文摘

源区径流组件确定了疏勒河流域,用同位素和化学跟踪重点流域资源的时间变化。共95个样本,包括降水、地下水、冰川融水,收集和分析对水稳定同位素(¹⁸O和²化学离子H)和主要参数(钾、钠、钙、镁、硫酸盐、氯化物、和碳酸氢盐)。基于同位素和水化学数据,我们应用端员混合分析(EMMA)来识别和量化的主要径流产生来源和他们的贡献。地下水的贡献、降水、冰川融水是66.7%,19.9%,和13.4%,分别。研究表明,地下水主要源区径流疏勒河流域。冰川融水的角色应该在本流域水资源管理中。爱玛的不确定性估计方法进行了综述,通过经典高斯误差传播技术。分析表明,测量方法的不确定性不重要,重要的是,在示踪剂浓度的时空变化。不确定性时敏感混合组件之间的差别很小。因此,示踪剂的变化和混合组件的差异时,应该考虑水位图分离盆地中的应用。

1。介绍

的量化流域降雨或融雪事件作出响应的水通量和化学成分在流域水文是一个重要的问题。特别是,洪水期间,不同的交互过程发生,流域内的空间分布(1,2]。这些过程是由地形学的特点。此外,径流生成依赖于初始状态的各种水文水库和水文特征的输入(降雨或融雪)。由于这些因素,难以识别的主要径流生成过程(3]。

缺水和低利用效率使中国口渴,冰川的损失和西部高原湿地会夸大这种渴望在未来4),而同样的情况发生在世界的其他地方(5]。因此,重要的是要理解径流生成机制。在干旱或半干旱地区,水是影响生物质生产的一个关键因素。更好的理解径流生成过程以及排水功能对改善水资源管理(很重要6]。自记水位计分离技术使用天然示踪剂,量化不同径流组件根据他们的化学成分,是一种广泛使用的方法为研究径流生成过程在流域范围内(7]。同位素被用来量化不同的端员之间的相互作用在冻结成冰的集雨更长时间(月度)和/或较大的集水区(> 1000公里²)[8- - - - - -10]。同位素技术可以很容易地和成功地用于研究的起源和动力学地表水和地下水,水体的蒸发和混合过程之间的各种水源(11- - - - - -13]。获得两个时空起源,一些调查使用稳定同位素与化学示踪剂已经在几个不同的盆地(14,15]。水化学示踪剂,如PH、电导率,或者不同的阴离子和阳离子的浓度(16),被用来确定径流组件的起源。近年来,地球化学方法和环境同位素技术已经越来越多地用于确定各集雨径流组件在不同环境条件下(17,18]。在干旱和半干旱地区,结合水文和环境同位素方法(¹⁸O, D)已被证明是一个有价值的工具,用于研究过程中的水循环和同位素水文学(19- - - - - -21]。

一个常见的工具来识别径流来源和通量组件和计算他们的贡献流放电端员混合分析(EMMA) [22]。艾玛技术已经应用于品种的研究,在情节和流域尺度。只有少数研究应用艾玛干旱或半干旱地区(23]。它已经被应用于许多研究来确定最终成员的小型流域尺度描述水的垂向序列存储流的贡献。这些垂直的成员,例如雨水,土壤水和地下水(24]或地面水流、土壤水分和hillslope水。更少的研究应用艾玛大流域尺度的数百甚至数千平方公里(25]。这种方法是基于三个质量保护:一个水,一个用于同位素示踪剂,一个用于地球化学示踪剂。它允许分离的相对贡献不同的组件,这对应于不同的水库或不同的出资。同位素示踪剂的使用允许分离径流自记水位计到preevent水和事件在地球化学示踪剂的使用允许识别的三个起源径流组件(26,27]。

有明确需要开发预测功能相关的识别在大ungauged流域径流产生来源,特别是在像中国这样的新兴国家(28]。在流域径流生成和动力学是一个重要的问题和水资源管理。一方面,知识径流生成过程和流动通路是至关重要的地表和地下水脆弱性评价系统(29日]。另一方面,这些知识有助于开发和验证水文模型。由于干旱和半干旱流域通常有更严重的自然条件和缺乏观测数据,应用同位素技术在流域水文研究似乎是一个更经济和有用的工具(30.]。了解水文过程将大大增加我们的能力来评估潜在的社会发展和水之间权衡的可用性。我们认为科学结果将为水资源和流域管理提供一个洞察大面积。

在这项研究中,我们应用了艾玛的方法来识别和量化的主要径流产生来源的三个成员的系统。本研究的目标是(1)识别径流产生来源使用¹⁸O和氯离子示踪剂在疏勒河流域的源区,(2)探讨在半干旱集雨艾玛方法的适用性,(3)计算径流的三个分量的贡献。我们开发了一个概念性的水位图分离技术,即三个组件的混合模型。它是基于稳态质量平衡方程的水和示踪剂在集水通量。此外,不确定性分析的自记水位计分离。

2。研究领域

疏勒河以北,传过第三大内陆河流盆地与整个流域面积大约14.21×10⁴公里²,位于西部祁连山。疏勒河的上游(图1),在96.6°E ~ 99.0°E和38.2°N ~ 40.0°N,面积为1.14×10⁴公里²平均海拔3885米,位于天峻,青海省青藏高原东北边缘。主流的年径流变化显著不同期间是10.83×10⁸米³。年径流总量的53%集中在7月和9月之间。然而,径流随时间分布的不均匀。径流在春季和冬季只占8.5%和10%,分别。根据近40年的水文数据的Changmabao测量站,干、湿年的年径流是5.36×10⁸米³和15.07×10⁸米³,分别。

在疏勒河流域的源区,我们的研究区域,Gahe, 96.49°E ~ 98.58°E和38.02°N ~ 39.12°N,面积4 096公里²,有347个冰川和冰川的面积是29.45公里²占0.72%的源区(图2)。冰川主要分布在海拔4 500米,位于疏勒南山和Tuolai南山31日]。年日照时间是3 033 - 3 246小时。年平均海拔4 000 ~ 500米。年平均气温大约是−5°C,年降水量100 - 300毫米,主要落在5月和9月之间,和年度蒸发约200毫米(32]。最热的气温(7月)和最冷的月(1月)7.5°C和−17.5°C,分别。研究区属于大陆性干旱的沙漠气候地区的特点是寒冷、干燥的冬天相对温暖,潮湿的夏季(33]。在5月到9月的生长季节,阳光充足,雨量(年总降水量的80%)允许高效植物生长。

第四纪沉积物,包括diluvial-alluvial、风成湖沉积,形成盆地的主要含水层。这些沉积物富含方解石、石膏、芒硝中游,部分地区和土壤盐渍化发生广泛的中下游。地下水位的深度是5 - 10米。形成有大面积的沼泽在源的地方。含水层系统包括一个厚非承压区组成的粗粒度的碎石,沙子和介质的组成部分局限于罚款和粉土。景观的特点是大山脉陡峭的峡谷,峡谷点缀着相对水平和宽山间草原盆地(34]。

3所示。材料和方法

3.1。现场取样

密集的天气取样进行了2009年4月和9月之间Gahe,疏勒河以北,传过的源区组成的95个样本。降水、冰川融水、地下水、河水被取样。四种样品的数量是沉淀15日河水30日地下水31日分别和冰川融水19。降水、冰川融水、地下水、河水水稳定同位素进行了采样和分析(¹⁸O和²H),主要离子化学参数。样本收集在聚乙烯瓶和0.45毫米微孔过滤膜为主要元素分析。气象参数和水文数据测量不断通过一个自动气象站和测量站。

降水样品收集每个降水事件后立即以最小化重同位素的变化通过蒸发用塑料盆地集。河水和地下水样本收集一周一次。由于自然条件的限制,我们无法围绕Gahe冰川分布。因此,我们收集了冰川融水Laohugou冰川12号样品。由于背景相同的大气环流,两个网站的水分来自同一来源。我们考虑的替代品是可行的。

3.2。实验室分析

所有样品都是保存在near-frozen条件和运输冰冻圈科学国家重点实验室,寒冷和旱区环境与工程研究所、中国科学院为测试。

阴离子的浓度(Cl⁻,)分析了离子色谱法(IC, dx - 120, Dionex,德国)和滴定法进行了分析。阳离子,K⁺,Na⁺、钙^{2 +},毫克^{2 +}分析了用原子吸收光谱(AAS)的方法。每个样本值代表的意思是两个连续测量。测量误差小于1%。所有离子的检测极限低于0.1 mg / L。氯离子和¹⁸O终于选定评估不同的贡献来源使用质量平衡方程和端员混合图。

的δD和δ¹⁸O组成的水样分析液态水同位素分析仪(DLT 100年,美国的洛斯加托斯市)基于离轴集成腔输出光谱(OA-ICOS)。每个样本注入六次,避免样品之间的记忆效应。表达的同位素比例是每毫升()单位相对于维也纳标准意味着海水(V-SMOW): 在哪里是定量¹⁸O /¹⁶O或²H /¹h .精度δD和δ¹⁸O±0.6和±0.2,分别。

3.3。自记水位计分离方法和不确定性分析

一般来说,自记水位计分离是基于水的稳态质量平衡方程和示踪流量排水(34]。以下方程: 我们方程转化为向量形式: 然后除以右边方程: 在哪里放电,和示踪剂氯离子的浓度和吗¹⁸分别啊。下标,指河水、地下水、降水、和冰川融水。这些方程的应用是基于一定的假设,讨论,例如,通过辛顿et al。35,做男管家1),或Rodhe [36]:(1)之间有显著差异的示踪剂浓度不同的组件;(2)示踪剂浓度在空间和时间常数,或任何的变化可以占;(3)贡献一个额外的组件必须可以忽略不计,或示踪剂浓度必须与另一个组件;(4)示踪剂必须混合保守;(5)组件的示踪剂浓度不共线。

最近分离自记水位计的焦点一直在不确定性分析。有几种方法可用于计算的不确定性。Genereux(1998)提出了一个通用的不确定性传播技术使用高斯误差估计两——三分量的分离(37]。然而,一个广泛的概述的所有可能的原因自记水位计分离的不确定性在不同时期的一个给定的事件仍然缺乏。一个经典高斯误差传播技术应用于量化的不确定性tracer-based水位图分离。这种方法一般用于其他科学和工程问题。错误的变量分离方程。假设每个变量的不确定性是独立于他人的不确定性,相对误差贡献的一个特定的径流相关组件的每个变量的不确定性由以下(37]: 在哪里代表的不确定性变量中指定下标,相应的示踪剂的浓度,代表事件水,代表了preevent水。在给出结果的相对误差百分比值。

它是证明大量化的相对不确定性必须考虑径流组件。不确定性是由于(1)示踪分析和流量测量;(2)intrastorm可变性¹⁸O;(3)高度的影响¹⁸O和氯;(4)解决方案的矿物质在径流的形成;和(5)示踪剂浓度的一般空间异质性。过去的错误是最重要的来源。调查在控制流域径流生成过程,建立了一个模型之前,会减少这种不确定性。

4所示。结果

4.1。时间的方差径流

径流的时间方差是显示在图3。径流显示出明显的季节性变化。的径流变化范围为3.82 ~ 338.09 m³/ s平均为71.57 m³/ s。有一个小峰自融雪4月峰通常发生在春季。从图我们可以看到,大多数流动峰值对应的大降雨集中在六月和九月之间。这意味着径流的显著增加是降水事件的结果。平均径流主要由春天融雪高峰之后,在生长季节流量下降。从6月到9月,大多数暴雨发生时,有一个相当大的增加,放电,紧随其后的是一个又自记水位计下降到10月,当河水结冰。

4.2。同位素组成

4.2.1。准备河水的同位素组成

河水的同位素组成在Gahe站4月和9月期间显示了一个稳定的可变性,从−9.9−8.5在δ¹⁸O和从68.9−−58.2在δD,分别。微分同位素样品的蒸发的可能性进行分析通过比较样品的大气水行是由策划δD对δ¹⁸O (38]。当地大气水行(LMWL)是常用的作为水汽来源的指标,湿度、来源和动力条件在许多领域包括同位素水文学(39]。河水和当地的大气水的关系线(LMWL)二元图的显示δ¹⁸与阿δD(图4)。根据河水在空间的分布δ¹⁸与阿δD,大部分的河水采样点位于接近当地大气水行(LMWL) (δD = 8.11δ¹⁸O + 11.40,,)。回归线的斜率也相当接近中国西北的多年期观测值(7.88)在黑河流域,研究一个内陆流域周边地区(7.82)40]。

4.2.2。同位素签名的降水、地下水、冰川融水

降水的同位素组成显示一个相对重要的差异。的值δ¹⁸O在−13.0 ~ 8.3−波动和−95.1 ~ 54.2−在δd之间的方程δ¹⁸O和δD (δD = 7.68δ¹⁸O + 9.29,,)(图5(一个))。时间和空间变异性¹⁸O在降水相对较高。这是由于分离在蒸散和冷凝由于低饱和蒸汽压的水分子含有较重¹⁸O同位素比水分子包含了打火机¹⁶O同位素。结果,δ¹⁸O在降水减少和降低空气温度,增加高度,增加纬度,通过大气中增加蒸汽运输的距离,增加降水。

地下水同位素组成在−9.5 ~ 6.7−范围(在δ¹⁸O)和−68.2 ~ 45.3−(在δD)之间的方程δ¹⁸O和δD (δD = 8.28δ¹⁸O + 10.74,,)(图5 (b))。它是相当接近的河水。的价值δ¹⁸O范围在14.7 ~−−12.3和δ−105.0 ~−85.1 D在冰川融水。之间的方程δ¹⁸O和δD (δD = 7.55δ¹⁸O + 7.34,,)(图5 (c))。稳定同位素比值的氢和氧的水样本可以提供关于水动力学基本信息在一个给定的分水岭。总的来说,这是来自同位素分馏通过蒸发,高度的影响,和不同的水源他们收到23]。的斜率和截距LMWL略低,显示干燥和更强的当地蒸发条件。蒸发差增加引起的δD和δ¹⁸O值剩下的水,导致较低的斜率之间的线性关系δD和δ¹⁸O值(41]。

4.3。时间的方差Cl⁻

它可以认为混合过程中流域径流总量的确定同位素的浓度。然而,水的水化学成分本质上是改变的结果与有机和无机材料的相互作用在其通过不饱和,饱和区。Cl的浓度⁻河水波动在9.4 ~ 13.4 mg·L⁻¹,平均11.2 mg·L⁻¹。Cl的方差⁻浓度与径流(图有很大关系6)。在春天,春季洪水造成的融雪水使土壤化学离子到河里,所以Cl的浓度⁻是相对较高的。后来,随着融雪水的增加,冰川融水,降水、径流已经显示出不同的振幅增加。与径流的增加,离子的稀释效应也增加,所以Cl的浓度⁻降低了。尽管地下水充电,稀释效应大于供给的效果。在8月和9月期间,径流有相当大的减少;Cl的浓度⁻减少因为稀释效应的弱化。

4.4。识别结束成员

应用地球化学和同位素跟踪的方法,本文在Gahe站的径流特征和水文法研究了在不同时期在2009年。我们进行了性能上的主成分分析(PCA)的氯离子浓度数据。结果表明,化学示踪展品保守行为、地理来源而同位素示踪剂,只改变成分由于缓慢的分馏过程(42]。¹⁸属于阿群稳定环境同位素在水中自然发生的。它被广泛用于暴雨径流分离成比例的事件和preevent水(1]。水分子的一部分,¹⁸O表现保守;即化学和同位素示踪剂的组合允许识别水通路的起源。

三分量分离自记水位计,选择合适的示踪星座解释放电在风暴的化学变化以及确定和识别主要来源,流路径,在排水和居留时间变得越来越重要。研究表明水文示踪剂氯浓度和¹⁸O在某些水文和岩性条件下可以使用。介绍了一个代数方程组,使三分量分离自记水位计使用¹⁸O和氯。然而,这些替代路径应该是验证与更传统的示踪剂在使用前,溶质的行为取决于特定的特征。

艾玛的基本假设是,溪水是一个离散的混合来源。的来源必须足够不同浓度而流的水。我们预计示踪剂氯离子和的平均值¹⁸阿三个成员在三角形的测试和验证独立(图7)。这表明大多数溪水观察分为三角形所张成的三端员(降水、地下水、冰川融水)。然而,存在一些溪水观测之外的三角形。在许多其他研究应用艾玛这种情况被描述(14,22- - - - - -24,35]。这些异常值结果的不确定性因素,包括(1)在野外采样和实验室分析,(2)缺乏时间不变性的成员,或(3)的表达不同的混合物作为水源地区的端员暂时改变。总的来说,结果可能导致,或underprediction两端成员的贡献的溪水,应该被理解为一种不确定性。

4.5。贡献的成员径流

由于地质和地貌成因研究的网站至少有三种径流来源有不同的水文特征。结果使用的三分量的混合模型图所示8。基于同位素和氯离子的浓度数据(表1),每个端员河水的贡献计算根据水的稳态质量平衡方程和示踪流量(方程(2))。同位素分离自记水位计显示地下水的贡献,降水、冰川融水是66.7%,19.9%,和13.4%,分别。研究表明,地下水主要源区径流疏勒河流域。和冰川融水的角色应该明显注意到在本流域水资源管理中。冰川是许多河流的源头,他们影响大型河流的排水43]。

尽管合理说明径流定性行为的组件,一个精确的量化径流组件的贡献仍然困难,强烈相关径流来源示踪剂浓度的测定。由于各种不确定因素的存在,只有定性的结果。还需要进一步的实验调查来定义的示踪剂浓度及其变化与更大的准确性。在大范围流域水位图分离,一个广泛的考虑的空间变异性以及空间分布的叠加径流组件为未来的研究是一项具有挑战性的任务。我们的研究结果提示我们未来的工作集中在理解年际变化结束尤其是在半干旱地区成员的贡献。

5。讨论和结论

同位素和化学值来源于测量方法,字段数据,或研究人员的专业知识。这是合理的,即使效果的影响是相同的,因为所有的它们,因为一个不确定的估计端员浓度,因此不同径流组件的贡献。所谓的端员浓度需要为每个特定径流的示踪剂组件定义为每个时间步分离比例为了计算组件使用示踪剂和水质量平衡方程。然而,这些浓度的测定通常是有问题的,因为它已经表明,他们可能会表现出时间和空间变异性高,总是包括错误造成的分析(18,21]。因此,必须解决水位图分离结果的不确定性。一般来说,大的相对不确定性必须考虑在执行自记水位计分离。预测不确定性是在这一领域发展的主要障碍,但继续正在取得进展更充分量化不确定性和更全面地探索其影响。减少错误的重要性影响最大的不确定性得到了明确的论证。因此,未来的研究需要以端员示踪剂浓度和更精确地定义他们的时空变异性。走向不确定性的复杂性的理解是一项具有挑战性的未来研究流域水文和重要任务。

假定值的不确定性在同位素组成,(43]。我们计算示踪剂本身的不确定性为9%。分析表明,测量方法的不确定性不重要,重要的是,在示踪剂浓度的时空变化。降水的不确定性方面一般不确定性超过总数的80%,表明的δ¹⁸O降水占大多数的不确定性的价值。不确定性时敏感混合组件之间的差别很小。因此,示踪剂的变化和混合组件的差异时,应该考虑水位图分离盆地中的应用。

自记水位计分离表明,地下水的贡献、降水、冰川融水是66.7±6.02%,19.9±1.79%,分别和13.4±1.20%。有347个冰川和冰川的面积是29.45公里²占0.72%的源区。全球变暖的背景下,温度升高会导致增加融雪和加速冰川消融,将区域径流产生重大影响。冰川融水的角色应该明显注意到在本流域水资源管理中。除了颞可变性,时空分布的叠加径流组件需要考虑。走向的理解这种复杂性是一个具有挑战性的未来研究流域水文和重要任务。

几项研究比较了两个——和三分量分离的结果。Wenninger et al。(2004)显示的差异10% preevent水两种方法之间的贡献,因为三分量分离占雪和雨一起输入,双组分分离占雨只输入(44]。密集的时间采样的成因极富挑战性,特别是在偏远地区。因此研究调查在高山流域径流生成是罕见的。Pionke等人显示为7.4公里²流域三四个监控风暴由preevent水(55 - 94%)(45]。DeWalle显示在一个较小的流域(0.198公里²)暴雨径流也由preevent水贡献90%的自记水位计46]。为45公里²排水,布达发现超过80% preevent通道暴雨径流水贡献67%在流量高峰在6公顷流域(47]。类似的一系列preevent水的贡献(80%、60%)Munyanzea et al .(2012)报道了两个中尺度集雨(129.3公里²257.4公里²)在卢旺达48]。东等人使用递归数字滤波器法和平滑最小法分离基流基于每日径流数据从1954年到2009年,疏勒河流域的上游,递归数字滤波器和平滑最小方法被用于基础流动分离。底部流动指数之间是不同的两种方法的计算结果(0.77和0.66)49]。

本研究的一个缺点是,结束成员的身份仅限于植被期间收集的数据包括今年只有6个月。此外,我们只有一个水文的同位素数据和化学参数部分,所以我们不能分析的空间变异性。减少错误的重要性影响最大的无疑是证明;因此,有针对性的取样策略是必需的。为了充分描述气候变化的范围,我们的研究结果强调继续发展的需要的长期测量。我们的研究结果提示我们未来的工作集中在理解年际变化结束尤其是在半干旱地区成员的贡献。

利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

这项研究是由中国国家自然科学基金资助(41130638号;41271085;41401039)。作者也感谢所有的参与者在这个领域(j . h .杨h·吴)和在实验室(r . Xu)为他们的贡献使得这项研究进展良好的条件。