中梁山巖溶槽谷區不同土地利用方式坡地產流規律

吳 澤,蔣勇軍,*,姜光輝,王正雄,賀秋芳,白 瑩

1 西南大學地理科學學院,巖溶環境重慶市重點實驗室, 重慶 400715 2 中國地質科學院巖溶研究所,自然資源部/廣西巖溶動力學重點實驗室, 桂林 541004

巖溶區土壤—表層巖溶帶具有復雜的三維空間結構,在垂直方向上,大氣降水以地表徑流、豎井水流、壤中流、表層巖溶帶水流、深部溶隙、裂隙水流等形式進入地下河；水平方向上表現為裂隙、管道、洞穴的復雜組合[1- 3]。因此,相比非巖溶區,巖溶水系統中“五水”(大氣降水、地表水、土壤水、表層巖溶帶水、地下水)轉化過程更加錯綜復雜,難于研究[4-6]。在巖溶區,地表有土壤層覆蓋和巖石出露,具有非均勻性；巖溶地下河系統是由巖溶管道、巖溶孔隙、巖溶裂隙和巖溶洞穴等多種巖溶空隙介質體組成的多重復合體系,具有高度非均質性,很難查清巖溶裂隙、管道等的分布和組成,地下河水流常呈現出達西流與非達西流并存的現象,很難準確描述巖溶水的運動[7- 9]。

巖溶區坡地降水-產流特征及其影響因素對于“五水”轉化規律的認識以及水土流失防治的研究具有重要意義,坡地植被可以通過林冠截留、根系提高入滲來減少地表徑流量與流速,攔截、過濾、沉積地表徑流的土壤顆粒,防止水土流失[10-12]。坡地產流過程是降水與地表諸多因素(植被覆蓋率、土壤前期含水量、基巖裸露率等)共同作用的結果,形成機理較為復雜[13-14]。巖溶區的坡地產流主要包括地表徑流、界面橫向流(壤中流、裂隙流) 和深層滲漏[15- 16]。姜光輝[17]將巖溶山區的產流分為5種產流模式：大氣-巖石界面的超滲產流；大氣-土壤界面的超滲產流或者飽和產流；土壤-巖石界面的壤中流；表巖溶帶-包氣帶界面的表層巖溶帶產流；包氣帶-飽水帶界面的地下徑流。前人等的研究表明[18- 19],徑流小區坡地產流、土壤剖面水分對降雨的響應受前期土壤含水量、降水量、降雨強度的影響外,還與土壤所處的地形地貌有關。但巖溶區坡地產流特征以及產流機制研究的比較少,且對巖溶槽谷區坡地產流特征及其影響因素的研究報道尚少。

本研究以重慶主城北部中梁山背斜頂部龍鳳槽谷和龍車槽谷為研究基地,根據不同土地利用方式設立4個標準徑流小區,在線監測降水量、土壤含水量和地表徑流、壤中流及裂隙流產流量,對比不同土地利用方式下徑流小區產流特征,運用回歸分析研究降水因子和土壤含水率對巖溶槽谷區坡地產流的影響,同時討論隧道工程對坡地產流的影響,為巖溶區確定合理的土地利用方式、地下水資源評價與利用提供理論基礎。

1 研究地區和方法

1.1 研究區概況

龍鳳、龍車槽谷位于重慶市北碚區境內觀音峽背斜中梁山巖溶槽谷區(圖1),該槽谷區屬于川東平行嶺谷華鎣山帚狀褶皺束南沿部分,海拔高程 480—640m。背斜軸向為NNE 走向,核部的碳酸鹽巖被兩側的非可溶巖地層包圍,核部為下三疊統飛仙關組(Tlf)地層,向兩翼地層逐漸過渡為下三疊統嘉陵江組(T1j)、中三疊統雷口坡組(T2l)及上三疊統須家河組(T3xj)。背斜核部發育有東、西兩個NNE走向的溶蝕槽谷,形成“一山三嶺兩槽”的“筆架”式地形。觀音峽背斜北、南部分別被嘉陵江、長江切割,嘉陵江以南海拔逐漸升高,至鳳凰村附近成為地表分水嶺,形成一個相對獨立的水文地質單元即龍鳳槽谷區,流域面積約11.7km2。龍鳳槽谷南部,以鳳凰村與青坪村之間的山脊為分水嶺,從龍車寺至中梁鎮上形成一個相對獨立的水文地質單元,即龍車槽谷,面積約26.8km2。3條大型隧道位于龍鳳槽谷區下方,沿西北-東南方向橫穿中梁山底部,分別為G75渝武高速北碚隧道、G5001繞城高速施家梁隧道及軌道交通6號線中梁山隧道,連通重慶主城與北部區縣。隧道貫通后,兩側隧道口出現大量巖溶地下水排泄,可能影響上部巖溶槽谷區水文流場。

1.2 研究方法

1.2.1坡面徑流小區設置

中梁山巖溶槽谷區,土地的主要類型分別是林地、耕地及建設地,三種土地利用類型面積所占中梁山巖溶槽谷區土地面積比例分別是58.1%,35.8%,6.1%。根據巖溶區地質地貌特點、生態環境等方面的差異性,結合當地土地利用方式的實際情況,在中梁山巖溶槽谷區選擇4種典型的土地利用方式(耕地、林地、果園地、竹林地)構成4個標準徑流小區(20m×5m),分別為位于龍鳳槽谷(受隧道建設影響區)的耕地、林地、果園地,以及位于龍車槽谷(非隧道影響區)的竹林地,其中林地、竹林地保持自然狀態(如表1所示)。徑流小區的修建方法是采用四周開挖深溝到達基巖后澆筑鋼筋混凝土隔水墻,墻體高出地面約20cm,保證了土壤-表層巖溶帶原有結構不受干擾,同時保證了徑流小區內部與外界不發生水分交換。根據巖溶區產流特點,除了對地表徑流進行了觀測外,還對壤中流、裂隙流進行了觀測,在徑流小區圍墻下端設有三個集流池,每個集流池安裝有不銹鋼三角堰。在徑流小區下方斷面上土表的地表徑流直接流入對應集流池,斷面土壤-表層巖溶帶、表層巖溶帶-基巖界面處分別接入導水管,收集壤中流以及裂隙流,導水管通過混凝土擋墻過水孔將壤中流和裂隙流引入對應集流池。

1.2.2數據采集

降水量采用自動氣象監測站(DAVIS Vantage Pro2,天津氣象儀器廠有限公司,中國)實時監測,精度為±0.2mm,測量間隔為15min。由于研究徑流小區相對集中,降水量變化不大,故自動氣象站安裝于具有代表性的鳳凰村村委會樓頂。

土壤含水率采用數據采集器(RR- 1016型,北京雨根科技有限公司,中國)進行實時監測,土壤水分的傳感器(AV-EC5)分別置于0—20cm和20—40cm土壤深度處,精度為±0.1%,量程為0—100%,測量間隔為15min。

表1 徑流小區基本信息表

徑流小區集流池水位采用HOBO水位計(北京智陽科技有限公司,中國)進行實時監測,測量間隔為15min。

1.2.3數據分析方法

采用Excel、SPSS、Origin統計分析軟件,利用2017年6月1日至2017年10月31日徑流小區的降水、土壤含水率、徑流等監測數據,對重慶市中梁山典型巖溶槽谷區不同土地利用方式的產流特征進行了分析研究。

采用線性方程、多項式、指數函數、對數函數、冪函數等五種函數對各徑流小區地表徑流與降水參數(降水量、降水強度、降水歷時)進行了回歸分析,根據擬合參數的顯著性來確定最優擬合方程。采用多元線性回歸方法分析了各徑流小區的地表徑流/徑流系數與降水參數及土壤含水率之間的相關關系。

2 研究結果

2.1 降水特征

本次監測從2017年6月1日開始到2017年10月31日截止,如圖2所示,該時段總降水量為752.4mm,占年總降水量的70%以上。觀測期間共有34次降水過程(根據實測產流特點,將降水過程中時間間隔超過6h定義為兩次降水過程),觀測到22次有效降水過程,即每個徑流小區均有產流發生。4個徑流小區有產流過程發生時次最小降水量為14.6mm,按照氣象部門對降水等級的劃分：小雨日降雨量為0.1—9.9mm,中雨日降水量為10—24.9mm,大雨日降水量為25—49.9mm,暴雨日降水量≥50mm,整個研究時間段有產流過程發生時,共有中雨13次,大雨7次,暴雨2次。

圖2 22次降水過程特征因子統計Fig.2 Precipitation indices of 22 storm events

2.2 前期土壤含水率

觀測期間前期土壤含水率(降水前3h的土壤含水率)如圖3所示,耕地在22.0%—47.6%之間,林地在22.8%—38.6%之間,果園地在18.9%—41.5%之間,竹林地在10.9%—37.8%之間。平均前期土壤含水率,耕地為37.6%,林地為30.1%,果園地為34.9%,竹林地為27.1%。土壤含水率和降水特征密切相關,降水-產流過程發生之前一段時間內無降水或降水少,則前期土壤含水率低,降水過程中土壤達到飽和的時間長；降水-產流過程發生之前一段時間內有降水則前期土壤含水率相對較高,土壤更容易達到飽和。土壤理化性質的決定了不同土地利用方式徑流小區產生地表徑流時土壤含水率的差異,地表徑流產生時平均土壤含水率耕地>果園地>竹林地≈林地(圖3),這和前期土壤含水率的大小順序(耕地>果園地>林地>竹林地)基本一致。

圖3 22次降水前后土壤含水率變化Fig.3 Variation of Soil moisture content pre and after rainfall in 22 storm events

2.3 坡地產流特征

從圖4、圖5可以看出,4個徑流小區的坡地徑流由地表徑流、壤中流和裂隙流組成,地表徑流是主要產流形式。在降水過程中,隨著降水過程的持續,先后產生了地表徑流、壤中流和裂隙流(圖4)。22次產流過程4個徑流小區的地表徑流、壤中流、裂隙流所占比例如圖5所示,地表徑流占總徑流量的比例耕地為90.2%；林地為80.6%；果園地為81.2%；竹林地為73.2%。4個徑流小區壤中流和裂隙流在總徑流中占比均較小,耕地壤中流占6.7%,裂隙流占3.1%；林地壤中流占9.9%,裂隙流占9.5%；果園地壤中流占7.2%,裂隙流占11.5%；竹林地壤中流占17.8%,裂隙流占9.0%。

不同土地利用方式由于受不同程度的人類活動影響,導致植被、土壤狀況等的不同,其對地表徑流、壤中流、裂隙流的徑流組成的影響也有差異。

總徑流量與徑流系數：在相同的降水條件下,4個不同土地利用方式的徑流小區總徑流量耕地最大,為3696.9L,其次為果園地,產流總量為3657.2L,再次為竹林地,產流總量為2922.9L,產流總量最少為林地,總產流量為2211.1L。總徑流量耕地>果園地>竹林地>林地(圖4)。

4個徑流小區中,總徑流系數在3.1%—5.2%之間,和非巖溶區相比,降水量轉化成徑流量的比例較低,非巖溶區徑流系數大于20%[20- 21]。徑流系數耕地為5.2%；果園地為5.2%；竹林地為4.1%；林地為3.1%。在巖溶槽谷區,到達地面的降水除轉化為地表徑流、壤中流、裂隙流外,絕大部分降水由土壤層入滲后經過巖溶裂隙、巖溶管道等最終匯入地下河網；在非巖溶區,到達地面的降水幾乎全部轉化為坡面徑流和壤中流,因此,非巖溶區的總徑流系數大于巖溶區。

圖4 4個試驗徑流小區產流過程統計Fig.4 Slop runoff summary of 4 runoff plots

地表徑流與地表徑流系數：由圖4可知,在相同的降水條件下,4個不同土地利用方式的徑流小區地表徑流表現為耕地>果園地>竹林地>林地,和總徑流量一致。從6月到10月,耕地的地表徑流最大,為3334.2L,其次為果園地,地表徑流為2970.5L,再次為竹林地,地表徑流為2138.8L,地表徑流最少為林地1781.8L,徑流系數耕地為4.7%；果園地為4.2%；竹林地為3.0%；林地為2.5%。地表徑流系數最大為4.7%,遠低于非巖溶區[21- 22]。

壤中流：由界面產流理論,包氣帶在垂直方向上的水力傳導度的差異為側向壤中流的產生提供了條件[23],在一定的降水條件下,巖溶槽谷坡地除了產生地表徑流外,在土壤中水力傳導度出現差異的地方,將會有壤中流的產生。該研究表明,相同的降水條件下,4個徑流小區壤中流也有所差異：耕地為248.9L；林地為219.7L；果園地為264.6L；竹林地為521.1L。壤中流表現為竹林地>果園地>耕地>林地,徑流系數竹林地為0.7%,果園地為0.4%,耕地為0.4%,林地為0.3%。在22場降水過程中,4個徑流小區觀測到的壤中流產流次數如下：耕地9次；林地6次；果園地8次；竹林地11次。

圖5 徑流小區徑流組分百分比 Fig.5 The percentage fraction of runoff components in runoff plots

不同土地利用方式壤中流的大小差異主要與土壤層的厚度、植物覆蓋率差異有關[24]。竹林地根系較淺,根系的阻擋作用可有效增加土壤入滲,從而使得竹林地中壤中流的產流量大于果園地、耕地及林地[25]。壤中流的產生較地表徑流的出現有一定的滯后時間,壤中流的出現比地表徑流的時間晚60min以上,每場降水過程中壤中流出現的滯后時間和降水量、降水強度以及土層厚度等都有密切關系。

裂隙流：4個徑流小區中,相同的降水條件下,裂隙流果園地(422.1L)>竹林地(262.9L)>林地(209.6L)>耕地(113.7L),裂隙流徑流系數果園地為0.6%；竹林地為0.4%；林地為0.3%；耕地為0.2%。

2.4 降水特征和前期土壤含水率與產流關系

采用線性方程、多項式、指數函數、對數函數、冪函數等五種函數對各徑流小區地表徑流與降水參數包括降水歷時(T)、降水量(P)、15min最大雨強(I15)、平均降水強度(I)之間的關系進行了單因子回歸分析,根據擬合參數的顯著性原則,多項式函數能更好的反映降水參數與產流量的回歸關系。由三項式回歸方程擬合結果(圖6),R2均大于0.567,P<0.01,擬合效果好。耕地、果園地的地表徑流與15min最大雨強呈顯著的相關關系,林地、竹林地的地表徑流與降水量存在顯著相關關系。

圖6 降水特征與地表徑流的多項式擬合Fig.6 Polynomial fitting of precipitation indices and surface runoff

坡面徑流除了受到降水量、降水強度、降水歷時等降水因子的影響,還會受到土壤含水率的影響,徑流系數綜合反映了一個地區地質土壤等地表狀況對徑流的影響[26],為了消除降水這一對徑流量影響最大的因子,采用地表徑流系數數據與降水前期土壤含水率建立相關關系,如圖7所示。通過線性方程、多項式、指數函數、對數函數、冪函數等五種函數對各徑流小區坡面徑流系數與前期土壤含水率關系進行了單因子回歸分析,根據擬合參數的顯著性原則,多項式函數能更好的反映坡面徑流系數數據與前期土壤含水率的回歸關系。由三項式回歸方程擬合結果,耕地、林地、果園地R2均大于0.470,擬合效果比較好,耕地、林地、果園地的地表徑流系數與前期土壤含水率呈現比較顯著相關關系,竹林地與前期土壤含水率相關關系不明顯。

圖7 前期土壤含水率與地表徑流系數的多項式擬合Fig.7 Polynomial fitting of soil moisture content before storm events and surface runoff

為了研究降水因子、前期土壤含水率共同對地表徑流的影響,采用多元線性回歸,建立各徑流小區的地表徑流與降水歷時(T)、降水量(P)、15min最大雨強(I15)、平均降水強度(I)、前期土壤含水率(Sm)之間的回歸方程,發現降水因子對坡面產流影響大于前期土壤含水率。

將不同土地利用方式下徑流小區的回歸方程模型系數標準化：

耕地：R1=-235.225+0.445P+0.671I15(R2=0.850)

林地：R2=-112.439+0.720P+0.414I15(R2=0.836)

果園地：R3=-177.466+0.484P+0.533I15(R2=0.656)

竹林地：R4=-175.332+0.852P (R2=0.725)

耕地、林地、果園地、竹林地回歸方程中R2大于0.656,說明擬合結果好。通過對上述模型進行了F檢驗,t檢驗(表2)和殘差的正態性檢驗(圖略),F檢驗以及t檢驗的顯著性值均小于0.05,殘差直方圖表明模型學生化殘差基本成標準正太分布。說明模型具有可靠性,各自變量與因變量之間存在顯著的線性回歸關系。

通過以上模型發現,不同土地利用方式徑流小區的地表徑流主要受降水因子的影響[27],與降水因子都呈顯著相關關系。系數標準化的模型中,各指標的系數大小反應該指標的貢獻率,由模型可知,耕地、果園地15min最大雨強的貢獻率最大,對地表徑流的影響也最顯著；林地、竹林地降水量的貢獻率最大,是地表徑流的主要影響因素。在耕地、林地、果園地及竹林地中,前期土壤含水率未通過顯著性檢驗,說明前期土壤含水率對地表徑流的影響小于降水因子。

從以上回歸模型可以得出,降水因子對地表徑流的影響遠大于前期土壤含水率。

表2 4個徑流小區降水因子顯著性檢驗

3 討論

不同土地利用方式的徑流小區,土壤狀況、植被覆蓋等的差異會導致產流的差異[28-29]。在中梁山巖溶槽谷區,總徑流量為耕地>果園地>竹林地>林地,地表徑流的大小也表現為耕地>果園地>竹林地>林地。4個徑流小區的土壤均為嘉陵江組灰巖發育而來的石灰土,0—20cm和20—40cm土層深度的pH(7.44—7.88)、容重(0—20cm土層深度為1.05—1.13,20—40cm土層深度為1.11—1.35)及平均土層厚度(40—45cm)等性質比較一致。但4個徑流小區土地利用方式不同,植被覆蓋率有所差異,植被覆蓋率低的地區易產生地表徑流[30],有研究表明：林地植被可對地表徑流造成高達89.3%的消減率[31]。在非隧道影響區不同的土地利用方式的徑流小區中,耕地的植被覆蓋率最低,且土壤擾動頻繁,徑流量最高；果園地植被覆蓋率比較低,果園地中種有柑橘樹,缺乏灌草層次結構,凋落物少地表覆蓋層很薄,地表土壤層緊密且裸露多,地表徑流相對較大；林地植被覆蓋率最大,由于喬木和灌木交錯鑲嵌分布,更有效地利用了不同空間的光照、水分和養分,構成更穩定的復合緩沖層和地表覆蓋層,對降水截留、徑流吸持及延緩徑流匯聚起決定作用[32],因此,林地的地表徑流最小。綜上,在相同降水條件下,不同的土地利用方式,由于植被覆蓋率不同,導致地表徑流耕地>果園地>林地。

在中梁山巖溶槽谷區,由于隧道建設,破壞了地下水循環系統,加大了深層溶隙水的排泄量,造成了地下水水源枯竭[33-35],如G75渝武高速北碚隧道的貫通使隧道年平均滲漏水量為283.9萬m3,造成水源枯竭面積7.22,在影響區內的23個泉(井)中,17個泉(井)完全枯竭,4個泉(井)水量減少明顯僅在夏季有少量泉水涌出,僅兩個涌水量很少的淺層泉基本沒受到影響[36]。在前期的走訪調研中也發現,三條隧道開挖以來,槽谷區內原有滿足生活、農業用水等的泉(井)水幾乎完全枯竭,目前當地村民用水靠區外抽水到蓄水池再定時集中供水來解決；隧道開挖造成原有溶蝕洼地水田失去水源補充,部分棄耕或被迫改為旱地。對于隧道建設對坡地徑流的影響,對比林地(隧道影響區)和竹林地(非隧道影響區)兩個徑流小區,二者地質背景一致,土壤類型相同,植被狀況相近,在研究期間,竹林地總產流量>林地總產流量,地表徑流也表現出同樣的規律。竹林地總徑流系數為4.1%,林地總徑流系數為3.1%,隧道影響區的坡地總徑流比非隧道影響區的坡地總徑流減少約24.4%,說明由于隧道的建設,造成了坡地巖溶水的漏失,改變了原有巖溶水的流場特征,進一步加劇了巖溶槽谷區缺水狀況。

學者在研究巖溶區坡地產流規律上大多采用模擬降水方式進行[37-39],且對坡地產流的研究多集中在地表徑流上[40-41],該研究選取了位于重慶市中梁山龍鳳(隧道影響區)和龍車(非隧道影響區)槽谷不同土地利用方式(耕地、林地、果園地、竹林地)的4個徑流小區,在自然降水過程中,除了對降水量、地表徑流進行監測外,同時也對壤中流、裂隙流和土壤含水率進行了同步監測,數據采集過程中,每15min輸出一次數據,精度更高。該研究利用較高精度的實時監測數據,對4種不同土地利用方式徑流小區產流特征和影響因素進行對比分析,更貼近巖溶槽谷區不同土地利用方式下坡地自然產流規律,能更準確的反映出隧道工程對巖溶槽谷區水文流場的影響作用,這對巖溶區土地管理、地下水資源的合理利用具有理論意義。該研究僅分析了巖溶槽谷區坡面產流特征及影響因素,該研究區的具體產流過程和產流機制有待進一步研究。

4 結論

(1)4個不同土地利用方式的徑流小區坡地總產流量耕地>果園地>竹林地>林地,徑流系數遠低于非巖溶區。各徑流小區地表徑流大小和總徑流量一致,壤中流和裂隙流產生滯后于地表徑流。

(2)降水因子、前期土壤含水率共同影響地表徑流,但降水因子對地表徑流的影響遠大于前期土壤含水率。15min最大雨強是影響耕地、果園地的地表徑流的主要因素,降水量是影響林地、竹林地的地表徑流的主要因素。

(3)前期土壤含水率對耕地、林地、果園地地表徑流影響較大,對竹林地地表徑流影響較小。