.1 不同水體的氫氧穩定同位素特征 181
7.3.2 徑流組分特征分析 184
7.4 提孜那甫河流域徑流組分特征分析 185
7.4.1 河水穩定同位素濃度過程線特征 185
7.4.2 基于多元混合模型質量守恒法的徑流分割 186
7.5 天山及鄰近內陸河流域徑流對氣候變化的響應 188
7.6 本章小結 192
參考文獻 194
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氣候變化背景下的天山山區同位素水文研究 節選

第1章 緒論 1.1 研究背景 過去100余年,尤其是近30余年以來,全球氣候系統正經歷一次以變暖為主要特征的顯著變化過程。根據聯合國政府間氣候變化專門委員會(Intergo- vernmental Panel on Climate Change, IPCC)的第五次評估報告(IPCC, 2013),過去100余年全球地表溫度升高大約0.74℃,20世紀90年代開始,全球氣候變暖的幅度明顯增大。預計未來100年,全球氣溫可能會升高1.1~6.4℃。全球氣候系統的變化對于干旱高寒地區的影響尤為顯著。水資源作為人類生產生活中必不可少的組成部分,是干旱內陸河流域生態系統構成、發展和穩定的重要環境因素,是干旱區綠洲化和荒漠化進程的生態演化過程中*重要的生態因子。研究表明,全球氣候變化的背景下,水資源波動性增強、不確定性加大,水資源時空分配不均,南多北少、夏多冬少、年際變化大的現狀導致干旱、洪澇及次生鹽堿化等多種災害頻繁發生,極端水文事件增強(陳亞寧等, 2012)。干旱區生態環境的極端脆弱性及人類活動范圍不斷擴大和強度不斷加強,使水資源開發過程中生態與經濟的矛盾日益尖銳,水資源管理在協調生態環境保護和經濟發展方面正面臨著前所未有的挑戰。而位于亞洲干旱區的高寒山區,其冰川、積雪、降水等水資源對于全球變化的響應尤為敏感;溫度的上升、山區降雨的增加勢必會導致冰雪融化量增加,從而引起山區內陸河出山口徑流量變化,這將進一步威脅干旱區水資源的安全。 大量研究表明,天山地區近年來氣候變化顯著,水資源受影響顯著。過去半個世紀,全球增溫速率為0.175℃/10a(Harris et al., 2014),而中亞地區升溫速率達0.36~0.42℃/10a,明顯高于全球或北半球同期平均增溫速率,并且自1998年以來一直處于高位振蕩(Li et al., 2015a),其中以中天山、東天山地區溫度升高*為顯著。而這期間,西天山地區的降水量變化比較平穩,略有增加,升高速率為8.4mm/10a,略高于全球和北半球平均水平(陳亞寧等, 2017)。受全球氣候變暖影響,中亞山區呈現出固態降水的比例減少、多年凍土融化加速等(Deng et al., 2017)趨勢;天山地區的水儲量也呈現減少趨勢。西天山地區內陸河流域徑流主要來源于高山降水、冰雪融水、地下水的補給,在氣候變暖的背景下山區降雪量、積雪面積、冰川儲量都發生一定變化,造成冰雪融水、高山降水、地下水等水源對于高山徑流的貢獻率發生顯著變化,引起流域徑流組分(Sun et al., 2018, 2017, 2016a, 2016c)及水循環過程的相應改變(陳亞寧等, 2017; Deng et al., 2017; Chen et al., 2016);這將進一步加劇中亞干旱區水資源的時空分配不均,從而威脅天山地區水安全。然而,在山區降水量不變甚至有所增加的情勢下(Guo et al., 2015),氣溫、降雪率、積雪面積、冰川儲量的變化在區域水文循環過程中如何表征?氣候變化背景下山區地表徑流的組分來源特征及變化機理如何?這些都尚不明確。由于高寒山區缺乏較為完善的觀測站點,傳統的水文、氣象學觀測數據較少,現有的氣象、水文數據難以全面表征氣候變化背景下天山山區的水循環過程。而環境同位素技術的出現為數據資料匱乏地區的水循環研究提供了有效手段。 20世紀50年代,水文學和水循環研究進行了一次革命性的變革,以應對水危機和環境危機以及全球氣候變暖(劉昌明, 2011)。變革帶來兩個極端的改變:一方面,從流域水循環延伸為聯系海洋—大氣—陸面的水文學,在宏觀上發展為全球尺度水文學,引入了遙感技術;另一方面,由于面臨更多更復雜的現代水問題,需要洞察水循環過程及發生機制,于是需要進入系統內部,從而可在時程上聯系地質時期,在空間上甚至可識別是否有地殼和地幔對水圈的貢獻,這就促成了微觀尺度上、原子核層面同位素水文學(isotope hydrology)的誕生(劉昌明, 2011)。氫氧穩定同位素作為一種有力的診斷工具,已在不同的介質中進行提取并廣泛應用于水文學、氣候學、生態學等學科的研究中(Vodila et al., 2011; Kumar et al., 2010),如利用河水、湖水及地下水中的氫氧同位素信息研究流域內不同水體的內循環機制以及地表徑流組成(趙良菊等, 2011)、確定鳥類的遷徙模式、監測農作物長勢,利用洞穴堆積物和樹木年輪(Kress et al., 2010)及冰芯中的同位素數據進行古氣候重建等。隨著采樣類型的不斷豐富,穩定同位素研究已成為全球氣候變化研究中的熱點問題之一(Worden et al., 2007)。 水資源是人類賴以生存和發展的基本物質之一,也是關系國家發展的基礎性自然資源和戰略性經濟資源。水資源的供需矛盾在干旱半干旱地區表現得尤為突出。全球有近1/3的陸地面積是干旱半干旱區域,這些地區水資源短缺問題已經成為普遍問題,隨著人口的增長以及城市規模的不斷發展,未來干旱半干旱地區的水資源壓力將會越來越嚴重。高寒山區作為干旱區重要的水源保障和水資源形成區,對干旱內陸河流域生態系統構成、發展和穩定具有重要意義。近年來,伴隨耕地規模的迅速發展以及人口的大幅度增加,水資源越來越緊張,干旱區水資源供需矛盾在未來會變得更加突出和尖銳。天山地區山岳冰川廣布、高山降水豐富,是我國西北地區多條內陸河流的發源地,水資源豐富,被譽為“中亞水塔”,為我國干旱區綠洲灌溉農業的發展、天山南北主要城市的工業和城市建設等提供水源保證。天山北坡的烏魯木齊河、瑪納斯河作為烏魯木齊、石河子等城市的主要水源供給已成為天山北坡經濟帶重要的水資源保障。南坡的阿克蘇河、渭干河、開都河是哺育塔里木盆地北緣諸綠洲的源泉。其中,開都河的徑流資源更是對維系塔里木河下游生態平衡具有重要意義。因此,天山地區的水資源在保障“絲綢之路經濟帶”倡議的實施方面具有重要意義。 由于天山地區野外環境惡劣,長期以來,基礎研究開展較少,水文及氣象觀測資料較為匱乏,區域水循環機理及不同內陸河流域對氣候變化的響應機制的研究尚處于探索階段,蘊含大量水循環信息的水體化學及水體同位素研究方興未艾,目前針對天山山區流域的水體化學特征、同位素水文示蹤、徑流組分特征的研究十分匱乏,其源流中不同水源對于徑流的補給貢獻率仍未可知。因此,迫切需要開展對天山地區典型內陸河流域系統的研究,揭示天山山區水體化學、穩定同位素的空間分布特征及其蘊含的水循環信息,探討天山地區內陸河流域徑流的形成過程以及徑流的組分變化控制機制,為保護區域生態平衡,促進區域社會經濟可持續發展,構建絲綢之路經濟帶體系奠定堅實的基礎。 1.2 國內外研究現狀及發展趨勢 自然界中原子的原子核是由質子和中子構成的。質子數決定了元素的種類,中子數決定了元素的同位素。中子在原子核中的變化受原子核穩定程度的限制,中子太多或太少都會使穩定性降低。不穩定的同位素或放射性原子核具有衰減的性質,而穩定同位素則不會按照已知的衰減模式自然分解。自然界中幾乎所有元素都具有同位素,其中在自然條件下產生的C、H、O、N、S等元素的同位素,稱為環境同位素。與之對應的是人工釋放的同位素。同位素水循環過程中的研究對象是水,水是由氫和氧兩種元素組成的,而氫和氧有各自的同位素。組成水分子的氫、氧同位素,氫同位素有1H(氕或者H)、2H(氘或者D)、3H(氚或者T),氧同位素則有16O、17O和18O。氧同位素在水中的豐度相應為99.76%、0.04%和0.20%。理論上可組成18種不同同位素的水分子(表1.1)。 自然界中重水2H216O的相對分子質量為20,而普通水1H216O的相對分子質量只有18。相對分子質量不同的分子,其分子反應速率不盡相同。這就導致同位素的分離或者分餾。穩定環境同位素測量同一元素兩種豐度*大的同位素比,如氧同位素所測量的是豐度為0.204%的18O與豐度為99.796%的16O的比值。18O/16O的比值大約為0.00204。分餾過程使含氧化合物中的這個比值發生微小改變,但僅限于小數點后第五位和第六位。 表1.1 水同位素分子表 同位素組成是指物質中某一元素的各種同位素的相對含量,通常以同位素豐度、同位素比值(R)和千分偏差值(δ)來表示。自然界水體中穩定同位素的變化很小,因此水體中的同位素組成通常選用δ表示。 (1.1) 式中,和分別為樣品和標準樣中同位素成分的相對含量,即一種元素稀有的同位素與富集的同位素豐度的比值。 1.2.1 同位素與同位素水文學 日益嚴重的世界性水資源短缺和水環境危機,促使水文學從水分子層面深化進入原子核層面,以應對諸多現代水問題。同位素與同位素水文學的發展經歷了如下時期(顧慰祖等,2011)。 1)同位素的發現 1898年居里夫人和皮埃爾 居里發現了新的元素釙和鐳,同年居里夫人首次提出了元素具有“放射性”這一概念。1910年,英國物理學家索迪提出在元素周期表中特定的元素可以容納一種以上的原子,并將此定義為元素的“同位素”。此后不同的元素同位素被相繼發現,并被更為精密的質譜儀檢測到。 2)放射性同位素應用時期 同位素具有不同的衰變周期,其首先被核科學家用于探索水循環過程。1922年愛爾蘭的科學家Joly提出了基于放射性同位素的衰變周期測定自然河流流量的設想。此后又有科學家將放射性同位素應用于石油開采過程中的土層定年之中。20世紀50年代,中子法開始應用于測定土壤水分空間分布特征,此后基于放射性同位素的地下水運動研究開始興起。 3)環境同位素應用時期 隨著測試技術的不斷提升,高精度的質譜儀使得人們可以獲得更為精準的同位素含量。從20世紀50年代開始,隨著對于天然水體中氫氧穩定同位素測試精度的突破,穩定同位素的分餾機制逐漸被認識,并開始應用于探究環境問題、水循環過程等,這極大地推動了同位素水文學的發展。此后隨著14C定年法在古氣候研究中的廣泛推廣,以及氚定年技術的突破,環境同位素應用得到了極大的推廣。 4)同位素水文學的形成 20世紀50年代,對天然水中穩定同位素的研究有了一系列的突破,隨著同位素統一的定義、國際統一的參照標準、分餾機制的認識提升、全球大氣降水線(global meteoric water line, GMWL)的提出等一系列重要研究的出現,同位素水文學正式形成。1963年開始,國際原子能機構(International Atomic Energy Agency, IAEA)先后舉辦了多期針對同位素水文學研究的研討會,極大地推動了同位素水文學的發展。 1.2.2 國外研究現狀及發展趨勢 從20世紀50年代末提出“同位素水文學”這一術語至今,同位素水文學作為一門獨立的學科已經有了長足的發展,其研究及應用領域不斷擴大。目前,同位素水文學理論已經廣泛應用于水文、水資源及環境地質等諸多領域,同位素水文學各種研究方法也在不斷地趨于成熟。近年來,環境同位素與人工同位素在水汽來源、降水徑流關系、干旱半干旱區的水資源評價、地表水與地下水相互作用、地下水起源及測年、湖泊蒸發量及換水周期、水體污染物的來源、地熱資源以及氣候變化和人類活動對水循環的影響等研究領域應用十分廣泛。同位素方法引入水文學之后,從一個獨立的研究方向,即同位素在水文學中的應用或水文核技術,逐步發展為同位素水文學學科。應用穩定同位素進行水循環的研究主要集中在降水組分及水汽來源、地表水同位素特征及時空分布特征、降水徑流過程、地表徑流過程及徑流組分、地下水與地表水相互關系、水體的循環尺度和平均駐留時間以及基于穩定同位素的流域蒸發估算等。 穩定同位素示蹤技術是當前應用于徑流組分特征研究*有效的方法之一。由IAEA?發起的“大江大河流域水文過程同位素示蹤”計劃引起了世界上很多國家的重視與支持,世界上許多著名

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