太行山典型小流域潜流动态变化研究

摘要：为了科学地对太行山区地下水环境进行综合评价，本试验采用了“翻斗式”自计量水技术，对该区普遍存在的裂隙潜流的动态变化过程进行新监测。根据监测的数据分析了该区潜流的日动态变化过程和水文年动态变化过程，分析结果说明造成这种动态变化的根本原因是太阳净辐射的变化，直接原因是植物的蒸散作用；同时，降雨对潜流的年内变化也有着直接的影响。

　　关键词：典型小流域 潜流 动态变化

　　1 太行山地下水环境概况

　　太行山区主要以花岗片麻岩为主，另有少量的石灰岩区，其中花岗片麻岩区基岩裂隙一般比较发育。由于地质构造、岩性、地貌的不同、造成山区地下水的资源量在时空分布与存在形式上均有较大差异，山区地下水按其不同的存在形式，可分为裂隙水、孔隙水及岩溶水。其中裂隙水主要以裂隙岩体非饱和流的形式存在于花岗片麻岩区的基岩裂缝中，孔隙水主要以潜流的形式存在于山间河谷区的砂砾石层中，而岩溶水主要以承压的形式存在于石灰岩区的溶洞中。从蓄水构造的角度讲，3种形式的地下水均需要不漏水的基底、较大的集水面积和能蓄水的含水层。在花岗片麻岩区一般由于基岩裂隙发育比较广泛，因此裂隙水较普遍；但由于缺乏良好的能够蓄水的含水层，从而造成裂隙水的水量较小，同时这也是造成山区裂隙水资源利用率较低的一个重要原因。但作为山区唯一而宝贵的水资源，始终是当地人民生存与发展必不可少的资源之一。

　　2 典型小流域基本概况

　　典型小流域位于中科院太行山山地生态试验站的西侧，东经114°15′58″，北纬37°52′44″，典型小流域属花岗片麻岩山地，流域面积0.02625km2，植被是20年生的人工刺槐疏林。坡面坡度在25%～35%之间的占90%左右，平均坡长为65m，阴坡面上的土层厚度在20～30cm之间的占50%左右，而阳坡面上的土层厚度在0～5cm之间的占90%左右；主沟为人工水平台地，土层厚度在1.0m左右，东西走向。典型小流域基岩裂隙比较发育，多年平均地表径流系数较小，而浅层地下潜流在全年的绝大部分时间都存在。典型小流域潜流属于裂隙岩体非饱和渗流，其实质是“水在由局部饱和区域构成的连通渗流路径中的流动”。

　　3 截潜工程及量测系统

　　为了研究潜流的动态变化规律及充分利用有限的水资源，在典型小流域的出口处修建了截流沟和集水池，截流沟和集水池之间用管道连接，同时为了能让截流沟所截出的水全部及时的流入蓄水池，管道的首部紧挨着截流沟的底部，并以5%的坡度铺设管道。

　　由于潜水流量较小，一般在1001/h以下，常用量水设备与方法（水表、堰流法）均不能较准确对潜流进行长期连续监测。经过长期不断研究与探索，在受数字（自计）雨量计的启发的基础上，大胆地将日本千叶大学教授新滕静夫自行研制的“翻斗式”自计量水系统用于小流域潜流的监测中，从监测手段上避开了通过测定水位来求得流量的传统方法，从而避免了水温对水位测定所带来的影响。该系统主要由“翻斗式”量水器和事件记录仪（或数据采集器）组成；在起初使用事件记录仪（HOBO）的过程中，由于其内存有限（一般为2000次或8000次），只能连续监测2d左右，不能满足监测需要，同时所带来的工作量也较大，后经进一步研究，最后将数据采集器（CR10X）与“翻斗式”量水器有机的结合在一起，便使“翻斗式”自计量水系统达到了比较完备的阶段。

　　4 潜流动态变化

　　4.1潜流日变化

　　潜流日变化在不同的季节具有不同的变化情况。在夏季，日变化比较明显；在冬季，日变化比较平缓；而春季和秋季的日变化介于冬夏之间。典型小流域2000年夏季（六月下旬）和冬季（12月下旬）典型3d的潜流变化情况。可以看出，在夏季，潜流的日变化有一个共同的特点，即在每天早晨6：00前后，潜水流量达到最大，之后将一直减小，直至下午18：00左右，降低到最低点，早晚潜水流量之比约为1.2∶1；从3d的整体情况看，潜水流量是呈减小趋势，以每天的最大值计，3d时间流量减少了21.21/h.根据以上分析，潜流动态日变化可用一句话来概括，即“夜间（18：00～6：00）逐渐增大、白天（6：00～18：00）逐渐减小的类似正弦曲线的变化趋势”；

　　在冬季，潜流的日变化比较平缓，且无类似正弦曲线的变化趋势；而在春季和秋季，潜流的日变化情况介于冬夏之间，春季和秋季的日变化较夏季不同之处主要在于，白天潜水流量减小的阶段有所缩短，即早上开始下降的时间有所后移，而傍晚开始上升的时间有所提前。

　　4.2 潜流的年内变化

　　典型小流域1999年6月至2000年6月的一个水文年内，潜水流量的动态变化曲线。可以看出，①典型小流域潜水流量在一个水文年间的变化较大，以2月份所测得的流量最大（62.41/h），以6月份所测得的流量最小（11.041/h）。②在一个水文年内，随着雨季的到来，潜水流量开始增长，但这种增长较降雨稍有滞后，且极不稳定，这种增长将一直持续到第二年的2月份，而后又逐渐下降至6月份。③在潜流增长阶段的前期（6～11月）由于强烈的植被蒸散，潜流增长比较缓慢，有时还表现出忽升忽降的现象；在后期（12～2月）由于植被的蒸散较前期大大减小，从而潜流的增长比较快。④在潜流下降阶段，同样由于植被蒸散情况的不同，在前期（2～4月）潜流下降较缓慢，而在后期（4-6月）潜流下降较快。

　　5 潜流动态变化结果分析

　　典型小流域浅层地下潜流的补给源主要是天然降雨，并且主要是当年和前一年的降雨，或着说就是当年（以水文年计）的降雨；排泄方式主要有植物的蒸腾失水和沟口的流出失水两种。影响潜层地下潜流的因素很多，其变化受天文、气象、水文、地质、生物等多方面的自然因素和人为活动的影响。

　　5.1降雨对潜流变化的影响

　　降雨作为典型小流域浅层地下潜流的主要补给源，它直接影响着潜流的变化，特别是在雨季来临前，由于春旱和强烈的大气蒸发力作用，经常导致潜水的断流，而后又随着雨季的来临骤然增加，恢复潜流。但如果不是连续降雨或阴天，潜流会很快下降至某一数值。然后再以较平缓的趋势变化。

　　1999年雨季来临前后，典型3d的潜水流量的日变化情况。由1999年6月16日和1999年7月12日2d的变化情况可以看出，在前期土壤含水量较小的情况下，一场53.9mm的降雨，对潜流几乎没有什么影响，依然持续雨季前的下降趋势。

　　由1999年7月12日和1999年7月13日2d的变化情况可以看出，在刚刚降雨53.9mm左右的基础上，再降雨86.2mm，潜流有了明显的变化，由1999年7月12日的平均流量5.41/h，骤然增大到1999年7月13日的平均流量56.481/h，将近增大了10倍。6月下旬至7月中间的降雨情况。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 植物蒸散对潜流变化的影响

　　从力学角度分析，潜流在竖直方向上主要受重力和植物的蒸腾牵引力作用。其中在某一确定的地点，重力加速度g是不随时间变化的，因此重力也不随时间而变化；从测定林地水分蒸散的波文比-能量平衡法角度讲，植物的蒸腾牵引力所需要的能量是由太阳净辐射的分量—潜热通量提供的，而不论是太阳净辐射，还是潜热通量均存在明显的日变化。因此，太阳净辐射是造成潜流日变化的根本原因，而植物的蒸散作用是造成潜流日变化的直接原因。为了说明植物蒸散对潜流的影响，在此利用波文比自动观测系统所测得的数据进行植物日蒸散速率的分析。

　　典型流域2000年第222d（8月10日）的日蒸散速率变化情况，可以看出，蒸散速率在早晨7：00前后出现正负拐点，其后呈逐渐增大的趋势，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左右开始下降，并且在傍晚7：00左右转负；从整体情况看，可将日蒸散速率变化情况分为3个阶段：0～7点，该阶段处于缓慢凝结阶段：7～19点，该阶段处于蒸发阶段：19～24点，该阶段处于快速（较0～7点）凝结阶段。典型流域2000年第222d（8月10日）的径流通量变化情况，径流通量（R）是指在单位时间内从流域出口流出的水量与流域面积的比，它是根据测得的有关数据计算来的，主要是用来说明大小不同的流域之间潜水流量的不同变化情况，也就是使不同流域间的潜水流量具有可比性。根据变化情况，同样可将全天24h的变化分为3个阶段：0～7点，该阶段径流通量呈缓慢增长趋势；7～18点，该阶段径流通量呈下降趋势；18～24点，该阶段径流通量呈快速增长趋势。

　　三阶段相互对比可以看出，典型小流域第二阶段径流通量的下降与植物蒸散所造成的大量失水有着直接的关系。这还可以通过植物蒸散速率E与流域径流通量R的相关关系曲线得到进一步说明。给出了上午6～11点和下午14～19点两个阶段E与R的关系曲线，可以看出，上午6～11点之间，典型小流域的径流通量R是随着植物蒸散速率E的增大而减小的，两者呈负的极相关关系（R2=0.78）；可以看出，在下午14～19点之间，典型小流域的径流通量R是随着植物蒸散速率E的减小而减小的，两者呈正的极相关关系（R2=0.8035）。

　　通过以上分析，我们可以这样推理潜流的日变化情况：在清晨的日出前后，太阳净辐射由负转正，植物的蒸腾牵引力在潜水层—植物根系活动的岩土层—植物体—大气之间形成一定的水势差，在该水势差的作用下，水分沿潜水层—植物根系活动的岩土层—植物体—大气的方向由潜水层不断地向大气中扩散，潜水层的水头开始下降，从而使得潜水因重力作用而流向流域出口的分量减少，因此潜水的径流通量开始下降。之后，随着太阳净辐射的不断增加，植物的蒸腾牵引力及蒸散速率也不断增加，从而使得水分沿潜水层—植物根系活动的岩土层—植物体—大气的方向扩散的速率也不断增加，潜水层的水头加速下降，因此潜水的径流通量呈加速下降趋势。而午后，随着太阳净辐射的不断减少，植物的蒸腾牵引力及蒸散速率也不断降低，这降低了潜水层—植物根系活动的岩土层—植物体—大气之间的水势差，从而使得水分沿潜水层—植物根系活动的岩土层—植物体—大气的方向扩散的速率也不断降低，潜水层的水头减速下降，因此潜水的径流通量呈减速下降趋势，这种作用一直持续到太阳净辐射由正转负的傍晚时刻。同时由于太阳净辐射及植物的蒸腾牵引力对下层土壤中水分的影响存在相对滞后的现象，使得潜水层—植物根系活动的岩土层之间仍保持较高的水势差，从而出现了水分在潜水层—植物根系活动的岩土层之间的运移速率大于在植物根系活动的岩土层—植物体—大气之间的运移速率的现象，其结果是有“相对过多的水分”储存在了植物根系活动的岩土层中，也正是这种“相对过多的水分”使得潜水流量在夜间的前半夜比后半夜增加较快。

　　6 小结与讨论

　　（1）本文从技术创新的角度，首次利用先进的“翻斗式”自计量水系统对典型小流域的浅层地下潜流进行了连续监测，“翻斗式”自计量水系统的工作原理是，经管道流出潜水通过翻斗式量水器的受水口进入其中的一个“翻斗室”；当水达到一定量后，翻斗会自动翻转，同时潜流会注入另一个“翻斗室”。翻斗每翻转一次，安装在两个“翻斗室”中间外侧部位的机械脉冲发生器就会工作一次，即产生一个脉冲，并通过导线传输到数据采集器中，而数据采集器（CR10X）每隔一定时间就将这段时间内收到的脉冲总个数记录下来。这样，“翻斗式”自计量水系统便以直接监测流量的方式完成了潜流过程的测定。（2）测定结果发现，潜流的日变化在不同的季节具有不同的变化情况；在夏季，日变化比较明显，且存在“白天逐渐减小，夜间逐渐增大”的类似正弦曲线的变化趋势；在冬季，日变化比较平缓，而在春季和秋季，潜流的日变化情况介于冬夏之间。潜流在一个水文年内的变化存在单峰现象，峰值出现在2月份。（3）通过对测定结果和相关影响因子的分析，得出太阳净辐射是造成潜流日变化及年内变化的根本原因，而植物的蒸散作用是造成潜流日变化及年内变化的直接原因；同时降雨对潜流的年内变化也有着直接的影响。（4）本文为进一步研究山地水分循环过程取得了一定的进展，特别是在流量的监测手段上，具有新的发展和创新，同时对进一步研究山区雨水资源的高效利用提供了一些基础性数据。（5）由于本文监测对象的流域面积仅有0.026km2，因此本问题还需继续深入研究。

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