太行山典型小流域潛流動態(tài)變化研究

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摘要：為了科學(xué)地對太行山區(qū)地下水環(huán)境進(jìn)行綜合評價，本試驗(yàn)采用了“翻斗式”自計(jì)量水技術(shù)，對該區(qū)普遍存在的裂隙潛流的動態(tài)變化過程進(jìn)行新監(jiān)測。根據(jù)監(jiān)測的數(shù)據(jù)分析了該區(qū)潛流的日動態(tài)變化過程和水文年動態(tài)變化過程，分析結(jié)果說明造成這種動態(tài)變化的根本原因是太陽凈輻射的變化，直接原因是植物的蒸散作用；同時，降雨對潛流的年內(nèi)變化也有著直接的影響。

　　關(guān)鍵詞：典型小流域 潛流 動態(tài)變化

　　1 太行山地下水環(huán)境概況

　　太行山區(qū)主要以花崗片麻巖為主，另有少量的石灰?guī)r區(qū)，其中花崗片麻巖區(qū)基巖裂隙一般比較發(fā)育。由于地質(zhì)構(gòu)造、巖性、地貌的不同、造成山區(qū)地下水的資源量在時空分布與存在形式上均有較大差異，山區(qū)地下水按其不同的存在形式，可分為裂隙水、孔隙水及巖溶水。其中裂隙水主要以裂隙巖體非飽和流的形式存在于花崗片麻巖區(qū)的基巖裂縫中，孔隙水主要以潛流的形式存在于山間河谷區(qū)的砂礫石層中，而巖溶水主要以承壓的形式存在于石灰?guī)r區(qū)的溶洞中。從蓄水構(gòu)造的角度講，3種形式的地下水均需要不漏水的基底、較大的集水面積和能蓄水的含水層。在花崗片麻巖區(qū)一般由于基巖裂隙發(fā)育比較廣泛，因此裂隙水較普遍；但由于缺乏良好的能夠蓄水的含水層，從而造成裂隙水的水量較小，同時這也是造成山區(qū)裂隙水資源利用率較低的一個重要原因。但作為山區(qū)唯一而寶貴的水資源，始終是當(dāng)?shù)厝嗣裆媾c發(fā)展必不可少的資源之一。

　　2 典型小流域基本概況

　　典型小流域位于中科院太行山山地生態(tài)試驗(yàn)站的西側(cè)，東經(jīng)114°15′58″，北緯37°52′44″，典型小流域?qū)倩◢徠閹r山地，流域面積0.02625km2，植被是20年生的人工刺槐疏林。坡面坡度在25%～35%之間的占90%左右，平均坡長為65m，陰坡面上的土層厚度在20～30cm之間的占50%左右，而陽坡面上的土層厚度在0～5cm之間的占90%左右；主溝為人工水平臺地，土層厚度在1.0m左右，東西走向。典型小流域基巖裂隙比較發(fā)育，多年平均地表徑流系數(shù)較小，而淺層地下潛流在全年的絕大部分時間都存在。典型小流域潛流屬于裂隙巖體非飽和滲流，其實(shí)質(zhì)是“水在由局部飽和區(qū)域構(gòu)成的連通滲流路徑中的流動”。

　　3 截潛工程及量測系統(tǒng)

　　為了研究潛流的動態(tài)變化規(guī)律及充分利用有限的水資源，在典型小流域的出口處修建了截流溝和集水池，截流溝和集水池之間用管道連接，同時為了能讓截流溝所截出的水全部及時的流入蓄水池，管道的首部緊挨著截流溝的底部，并以5%的坡度鋪設(shè)管道。

　　由于潛水流量較小，一般在1001/h以下，常用量水設(shè)備與方法（水表、堰流法）均不能較準(zhǔn)確對潛流進(jìn)行長期連續(xù)監(jiān)測。經(jīng)過長期不斷研究與探索，在受數(shù)字（自計(jì)）雨量計(jì)的啟發(fā)的基礎(chǔ)上，大膽地將日本千葉大學(xué)教授新滕靜夫自行研制的“翻斗式”自計(jì)量水系統(tǒng)用于小流域潛流的監(jiān)測中，從監(jiān)測手段上避開了通過測定水位來求得流量的傳統(tǒng)方法，從而避免了水溫對水位測定所帶來的影響。該系統(tǒng)主要由“翻斗式”量水器和事件記錄儀（或數(shù)據(jù)采集器）組成；在起初使用事件記錄儀（HOBO）的過程中，由于其內(nèi)存有限（一般為2000次或8000次），只能連續(xù)監(jiān)測2d左右，不能滿足監(jiān)測需要，同時所帶來的工作量也較大，后經(jīng)進(jìn)一步研究，最后將數(shù)據(jù)采集器（CR10X）與“翻斗式”量水器有機(jī)的結(jié)合在一起，便使“翻斗式”自計(jì)量水系統(tǒng)達(dá)到了比較完備的階段。

　　4 潛流動態(tài)變化

　　4.1潛流日變化

　　潛流日變化在不同的季節(jié)具有不同的變化情況。在夏季，日變化比較明顯；在冬季，日變化比較平緩；而春季和秋季的日變化介于冬夏之間。典型小流域2000年夏季（六月下旬）和冬季（12月下旬）典型3d的潛流變化情況?？梢钥闯觯谙募?，潛流的日變化有一個共同的特點(diǎn)，即在每天早晨6：00前后，潛水流量達(dá)到最大，之后將一直減小，直至下午18：00左右，降低到最低點(diǎn)，早晚潛水流量之比約為1.2∶1；從3d的整體情況看，潛水流量是呈減小趨勢，以每天的最大值計(jì)，3d時間流量減少了21.21/h.根據(jù)以上分析，潛流動態(tài)日變化可用一句話來概括，即“夜間（18：00～6：00）逐漸增大、白天（6：00～18：00）逐漸減小的類似正弦曲線的變化趨勢”；

　　在冬季，潛流的日變化比較平緩，且無類似正弦曲線的變化趨勢；而在春季和秋季，潛流的日變化情況介于冬夏之間，春季和秋季的日變化較夏季不同之處主要在于，白天潛水流量減小的階段有所縮短，即早上開始下降的時間有所后移，而傍晚開始上升的時間有所提前。

　　4.2 潛流的年內(nèi)變化

　　典型小流域1999年6月至2000年6月的一個水文年內(nèi)，潛水流量的動態(tài)變化曲線。可以看出，①典型小流域潛水流量在一個水文年間的變化較大，以2月份所測得的流量最大（62.41/h），以6月份所測得的流量最?。?1.041/h）。②在一個水文年內(nèi)，隨著雨季的到來，潛水流量開始增長，但這種增長較降雨稍有滯后，且極不穩(wěn)定，這種增長將一直持續(xù)到第二年的2月份，而后又逐漸下降至6月份。③在潛流增長階段的前期（6～11月）由于強(qiáng)烈的植被蒸散，潛流增長比較緩慢，有時還表現(xiàn)出忽升忽降的現(xiàn)象；在后期（12～2月）由于植被的蒸散較前期大大減小，從而潛流的增長比較快。④在潛流下降階段，同樣由于植被蒸散情況的不同，在前期（2～4月）潛流下降較緩慢，而在后期（4-6月）潛流下降較快。

　　5 潛流動態(tài)變化結(jié)果分析

　　典型小流域淺層地下潛流的補(bǔ)給源主要是天然降雨，并且主要是當(dāng)年和前一年的降雨，或著說就是當(dāng)年（以水文年計(jì)）的降雨；排泄方式主要有植物的蒸騰失水和溝口的流出失水兩種。影響潛層地下潛流的因素很多，其變化受天文、氣象、水文、地質(zhì)、生物等多方面的自然因素和人為活動的影響。

　　5.1降雨對潛流變化的影響

　　降雨作為典型小流域淺層地下潛流的主要補(bǔ)給源，它直接影響著潛流的變化，特別是在雨季來臨前，由于春旱和強(qiáng)烈的大氣蒸發(fā)力作用，經(jīng)常導(dǎo)致潛水的斷流，而后又隨著雨季的來臨驟然增加，恢復(fù)潛流。但如果不是連續(xù)降雨或陰天，潛流會很快下降至某一數(shù)值。然后再以較平緩的趨勢變化。

　　1999年雨季來臨前后，典型3d的潛水流量的日變化情況。由1999年6月16日和1999年7月12日2d的變化情況可以看出，在前期土壤含水量較小的情況下，一場53.9mm的降雨，對潛流幾乎沒有什么影響，依然持續(xù)雨季前的下降趨勢。

　　由1999年7月12日和1999年7月13日2d的變化情況可以看出，在剛剛降雨53.9mm左右的基礎(chǔ)上，再降雨86.2mm，潛流有了明顯的變化，由1999年7月12日的平均流量5.41/h，驟然增大到1999年7月13日的平均流量56.481/h，將近增大了10倍。6月下旬至7月中間的降雨情況。其中6月28日至7月11日共降雨53.9mm，7月12日降雨86.2mm.

　　5.2 植物蒸散對潛流變化的影響

　　從力學(xué)角度分析，潛流在豎直方向上主要受重力和植物的蒸騰牽引力作用。其中在某一確定的地點(diǎn)，重力加速度g是不隨時間變化的，因此重力也不隨時間而變化；從測定林地水分蒸散的波文比-能量平衡法角度講，植物的蒸騰牽引力所需要的能量是由太陽凈輻射的分量—潛熱通量提供的，而不論是太陽凈輻射，還是潛熱通量均存在明顯的日變化。因此，太陽凈輻射是造成潛流日變化的根本原因，而植物的蒸散作用是造成潛流日變化的直接原因。為了說明植物蒸散對潛流的影響，在此利用波文比自動觀測系統(tǒng)所測得的數(shù)據(jù)進(jìn)行植物日蒸散速率的分析。

　　典型流域2000年第222d（8月10日）的日蒸散速率變化情況，可以看出，蒸散速率在早晨7：00前后出現(xiàn)正負(fù)拐點(diǎn)，其后呈逐漸增大的趨勢，直到中午前；蒸散速率（E）以0.35mm/h的高速率在中午前后徘徊近4h后，在下午3：00左右開始下降，并且在傍晚7：00左右轉(zhuǎn)負(fù)；從整體情況看，可將日蒸散速率變化情況分為3個階段：0～7點(diǎn)，該階段處于緩慢凝結(jié)階段：7～19點(diǎn)，該階段處于蒸發(fā)階段：19～24點(diǎn)，該階段處于快速（較0～7點(diǎn)）凝結(jié)階段。典型流域2000年第222d（8月10日）的徑流通量變化情況，徑流通量（R）是指在單位時間內(nèi)從流域出口流出的水量與流域面積的比，它是根據(jù)測得的有關(guān)數(shù)據(jù)計(jì)算來的，主要是用來說明大小不同的流域之間潛水流量的不同變化情況，也就是使不同流域間的潛水流量具有可比性。根據(jù)變化情況，同樣可將全天24h的變化分為3個階段：0～7點(diǎn)，該階段徑流通量呈緩慢增長趨勢；7～18點(diǎn)，該階段徑流通量呈下降趨勢；18～24點(diǎn)，該階段徑流通量呈快速增長趨勢。

　　三階段相互對比可以看出，典型小流域第二階段徑流通量的下降與植物蒸散所造成的大量失水有著直接的關(guān)系。這還可以通過植物蒸散速率E與流域徑流通量R的相關(guān)關(guān)系曲線得到進(jìn)一步說明。給出了上午6～11點(diǎn)和下午14～19點(diǎn)兩個階段E與R的關(guān)系曲線，可以看出，上午6～11點(diǎn)之間，典型小流域的徑流通量R是隨著植物蒸散速率E的增大而減小的，兩者呈負(fù)的極相關(guān)關(guān)系（R2=0.78）；可以看出，在下午14～19點(diǎn)之間，典型小流域的徑流通量R是隨著植物蒸散速率E的減小而減小的，兩者呈正的極相關(guān)關(guān)系（R2=0.8035）。

　　通過以上分析，我們可以這樣推理潛流的日變化情況：在清晨的日出前后，太陽凈輻射由負(fù)轉(zhuǎn)正，植物的蒸騰牽引力在潛水層—植物根系活動的巖土層—植物體—大氣之間形成一定的水勢差，在該水勢差的作用下，水分沿潛水層—植物根系活動的巖土層—植物體—大氣的方向由潛水層不斷地向大氣中擴(kuò)散，潛水層的水頭開始下降，從而使得潛水因重力作用而流向流域出口的分量減少，因此潛水的徑流通量開始下降。之后，隨著太陽凈輻射的不斷增加，植物的蒸騰牽引力及蒸散速率也不斷增加，從而使得水分沿潛水層—植物根系活動的巖土層—植物體—大氣的方向擴(kuò)散的速率也不斷增加，潛水層的水頭加速下降，因此潛水的徑流通量呈加速下降趨勢。而午后，隨著太陽凈輻射的不斷減少，植物的蒸騰牽引力及蒸散速率也不斷降低，這降低了潛水層—植物根系活動的巖土層—植物體—大氣之間的水勢差，從而使得水分沿潛水層—植物根系活動的巖土層—植物體—大氣的方向擴(kuò)散的速率也不斷降低，潛水層的水頭減速下降，因此潛水的徑流通量呈減速下降趨勢，這種作用一直持續(xù)到太陽凈輻射由正轉(zhuǎn)負(fù)的傍晚時刻。同時由于太陽凈輻射及植物的蒸騰牽引力對下層土壤中水分的影響存在相對滯后的現(xiàn)象，使得潛水層—植物根系活動的巖土層之間仍保持較高的水勢差，從而出現(xiàn)了水分在潛水層—植物根系活動的巖土層之間的運(yùn)移速率大于在植物根系活動的巖土層—植物體—大氣之間的運(yùn)移速率的現(xiàn)象，其結(jié)果是有“相對過多的水分”儲存在了植物根系活動的巖土層中，也正是這種“相對過多的水分”使得潛水流量在夜間的前半夜比后半夜增加較快。

　　6 小結(jié)與討論

　?。?）本文從技術(shù)創(chuàng)新的角度，首次利用先進(jìn)的“翻斗式”自計(jì)量水系統(tǒng)對典型小流域的淺層地下潛流進(jìn)行了連續(xù)監(jiān)測，“翻斗式”自計(jì)量水系統(tǒng)的工作原理是，經(jīng)管道流出潛水通過翻斗式量水器的受水口進(jìn)入其中的一個“翻斗室”；當(dāng)水達(dá)到一定量后，翻斗會自動翻轉(zhuǎn)，同時潛流會注入另一個“翻斗室”。翻斗每翻轉(zhuǎn)一次，安裝在兩個“翻斗室”中間外側(cè)部位的機(jī)械脈沖發(fā)生器就會工作一次，即產(chǎn)生一個脈沖，并通過導(dǎo)線傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集器中，而數(shù)據(jù)采集器（CR10X）每隔一定時間就將這段時間內(nèi)收到的脈沖總個數(shù)記錄下來。這樣，“翻斗式”自計(jì)量水系統(tǒng)便以直接監(jiān)測流量的方式完成了潛流過程的測定。（2）測定結(jié)果發(fā)現(xiàn)，潛流的日變化在不同的季節(jié)具有不同的變化情況；在夏季，日變化比較明顯，且存在“白天逐漸減小，夜間逐漸增大”的類似正弦曲線的變化趨勢；在冬季，日變化比較平緩，而在春季和秋季，潛流的日變化情況介于冬夏之間。潛流在一個水文年內(nèi)的變化存在單峰現(xiàn)象，峰值出現(xiàn)在2月份。（3）通過對測定結(jié)果和相關(guān)影響因子的分析，得出太陽凈輻射是造成潛流日變化及年內(nèi)變化的根本原因，而植物的蒸散作用是造成潛流日變化及年內(nèi)變化的直接原因；同時降雨對潛流的年內(nèi)變化也有著直接的影響。（4）本文為進(jìn)一步研究山地水分循環(huán)過程取得了一定的進(jìn)展，特別是在流量的監(jiān)測手段上，具有新的發(fā)展和創(chuàng)新，同時對進(jìn)一步研究山區(qū)雨水資源的高效利用提供了一些基礎(chǔ)性數(shù)據(jù)。（5）由于本文監(jiān)測對象的流域面積僅有0.026km2，因此本問題還需繼續(xù)深入研究。

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