小流域模擬降雨入滲產(chǎn)流特征研究

(遼寧省撫順市水利工程建設(shè)質(zhì)量與安全監(jiān)督站，遼寧 撫順 113008)

在全球范圍內(nèi)，寒冷山區(qū)大部分是大型河流的水源區(qū)。在我國(guó)的東北地區(qū)，寒冷山區(qū)的徑流形成過程決定著河流中下游的水量和其動(dòng)態(tài)變化，是流域水資源科學(xué)管理的基礎(chǔ)[1]。降雨量變化特征是進(jìn)行河流泥沙量研究的重要基礎(chǔ)，對(duì)于進(jìn)行河流泥沙治理具有重要意義。國(guó)內(nèi)外學(xué)者分別采用多種方法理論，在大量的研究課題中開展了土地利用形式和植被覆蓋率對(duì)水文河流的影響研究，并取得了豐富的研究成果[1]。但是因考慮的因素較少且應(yīng)用技術(shù)存在一定的缺陷，僅僅采用水文模型、水文學(xué)方法以及水土保持技術(shù)的研究較難滿足水資源演化規(guī)律性研究的需要[2]。當(dāng)前，我國(guó)已經(jīng)開展了大量的水土保持工程建設(shè)，并建立了適用于水土保持的技術(shù)理論體系，明顯改變了流域下墊面層的地形地貌結(jié)構(gòu)特征。遼東地區(qū)近年來的徑流特征發(fā)生了明顯改變，且因?qū)|東流域內(nèi)各個(gè)水文站之間的流域研究不足，造成對(duì)遼東地區(qū)流域的水土保持工程的科學(xué)評(píng)價(jià)產(chǎn)生不利影響。故本文選擇徑流較大的遼東地區(qū)為研究對(duì)象，并結(jié)合監(jiān)測(cè)站的水文監(jiān)測(cè)資料，探討了該流域的降雨徑流變化趨勢(shì)，為進(jìn)行水土保持關(guān)鍵性技術(shù)措施研究提供決策性依據(jù)和評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)[2]。

1 降雨過程特征

2012年，第一次典型降雨事件加密期間共收集了13個(gè)SiO2樣品。其中，基本流量降水前，降水事件發(fā)生在12次底雨事件。在第一次典型降雨事件之前，水樣中的SiO2含量約為9.0 mg/L。隨著降雨的進(jìn)行，SiO2的含量分兩個(gè)階段。7月20日7時(shí)至21日7時(shí)左右，河流SiO2含量由9.0 mg/L迅速降至5.0 mg/L左右；7月21日6時(shí)至7月21日17時(shí)左右。，SiO2含量迅速?gòu)募s5.0 mg/L上升到8.8 mg/L左右。7月21日17時(shí)左右到7月22日17時(shí)左右，SiO2含水量約為8.0 mg/L左右。SiO2含量的變化符合第一個(gè)降雨峰值的曲線。

2012年，第二次降雨事件典型地被收集了14個(gè)樣品的SiO2同位素，其中一組是從降雨開始到降雨結(jié)束的前雨流13。第二個(gè)典型的降雨事件類似于第一個(gè)典型的降雨事件。降雨前，水樣中SiO2含量約為4.0 mg/L，隨著降雨事件的減少而增加。到了最低點(diǎn)，SiO2約為2.65 mg/L，然后在8月10日17:30左右逐漸增加，中等揮發(fā)度，SiO2最終增加到4.0 mg/L左右。總體變化曲線與第二次曲線一致降雨高峰[3]。

2 降雨的結(jié)果分析

在2012年的第一次典型降雨事件中，地下徑流量隨著降雨量的增加而逐漸增加，但比例逐漸下降[4]。降雨前，河流徑流完全被地下徑流補(bǔ)給，減少約0.003 08 m3/s。當(dāng)徑流量達(dá)到峰值時(shí)，徑流達(dá)到最大值，達(dá)到0.034 8 m3/s，最低，約占河流總流量的56%。隨著流量上升到最高水平而開始下降，地下徑流量也在減少，但這個(gè)比例逐漸增加，直到降雨量最小化對(duì)河流的影響，比例上升到100%左右。地表徑流和徑流的比例先增加后減小，地下徑流趨勢(shì)相反。地表徑流量的變化先增大后減小，與地下徑流量相同。地表徑流峰值約為0.023 4 m3/s，地表徑流峰值約為44%。地表徑流約占河流總徑流量的23%，老水約占總徑流量的77%。在徑流減少過程中，地表徑流總量約占總徑流量的19%，地下徑流約占81%。在整個(gè)降雨事件中，地下徑流比例約為79.2%，地表徑流約占20.8%。

2012年第二次典型降雨事件，地下徑流及其對(duì)徑流的貢獻(xiàn)率與7月19日基本持平。2012年8月17日1740左右，地下徑流和地表徑流量分別為0.056 1 m3/s和0.024 1 m3/s，分別達(dá)到了最大值。此時(shí)地表徑流對(duì)河流徑流的貢獻(xiàn)率為32.5%，也達(dá)到了最高值。地下徑流對(duì)河流徑流的貢獻(xiàn)率為67.5%，是最低的。在徑流總量增加的情況下，地表徑流總量約占總徑流量的13.5%，舊徑流約占86.5%。在徑流總量減少的情況下，地表總徑流量約占總徑流量的10%，地下徑流約占90%。在整個(gè)降雨過程中，地表徑流約占10%，地下徑流約占90%。

根據(jù)以上兩個(gè)典型的降雨事件分割結(jié)果，可以看出，2012年第一次典型降雨事件中，地表徑流比例約為20%，地下徑流比例約為80%。在2012年的第二次典型降雨事件中，地表徑流約占10%，地下徑流約占90%。根據(jù)研究結(jié)果，在2012年的第一次典型事件中，降雨量約占徑流量的30%，而地表徑流量?jī)H占20%左右。滲透或中間的地下水或地下水之后，至少約10%的降雨滲入河中。第二個(gè)典型的降雨事件約占徑流量的10%。地表徑流僅占降雨總量的10%。滲透至少約18%后，W滲入河中。在第二個(gè)典型事件中，地下徑流比例增加，這也與活動(dòng)層厚度增加和降雨入滲增加有關(guān)。

可以看出，在上述典型降雨-滲流事件中，降雨對(duì)徑流的貢獻(xiàn)較小(20%～44%)，僅有10%～20%左右進(jìn)入地表徑流。雨前降雨對(duì)徑流(60%～80%)有顯著貢獻(xiàn)，并且經(jīng)歷了流入或流回河中的地下流。降雨滲入非飽和帶內(nèi)的地下水，導(dǎo)致淹沒水面上升，飽和面積增加或地下水和河水的梯度增大。

同時(shí)也反映出遼西地區(qū)的草原帶具有一定的攔截能力和較強(qiáng)的導(dǎo)水能力?？赡艿脑蛉缦拢河袡C(jī)層發(fā)育良好;地下室由二疊系和古近系砂巖，泥巖和泥質(zhì)砂巖組成。從上到下，殘留沉積物較薄，導(dǎo)水能力有所減弱。

3 模型構(gòu)建研究

研究徑流形成機(jī)制具有重要的理論和實(shí)踐價(jià)值，而遼寧東部流域是這種分水嶺的典型代表。 通過對(duì)小流域河流徑流形成過程，特別是夏季降雨徑流過程的環(huán)境同位素和反應(yīng)示蹤劑，提出了如下的概念模型。

(1)流域基底為與白聖紀(jì)砂巖、泥巖和泥質(zhì)砂巖。上覆薄層殘余沉積物(約1～4 m厚)與地下室和地形的起伏是一致的。因此，良好的防水地坪，地下徑流(地下水和中流)僅限于薄的殘余沉積物的發(fā)生和遷移，水量有限，流量和停留時(shí)間短。

(2)流域內(nèi)松散沉積物主要由殘留沉積物組成。其分布特征如下：從南部的頂部，東部和西部斜坡向下，殘坡的增厚，由<1 m增加到>3 m，砂礫主要由粘土變?yōu)橹饕w粒由粗變薄，滲透性強(qiáng)由弱變強(qiáng)，儲(chǔ)存能力從弱到強(qiáng)。在分布格局的控制下，山腰中上部為非飽和地區(qū)，降雨入滲，下部為飽和區(qū)，形成了雨季兩岸淹沒的濕地。

(3)流域徑流形成過程為：降水位于山坡上，侵入粗磨帶上部;被淺海底巖層阻擋，收集為淺層地下水和中層水流;季節(jié)性霜層(初夏)阻塞溢流表面，形成一條斜流，流經(jīng)河岸濕地(飽和帶)，最后進(jìn)入河流。如果坡腳直接被河流切割，則地面徑流不再轉(zhuǎn)化為回流，而基流直接進(jìn)入河流。

(4)流域內(nèi)主要存在兩個(gè)蓄水單元，分布在山丘上部和殘余薄層上部，主要起到地下徑流儲(chǔ)存和傳輸?shù)淖饔?。河岸分布在山體濕地下部殘留細(xì)粒表面以上，主要來源于儲(chǔ)運(yùn)地表徑流(包括回流)作用。

(5)由于兩座水庫(kù)蓄水能力較低，季節(jié)性凍土的凍結(jié)深度達(dá)到基巖，即兩類蓄水單元冬季凍結(jié)，冬季切斷。盡管春季沒有水文輸入到流域，但地下儲(chǔ)存的固體冰在重力作用下逐漸融化并融入河流，河流開始回流。由于蓄水單元容量有限，釋放的液態(tài)水量有限，隨著氣溫的變化，河水徑流晝夜波動(dòng)。另外，由于季節(jié)性凍土層的廣泛存在，永久凍土層的融化主要由淺層地下徑流或坡面流動(dòng)所控制。在秋天，當(dāng)河流徑流得到控制時(shí)，過度擁擠恰恰相反。首先是存儲(chǔ)在河岸濕地中的地表徑流或淺層地下水徑流轉(zhuǎn)化為固體水。此時(shí)，上游的剩余徑流逐漸轉(zhuǎn)化為固體水，徑流進(jìn)一步減少，直到兩個(gè)蓄水單元完全凍結(jié)，河流被切斷。

(6)夏季，水文輸入以降水主要集中在盆地內(nèi)。由于流域蓄水能力有限，季節(jié)性凍結(jié)王可能會(huì)進(jìn)一步降低初夏的蓄水量。長(zhǎng)期以來，河灘濕地的蓄水單元已經(jīng)飽和，即使在洪水的情況下，水流也能迅速運(yùn)輸。另外，高度有機(jī)墊的廣泛分布導(dǎo)致了流域降雨徑流的形成：徑流與降雨密切相關(guān)，對(duì)后者的響應(yīng)非常迅速。降雨徑流通常有一個(gè)非常明顯的高峰，非常陡峭。

4 結(jié)語

(1)流域基底為二疊與白里紀(jì)砂巖、泥巖和泥質(zhì)砂巖，沿坡面形成良好的防水底板，地下徑流(地下水和中流)局限于殘余沉積物上它(約1-4米厚)發(fā)生和遷移。從斜坡頂部到斜坡頂部，殘坡變厚變大，但顆粒變薄，滲透性減小，導(dǎo)致山體上部不飽和帶的滲入。斜坡下部為飽和帶，雨季兩側(cè)濕地淹沒。

(2)降水在山坡上，入滲上部受到淺海水道的阻擋，并以地下徑流的形式匯聚到下部，受到弱水或季節(jié)性弱水層的阻擋。斜坡腳下的永凍土(初夏)溢出形成一個(gè)斜坡流，河岸濕地匯合成河流。

(3)流域內(nèi)的兩個(gè)主要蓄水單元(下部殘留細(xì)粒沉積物上方山坡上部和中部的細(xì)殘留沉積物和河床濕地)容量有限，冬季不凍結(jié)液態(tài)水被釋放，導(dǎo)致河流不連續(xù)秋季，河灘濕地儲(chǔ)存的淺層徑流首先凍結(jié)，河床主要由基流補(bǔ)充。秋季，地下水層在春季融化，重力水被釋放到淺層地下徑流或坡面。由于坡面上的徑流逐漸凍結(jié)，河流徑流進(jìn)一步減少，直至斷流。

(4)由于流域蓄水能力有限，漫灘濕地的輸水能力非常強(qiáng)，流域內(nèi)有機(jī)層分布極為集中。夏季降水徑流過程具有以下特點(diǎn)。因此，這個(gè)過程是暫時(shí)的：對(duì)降雨的徑流響應(yīng)是非常迅速和顯著的；環(huán)境同位素和反應(yīng)示蹤劑與徑流動(dòng)態(tài)變化是一致的。

[1]陳宗宇,萬力,聶振龍,等.利用穩(wěn)定同位素識(shí)別黑河流域地下水的補(bǔ)給來源[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì).2006(06)：9-14.

[2]王振穎,蔡景平,張中凱.遼寧省水土流失現(xiàn)狀、動(dòng)態(tài)變化及防治對(duì)策[J].水土保持應(yīng)用技術(shù).2002.(05)：32-36.

[3]賈仰文,王浩,嚴(yán)登華.黑河流域水循環(huán)系統(tǒng)的分布式模擬(Ⅰ)——模型開發(fā)與驗(yàn)證[J].水利學(xué)報(bào).2006(05)：534-542.

[4]胡立堂,陳崇希.數(shù)值模型在黑河干流中游水資源管理中的應(yīng)用[J].地質(zhì)科技情報(bào).2006(02)：93-98.