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利用同位素示踪法了解拉丁美洲和加勒比地区的水资源

2021-07-27 14:09          稳定同位素技术同位素示踪法
由大卫·索托十博士和里卡多·桑切斯-穆里略博士,

拥有大约 6.6 亿居民的拉丁美洲和加勒比地区发现自己很容易受到气候变化中可用水量减少的影响。如果不加以解决,气温升高和土地利用的突然变化将继续导致地表水质量和数量下降,从而迫使更多地依赖地下水抽取。如果要解决这个问题,就需要进一步研究(地下水)的可用性、补充率和质量。曾在英国兰开斯特(英国)生态学和水文学中心工作的 Soto 博士和来自哥斯达黎加稳定同位素研究小组国家大学的 Sánchez-Murillo 博士一直在接受挑战。

稳定同位素是原子的非放射性形式。作为示踪剂,这些同位素可用于更好地表征和模拟各种化学和生化系统。例如,水稳定同位素是一种可靠、快速且成本相对较低的技术,可用于追踪复杂景观中降雨输入与地表/地下水连通性之间的相互作用。他们对陆地生态系统和水循环之间的复杂性提供了独特的见解,尤其是在气候变化的情况下。

发达国家已经利用环境示踪剂获取有关水模式的精确信息几十年了,但拉丁美洲和加勒比 (LAC) 地区的这种方法应用有限。目前的研究和编辑工作由前英国兰开斯特生态与水文学中心的 David X. Soto 博士和哥斯达黎加国立埃雷迪亚大学化学系稳定同位素研究组的 Ricardo Sánchez-Murillo 博士带头,一直在解决这个问题。该团队与许多组织合作,正在该地区的水文研究方面取得重大进展。例如,该倡议的结果将促进中美洲地峡的可持续发展规划,最终改善其水安全和可持续性。

同位素与水循环

对地球上水的运动和分布的科学研究称为水文学,包括所谓的“水循环”。水循环概述了水如何在地球表面和大气层之上、之下和之下不断移动。该循环(也称为水文循环)的要素包括降水/降雨、河流、湖泊、水质、地下水和流量特征。如果准确监测降雨、地表水和地下水之间的联系,就可以确定湖泊和河流流域的水源和水量。这也适用于含水层;这些是容纳地下水的岩石和沉积物。以这种方式进行监测还使我们能够了解植被和作物如何消耗水。

该团队能够为中美洲地峡开发区域化降雨等值线图。

天然存在的同位素与有意添加的同位素分开。例如,氘(氢 2,原子核中有一个质子和一个中子)是一种同位素,是普通氢(只有一个质子)重的两倍。它的使用基于通过测量两种同位素相对于国际标准的比率来获取有关系统的信息。在 LAC 地区,氢同位素等水文示踪剂以前没有得到充分利用,或者至少没有得到充分利用。Soto 博士和 Sánchez-Murillo 博士从几个国家(阿根廷、巴西、智利、哥斯达黎加、古巴、马提尼克岛和墨西哥)中选择了一些研究进行汇编,并与这些国家的团队合作,解决了这部分研究中的数据稀缺问题。世界。许多这些研究小组收集了最近并存档的稳定同位素测量数据集,这些数据集是从降雨、地下水和地表水样本中汇编而成的。许多后者是从位于奥地利维也纳的国际原子能机构(IAEA)同位素水文学科的数据库中提取的。全球降水同位素网络(GNIP)是 IAEA 和世界气象组织(WMO)于 1960 年发起的全球降水同位素监测网络。GNIP 主要分析氘和氧 (oxygen-18) 环境同位素的时空变化。在这方面,


中美洲地峡内的区域化降雨等值线图。年平均 18O (‰) 用颜色编码。信风以东北西南为主的方向穿过中美洲,导致显着的地形蒸馏和复杂的同位素空间变化。(注:GT=危地马拉;BL=伯利兹;HN=洪都拉斯;ES=萨尔瓦多;NC=尼加拉瓜;CR=哥斯达黎加;PN=巴拿马)。资料来源:Sánchez-Murillo 等,2020(作者)

调查和监测水文联系:以中美洲干旱走廊为例

在中美洲,有一条被称为中美洲干旱走廊 (CADC) 的土地,从恰帕斯州(墨西哥)一直延伸到哥斯达黎加西部和巴拿马西部省份。这是一种称为“地峡”的地理特征。地峡连接两个较大的陆地并分隔两个水体。在旱季,通常从 11 月中旬到 5 月中旬,该地区的特点是环境温度相对较高,降雨量很少。该地区对地下水的需求很大,因为农业、旅游、采矿和水电等一些活动使用了有限的水源,再加上气候变化,使得地表水变得更加稀缺。此外,长期干旱正成为常态,随着水污染(人口增长和土地使用不受管制的结果)升级,很明显,利益相关者(如政府和环境机构)需要科学家帮助他们更好地了解陆地与水资源的联系。通过收集可靠的水文数据,可以实施水资源短缺缓解战略,并采用有效的可持续水资源管理实践。

中美洲国家必须升级其水资源监测和管理方法,因为这对该地区的许多社会经济活动至关重要。为实现这一目标,一个关键驱动因素是更好地了解控制与地下水和地表水供应相关的降雨模式的因素。地下水通过土地在称为“补给”的过程中吸收水分而得到补充,而地表水则在陆地等高线上自由排放或流动。

分布映射

随着最近整个 CADC 的采样活动,目的是获得降雨、地表水和地下水中稳定同位素变化的更好的空间和时间覆盖。降雨稳定同位素数据集由每周和每天收集的 1,873 个样本(2013-2018 年)组成。地下水来自井和泉水,而地表水仅从主要河流和溪流中采样。结合档案和最近的同位素数据,在国际原子能机构同位素水文部门的宝贵帮助和使用 GNIP 数据库的帮助下,该团队能够为中美洲地峡开发区域化降雨等值线图。实际上,isoscape 是同位素分布图,在这种情况下,它允许确定降雨-地下水补给相互作用。

数据开始描绘出具有明显规律大气环流模式的地峡。

有了这些知识和同位素递减率(同位素随高度的变化),该团队就能够确定潜在的补给高度。这是主要进行相关地下水补给的海拔范围的指标。

也许最令人着迷的是科学家们使用算法来计算气团反向轨迹,使用 NOAA 的 HYSPLIT 模型。使用时间分辨率和关键参数(例如开始时间、位置和高度),确定气团的平均位置并按时间向后模拟 48 小时。该团队总共创建了 476 条气团返回轨迹,并将它们分为旱季(1 月至 4 月)和雨季(5 月至 12 月)分组。在这样做的过程中,出现了水分循环模式,这使他们能够对跨越中美洲地峡的控制水分输送机制进行比较。

重大差距

结果是惊人的。数据开始描绘出具有明显规律大气模式的地峡。降雨同位素组成的区域化时间模式揭示了 CADC 北部的显着同位素指纹,水分输送主要受加勒比海半封闭盆地控制。同样,该研究分别揭示了雨季和仲夏干旱期间降水中的其他同位素信号。地下水和地表水同位素描绘了加勒比和太平洋区域的强烈地形分离。这种分离取决于山脉的形式和位置,在这种情况下,主要是由加勒比海的控制水分输送引起的,实现了跨越南北山脉的复杂降雨模式。计算的补给高程指向高原地区的地下水补给,同时表明地表水和地下水库之间有明确的联系。注意到的时间和空间差距是显着的,对 CADC 内地下水资源的可持续性具有巨大影响。

这项工作首次对 CACD 地区的时空同位素变异进行区域综合。它强调了对地下水供应及其使用情况进行紧急重新评估的必要性。除其他意图外,他们的研究结果应为中美洲地峡的水保护监管决策和可持续性规划提供信息,同时从他们的研究中获得的知识对促进水安全和加强森林保护实践产生影响。这样做,其他热带和亚热带地区应该能够从他们的蓝图中受益。

中美洲干旱走廊受季节性干旱影响的玉米田。

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