典型海洋型冰川积累-消融过程的同位素示踪

The stable isotopic fractionation in the process of snow and ice, during which the fractionation in snow melting is difficult for study, not only is a key part of the hydrological process study in a glacial basin, but also provides theoretical basis for the study of environmental records in glaciers. Selecting Mt. Yulong in China’s monsoonal temperate glacier region as the study area, the following work plans to be done in this program applying oxygen and hydrogen isotopes, based on the methods of hydrogeologic observation, isotopic investigation, isotopic tracing and modeling: (1) to study the stable isotopic composition in new snow and reveal the relationship between the main influencing factors and new snow isotopic composition; (2) to study the evolution mechanism of stable isotopic composition during snow ablation, deterioration and melting, establish the isotopic model base on isotopes and modeling the snow melting process; (3) to assess the contribution of glacier to runoff according to hydrological separation, analyze the transition relation of different water bodies and reveal the hydrological processes of the study glacial basin. The research will provide a new method for modeling the accumulation and ablation of glaciers, and the results obtained are meaningful for flood forecasting, water resources management, hydrological budget and ice cores.

深入认识雪冰过程中的稳定同位素分馏机制不仅是冰川流域水文过程研究的关键环节，而且为冰川环境信息研究提供科学依据。积雪消融过程中复杂的同位素分馏变化是雪冰过程研究的难点所在。本项目针对海洋型冰川流域的积累-消融现代过程，利用水文地质调查、现场观测、同位素示踪和模型模拟等方法，在玉龙雪山地区开展如下研究工作：（1）研究我国典型季风海洋型冰川流域新雪的氢氧稳定同位素效应，阐述新雪氢氧同位素组成与影响因子之间的关系；（2）明确冰川区雪从积累到消融过程中氢氧同位素组成的演化机制，构建积雪消融模型，模拟积雪的消融过程；（3）建立同位素径流分割模型，定量评估冰雪融水对地表径流的贡献，利用氢氧同位素研究典型流域内不同水体间的转换关系，综合以上研究揭示海洋型冰川流域的水文过程。研究将为冰川区积累-消融过程的模拟研究提供新的手段，对于洪水预测、资源管理、水文预算和冰芯气候环境信息的获取具有重要意义。

探究雪冰过程中的稳定同位素分馏机制，分析多种水体之间的补给与转换关系，是认识流域尺度水文过程的有效途径。本项目在玉龙雪山地区设立多种水体的采样点，定期采集各类水体，利用稳定同位素方法，示踪研究海洋型冰川区不同流域尺度的水文过程，取得的主要进展如下：（1）玉龙雪山东坡大气降水δ18O和δD值均表现出季风期贫化、非季风期富集的季节变化特征，日尺度下表现出显著的“温度效应”、“湿度效应”和一定程度的“降水量效应”；大气降水中δ18O值的高程递减率平均值为-0.22‰/100m，δD值的高程递减率平均值为-1.53‰/100m，冰川区新雪δ18O和δD的高程变化率略高于非冰川区，降水的稳定同位素组成可以反映研究时期季风的进退；（2）消融-再冻结是海洋型温冰川流域新雪-粒雪-融水系统中氢氧稳定同位素分馏变化的主要影响因素。消融过程中液态水下渗时，固-液相之间发生了同位素交换反应，使得雪层氢氧稳定同位素的组成发生变化；雪融水的氢氧稳定同位素组成，受到积雪消融、融水的蒸发以及新雪等多种因素的影响，基于瑞利分馏模型和Richard方程建立的积雪消融模型，可有效模拟消融中后期的氢氧稳定同位素组成；（3）以δ18O和δD值为示踪剂，建立径流分割模型，量化解析了白水河和漾弓江流域地表径流的组分。结果表明，季风前雪融水对地表径流的贡献为38.3%，季风期冰川融水对地表径流的贡献为61.1%。季风前雪融水和地下水对漾弓江河水的平均贡献率为47.9%和52.1%，季风期河水中事件前水、大气降水和融水所占的比例分别为51.2%, 42.0%和6.8%。 不确定性分析表明，加密采样以明确径流及其各组分示踪剂浓度的时空变化，对更加准确得获取径流分割结果尤为重要。研究成果可为解析我国寒区无观测流域径流量的组成及其对气候变化的响应提供方法参考，为认识气候变化背景下冰雪水文过程对气候变化的响应机制提供理论依据。