典型大陆型冰川冰雪融水稳定同位素演化过程的观测和模拟

Isotopic fractionation impenetrates in all aspects of the formation and evolution process of the glacier-snow melt water.On the basis of the field observation and sampling measurement, by using the theories and methods of isotopic fractionation combined with model simulation ,the research project focuses on the evolution process of stable isotopes(D and O-18)in glacier-snow melt water in Laohugou No.12 Glacier,a typical contenental glacier in Shule River basin.With the analysis of temporal and spatial variation characteristics of stable isotopes composition in all kinds of melt water media such as precipitation, snowcover, glacier ice, stream water and groundwater, a qualitative understanding of stable isotope distribution and transformation of melt water is studied. This helps to provide a better application of isotope mixing model in cold area.Through the research on the relationship between the melt water stable isotopic composition and meteorological factors(air temperature, precipitation), energy budget, glacier mass equilibrium, quantitative or empirical influence degree of isotopic components in melt water to environmental factors is estimated. Embedded the isotope fractionation mechanism into distributed energy -mass balance model to simulate the evolution process of stable isotope composition in glacier-snow melt water, a theoretic understanding of mechanism for water isotope evolution in response to environmental change is established. It provides a new method and attempt to further study on climate - glacier - runoff system and glacial change on water resource assessment and exploration.

同位素分馏贯穿于冰雪融水形成和演化的各个环节。在野外观测和取样分析的基础上，以稳定同位素分馏的理论和方法为基础，结合模型模拟方法，本项目拟在大陆性冰川作用区具有典型性的疏勒河老虎沟12号冰川流域来研究冰川和积雪融水中稳定同位素（D和O-18）组分的形成和演化过程。通过对流域内不同融水介质同位素组成的时空变化特征分析，定性理解融水同位素在不同介质中的分布和转化关系，并为同位素混合模型在寒区中的更好应用提供依据；通过探求融水稳定同位素组成与气象要素（气温、降水）、能量变化、冰川变化的关系，定量或经验性地揭示融水同位素组成受环境因子影响的程度；通过将同位素分馏机制嵌入分布式能量-物质平衡模型中模拟融水稳定同位素组成的演化过程，并对模型进行检验，从理论上理解融水同位素演化过程中对环境变化的响应机制，从方法上为进一步开展气候-冰川-径流系统研究、探索冰川变化及其对水资源影响评价提供一种新的尝试。

寒区水文研究中利用稳定同位素方法和其它模型或方法的结合可能成为理解寒区水文过程的重要手段。本研究以实际观测为基础，基于冰雪融水介质的同位素数据，结合同位素分馏模型与能量物质平衡模型，分析融水介质同位素特征及其与环境因子的关系，模拟融水介质与径流中同位素变化规律，以期加强冰雪融水稳定同位素过程研究以提高对寒区河流水文过程的认识。结果表明：. 老虎沟冰川流域降水中稳定同位素变化范围较大，并有明显的海拔效应和降水量效应，值得注意的是冰川表面大气降水线斜率均大于8，主要与降水形成时的低温关系较大。表层积雪受到蒸发、升华和融化过程的作用发生了同位素分馏，致使δ18D-δ18O图斜率比冰川表面大气降水线小。融化作用使雪坑剖面同位素分布逐渐均匀，δ18D-δ18O图斜率减小。冰川冰、冰雪融水和地下水中同位素变化较稳定。末端径流同位素介于其他水体之间。在消融期径流同位素日变化中，径流同位素与冰雪融水关系密切。. 温度通过影响冰-水-气之间同位素分馏系数影响降水、蒸发和融化中的径流同位素图斜率，以及重同位素在水体间的贫化和富集现象。在融化过程中，受温度控制的积雪含水率和同位素交换效率对融水和剩余积雪的同位素值以及斜率影响较大。水汽源地湿度降低会使氘盈余增加，相对湿度对蒸发升华过程的作用能影响表面积雪的重同位素含量。. 以同位素和水化学资料为基础，应用端元径流分割方法研究发现，冰川末端径流中地下水、大气降水、冰川融水对径流的贡献率分别为12.8±2.4%、17.3±2.3%和69.9±2.7%，冰川融水对末端径流具有控制性作用，而以此为疏勒河干流径流中地下水是河流径流的主要来源。. 2015/6/1~2015/7/26期间老虎沟12号冰川流域模拟的物质平衡为-148.2mm，径流总量为11.2×106m3，冰川消融量为10.5×106m3。通过能量物质平衡模拟与同位素分馏模型耦合模拟了积雪、融水和径流的同位素变化。发现雪坑是逐渐富集重同位素的；融水在日间逐渐贫化重同位素，随着消融比例的增加逐渐富集重同位素；径流同位素在一天的模拟中持续减小，这可能与模拟的融化时期有关。