流域初始狀態(tài)對環(huán)境同位素法劃分流量的影響

陳學(xué)秋1,，瞿思敏1,，張雄鷹3，崔彥萍4，陳紅雨5，徐時進5，石 朋1,，王軼凡，勾建峰

(1.河海大學(xué) 水文水資源與水利工程國家重點實驗室，南京 210098；2.河海大學(xué) 水文水資源學(xué)院，南京 210098；3.湖北省宜昌市水文水資源勘測局，宜昌 443000； 4.江蘇省水文水資源勘測局，南京 210029； 5.水利部淮河水利委員會水文局，安徽 蚌埠 233000)

1 研究背景

流量過程線分割是水文學(xué)研究的重要內(nèi)容，通過定量劃分不同徑流成分獲得降雨徑流關(guān)系及進行產(chǎn)匯流計算，以此闡明流域產(chǎn)匯流機制的基本原理，為水文模型建立及水資源規(guī)劃管理提供理論依據(jù)[1]。近30 a來，運用穩(wěn)定同位素技術(shù)進行流量過程線分割的研究取得了一系列成果。顧慰祖和謝民[2]采用環(huán)境同位素18O對江西藤橋流域流量過程線進行二水源分割，研究18O時程變化對塊狀巖類裂隙水、第四系孔隙水及裂隙水補給地下徑流的影響。

許多研究結(jié)果表明流域初始狀態(tài)與事件水(一般指地表徑流，主要由降雨產(chǎn)生)和事件前水(一般指地下徑流，在降雨前就儲存于土壤中)分割之間存在相關(guān)性。Casper等[3]使用溶解有機氮(DOC)質(zhì)量守恒方程在Duerreychbach流域?qū)η捌谕寥篮枯^小的流量過程線進行分割，認為增加前期土壤含水量提高了其他子流域與主河道的連通性，使得產(chǎn)流模式更加復(fù)雜。Pellerin等[4]使用電導(dǎo)率(EC)作為示蹤劑對城市地區(qū)流量過程線進行分割，發(fā)現(xiàn)盡管一場降雨中事件水占暴雨流量(指總徑流量中超出基流的部分)的比例很高(61%～117%)，但其占總徑流量的比例通常很低(18%～78%)，并且后一比例與流域初始流量呈負相關(guān)(擬合系數(shù)R2=0.55，顯著性系數(shù)p<0.01)。Cey等[5]使用18O/16O同位素比率和電導(dǎo)率對2場強降雨事件流量過程線進行分割，研究表明前期土壤含水量不同對產(chǎn)流量及徑流劃分的影響不同，在相同降雨強度下高水位條件河道流量更大且事件水占總徑流量的比例更大。

本文選擇位于浙江省德清縣內(nèi)的和睦橋小流域為研究區(qū)域，采集不同場次降雨水樣及降雨前后河道水樣，根據(jù)穩(wěn)定同位素含量(δ18O)確定流域出口斷面流量中不同水源所占比例，分析流域不同初始狀態(tài)對流量過程線分割的影響。

2 研究區(qū)域概況

和睦橋小流域位于浙江省北部德清縣內(nèi)姜灣流域上游，地處119°47′05″E—119°48′20″E，30°34′05″N—30°34′55″N范圍內(nèi)，流域面積1.35 km2(見圖1)。流域位于亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)東北邊緣，雨量豐沛，濕度較大，多年平均降雨量為1 580 mm，年平均氣溫為14.0 ℃。流域內(nèi)植被茂密，以竹林、柴木為主。

圖1 研究區(qū)位置及水樣采樣點示意圖Fig.1 Location of sampling sites in the study area

流域海拔在150～600 m之間，平均高程298 m，區(qū)域內(nèi)多山地，平原極少，谷狹坡陡，坡度介于25°～45°之間。流域內(nèi)土壤厚度多為50～60 cm，沿河床附近達到70～80 cm，質(zhì)地疏松，孔隙率較大，部分山地腐殖質(zhì)土多未發(fā)育成土壤，透水性很大。流域各類巖石裂隙均非常發(fā)達，每當(dāng)連續(xù)性降雨時部分水量沿裂隙下滲，成為地下水，地下水沿裂隙和層面流出，成為河水的主要補給來源。

圖2 改進的順序降雨采樣器示意圖Fig.2 Schematic diagram of a modified sequentialrainfall sampler

3 采樣與分析

本研究對和睦橋小流域2015—2016年間4場降雨事件的降雨、河水和土壤水進行觀測及采樣。在流域上、中、下游分別設(shè)置降雨及河水采樣點。降雨樣本采用Kennedy等改進的順序降雨采樣器[6](見圖2)進行采集。

河水樣本在流域出口斷面處采集，降雨前、降雨中和降雨后均取樣，取樣時間間隔為1 h。所有水樣都儲存在30 mL聚乙烯采樣瓶中，瓶蓋處用防水帶密封以防同位素分餾。水樣由河海大學(xué)水文水資源與水利工程國家重點實驗室分析，δ18O分析精度為±0.02‰。時段降雨資料由流域內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)氣象站提供，觀測時間間隔為6 min。流域出口有三角形薄壁堰，通過水位傳感器觀測堰上水深，經(jīng)薄壁堰經(jīng)驗公式[7]計算得到時段出流量(見式(1))，觀測時間間隔同樣為6 min。上游采樣點同時設(shè)置土壤含水量觀測點，采用時域反射計(TDR)測量表層及地表以下50 cm處土壤含水量，觀測時間間隔為1 h。

(1)

式中：Q為過堰流量(m3/s)；C為流量系數(shù)(m1/2/s)，根據(jù)湯普森試驗，堰口夾角為90°時C取1.4；H為堰上水頭(m)。

4 二水源分割原理

二水源分割的基本原理是將流量過程線分為事件水和事件前水2部分[8]。顧慰祖[9]在Sklash等[10]研究的基礎(chǔ)上歸納了采用環(huán)境同位素法分割水源的8個基本假設(shè)：①基流和地下水以相同同位素含量表征；②降雨或融雪水也以相同的同位素含量表征或其變化已知；③本次降雨與基流或地下水之間有明顯的同位素含量差異；④非飽和帶對河流流量的貢獻可忽略，或其同位素組成與地下水相同；⑤地表蓄水對河流流量的貢獻也可忽略；⑥地面徑流的同位素含量必須與本次降水的含量相同；⑦各種水源在匯集過程中的同位素分餾影響忽略不計；⑧基于經(jīng)典的簡化產(chǎn)流機制。

二水源分割的基本方程由水量平衡方程和同位素質(zhì)量守恒方程組成，其表達式分別為：

Qt=Qo+Qn；

(2)

CtQt=CoQo+CnQn。

(3)

式中：Qt表示總流量；Qn表示事件水流量；Qo表示事件前水流量；Ct表示河水δ18O平均濃度；Co表示基流δ18O平均濃度；Cn表示降雨δ18O平均濃度。Ct，Cn，Co用18O的千分差(δ)值表示。

聯(lián)解式(2)、式(3)可得：

(4)

(5)

5 結(jié)果分析

本文選擇和睦橋小流域2015—2016年4場降雨事件，降雨量P及流量過程線見圖3。取降雨、基流(用降雨事件前河水替代)和河水中(降雨事件后)測定的δ18O濃度的平均值，根據(jù)式(4)、式(5)進行徑流成分劃分，分割結(jié)果見表1。

圖3 4場降水事件流量過程線劃分Fig.3 Hydrograph separation of four rainfall events with 18O as hydrograph event tracer

4場降雨事件中事件前水占總徑流量的58%～88%，占峰值流量的14%～31%。和睦橋流域下墊面土壤質(zhì)地疏松，孔隙率大，地表以下水量輸運條件好。在整個降雨事件過程中，降雨降落到地表后大部分雨量下滲形成地下徑流補給河道，少數(shù)形成地表徑流，故總徑流量中事件水所占比例較小，事件前水占總徑流量比例較大。由圖3可知，洪峰流量一般緊隨降雨峰值出現(xiàn)，在降雨強度較大的情況下，降雨多以地表徑流的形式匯集到流域出口，地表徑流占瞬時總徑流量的比例明顯增大，因此洪峰流量以事件水為主。

表1 4場降雨事件二水源分割結(jié)果Table 1 Result of dual-component hydrograph separation for four rainfall events

影響不同場次徑流成分分割結(jié)果的因素包括流域面積、土地利用類型、流域初始狀態(tài)和降雨特征等[11]。不同場次降雨開始前流域的水文氣象條件不盡相同，因此流域出口流量中事件水和事件前水所占比例也不同。研究表明，在不考慮流域的水文、氣象狀況及流域特征長期緩慢變化的情況下，基于同種同位素分割計算方法，流域初始狀態(tài)包括土壤含水量、初始流量以及初始水位對流量過程的分割有重要影響[9]。本次研究的4場洪水過程的流域前期狀態(tài)見表2。

徑流形成物理機制的研究多以降雨-徑流關(guān)系為基礎(chǔ)。James和Roulet[12]以及Segura等[13]的研究表明隨著總降雨量中貫穿降雨的比例增加，總徑流量中事件水量也會增加。Pellerin等[4]發(fā)現(xiàn)貫穿降雨量與事件水比例呈正相關(guān)。在本文研究的4場降雨事件中，總降雨量(貫穿順序降雨)與事件水比例也有類似關(guān)系(見圖4)。圖中事件水比例與降雨總量的正相關(guān)性系數(shù)R2=0.745 4。20160622次降雨事件降雨以梅雨為主，降雨總量不大但歷時較長，降水特征區(qū)別于其他3臺風(fēng)雨事件，事件水比例較高，因此距離擬合曲線有較大偏離。

圖4 4場降雨事件降雨總量與事件水比例的關(guān)系Fig.4 Relationship between total rainfall and event water contribution percentage of four rainfall events

5.1 流域初始流量對流量過程線劃分的影響

河道流量由觀測的河道水位數(shù)據(jù)根據(jù)式(1)推導(dǎo)而來，河道水位越高則流量越大。一場洪水過程的總徑流系數(shù)指流域出口總徑流量占總降雨量的比例，事件水徑流系數(shù)是總徑流量中事件水部分占總降雨量的比例。20150808次洪水、20150822次洪水及20150928次洪水初始流量均不為0，初始流量越大則總徑流系數(shù)及事件水徑流系數(shù)越小(見圖5)。

圖5 4場降雨事件徑流系數(shù)與初始流量的關(guān)系Fig.5 Relationship between runoff coefficient andantecedent discharge in four rainfall events

河道初始流量主要影響匯流過程尤其是地下徑流匯流，初始流量越大，河道水位越高，地下徑流向河道排泄的動力越小，地下徑流減少導(dǎo)致總徑流系數(shù)減小。但是流域內(nèi)土壤分布的空間差異以及降雨的時空變化使得流域產(chǎn)流方式并不單一。20150808次及20150928次洪水過程時段降雨強度及總降雨量較大，2次洪水總徑流系數(shù)在0.3～0.4之間。在降雨強度較大的時段內(nèi)，降雨達到地面以后不能及時全部下滲。在部分地區(qū)包氣帶未蓄滿之前就產(chǎn)生大量的地表徑流，因此這2場洪水事件水徑流系數(shù)較大。20150822次洪水總降雨量較小，降雨時間較短，降雨時程分配較為平均，降雨多下滲進入土壤和巖層裂隙中，總徑流系數(shù)及事件水徑流系數(shù)相比前2次事件更低。20160622次洪水中河道初始流量為0，前5 d降雨量為0，總徑流系數(shù)異常偏低，說明該事件前期流域狀態(tài)較為干旱，降雨多用于補充土壤缺水量。

4次事件中的事件水占徑流總量的12%～42%，與初始流量呈負相關(guān)(R2=0.992 1，見圖6)。初始流量越大，總徑流系數(shù)越小，但事件前水比例反而增大，說明在匯流阻力增大的情況下，下滲進入地表以下的降雨可能并沒有直接隨地下水匯集到流域出口，而是與降雨事件發(fā)生前存蓄在土壤或巖石裂隙中的事件前水發(fā)生交換。事件水重新進入土壤孔隙及巖石裂隙，補充土壤缺水量，事件前水以地下徑流的形式流出。和睦橋流域地處濕潤區(qū)，在某些降雨強度較大的時段可能出現(xiàn)超滲產(chǎn)流，但大部分時間降雨以下滲為主，總徑流量中事件前水比例占優(yōu)。

圖6 4場降雨事件事件水比例與初始流量的關(guān)系Fig.6 Relationship between event water contributionpercentage and antecedent discharge infour rainfall events

5.2 流域前期土壤含水量對流量過程線劃分的影響

本文研究的4場洪水中除20160622次洪水前期沒有降雨外，20150808次洪水、20150822次洪水以及20150928次洪水的前5 d降雨量在10 mm左右，前期土濕相差不大，平均土壤含水量在17%～26%之間(見表2)，前期流域狀態(tài)較為濕潤。事件水所占比例在31%以下，說明濕潤狀態(tài)下流域出口總徑流量中事件水總量不占優(yōu)勢。

Casper等[3]發(fā)現(xiàn)降雨在補充土壤缺水量的同時替換原先的土壤水并使之產(chǎn)流，且這樣的交換多發(fā)生在上層土壤中，因此前期土壤越濕潤，事件水在總徑流量中所占的比例越低。但由表2可知，隨著前期表層土壤含水量的增加，事件水比例先增加后減少，而隨著深層土壤含水量的增加，事件水比例先減少后增加，呈現(xiàn)不同的變化規(guī)律。隨著前期土壤含水量的增加，事件水在填充土壤孔隙后產(chǎn)流，事件水比例也隨之上升，這與蓄滿產(chǎn)流的假設(shè)一致，但在表層土壤含水量較大而深層土壤尚未飽和的情況下，事件水更有可能向下滲透或與事件前水發(fā)生交換，導(dǎo)致事件水貢獻比例后期減少。與Casper研究結(jié)論的略微差異說明土壤組成差異也會對產(chǎn)流模式產(chǎn)生影響。不同于Casper研究中流域土壤組成以泥炭、淤泥及灰壤為主，和睦橋流域土壤包括紅壤、黃壤及潮土。這種多變的特征在小流域尤為明顯，這在James和Roulet[12]的研究中也有所印證。

河道徑流量一般會隨降雨量呈比例增加，但是大多數(shù)降雨降落在地面上會引起土壤含水量而非徑流量的增加。圖7中表層土壤含水量在取樣前期均有所上升，過程線最高值均超過30%，說明該流域降雨到達下墊面后用于填充洼地和土壤孔隙，與河網(wǎng)連通的區(qū)域達到飽和后產(chǎn)流，隨后土壤含水量有所下降。

圖7 表層及地表以下50 cm處土壤含水量變化Fig.7 Soil moisture content at surface and 50 cm fromsurface corresponding to four rainfall inputs

20150808次與20150928次洪水前期土壤水含水量及前5 d降雨量相差很小，洪水過程總徑流系數(shù)也很相近，但事件水比例分別為31%和15%。分析其土壤含水量時程變化可以看出20150928次洪水過程中表層及深層土壤水含量對下滲降雨的響應(yīng)較為迅速，降雨開始后土壤含水量立刻顯著升高，而20150808次洪水過程中土壤含水量上升較為緩慢，深層土壤水含量在采樣前期沒有很大變化，直至后期才逐步升高。此外，20160622次洪水過程中土壤含水量也呈現(xiàn)緩慢增加的變化特征，而該場洪水的事件水比例高達42%。這說明土壤含水量的迅速增加增強了土壤孔隙的連通性，更有利于區(qū)域土壤含水量達到飽和并產(chǎn)流，所以流域出口徑流中地下徑流比例更高，事件水比例則更低。和睦橋流域處于亞熱帶季風(fēng)區(qū)，采樣時間在夏、秋2季，雨量豐沛且濕度較大。如果流域前期土壤含水量較高或前期降雨較多，降雨使得土壤含水量迅速飽和，產(chǎn)流區(qū)和河道的連通性增強，地下水能夠迅速產(chǎn)流并匯集到出口斷面，則總徑流中事件水成分較少，比例較低。

6 結(jié) 論

本文對和睦橋流域徑流分割與流域初始狀態(tài)之間的關(guān)系進行研究，得到以下結(jié)論：

(1)該流域出口徑流總量中事件前水占優(yōu)，洪峰流量以事件水為主，4場洪水事件中事件前水占徑流總量的58%～88%，占峰值流量的14%～31%。

(2)該流域存在多種產(chǎn)流機制，流域初始流量與總徑流系數(shù)及事件水比例呈負相關(guān)，在初始流量較大、匯流阻力較大的情況下，事件水下滲后多存蓄而少出流，反而將存蓄在土壤中的事件前水置換出去。

(3)前期土壤含水量與事件水比例的影響模式復(fù)雜多變，但在前期土壤含水量較高或前期降雨較多的情況下，一旦降雨條件使得土壤含水量迅速飽和，流域土壤連通性增強，則總徑流中事件水貢獻比例將降低。