以人为本 服务至上 科学管理 勤政高效

地质地球所地下水研究:多大的降水才能补给地下水?

  

  大气降水线(大气降水氘-氧同位素组成之间的线性关系)是同位素水文学第一定律,自Harmon Craig(1961)发现以来,在水文地质、生态、第四纪地质等学科领域中应用广泛。该线通常通过本地降水同位素的月(年)加权平均值线性回归得到,并称之为本地大气降水线。本地大气降水线是地下水补给研究的重要参考线,并假定地下水与大气降水在同位素组成上是一致的,即所有降水均补给到地下水,然而事实并非如此,不是所有降水都能补给地下水,因此筛选出对地下水补给有意义的降水事件,确定地下水补给输入项并建立大气降水线,对地下水研究具有重要意义。 

  中科院地质地球所博士后李捷、合作导师庞忠和等,依托北京市水同位素监测网络[1](图1,结合多年地下水水位波动数据,给出了降水补给地下水的阈值,并对大气降水线进行了研究。结果显示:延庆盆地地下水同位素的样品点位于本地降水线(LMWL)下方,且与本地降水线平行,表现出等蒸发的信号特征,表明地下水在入渗过程中发生了蒸发,入渗的降水明显贫化于全年大气降水同位素均值,并落在大于10mm/day的降水样品加权均值点下方(图2a),同时还发现区内潜水水位的上升与大于10mm/day的降水事件密切相关(图3),因此确定出当地补给地下水的有效降水的阈值为10mm/day。研究还基于降水同位素监测网7个站点大于10mm/day的降水样本,利用两种不同的回归方法(OLSRPOLSR),探讨了不同降水线斜率和截距的差异。结果显示,对北京而言,当降水δ18O在-20‰~10‰之间时,月加权值建立的降水线与大降水事件建立的降水线相近(图2b)。 

  研究结果表明:传统的以降水同位素多年均值作为地下水补给输入项的方法明显存在问题,在不同的区域开展地下水补给研究时,应该加强和细化降水同位素监测工作,筛选出真正补给地下水的降水样品,建立适合的本地降水线。本研究为利用同位素研究地下水补给提供了理论依据,对本地降水线的确定方法也具有指导意义。    

1 北京市降水同位素(a)及地下水同位素(b)监测网络 

2 (a)延庆盆地地下水同位素 (b)不同方法建立的本地降水线

  

3 延庆盆地地下水水位(蓝点)与日降水量(红线)的关系 

  研究成果发表于Journal of Geophysical Research: Atmospheres。(Li J, Pang Z, Kong Y, et al. Groundwater isotopes biased toward heavy rainfall events and implications on the local meteoric water line[J]. Journal of Geophysical Research: Atmospheres, 2018. 123, 6259–6266. DOI: 10.1029/2018JD028413)(原文链接 


[1]北京市水同位素监测网络(Beijing Network of Isotope in Water BNIW):由中科院地质地球所庞忠和研究员团队与北京市水文总站合作建立,目的在于对本地降水、地表水、地下水等水体的同位素进行长期监测。2013年,降水同位素监测网络(Beijing Network of Isotope in Precipitation BNIP)率先开始运行,区别于传统大气降水监测网络的月均样品,该站点以更高频次的日降水样品为采样单元,并同步记录温度、降水量等气象参数(图1)。2015年,地下水同位素监测网络(Beijing Network of Isotope in Groundwater BNIG)建成,监测站点近300个,分干枯两季采样。2016年,学科组在降水站基础上增加了对河水同位素的监测。