基于氫氧同位素示蹤的紫色土坡耕地產(chǎn)流機(jī)制研究.pdf

1、坡地徑流是流域水循環(huán)的關(guān)鍵組成部分，不僅是土壤侵蝕、農(nóng)業(yè)面源污染的主導(dǎo)因子，還與雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)、水引起的自然災(zāi)害等方面息息相關(guān)?？茖W(xué)應(yīng)對(duì)坡地徑流引起的各種環(huán)境問(wèn)題、水災(zāi)害和合理利用資源，首先應(yīng)“科學(xué)認(rèn)識(shí)坡地的產(chǎn)流機(jī)制。紫色土坡地是長(zhǎng)江上游最重要的耕地資源，僅四川盆地面積即達(dá)16萬(wàn)km2，是長(zhǎng)江流域、三峽水庫(kù)水環(huán)境的重要影響區(qū)域。但由于技術(shù)手段的限制，對(duì)該土地利用類(lèi)型的產(chǎn)流機(jī)制仍不明確。本文利用傳統(tǒng)水文觀測(cè)手段并結(jié)合氫氧同位素技術(shù)，定點(diǎn)監(jiān)測(cè)了自

2、然降雨條件下紫色土坡耕地徑流水文過(guò)程，研究紫色土坡耕地土壤水分運(yùn)動(dòng)、產(chǎn)流過(guò)程與特征，劃分徑流水分來(lái)源，分析亞地表徑流的產(chǎn)流機(jī)制。主要取得以下結(jié)果:
　　(1)點(diǎn)尺度上土壤剖面10-30cm土層的體積含水率最先達(dá)到最大和最先消退，是紫色土坡耕地整個(gè)土壤剖面(0-40cm)響應(yīng)降雨的核心特點(diǎn)。坡面尺度上，土壤水分對(duì)降雨的響應(yīng)表現(xiàn)出深度效應(yīng)和坡位效應(yīng)，這反映出坡面水文過(guò)程的影響對(duì)土壤水分垂向運(yùn)動(dòng)的重要性。紫色土坡耕地土壤水分的再分布從強(qiáng)

3、烈地受到雨水入滲到坡面匯水產(chǎn)流再到水分消退并逐漸趨穩(wěn)的過(guò)程，歷時(shí)約在40-50h，坡位越低歷時(shí)越久。活塞流現(xiàn)象發(fā)生時(shí)段的土壤剖面中前期土壤水難以被全部驅(qū)替，反映出土壤中的水分存在易移動(dòng)部分和難移動(dòng)部分。
　　降水入滲方式:從時(shí)間先后來(lái)看，具有異質(zhì)性的紫色土坡耕地原狀土壤剖面結(jié)構(gòu)先發(fā)生活塞式入滲，首先補(bǔ)給上層(0-10cm)土壤的毛管孔隙所需的水分，而后在中深層(10-30cm)形成優(yōu)先流;從土壤剖面層次來(lái)看，上層以活塞式入滲為主，

4、下層則以?xún)?yōu)先流為主;從前期水分狀況的影響而言，土壤剖面上較高的水分狀況減少了降水在入滲過(guò)程中因填充毛管孔隙而引發(fā)的損耗，保證了土壤結(jié)構(gòu)大的孔隙空間流動(dòng)的水量，因而促進(jìn)了優(yōu)先流更快地發(fā)生。
　　(2)紫色土坡耕地的亞地表徑流（壤中流、地下徑流）產(chǎn)流過(guò)程線總體上呈現(xiàn)快速上漲、快速消退和緩慢消退三個(gè)階段，其中壤中流緩慢消退階段不明顯。上漲階段和快速回落階段所形成的“尖峰”，是紫色土坡地亞地表徑流過(guò)程線的鮮明特征。本文觀測(cè)的4次降雨事件，

5、紫色土坡地的淺層包氣帶首先從較深層開(kāi)始產(chǎn)流，隨后向淺層發(fā)展。
　　利用流率峰值出現(xiàn)前夕最大60min、45min、30min和15min雨強(qiáng)與流率峰值所作回歸分析表明，峰值來(lái)臨前時(shí)段內(nèi)最大雨強(qiáng)是促成流率峰值的關(guān)鍵因素，其中，各種形式的徑流峰值流率與峰值前最大30min雨強(qiáng)線性相關(guān)最佳，擬合度達(dá)到了R2=0.97、0.99、0.56，表現(xiàn)出極好的線性關(guān)系?；貧w方程分別為:Y區(qū)壤中=0.69x+0.47、Y區(qū)地下=0.54x+1.51

6、、Y坡地下=0.10x+0.31。
　　本文分析了該擬合方程結(jié)構(gòu)和各項(xiàng)參數(shù)的物理意義。擬合方程表明，臨近流率峰值出現(xiàn)前的時(shí)段最大雨強(qiáng)會(huì)呈線性正比地參與流率峰值的形成。流率峰值出現(xiàn)前的60min、45min、30min、15min等幾個(gè)時(shí)段內(nèi)的最大雨強(qiáng)對(duì)應(yīng)方程的系數(shù)，可以反映亞地表徑流對(duì)降雨響應(yīng)的敏感度。回歸方程中的常數(shù)項(xiàng)，反映了包氣帶水分含量處于較高狀態(tài)（蓄水達(dá)到或接近飽和）時(shí)，在相應(yīng)最大時(shí)段雨強(qiáng)供水的環(huán)境下（動(dòng)能環(huán)境），包氣帶相

7、應(yīng)層位的徑流形式的穩(wěn)定流率。該常數(shù)與相應(yīng)雨強(qiáng)時(shí)段內(nèi)的降雨量無(wú)關(guān)，而跟其提供的供水環(huán)境有關(guān)，比如降雨動(dòng)能對(duì)包氣帶水分的壓力等。最大30min雨強(qiáng)供水環(huán)境下，該常數(shù)，即穩(wěn)定流率在小區(qū)壤中流、地下徑流、長(zhǎng)坡地地下徑流形式中分別為2.31mm/h、2.98mm/h、0.50mm/h。
　　通過(guò)對(duì)雨強(qiáng)-峰值流率的回歸方程的認(rèn)識(shí)，本文認(rèn)為:降雨對(duì)亞地表徑流的產(chǎn)生來(lái)說(shuō)，不僅僅是提供徑流水源的作用，更關(guān)鍵的是為包氣帶的產(chǎn)流創(chuàng)造了一定的動(dòng)力學(xué)環(huán)境。

8、
　　對(duì)各形式徑流的產(chǎn)流總量和降雨量的分析表明，小區(qū)壤中流中二者呈極顯著正相關(guān)(r=0.004);而與小區(qū)地下徑流、長(zhǎng)坡地地下徑流的相關(guān)性差(r=0.058，0.199)，說(shuō)明地下徑流產(chǎn)流量與降雨量關(guān)系不大。據(jù)此推測(cè)，包氣帶前期水分狀況對(duì)亞地表徑流產(chǎn)流量的作用比次降雨量更為重要。本文所觀測(cè)的亞地表徑流產(chǎn)流系數(shù)多數(shù)超過(guò)了1，意味著亞地表徑流水量并非全部來(lái)自于當(dāng)次降雨事件，而且非本次降雨的水量占有相當(dāng)?shù)谋壤?br>　　(3)基于同位

9、素濃度數(shù)據(jù)，利用二水源模型量化了坡地地塊兩個(gè)尺度上亞地表流中事件降水和前期土壤水的貢獻(xiàn)率。其中，徑流流率峰值時(shí)刻的前期土壤水平均比例:小區(qū)壤中流為56.4％、地下徑流為33.5％，坡地地下徑流為58.2％。表明前期水分在亞地表產(chǎn)流中占有重要作用。
　　紫色土坡耕地的亞地表徑流十分發(fā)育。從降雨過(guò)程來(lái)看，包氣帶結(jié)構(gòu)（大孔隙、裂隙發(fā)育）顯著的影響著不同階段的產(chǎn)流方式:在產(chǎn)流的上漲和快速消退階段，紫色土地坡包氣帶以?xún)?yōu)先流為主，即非均質(zhì)性產(chǎn)