一种基于氢氧同位素测定的地表径流水循环研究装置及方法

1.本发明涉及水循环研究领域，尤其涉及一种基于氢氧同位素测定的地表径流水循环研究装置及方法。


背景技术：

2.水循环保证了陆地水体的不断更新，维持了全球水资源的动态平衡，水循环的研究有利于了解水资源基于时空的分布与流动，为科学卫生用水提供决策依据，因此对民众及社会生活具有重要意义。
3.水循环的研究往往通过水体中的同位素进行示踪，显然在水中直接添加非氢氧元素的同位素有可能会对水体产生影响，而水分子中的氧同位素和氢同位素是水体的天然示踪剂，在自然界的水循环过程中，这两种同位素已成为示踪水循环最理想的环境稳定同位素。不同水体的水具有不同的同位素组成特征，且水在循环过程中的蒸发和扩散作用会引起同位素的分馏，因此可以通过研究水体的氢氧同位素组成特征变化来示踪水循环的来源。地表径流作为水循环过程中的重要环节，其氢氧同位素组成与水汽源区的自然环境条件、水分运移过程中的气候状况和形成当地降水的气象条件间均存在密切联系。通过地表径流采样并进行氢氧同位素浓度含量的测定，分析同位素组分特征，是追踪径流来源的重要途径。
4.但目前未见有基于地表径流中同位素测定来研究水循环的先例，且现有专利中未见有专门为氢氧同位素测定的地表径流水体样本收集装置，现有装置多无法消减分馏作用的影响，致使收集瓶中的氢氧同位素浓度增大，测定结果往往不准确。另一方面，现有设备对人员现场操作需求度高，不仅需要操作人员定期前往现场查看是否适合可以采集样本，而且特别是遇到极端天气条件时，工作人员的野外操作可能对人员带来危险。因此，现有地表径流水体样本收集装置需要进行改进，并基于该改进的装置有必要提出一些新的地表径流水循环研究方法。


技术实现要素：

5.本发明所要解决的技术问题在于提供一种适用于地表径流水体样本氢氧同位素测定的水循环研究装置和基于该装置的研究方法。
6.为解决上述技术问题，本发明的技术解决方案是：一种基于氢氧同位素测定的地表径流水循环研究装置，其包括径流采集装置和同位素分析装置，所述径流采集装置包括装置本体和安装在所述装置本体内部的收集瓶，所述装置本体为可控上下移动的密闭腔体结构，所述装置本体的外壁上设有进水口，所述进水口通过采集管路联通所述收集瓶；所述采集管路上设有采集阀门，所述进水口与所述采集阀门之间开设有分支排水管路，所述分支排水管路在所述装置本体的外壁上开设有排水口，所述分支排水管路上设有排水阀门；所述收集瓶外围设有冷却液。
7.较佳的，所述装置本体内设有多个收集瓶，所述采集管路包括总管路和多条与所
述总管路联通的分支采集管路，每个所述收集瓶通过一根所述分支采集管路和所述总管路联通且每条分支采集管路上均设有采集阀门。
8.较佳的，所述装置本体的上下移动通过滑轮吊装或滚轮竖直滑动安装实现。
9.一种基于氢氧同位素测定的地表径流水循环研究方法，其包括以下步骤，步骤一，采用径流采集装置获得不同时期、不同水体的径流水体样本并记录获得每个所述径流水体样本时周边环境的温度与湿度；步骤二，分析每个径流水体样本中氧同位素的浓度含量δ
x
o和氢同位素的浓度含量δ
x
h；步骤三，基于每个径流水体样本中δ
x
o和δ
x
h，采用最小二乘法构建径流水体样本中δ
x
o和δ
x
h之间的线性关系。
10.较佳的，所述步骤三后还包括以下步骤四：采用最小二乘法构建径流水体样本中δ
x
o分别和温度t、降雨量p、湿度h之间的线性关系。
11.较佳的，所述步骤三后还包括以下步骤五：基于径流水体样本中同位素浓度含量δ
x
o和δ
x
h，得到每个径流水体样本的氘盈余d=δ
x
h-8δ
x
o。
12.较佳的，所述步骤三中，先结合地方历史水文数据确定一年中的丰水期、平水期和枯水期，对一个水文年内的径流水体样本依据丰水期、平水期和枯水期进行划分，并分别对丰水期、平水期和枯水期内的径流水体样本进行分析，得到不同时期δ
x
o和δ
x
h之间的线性关系。
13.较佳的，所述径流采集装置包括装置本体和安装在所述装置本体内部的收集瓶，所述装置本体为可控上下移动的密闭腔体结构，所述装置本体的外壁上设有进水口，所述进水口通过采集管路联通所述收集瓶；所述采集管路上设有采集阀门，所述进水口与所述采集阀门之间开设有分支排水管路，所述分支排水管路在所述装置本体的外壁上开设有排水口，所述分支排水管路上设有排水阀门；所述收集瓶外围设有冷却液。
14.较佳的，所述装置本体内设有多个收集瓶，所述采集管路包括总管路和多条与所述总管路联通的分支采集管路，每个所述收集瓶通过一根所述分支采集管路和所述总管路联通且每条分支采集管路上均设有采集阀门。
15.采用上述方案后，本发明具有以下优点：1.本发明为最大限度减少河水收集中的分馏作用，采取了多种方式减少河水蒸发，不仅利用冷却剂对收集瓶中的河水进行持续降温，减少蒸发；同时还在管路上设置阀门与浮球，且在采集装置外包裹防晒膜，减少箱体热量的吸收，进而保证所取水样中同位素含量的精准性。
16.2.本发明通过自动采用经检测得到氢同位素与氧同位素间线性关系，氧同位素与温度、湿度、降雨量之间线性关系，以及氘盈余值，可为进一步研究水循环提供可靠数据。
附图说明
17.图1是本发明装置结构示意图；图2是枯水期δd、δ
18
o值线性关系线；图3是平水期δd、δ
18
o值线性关系线；图4是丰水期δd、δ
18
o值线性关系线；
图5是不同水期δd、δ
18
o值线性关系线与流域大气降雨线对比图；图6是δ
18
o和温度定量关系图；图7是δ
18
o和降雨量定量关系图。
具体实施方式
18.下面结合附图和具体实施例对发明作进一步详述。
19.本发明所揭示的是一种基于氢氧同位素测定的地表径流水循环研究装置，其包括径流采集装置和同位素分析装置，如图1所示，其中径流采集装置包括装置本体1和安装在装置本体1内部的收集瓶2，装置本体1为可控上下移动的密闭腔体结构，装置本体 1外还裹有防晒膜，装置本体1的上下移动可通过滑轮吊装或滚轮竖直滑动安装来实现。具体的，如果采用滑轮吊装，装置本体1一般可以选择安装在桥体底面上，在桥墩上固定安装卷扬电机，卷扬电机的输出即固定安装在装置本体1上，卷扬电机的输出钢索绕过一个悬挂在桥底面上的滑轮后固定在装置本体1顶部，启动卷扬电机即可实现装置本体1的升降操作，进一步，还可以在装置本体1四周架设定位轨道，避免装置本体1上下移动时左右摇晃。如果采用滚轮竖直滑动安装，则可以在装置本体1侧面安装滚轮，而在桥墩上安装与滚轮适配的轨道，装置本体1被滑动安装在轨道上并在驱动滚轮的电机控制下上下移动，电机控制设备上下移动为本领域常见做法，在此不赘述。
20.装置本体1的外壁上设有进水口3，进水口3可以设置在装置本体 1外壁的顶面或侧壁上，本实施例中进水口3即直接设置在装置本体1的侧壁上，进水口3处设有防止采样水体漂浮物进入的进水筛网4，进水口3通过采集管路5联通收集瓶2；采集管路5上设有采集阀门8，采集阀门8通过启闭控制可控制是否允许采集管道中的水流入收集瓶2内，且可以防止收集瓶2内采集的水样蒸发，防止蒸发影响同位素浓度含量的测定。进水口3与采集阀门8之间还开设有分支排水管路6，分支排水管路6在装置本体1的外壁上开设有排水口7，分支排水管路6上设有排水阀门9。当河流水位上升至满足采样要求时，可以调节装置本体1的配重，并控制其上下移动使装置沉入地表径流水体中，并保证进水口3没入水中，此时水样会经进水口3进入采集管路5，此时控制排水阀门9关闭，采集阀门8打开，水样会进入收集瓶2内，当收集瓶2内装有足够量的水样时，采集阀门8关闭，控制装置本体1上移离开水面，打开排水阀门9，采集管路5内多余的水将沿着分支排水管路6经排水口7流出，完成现场自动化采样操作。为避免人员反复性前往采样地点查看现场条件是否适合采样，可以在径流采集装置附近安装有观测水位的装置，比如摄像头与水尺组合或直接设置超声波水位计等。采集阀门8与排水阀门9的控制可直接通过远程执行指令下达进行操作，工作人员可以根据经验，通过采样时间的把控对两个阀门及卷扬电机进行控制，确保收集瓶2内收集有足够量的水样，也可以在收集瓶2底部设置重力传感器，基于重力传感器反馈的收集瓶2中水样的量自动控制两个发明及卷扬电机。采集阀门8与排水阀门9的控制还可以通过设备间的自动联动来实现，例如可以采用超声波水位计获得实时水位数据，当检测到的水位达到可采样高度时，系统自动启动卷扬电机及采集阀门8，待采集完成，自动触发卷扬电机和采集阀门8停止工作。上述所提自动化联动控制的具体实现为本领域技术人员所熟知的，在此不再赘述。
21.进一步，装置本体1内可以设有多个收集瓶2，可以一次采集多个样本或不同时间采用多个样本，若涉及一次采集多个样本的分析时，可以对采集的多个水样中同位素浓度
含量进行平均后再进行研究，可提高研究结果的稳定性。当采用多个收集瓶2时，采集管路5还包括总管路51和多条与总管路51联通的分支采集管路52，每个收集瓶2通过一根分支采集管路52和总管路51联通且每条分支采集管路52上均设有采集阀门8，采集阀门8的控制同样可以是远程控制或基于收集瓶2中水样量进行自动控制。进一步，为减少蒸发作用，总管路51上还可以设置防蒸发装置，总管路51上设有上大下小的漏斗11，漏斗11内放置减少水样蒸发的浮球10，浮球10直径大于漏斗11下方开口，当采集管路5中的水排空时，浮球10卡在下方开口上，减少了底部水样的蒸发，当采集管路5内充满水时，浮球10上浮，水样在采集管路5中流动，此外浮球10上方还设有避免浮球10逃逸的筛网14。
22.进一步，收集瓶2外围还设有冷却液，冷却液可以直接是水，也可以是冷却剂溶解于水时吸热起到冷却效果，具体的，在装置本体1内部设置有冷却液容器12，冷却液容器12内预置一定量水，收集瓶2浸泡在水中，可避免外界环境温度较高加速收集瓶2中的水分蒸发。或进一步在冷却液容器壁上设有冷却剂提供机构13，比如，可以定量提供固体硝酸铵的冷却剂提供机构13，当完成采样时，冷却剂提供机构13向水中释放冷却剂硝酸铵，硝酸铵溶水吸收热量，形成低温冷却液，进而降低收集瓶2周围温度，减少其中水样的蒸发。冷却剂提供机构13的启闭同样可以进行远程控制或基于采样事件进行自动控制。
23.进一步，装置本体1上还安装有温度传感器、湿度传感器和信号发送装置。具体的，装置本体1可以基于远程指令进行水样采集，也可以根据设定规则自动进行水样采集，若装置根据规则自动进行水样采集，则可以通过信号发送装置向工作人员发送采样完成信息，工作人员在获知采样完成后可前往现场获得水样并在实验室中完成分析工作，由于水样中同位素浓度含量测定与周边环境温度有一定相关性，因此在采集水样时，温度传感器、湿度传感器可实时获得周边环境的温度与湿度信息，并与水样进行关联上报。
24.同位素分析装置包括现有同位素浓度含量分析设备以及计算机设备，同位素浓度含量分析设备分析了每个水样中氧同位素与氢同位素浓度含量后上报给计算机，由计算机设备内的软件对浓度含量数据进行线性分析，采用最小二乘法构建不同同位素浓度含量之间或与环境因素之间的关系，进而得到水循环研究所需要的相关数据。
25.以下，将采用上述一种基于氢氧同位素测定的地表径流水循环研究装置对厦门市东西溪2020年11月到2021年8月这一水文年内水体同位素浓度含量进行研究分析，并基于该项目的研究对基于氢氧同位素测定的地表径流水循环研究方法进行具体说明，该方法包括以下步骤：步骤一，采用上述径流采集装置获得不同时期、不同水体的径流水体样本并记录获得每个所述径流水体样本时周边环境的温度与湿度；具体的，先在东西溪上选择较易采样且较具备代表性的6个水样采集点，每个水样采集点分别在每个月的上中下旬各采样一次，可得到多个不同时期、不同水体的径流水体样本。当然，进一步，还可以在不同的河流、溪流、江河进行采样，进而研究拨通河流、溪流和江河之间的水循环关系。采样时，可以采用多个收集瓶进行采样，本实施例中装置本体1中设有三个收集瓶2，每次采样时控制单个收集瓶2的采集阀门8，并对收集瓶2进行冷却，如此，可在一个月采集完成后仅一次前往现场取得所有水样，进而减少取样工作量。
26.步骤二，采用专业设备分析每个径流水体样本中氧同位素
x
o的浓度含量δ
x
o 和氢同位素
x
h的浓度含量δ
x
h ；由于水分子中的稳定同位素包括有
16
o，
17
o，
18
o，1h，2h，放射性同
位素还包括有3h，可以选择其中任一种氧同位素和任一种氢同位素进行研究，本实施例中根据实验室具体状况，此次研究将选择
18
o和d（2h）进行研究，将得到的样本利用专业设备测得其中氧同位素
18
o的浓度含量δ
18
o和氢同位素d的浓度含量δd。
27.步骤三，基于每个径流水体样本中δ
x
o和δ
x
h，采用最小二乘法构建径流水体样本中δ
x
o和δ
x
h之间的线性关系。进一步可通过所述线性关系与该流域大气降雨线的比对，从而评估大气降雨线对径流补给的重要程度。上述流域大气降雨线为流域内降水中δ
x
o和δ
x
h之间的线性关系线，其同样是通过雨水采样后基于最小二乘法构建获得。具体的，可以先结合地方历史水文数据确定一年中的丰水期、平水期和枯水期，对一个水文年内的径流水体样本依据丰水期、平水期和枯水期进行划分，并分别对丰水期、平水期和枯水期内的径流水体样本进行分析，得到不同时期δ
x
o和δ
x
h之间的线性关系。本实施例中，根据地方历史水文数据，确定2020年11月至2021年1月为枯水期，2021年2月至2021年4月为平水期，2021年5月至2021年8月为丰水期，对所采集径流水体样本进行分类，并将同一时期的多个采样点的水体样本进行集中研究 ，获得每个样本的δd和δ
18
o，利用最小二乘法获得同一时期内所有水样的δd、δ
18
o值的线性关系δd=aδ
18
o+b中的参数a和b。如图2-5所示，可获得一个水文年中东西溪三个水期河水水样合计180个，基于最小二乘法得到不同时期的δd和δ
18
o关系为：枯水期，δd=5.1262δ
18
o-7.7187
‰
（r2=0.9285），得到枯水期河水线22；平水期，δd=5.33916δ
18
o-5.4847
‰
（r2=0.9207），得到平水期河水线23；丰水期，δd=5.7787δ
18
o-2.3672
‰
（r
2 =0.9043），得到丰水期河水线21；其中r2为拟合系数。将三个线性关系与东西溪所处流域大气降雨线20进行比对，可判断径流δd和δ
18
o值是否落在流域大气降雨线20附近，从而评估大气降雨对径流补给的重要程度，进一步还可比较三个水期间降雨对径流补给的差异。具体的，如图2-5所示，可以看出，如图5所示，可以看出枯水期河水线22、平水期河水线23和枯水期河水线21均分布于流域大气降雨线20附近，可知降雨是东西溪最重要的补给来源，进一步比较三个水期的河水线，丰水期更接近降雨线，所以丰水期的降水补给量更显著。
28.进一步，在步骤三后还有步骤四，采用最小二乘法构建径流水体样本中δ
x
o分别和温度t、降雨量p、湿度h之间的线性关系，确定径流中同位素变化规律。具体的，通过远程传输的温度、温度h和同步气象部门的降雨量p，基于最小二乘法可建立δ
x
o和它们之间的关系线，δ
x
o=rt+c1,δ
x
o=sh+c2,δ
x
o=ep+c
3 (r是温度系数，s为湿度系数，e为降雨量系数，c为常数)。通过研究流域内河水环境中环境同位素氢氧特征，确定河水同位素随温度、湿度、降雨量的相关关系，明确河水同位素的变化规律。以厦门东西溪为例，此次仅研究了与温度和降水量之间的关系，如图6-7所示，东西溪河水的δ
18
o和温度t的关系为：δ
18
o = 0.0174t
‑ꢀ
5.9264
‰
，和降雨量p的关系为：δ
18
o =-0.0051p-0.8572
‰
，因此可以得到以下结论：δ
18
o进入丰水期明显贫化，与降雨量关系明显。
29.进一步，在步骤三后还包括步骤五：基于径流水体样本中同位素浓度含量δ
x
o和δ
x
h，得到每个径流水体样本的氘盈余d=δ
x
h-8δ
x
o，通过对比不同径流水体样本的氘盈余d确定径流水体的主导补给源。东西溪河水的氘盈余均值为8.56203，通过降雨和地下水中氘盈余值相比较，可得出降雨为东西溪河水的主要补给源。
30.以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明的技术范围作任何限制，故但凡依本发明的权利要求和说明书所做的变化或修饰，皆应属于本发明专利涵盖的范围之内。