太湖流域平原地區(qū)田間尺度產(chǎn)流機(jī)理試驗(yàn)研究

陳 鋼，王船海，翟 月，陳云飛，張娉楠，茅志兵

(1.河海大學(xué)水文水資源與水利工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210098；2.河海大學(xué)水文水資源學(xué)院，江蘇 南京 210098；3.南京慧水軟件科技有限公司，江蘇 南京 210019；4.常州市金壇區(qū)河道湖泊管理所，江蘇 常州 213200)

太湖流域是我國(guó)典型的濕潤(rùn)平原區(qū)，約30%的地區(qū)是低地圩區(qū)[1]，其特點(diǎn)是地勢(shì)平坦、地下水位淺、河網(wǎng)錯(cuò)綜復(fù)雜[2]。這些水資源豐富的地區(qū)人口稠密和農(nóng)業(yè)活動(dòng)密集容易受到洪水的侵襲，也易受到污染[3-4]。因此，迫切需要關(guān)注平原區(qū)的水文行為，為區(qū)域風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和水資源管理提供堅(jiān)實(shí)的科學(xué)基礎(chǔ)。

產(chǎn)流是陸地水文循環(huán)的關(guān)鍵部分[5]，對(duì)預(yù)測(cè)特定區(qū)域的水量和水質(zhì)非常重要。典型的產(chǎn)流機(jī)制有：Horton產(chǎn)流[6]，當(dāng)降雨量超過(guò)非飽和土壤的入滲率時(shí)發(fā)生；Dunne產(chǎn)流[7]和地下徑流發(fā)生在土壤飽和時(shí)。除了前期條件和降雨特征等基本影響因素外，地下水和地表水之間的強(qiáng)相互作用對(duì)平原地區(qū)的水循環(huán)也很重要[8]。在國(guó)外，Apples等[9]通過(guò)野外試驗(yàn)與數(shù)據(jù)分析得出荷蘭地下水淺埋的平原農(nóng)田區(qū)同時(shí)存在蓄滿產(chǎn)流和超滲產(chǎn)流；Pyzoha等[10]根據(jù)美國(guó)南克羅萊納州平原區(qū)歷史水文數(shù)據(jù)分析洼地與地下水的相互作用并建立了概念模型；Krause等[11]在德國(guó)東北部Havel河洪泛區(qū)進(jìn)行野外徑流試驗(yàn)定性分析區(qū)域水平衡。國(guó)內(nèi)平原區(qū)水循環(huán)的野外試驗(yàn)研究始于20世紀(jì)50年代[12]，李帆等[13]基于淮河流域五道溝的長(zhǎng)序列觀測(cè)資料分析了不同地下水埋深下的徑流變化規(guī)律；顧慰祖等[14]探討了滁州水文試驗(yàn)基地的徑流成分與降水徑流悖論。

野外試驗(yàn)可以直觀地理解產(chǎn)流過(guò)程，因而對(duì)開發(fā)適用的產(chǎn)流計(jì)算方法至關(guān)重要[15]。本研究在江蘇省常州市金壇區(qū)典型的平原區(qū)設(shè)立2個(gè)基地進(jìn)行了野外試驗(yàn)，探討太湖流域平原區(qū)的產(chǎn)流過(guò)程；在分析降雨過(guò)程水量平衡的基礎(chǔ)上，評(píng)價(jià)了洼地蓄水量在流域徑流響應(yīng)中的作用；采用Pearson相關(guān)分析方法，分析了降雨徑流關(guān)系以及產(chǎn)流與影響因子之間的聯(lián)系。

1 研究區(qū)域與方法

1.1 研究區(qū)域概況

兩試驗(yàn)基地(圖1)位于江蘇省常州市金壇區(qū)。該區(qū)地層多為第四系松散沉積物，主要由泥灰?guī)r和鈣質(zhì)泥巖組成，厚度約30m。紅旗圩(HQW)試驗(yàn)基地位于朱林鎮(zhèn)(31.725°N，119.471°E)，總面積為1 008 m2(84 m×12 m)，地表高程為2.4～3.8 m；土壤質(zhì)地為粉質(zhì)黏壤土，平均密度為1.36 g/cm3，平均飽和導(dǎo)水率為46.63 mm/h，飽和體積含水率為45.0%，有機(jī)質(zhì)質(zhì)量比為14.78 g/kg。白塔橋(BTQ)試驗(yàn)基地位于指前鎮(zhèn)(31.667°N，119.457°E)，總面積為1 710 m2(85.5 m×20 m)，地表高程范圍4.2 ～5.8 m；1 m深度的土壤也具有相同的粉質(zhì)黏壤土，其平均密度、平均飽和導(dǎo)水率、飽和體積含水率和有機(jī)質(zhì)質(zhì)量比分別為1.52 g/cm3、30.22 mm/h、47.0%和18.38 g/kg。

圖1 試驗(yàn)基地Fig.1 Test site

1.2 數(shù)據(jù)采集

兩試驗(yàn)基地均采用雙排水溝渠設(shè)計(jì)(圖1(b)(c))，外側(cè)溝渠用于阻隔實(shí)驗(yàn)區(qū)與周邊地區(qū)的地表水交換；核心實(shí)驗(yàn)區(qū)降雨后將產(chǎn)匯流的水量由內(nèi)側(cè)溝渠排出。紅旗圩與白塔橋均安裝微型綜合自動(dòng)氣象站，自動(dòng)連續(xù)監(jiān)測(cè)降水、蒸發(fā)、風(fēng)速、風(fēng)向、氣溫等基本的水文氣象要素的時(shí)間變化；均在出口處安設(shè)薄壁三角堰與水尺，同時(shí)在堰前和內(nèi)側(cè)溝渠中設(shè)置HOBO壓力式水位計(jì)用于監(jiān)測(cè)地表水深的變化過(guò)程(圖2(a))。在紅旗圩、白塔橋分別安裝有2口地下水觀測(cè)井，井口處安裝JH2004型激光水位計(jì)。紅旗圩試驗(yàn)基地共布設(shè)4個(gè)土壤水分監(jiān)測(cè)剖面，將時(shí)域反射測(cè)量(TDR)傳感器水平插入地面以下10 cm、20 cm、40 cm、60 cm和80 cm的深度處(圖2(b))。白塔橋試驗(yàn)基地共布設(shè)2個(gè)土壤水分監(jiān)測(cè)剖面，各剖面TDR傳感器的垂直布設(shè)與紅旗圩剖面相同。在2個(gè)試驗(yàn)基地中，統(tǒng)一選擇10 min作為各種數(shù)據(jù)的采樣間隔。

圖2 測(cè)量?jī)x器布設(shè)Fig.2 Measuring instrument installation

1.3 數(shù)據(jù)分析

1.3.1 產(chǎn)流事件定義

根據(jù)總降水量大于5 mm和兩次相鄰降雨間隔不小于24 h這2條標(biāo)準(zhǔn)定義單次降雨事件。降水事件中區(qū)域出口處若觀察到有出流現(xiàn)象，則被定義為產(chǎn)流事件。紅旗圩和白塔橋分別確認(rèn)了29次和23次降水事件。產(chǎn)流事件共發(fā)生了29次，其中紅旗圩發(fā)生17次，白塔橋發(fā)生12次。與Amatya等[16]研究中使用29個(gè)事件，Slattery等[17]的23個(gè)事件相比，本文29個(gè)事件對(duì)于探索徑流與影響因素之間的聯(lián)系具有可靠性。

1.3.2 次事件水量平衡

填洼量指暫時(shí)存儲(chǔ)在地表洼地中的降水，是影響地勢(shì)平坦地區(qū)徑流過(guò)程的重要因素[18]。對(duì)田間尺度的水量平衡，設(shè)定地表為上邊界，地面以下第一個(gè)相對(duì)不透水層為下邊界。除填洼量外所有項(xiàng)均已知。給定時(shí)期內(nèi)的水量平衡公式為

D=P-E-R-I-ΔV

(1)

式中：D——填洼量；P——降水量；E——蒸散發(fā)；R——區(qū)域徑流深；I——累積入滲量；ΔV——研究區(qū)與周圍區(qū)域之間的水量交換，試驗(yàn)基地為閉合區(qū)域，ΔV=0；Δθi——非飽和區(qū)第i層土壤水分的增量；Δzj——序號(hào)j和j+ 1的土壤水分傳感器之間的垂直距離。

1.3.3 相關(guān)性分析

對(duì)每個(gè)事件從雨量圖和流量過(guò)程線中提取可能影響產(chǎn)流的水文氣象相關(guān)特征，并將其分為降雨前期條件和事件特征。雨前土壤含水量通過(guò)土壤蓄水容量(soil water storage capacity，SWSC)進(jìn)行估算，SWSC定義為將地下水位升至地表處所需的水深(單位面積時(shí)所需體積)，采用梯面積包圍法計(jì)算[19]。

對(duì)于事件條件，降雨特征包括總降水量(P)、降雨歷時(shí)(T)、降雨峰值強(qiáng)度(Pmax)和平均降雨強(qiáng)度(Pmean)。水文變量包括單個(gè)降雨事件的徑流深(R)、洪峰流量(Qmax)、徑流系數(shù)(α)、累積入滲量(I)、地下水位增量(ΔH)和填洼量(D)。總徑流量用深度表示，為每10 min間隔內(nèi)試驗(yàn)區(qū)出口流量的增量之和除以試驗(yàn)區(qū)的總面積；徑流系數(shù)是指降雨轉(zhuǎn)化為徑流的比例[20]。計(jì)算所有事件的這些變量，并用Pearson相關(guān)系數(shù)[21]進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 研究周期內(nèi)的水文氣候條件

紅旗圩和白塔橋的基本氣象水文特征包括日降水量、日蒸發(fā)量、地下水埋深以及土壤含水量(圖3)。2016年紅旗圩的總降水量為1 853.4 mm，遠(yuǎn)高于年平均降水量。白塔橋在研究期間的總降水量為1 148.9 mm，與年平均降水量一致。2016年的總蒸發(fā)量為1 301.3 mm，2018—2019年為1 063.4 mm。紅旗圩實(shí)測(cè)的淺層地下水位在地表以下0.08～1.20 m之間，白塔橋?qū)崪y(cè)范圍為0.08～1.00 m。紅旗圩的地下水位平均埋深為0.57 m，白塔橋?yàn)?.45 m。每個(gè)研究區(qū)域的平均地下水埋深和排水溝渠底高(圖3中的虛線標(biāo)記)在同一高程上，表明研究區(qū)的地下水動(dòng)態(tài)與溝底高程存在一定的關(guān)系。

圖3 地表以下10 cm深度處的P、E、地下水埋深和土壤含水量Fig.3 Daily rainfall depth (P),evaporation (E),groundwater depth and volumetric soil water content at 10 cm depth below ground surface

紅旗圩試驗(yàn)基地距地表10 cm土層的土壤含水量最大值為0.584 m3/m3，最小值為0.304 m3/m3，平均值為0.417 m3/m3。白塔橋試驗(yàn)基地，土壤含水量在0.377～0.602 m3/m3之間波動(dòng)，其均值為0.497 m3/m3。表層土壤水分動(dòng)態(tài)對(duì)降雨很敏感，降雨后土壤含水量增加。地表以下土壤含水量的變化趨勢(shì)與地下水的變化趨勢(shì)基本一致，表明該區(qū)淺層地下水與土壤水之間存在較強(qiáng)的相互作用。

2.2 降雨徑流事件特征分析

選擇6個(gè)事件分析降雨徑流事件中的降雨和水文要素動(dòng)態(tài)(表1)，3個(gè)選自紅旗圩，命名為H1、H2和H3；3個(gè)選自白塔橋，命名為B1、B2和B3。

表1 6個(gè)降雨產(chǎn)流事件特征Table 1 Rainfall and runoff characteristics for six selected rainfall events

根據(jù)地面以下10 cm、20 cm、40 cm、60 cm和80 cm深處的土壤相對(duì)飽和度(圖4)，事件H1、H2、H3和B2，土壤水分表現(xiàn)出相似的快速響應(yīng)，尤其是在10 cm深度處，土壤水含量因降雨脈沖呈現(xiàn)臺(tái)階式上升的特點(diǎn)，在降雨停止后逐漸下降。隨著土壤深度的增加，土壤水分隨降水的增幅逐漸減少，響應(yīng)時(shí)間也相應(yīng)延長(zhǎng)。事件B1和B3由于2 d前剛發(fā)生過(guò)降雨事件，表土處于接近飽和的狀態(tài)，因此事件降水造成的土壤水分增量幾乎可以忽略。當(dāng)土壤深度超過(guò)60 cm時(shí)，所有事件中土壤水分的狀態(tài)都沒(méi)有明顯變化，表明這一部分的土壤在整個(gè)時(shí)期內(nèi)均保持飽和狀態(tài)。

淺層地下水呈現(xiàn)出與土壤水對(duì)降水的變化相似的快速響應(yīng)，但表現(xiàn)為相對(duì)緩和的曲線形式，這是因?yàn)榇怪比霛B過(guò)程削弱了降水脈沖。在H2事件中大雨強(qiáng)條件下，地下水位增幅很小，是因?yàn)镠2事件相對(duì)干燥的前期土壤水分條件使得入滲水量主要用于補(bǔ)充非飽和帶而沒(méi)有到達(dá)地下水面處。因此，地下水響應(yīng)的差異認(rèn)為是該地區(qū)地下水與土壤水之間存在強(qiáng)烈相互作用的結(jié)果，淺層地下水動(dòng)態(tài)受降雨和前期土壤濕度條件共同影響。由圖4可知，地表徑流的產(chǎn)生條件是10 cm深處的土壤含水量達(dá)到相對(duì)飽和，這證實(shí)了蓄滿產(chǎn)流模式的存在。6個(gè)徑流事件的流量過(guò)程有極高的變異性。不同的試驗(yàn)基地的徑流總量相差10倍，而同一地點(diǎn)不同事件的峰值流量則相差50倍。產(chǎn)流事件的持續(xù)時(shí)間從3～66 h不等，徑流系數(shù)的范圍是0.11～0.73。

2.3 降雨-徑流關(guān)系

2.3.1 蓄滿產(chǎn)流

根據(jù)29個(gè)事件得到總徑流量與總降雨量之間的相關(guān)關(guān)系(圖5)。從紅旗圩的不同時(shí)間序列數(shù)據(jù)獲得了確定系數(shù)R2=0.951的擬合效果，表明該區(qū)域蓄滿產(chǎn)流在徑流過(guò)程中的主導(dǎo)地位。斜率接近1表明土壤基本處于濕潤(rùn)狀態(tài)，這一結(jié)論與圖4發(fā)現(xiàn)表層土接近飽和的現(xiàn)象一致。-18.14 mm的截距可以看作是產(chǎn)生徑流的降雨量閾值。對(duì)于白塔橋，因?yàn)檫@幾次降雨均屬于中小雨事件，前期土壤水分、地表洼地和植被截留等對(duì)產(chǎn)流深造成了很大的不確定性。從圖5(a)的放大視角可以看出，在紅旗圩中總降雨量小于50 mm的事件，同樣表現(xiàn)出了很高的不確定性。

圖4 6個(gè)降雨事件的P、相對(duì)飽和度(S*)、地下水埋深和出口流量(Q)Fig.4 Time series of rainfall (P),relative saturation (S*),groundwater dept and discharge (Q) at the outlet for six rainfall events

圖5 降水-徑流線性關(guān)系Fig.5 Linear corrections between rainfall and runoff depth for different events

2.3.2 超滲產(chǎn)流

圖6使用箱型圖描述了紅旗圩的29個(gè)降水事件和白塔橋的23個(gè)降水事件中最大小時(shí)雨強(qiáng)的分布，結(jié)果表明該地區(qū)以低強(qiáng)度降雨事件為主。以2個(gè)地點(diǎn)的飽和導(dǎo)水率(KS)作為土壤下滲能力的下限參考值用以判定超滲現(xiàn)象是否發(fā)生，除了極少的事件超過(guò)該閾值外，大多數(shù)事件中的最大雨強(qiáng)都小于引發(fā)超滲現(xiàn)象的閾值。另一方面，即使在土壤未飽和且有極端降雨的情況下有超滲地面徑流產(chǎn)生，受該區(qū)域的微地形起伏影響，這部分水會(huì)存儲(chǔ)在洼地中而難以到達(dá)流域出口。因此在這一區(qū)域，超滲產(chǎn)流模式的存在僅限于這一區(qū)域發(fā)生的極端降雨事件，并且對(duì)最終的產(chǎn)流貢獻(xiàn)較小。

圖6 最大小時(shí)雨強(qiáng)箱型圖Fig.6 Boxplots of peak rainfall intensity per hour

2.4 前期條件-徑流關(guān)系

地下水位埋深越淺，土壤蓄水量越小，降雨入滲量越低，累積入滲量與前期地下水位的相關(guān)性就越明顯。在不同降雨強(qiáng)度下，初始地下水深度與徑流系數(shù)之間的關(guān)系如圖7所示。當(dāng)?shù)叵滤跏悸裆畲笥?.5 m時(shí)，沒(méi)有出現(xiàn)徑流系數(shù)大于0.5的事件。初始地下水深度在0.5 m以內(nèi)的點(diǎn)顯示出徑流系數(shù)的變化較大。左上角的這些情況(圖7(a))表明，地下水位埋深較淺的條件符合極端降雨事件，將導(dǎo)致急流，并使該地區(qū)容易遭受洪災(zāi)。

圖7 徑流系數(shù)與地下水初始埋深H0關(guān)系Fig.7 Relationship between runoff coefficient and initial groundwater depth

圖8顯示了紅旗圩和白塔橋的土壤蓄水量與初始地下水埋深之間的良好線性關(guān)系，R2分別達(dá)到0.850和0.841，反映了淺層地下水和土壤水之間的強(qiáng)相互作用。由2個(gè)擬合函數(shù)得到的斜率倒數(shù)可以作為這類土壤的給水度的一個(gè)指標(biāo)。給水度是土壤的基本性質(zhì)之一，是指地下水位下降一個(gè)單位深度，從地下水位延伸到地表面的單位面積在重力作用下所釋放出的水的體積。從函數(shù)關(guān)系可以用來(lái)估算土壤蓄水量，為事件前的滲透預(yù)測(cè)提供了依據(jù)。

圖8 地下水初始埋深與土壤蓄水量關(guān)系Fig.8 Relationship between initial groundwater depth and water storage capacity of soil

2.5 填洼蓄水-徑流關(guān)系

基于29個(gè)徑流事件水平衡計(jì)算得出填洼量，紅旗圩的填洼量值在0.29～18.86 mm之間，而在白塔橋?yàn)?.19 ～12.13 mm。紅旗圩平均值為6.20 mm，標(biāo)準(zhǔn)偏差為4.75 mm，白塔橋的平均值為6.63 mm，標(biāo)準(zhǔn)偏差為3.91 mm。不同地點(diǎn)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)特征基本相似，平均值的細(xì)微差異是不同的地表植被所致。綜合以上分析，認(rèn)為可以將填洼量作為該地區(qū)常見但具有不確定性的徑流損失項(xiàng)，并且在某種程度上貢獻(xiàn)了圖5中降雨-徑流線性關(guān)系中截距的一部分。因此，綜合考慮填洼量的影響因素和這一數(shù)值對(duì)徑流影響的復(fù)雜性，基于收集的數(shù)據(jù)使用t檢驗(yàn)，0.95置信水平下填洼量的取值參考范圍為4.72～8.03 mm。

2.6 討 論

太湖流域平原地區(qū)淺層地下水與土壤水的相互作用顯著。地下水埋深較淺的土壤易飽和，導(dǎo)致蓄滿產(chǎn)流占主導(dǎo)地位。引發(fā)Dunne產(chǎn)流的閾值由圖5(a)中降雨-徑流線性關(guān)系的截距確定。通過(guò)比較高強(qiáng)度降雨和飽和導(dǎo)水率，發(fā)現(xiàn)超滲產(chǎn)流僅限于極端降雨事件(圖6)。地下水初始埋深是前期條件一個(gè)良好的指標(biāo)。降雨前地下水位較淺，說(shuō)明前期土壤含水量較高，徑流系數(shù)較高。初始地下水位與土壤蓄水量之間的線性關(guān)系可用于估計(jì)該地區(qū)的濕潤(rùn)狀況(圖8)。Horton產(chǎn)流和Dunne產(chǎn)流的存在表明了平原區(qū)的多種產(chǎn)流機(jī)制，并確定了多種徑流過(guò)程對(duì)降雨響應(yīng)的影響。通過(guò)地表以下的初始地下水埋深是影響集水區(qū)徑流形成的一個(gè)重要參數(shù)的定性結(jié)論，提出了地表以下的初始地下水埋深作為前期條件估計(jì)的依據(jù)。洼地蓄水量的取值范圍與地下水初始埋深對(duì)模型中的參數(shù)選擇和取值范圍有一定的指導(dǎo)意義。本文所采用的方法將田間試驗(yàn)與降雨事件下的水量平衡相結(jié)合，有效地驗(yàn)證了監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的合理性和準(zhǔn)確性，為徑流機(jī)理的定量研究提供了良好的依據(jù)。

3 結(jié) 語(yǔ)

a.低強(qiáng)度降雨事件和易飽和土壤的普遍存在表明蓄滿產(chǎn)流在徑流過(guò)程中占主導(dǎo)地位，而超滲產(chǎn)流僅限于極端暴雨事件中，表明該地區(qū)存在多個(gè)徑流過(guò)程。總降水量與徑流量之間的強(qiáng)線性關(guān)系證實(shí)了這一觀點(diǎn)。

b.降雨前地下水初始埋深與土壤蓄水量呈良好的線性正相關(guān)關(guān)系，反映了該地區(qū)淺層地下水與土壤水的強(qiáng)相互作用。

c.基于水平衡計(jì)算得出太湖平原區(qū)洼地蓄水量參考值區(qū)間，對(duì)數(shù)值模擬中該參數(shù)的取值范圍有意義。

基于野外試驗(yàn)區(qū)研究的這一方法是可行的，因?yàn)槠渌芯咳藛T已經(jīng)討論過(guò)，在小尺度上發(fā)現(xiàn)的機(jī)理在擴(kuò)大到集水區(qū)尺度是有意義的。此外，這些結(jié)論僅在水量平衡的基礎(chǔ)上獲得。同位素示蹤實(shí)驗(yàn)是揭示徑流與野外試驗(yàn)田特征之間內(nèi)在關(guān)系的有力工具，應(yīng)能證明本文結(jié)果，因此將在進(jìn)一步研究中加以考慮。