基于穩(wěn)定同位素技術(shù)的森林水文過程研究——以黃河小浪底庫區(qū)大溝河與硯瓦河流域為例.pdf_第1頁
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文檔簡介

1、為揭示黃河小浪底庫區(qū)森林植被對降雨徑流的調(diào)控機制,定量評價小流域水資源轉(zhuǎn)化關(guān)系及徑流補給來源,本文以河南省濟源市黃河小浪底庫區(qū)的大溝河、硯瓦河流域為例,運用穩(wěn)定同位素技術(shù),研究降水同位素的季節(jié)變化特征,基于林分尺度,研究典型優(yōu)勢樹種側(cè)柏(Platycladus orientalis L.)、栓皮櫟(Quercus variabilis Bl.)的降雨再分配及降雨影響下土壤水分運移特征,運用水量平衡原理,探討不同林分坡面產(chǎn)流的降雨量臨界值

2、。基于小流域尺度,探討降水-地表水-地下水轉(zhuǎn)化關(guān)系,并對地表徑流補給來源進行定量評估。主要結(jié)論如下:
  (1)降水δD(氘同位素)和δ18O(氧同位素)值變化范圍較大,春、夏、秋三季隨季節(jié)變化逐漸減小。4-10月降水δD與溫度成負相關(guān)關(guān)系,而季節(jié)性降水相關(guān)性不顯著。4-10月及秋季降水δD和δ18O與降水量存在負相關(guān)關(guān)系。當?shù)卮髿饨邓€方程為δD=7.19δ18O-1.29,夏季大氣降水線斜率及d值較小,而秋季最大。利用HYSP

3、LIT氣團軌跡模型,可知夏季水汽主要來自東南及西南海洋性季風(fēng)輸送,春、秋季降水受大陸和海洋性季風(fēng)共同影響,即降水表現(xiàn)出一定的季節(jié)效應(yīng)。因此,確定區(qū)域降水季節(jié)變化特征是研究同位素水文過程的重要先決條件。
  (2)側(cè)柏林及低、中、高密度栓皮櫟林之間的樹干莖流δDs值及不同林分間的穿透雨δDT值差異均不顯著,林外降雨δD與δDS、δDT均呈顯著相關(guān)關(guān)系,且δDT與δD相關(guān)性更高,當降雨量≥14.2 mm時,δD與δDS、δD與δDT差

4、值△δD>0。當降雨量<14.2 mm時,△δD<0。表明影響莖流、穿透雨δD值的因素不僅僅是水分蒸發(fā),而是植被結(jié)構(gòu)及各種環(huán)境因子(溫度、濕度、蒸發(fā)等)綜合作用的結(jié)果。
  側(cè)柏林及中、高密度栓皮櫟林,在前期土壤濕度較大的雨季和旱季初期,降雨較快入滲到深層,除高密度林分在前期降雨較多的雨季下滲到中層,而前期降雨較少時,在枯落物及表中層土壤滯留時間較長。低密度栓皮櫟林,降雨在枯落物及土壤表層滯留時間較短,隨后涵養(yǎng)在上層水分以活塞流形

5、式下滲。且前期降水較多時,混合水可側(cè)向流動補給壤中流。表明土壤濕度低時,側(cè)柏林及中密度栓皮櫟林土壤可較好的蓄積水分,高密度林分在濕度低或高時均能較好的調(diào)控土壤水分,而低密度林分儲水性較差。此外,在前期降水充足和高強度降雨后,降雨在低中密度林分均可通過優(yōu)先流形式快速補給深層土壤。泉水和地下水δD值沒有明顯改變,受短期降水影響較小。
  (3)側(cè)柏林林冠總截留量(129.1 mm)大于栓皮櫟林,且栓皮櫟林隨林分密度增加而增大,分別為1

6、09.5、114.8、117.4 mm。隨降雨量增加截留率逐漸減小并趨于穩(wěn)定。截留量與降雨量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系,且呈較好的冪函數(shù)關(guān)系。
  側(cè)柏林枯落物總截留量(52.6 mm)小于栓皮櫟林,且栓皮櫟林隨林分密度增加而增大,分別為57.5、78.5、82.9 mm。截留量與降雨量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系,且呈較好的對數(shù)函數(shù)關(guān)系。
  側(cè)柏林及低密度栓皮櫟林土壤最大吸水量較低,中、高密度栓皮櫟林較高,均值分別為22.4、22.4、3

7、2.8、33.0 mm。隨季節(jié)變化旱季吸水量較多,雨季較少。
  側(cè)柏林及低、中、高密度栓皮櫟林坡面產(chǎn)流的降雨量臨界值隨季節(jié)波動分別為11.7-39.1、14.3-35.9、29.3-49.5、30.2-49.6 mm,均值分別為30.7、29.7、43.6、44.2 mm,即側(cè)柏林及低密度栓皮櫟林降雨量臨界值小于中、高密度栓皮櫟林,表明中、高密度栓皮櫟林可更好的涵養(yǎng)水源、保持水土。且在旱季產(chǎn)流所需降雨較多,雨季降雨較少。

8、  (4)硯瓦河流域地表水、淺層、深層地下水pH值隨季節(jié)變化較穩(wěn)定,均值分別為8.4、7.6、7.9,且大雨后地表水與淺層地下水存在相互轉(zhuǎn)化關(guān)系。地表水TDS隨季節(jié)變化差異顯著且沿程減小,而淺層及深層地下水季節(jié)、沿程差異均不顯著,均值分別為408、471、444 mg/L。且大雨后地表水和地下水之間轉(zhuǎn)化較密切。不同水體EC值隨季節(jié)變化差異顯著,均值分別為602、656、672μs/cm。同一水體EC與TDS之間呈正相關(guān)關(guān)系,不同水體兩參

9、數(shù)間相關(guān)性不顯著,說明不同水體具有不同的水分來源。地表水EC值沿程變化顯著,而深層地下水不顯著。與降雨TDS、EC值比較可知地表水受降雨和地下水的共同補給。
  降雨δD值隨季節(jié)變化逐漸減小,地表水、淺層地下水變化趨勢與降雨相同,表明地表水、淺層地下水均受降雨的補給作用。春、夏季地表水δD值沿程增大,秋季基本不變。淺層地下水δD值波動范圍小于地表水,且隨地表水上下波動,表明淺層地下水和地表水存在密切的水力聯(lián)系。深層地下水δD值季節(jié)

10、波動較小,表明深層地下水受降水等因子影響較小且沿程基本不變。
  地表水、淺層、深層地下水的δD-δ18O關(guān)系線分別為δD=5.21δ18O-15.40;δD=5.52δ18O-13.96;δD=5.77δ18O-11.59。地表水與淺層地下水δD和δ18O值均分布在大氣降水線兩側(cè)且分散,表明兩者均由降雨補給,而深層地下水分布集中。地表水變化幅度小于降雨,表明地表水除接受降雨補給外還受其他水源補給。不同水體δD-δ18O關(guān)系線斜率

11、依次增加但均小于降水線,表明降雨在補給前經(jīng)歷了一定的蒸發(fā)作用,且深層地下水受蒸發(fā)影響較小。地表水、淺層地下水斜率相近,表明兩者間存在顯著的相互作用關(guān)系。
  (5)降雨和淺層地下水對河流貢獻率波動范圍較大,分別為20.1%-81.2%、8.3%-47.6%,且兩者對河流貢獻呈現(xiàn)此消彼長的負相關(guān)關(guān)系。深層地下水波動范圍較小為10.6%-35.0%。降雨對河流的貢獻率與降雨量相關(guān)性不顯著,而是降雨量、河流徑流量及環(huán)境因素共同作用的結(jié)果

12、。當春季徑流量小、氣候干旱時,即使產(chǎn)生較大降雨,因降雨優(yōu)先補給干旱土壤,使得降雨對河流貢獻相對較小,平均貢獻率24.6%,而淺層、深層地下水貢獻率分別為45.7%、29.7%。夏季,降雨量增多徑流增加,降雨對河流貢獻增大至47.0%,淺層、深層地下水貢獻率相對較小,分別為37.6%、15.4%。秋季,9月降雨266.3 mm,河道徑流量劇增,降雨對河流貢獻率高達81.2%。10月因前期降雨較多,深層地下水得到充分補給,對河流貢獻率為34

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