CN106370802A - 一种应用氢氧同位素确定水库水量损失的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用氢氧同位素确定水库水量损失的方法，属于地区水量平衡、水资源管理领域。该方法包括下述步骤：(1)收集水库水文气象，水利工程等基础数据；(2)调查分析流入和流出水库的各水源水体项数；(3)开展野外监测实验，采集水库各水源水样；(4)实验室中测定水库各收支项氢氧同位素组成；(5)建立计算模型；(6)推求水库水量损失量。稳定同位素方法是现代水文学研究的一个有用工具，本发明把同位素示踪技术引入水库水量平衡计算，能够有效地推求水库水量损失项。另外，本发明的方法测量因子少，计算方法简单，结果合理，作为一种新方法的应用，值得借鉴。

Description

一种应用氢氧同位素确定水库水量损失的方法

技术领域

本发明涉及地区水量平衡、水资源管理的研究领域，特别涉及一种应用氢氧同位素确定水库水量损失的方法。

背景技术

氢氧同位素是自然水体中的重要组成部分，它所占的比例很小，却非常敏感地响应周围环境的变化。氢氧同位素可以有效地示踪水循环，探讨许多水资源、水环境问题。在同位素水文循环研究中，已有许多关于同位素方面研究的报道。地表水体(如河流，湖泊，水库)通过蒸发失去水分，水体蒸发时，组成水分子的氢氧同位素含量会发生微小的变化，这种变化是由于同位素分馏引起的。水文循环中，有许多过程会引起水体中稳定同位素分馏如蒸发，凝结，渗透等，一般以不同水源的混合影响为主。水体中稳定同位素，相当于人体的“DNA”，不同来源的水体(空气水汽，海水，河水，地下水，湖泊等)，其同位素组成不同。根据不同来源水体稳定同位素的差异可以解释和分析许多现象，并用于水体水量平衡计算中。

水库大坝蓄水以后，在库水的作用下坝体、坝基和坝肩以及向邻谷都容易出现渗漏现象，特别是在喀斯特溶洞发育的石灰岩地区，水库渗漏会比较严重，对大坝安全和水库效益均不利。对于水库管理而言，建立水库的水量预测，在一定时段内量化水库损失量对地区水资源平衡及管理都具有重要意义。在进行水库水量平衡研究中，只应用常规的水文方法估算水库水量损失通常比较困难甚至难以解决。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种应用氢氧同位素确定水库水量损失的方法，利用同位素示踪技术，根据不同来源的水体氢氧同位素含量不同，通过测定水库各收支项水体氢氧同位素组成，建立水库水量和同位素质量守恒模型，推求水库蒸发量、渗漏量等损失项。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明一种应用氢氧同位素确定水库水量损失的方法，包括如下步骤：

(1)收集水库水文气象和自然地理资料，具体包括水库流域水文气象数据、水利工程基础数据；

(2)根据水库流域水文气象和水利工程基础数据，分析并确定流入和流出水库的各水源水体项数；

(3)开展野外监测实验，采集水库各收支项水样，具体包括降雨、河水、地下水和水库水体等；

(4)测定水库各收支项稳定同位素数据，利用LGR液态水同位素分析仪测定各水源水体氢氧同位素浓度，测试精度分别在0.3‰和0.1‰以内；

(5)建立计算模型；

(6)推求水库水量损失项。

作为优选的技术方案，步骤(3)中，在样品采集和储存过程中，要严格避免发生同位素分馏。

作为优选的技术方案，步骤(5)中，根据水库不同来源水体氢氧同位素含量不同，建立水库水量和稳定同位素质量平衡模型：

$\frac{dV}{dt}=Q_{IS}+Q_{IG}+P-Q_{OL}-Q_{OX}-E---\left(1\right)$

$\frac{d\left(C_{R}V\right)}{dt}=C_{IS}{Q}_{IS}+C_{IG}{Q}_{IG}+C_{P}P-C_{OL}{Q}_{OL}-C_{OX}{Q}_{OX}-C_{E}E---\left(2\right)$

式中V是水库水体体积，Q_IS、Q_IG、Q_OL、Q_OX分别代表水库地表水入流量、地下水的入流量、渗漏量以及泄流量，P是水库范围内的降雨量，E是水库蒸发量，C_R、C_IS、C_IG、C_P、C_OL、C_OX、C_E分别为库水体、水库地表水入流量、地下水入流量、降雨、渗漏量、泄流量、水库水体蒸发后氢氧同位素的浓度。

作为优选的技术方案，步骤(6)中，代入水库各收支项稳定同位素数据，求解步骤(5)所建立的水库水量和稳定同位素质量平衡模型，确定水库水量损失量。

作为优选的技术方案，步骤(6)中，在某段时期内，如果水库***水文要素或同位素浓度组成处于稳定状态，则有dC_R/dt＝0，dV/dt＝0，则方程(1)和(2)转化为：

Q_IS+Q_IG+P-Q_OL-Q_OX-E＝0 (3)

C_ISQ_IS+C_IGQ_IG+C_PP-C_OLQ_OL-C_OXQ_OX-C_EE＝0 (4)

联合方程(3)和方程(4)就可解出任何两个变量，在水库充分混合情况下，方程(4)中水库渗漏量和泄流量的同位素浓度与水库水体的同位素浓度是相等的即C_OL＝C_R，C_OX＝C_R，当其它变量已知，通过以下方程求出水库蒸发量E和水库渗漏量Q_OL，

$E=Q_{IS}\left(\frac{C_{IS}-C_R}{C_E-C_R}\right)+P\left(\frac{C_P-C_R}{C_E-C_R}\right)+Q_{IG}\left(\frac{C_{IG}-C_R}{C_E-C_R}\right)---\left(5\right)$

Q_OL＝Q_IS+Q_IG+P-E-Q_OX (6)

作为优选的技术方案，步骤(6)中，所述水库水体净蒸发里的同位素组分C_E可由下式给出：

$C_E=\frac{{\mathrm{\αC}}_R-C_{A}h-\mathrm{\ϵ}}{1-h+\mathrm{\Δ}\mathrm{\ϵ}}---\left(7\right)$

式中：h为空气的相对湿度；C_A是水库上方自由空气的同位素含量；Δε、ε分别为动力分馏系数和总分馏系数，其中ε＝1-α+Δε，α为空气与水面间的平衡分馏系数，Δε是动力分馏系数，Δε＝K(1-h)，K值为14.3‰；

温度从273.15K到373.15K变化时，分馏系数α与温度T的关系可用下式来描述：

对¹⁸O：

对D：

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

1、本发明利用稳定同位素方法推求水库水量损失，可以不直接测定相关项的水量，而只需测量其氢氧同位素的含量，通过水库水量平衡和稳定同位素质量平衡方程算得。

2、本方法适用于天然洼地形成的天然湖泊，也适用于人工开挖的湖泊和水库。稳定同位素方法是现代水文学研究的一个有用工具，把同位素技术引入水库水量平衡的计算，作为一种新方法的应用，值得借鉴。

附图说明

图1是本发明的方法流程图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例

如图1所示，本实施例一种应用氢氧同位素确定水库水量损失的方法，包括如下步骤：

(1)收集水库水文气象和自然地理资料，具体包括水库流域水文气象数据、水利工程基础数据；

(2)根据水库流域水文气象和水利工程基础数据，分析并确定流入和流出水库的各水源水体项数；

(3)开展野外监测实验，采集水库各收支项水样，具体包括降雨、河水、地下水和水库水体等；

(4)测定水库各收支项稳定同位素数据；

(5)建立计算模型；

(6)推求水库水量损失量。

本实施例选定某湖泊位于青藏高原东北偶，处于我国东部季风区、西北部干旱区和西南部高寒区的交汇地带，湖区多年平均温度为1.2℃，相对湿度为55％，湖水面积约为4400km²。湖水的稳定同位素随深度和水平距离变化很小，可近视看作是充分混合。首先开展野外监测实验，采集流入和流出湖泊的各类水体水样。湖泊各类水体氧同位素浓度平均值分别为：降雨(-15.19‰)、地下水(-8.19‰)、河水(-7.39‰)，湖水(1.97‰)，湖面空气(-21.88‰)。

该湖泊是一个封闭的内陆湖泊，水面蒸发是水量损失的唯一支出项，不考虑出流的影响，建立湖泊的水量和氧同位素浓度质量平衡方程：

$\frac{dV}{dt}=Q_{IS}+Q_{IG}+P-E---\left(10\right)$

$\frac{d\left(C_{R}V\right)}{dt}=C_{IS}{Q}_{IS}+C_{IG}{Q}_{IG}+C_{P}P-C_{E}E---\left(11\right)$

式中，V是湖水体积，Q_IS和Q_IG分别代表湖泊地表水入流量和地下水的入流量，P是湖泊范围内的降雨量，E是湖泊蒸发量，C_R、C_IS、C_IG、C_P、C_E分别为湖泊水体、湖泊地表水入流量、地下水入流量、降雨、湖泊水体蒸发后(净蒸发量)氧同位素的浓度。

联解方程(10)和(11)式得湖泊蒸发项：

$E=\frac{(C_R-C_{IG})\frac{dV}{dt}+(C_{IG}-C_P)P+(C_{IG}-C_{IS})I_S}{C_{IG}-C_E}---\left(12\right)$

已知湖泊多年平均温度T＝1.2℃，空气的相对湿度h＝55％，湖面空气氧同位素浓度C_A＝-21.88‰，湖水氧同位素浓度C_R＝1.97‰。代入公式(7)和(8)，可求得湖水净蒸发里的同位素浓度C_E。将湖泊各类水体(降雨、地下水、河水，湖水)氧同位素浓度值，湖泊年平均降雨量，地表水入流量和年湖水水量变化量代入公式(12)，可以求得该湖泊多年平均蒸发量为40.9亿m³，而湖泊实测多年平均蒸发量为40.5亿m³，用稳定同位素方法最终算得的年平均蒸发量与实测值相比，绝对误差和相对误差分别为0.4亿m³和1％，因此应用氢氧同位素方法估算湖泊水量损失项是可行的。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种应用氢氧同位素确定水库水量损失的方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)收集水库水文气象和自然地理资料，具体包括水库流域水文气象数据、水利工程基础数据；

(2)根据水库流域水文气象和水利工程基础数据，分析并确定流入和流出水库的各水源水体项数；

(3)开展野外监测实验，采集水库各收支项水样，具体包括降雨、河水、地下水和水库水体；

(4)测定水库各收支项稳定同位素数据，利用LGR液态水同位素分析仪测定各水源水体氢氧同位素浓度，测试精度分别在0.3‰和0.1‰以内；

(5)建立计算模型；

(6)推求水库水量损失。

2.根据权利要求1所述的一种应用氢氧同位素确定水库水量损失的方法，其特征在于，步骤(3)中，在样品采集和储存过程中，要严格避免发生同位素分馏。

3.根据权利要求1所述的一种应用氢氧同位素确定水库水量损失的方法，其特征在于，步骤(5)中，根据水库不同来源水体氢氧同位素含量不同，建立水库水量和稳定同位素质量平衡模型：

式中V是水库水体体积，Q_IS、Q_IG、Q_OL、Q_OX分别代表水库地表水入流量、地下水的入流量、渗漏量以及泄流量，P是水库范围内的降雨量，E是水库蒸发量，C_R、C_IS、C_IG、C_P、C_OL、C_OX、C_E分别为库水体、水库地表水入流量、地下水入流量、降雨、渗漏量、泄流量、水库水体蒸发后氢氧同位素的浓度。

4.根据权利要求3所述的一种应用氢氧同位素确定水库水量损失的方法，其特征在于，步骤(6)中，代入水库各收支项稳定同位素数据，求解步骤(5)所建立的水库水量和稳定同位素质量平衡模型，推求水库水量损失项。

5.根据权利要求4所述的一种应用氢氧同位素确定水库水量损失的方法，其特征在于，步骤(6)中，在某段时期内，如果水库***水文要素或同位素浓度组成处于稳定状态，则有dC_R/dt＝0，dV/dt＝0，则方程(1)和(2)转化为：

Q_IS+Q_IG+P-Q_OL-Q_OX-E＝0 (3)

C_ISQ_IS+C_IGQ_IG+C_PP-C_OLQ_OL-C_OXQ_OX-C_EE＝0 (4)

联合方程(3)和方程(4)就可解出任何两个变量，在水库充分混合情况下，方程(4)中水库渗漏量和泄流量的同位素浓度与水库水体的同位素浓度是相等的，即C_OL＝C_R，C_OX＝C_R，当其它变量已知，通过以下方程求出水库蒸发量E和水库渗漏量Q_OL，

Q_OL＝Q_IS+Q_IG+P-E-Q_OX (6) 。