Effect of soil-rock structures on the characteristics of rainfall-runoff responses in epikarst zones
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摘要: 碳酸盐岩在溶蚀作用下形成的表层岩溶带,其上层土壤特性和厚度以及下覆裂隙大小和分布控制降雨入渗、蒸散发和地下径流过程。而不同土岩结构对水文过程的影响尚不明晰。文章构建3种典型土岩结构(薄层石灰土—石灰岩块型、薄层石灰土—白云岩碎石型、厚层土壤—石灰岩碎石型)土柱试验装置并进行观测,通过对比分析,揭示不同土岩结构的产流能力和径流响应特征的差异。结果表明:土岩结构对水平衡有显著影响。厚层土壤(85 cm)极大增加了蒸发量,其产流能力较小,表现为形成地下径流所需的降雨阈值大和形成的径流总量小。相比之下,薄层土壤(20 cm)具有较大的产流能力。当薄层土壤下覆为白云岩碎石时,相比于下覆为石灰岩岩块,碎石表面滞留水分能力较强,导致蒸发损失增加和径流量减少。此外,土岩结构还显著影响降雨—径流响应特征:对于厚层土壤,其对径流的调蓄能力强,洪峰流量显著减小,初始径流和洪峰流量的响应时间延长,但这种延长的幅度随着降雨事件的雨量和强度的增加而减小;对于薄层土壤,其对径流的调蓄能力较弱,其中对于下覆石灰岩岩块结构,裂隙率低、导水性强,在小降雨下容易入渗并形成较大的洪峰;而下覆白云岩碎石结构储水能力较大,在大降雨下,有利于入渗水积蓄,从而形成较大的洪峰。Abstract:
This study was conducted at the Puding Karst Ecosystem Research Station, Chinese Academy of Sciences. Three square columns were set up in the experiment to simulate different soil-rock structures. Each column has a cross-sectional area of 1 square meter and a height of 2 meters. The station is located in a warm, humid mid-subtropical monsoon climate zone, with an average annual rainfall of 1,315 mm and an average annual temperature of 15.1 ℃. The soil-rock structures in this area are diverse, mainly comprising limestone, dolomite, and associated soils. This study aims to reveal the impact of complex soil-rock structures on hydrological processes in the karst areas of Southwest China. In this study, physical models of three typical soil-rock structures (Column a: thin limestone soil over limestone blocks; Column b: thin limestone soil over dolomite gravel; Column c: thick soil over limestone gravel) were constructed, the underground runoff processes formed by natural rainfall were observed, and the water balance and runoff response characteristics under different soil-rock structures were compared. The research findings provide scientific insights into better understanding of the transformation and effective utilization of water resources in karst areas. Three square columns were used as experimental devices in this study to simulate different types of soil-rock structures (combinations of limestone, dolomite, overlying lime soil, and yellow soil). During natural rainfall events, evaporation and runoff of the soil columns with different soil-rock structures were compared and analyzed. Various methods of statistical analysis were employed to quantitatively assess the impact of these structures, revealing the hydrological processes of the complex soil-rock structures in epikarst zones. The main results are as follows. (1) Water Balance: As soil thickness increased (20 cm, 23 cm, 85 cm), evaporation increased and runoff decreased. Dolomite gravel (Column b) retained more water than limestone blocks (Column a), leading to higher evaporation and lower runoff. Seasonal runoff variability was significant in areas covered with thinner soil, in which flood and drought are prone to occur. (2) Rainfall-Runoff Relationship: Linear regression revealed a threshold-linear two-stage pattern. Runoff started after reaching a threshold, becoming linear beyond that. The increase of soil thickness raised the rainfall threshold for runoff formation. Column a had the highest runoff efficiency, while Column c had the lowest. The specific surface area of the gravel in Column b is larger, so its evaporation is twice as much as that of Column a, and the regression slope is lower. (3) Impact of Rainfall Patterns: Small-event rainfall (Patterns B and D) caused higher peaks in Column a, while large-event rainfall (Patterns A and C) caused higher peaks in Column b. Thicker soil in Column c delayed initial runoff and peak flow, especially in small events. Additionally, the initial runoff response time of soil-rock structures with thin soil layers depends on the rainfall process, while the initial runoff response time of soil-rock structures with thick soil layers is negatively correlated with soil moisture content. This study reveals the significant impact of different soil-rock structures on hydrological processes in the karst areas of Southwest China. The physical properties of soil-rock structures (e.g., soil thickness and characteristics of underlying rocks) not only affect the water balance but also determine the rainfall-runoff relationship and runoff characteristics under different rainfall patterns. Firstly, the soil layer thickness is a key factor influencing water balance and underground runoff response. Thicker soil can significantly delay the response time of underground runoff, reduce peak flow, and increase the rainfall threshold required for runoff generation. Additionally, the physical properties of rock fractures affect the water balance, with dolomite gravel under the soil having a higher water retention capacity than limestone blocks, leading to higher evaporation losses and lower runoff. Lastly, the response of water balance and underground runoff to different rainfall patterns varies significantly with soil-rock structures. Low-fracture limestone blocks beneath the soil (fracture porosity of 8%) have high water conductivity, allowing small rainfall to easily infiltrate and form substantial peak flows. In contrast, dolomite gravel beneath the soil, with a higher water storage capacity (fracture porosity of 40%), facilitates the accumulation of infiltrated water during heavy rainfall, leading to larger peak flows. -
Key words:
- karst /
- soil-rock structure /
- subsurface stormflow /
- water balance /
- runoff response characteristics
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0. 引 言
全球碳酸盐岩分布面积约占陆地面积15%,全球约25%的人口用水依赖于岩溶地下水的供给[1]。中国西南岩溶地区是其中连片分布面积最大、发育最强烈的地区[2]。碳酸盐岩在强烈的岩溶化过程下形成了各种犬牙交错的岩溶个体形态和微形态,并组合构成不规则带状的强岩溶化层,称为表层岩溶带[3]。表层岩溶带是水分赋存与迁移的重要空间,控制降雨入渗过程[4−5]。表层岩溶带中裂隙率和土壤厚度的空间差异导致不同土岩结构的地下水文过程差异较大,从而增加了径流特征定量解析的难度。量化表层岩溶带不同土岩结构对水文过程的影响,对认知岩溶地区径流形成机理以及预测洪旱灾害、评估水资源以及生态环境状况具有重要意义[6−7]。
表层岩溶带是岩溶关键带的核心区域[8],其土岩结构复杂,表征为不同结构的裂隙、管道网络以及众多被土壤填满的溶沟(槽)[9−12]。不同岩性(岩层)表层岩溶带土岩结构存在差异[13−17],如灰岩区土体充填垂直裂缝成为土楔,部分土楔宽数十厘米、深数米,而白云岩中溶蚀残余物质在地表分布相对均匀[18],土下岩层裂隙呈弥漫状分布[19]。由于近地表发育的岩溶裂隙垂向渗透系数大,岩溶地区表层岩溶带滞蓄水能力(约40 mm)远比非岩溶地区土壤蓄水能力小(约120 mm)[20],坡面地表径流少,地下漏失量大[21−22]。为此,近年来国内外学者提出了“地下暴雨径流(subsurface stormflow)”的概念[23−27],以描述地下径流涨落过程。如Wilcox等[24]在爱德华兹高原降雨试验中发现地下暴雨径流是岩溶区坡地产流的重要机制,对河流径流过程具有重要影响。
表层岩溶带土岩结构是影响岩溶地区入渗水运动、地表和地下径流过程的重要因素[28−29]。过去的研究主要通过室内、室外降雨试验和径流小区观测来研究入渗水运动、地表和地下径流过程[30−33]。室内试验可甄别不同土岩结构下入渗水及产流特征。如严友进等[34]在钢槽底部打了直径5 cm的192个圆孔分析土壤—表层岩溶带界面的高渗透性,其结果表明增大地下孔隙、裂隙度能显著增加岩溶裸地和坡耕地的地下产流量。杨静等[35]通过单环入渗实验研究了岩溶白云岩区三种土体构型(深厚土层、浅薄土层、土石混合)的持水和导水性能,发现土壤颗粒组成和剖面构型对持水和导水性能有显著影响。Fang等[36]设置底部有无裂隙的两种钢槽,得出无裂隙坡地50%以上的降雨量转化为岩土界面流,而有裂隙坡地61%以上的降雨量转化为地下裂隙流。蒸渗仪是野外观测近天然状态蒸散发和地下径流的重要手段,如Chen等[37]根据蒸渗仪(2 m×2 m×2 m)观测资料,得出相同白云岩砾石上覆5 cm和20 cm土层的两种土柱年蒸发量分别为486 mm和498 mm。Zeng等[38]根据普定试验站大型室外土槽观测,得出上覆50 cm土壤的碎石年径流系数为0.57,远小于无土壤覆盖的裸岩年径流系数(0.92)。在广西环江实验站白云岩坡地径流小区,Fu等[39]根据人工降雨实验得出地下径流与表层岩溶带的渗透性、地形、初始水分条件和降雨强度相关;Zhang等[40]根据该实验站两种不同厚度土壤径流小区试验,得出土壤厚度越大降雨产流阈值也越高。虽然上述研究揭示了表层岩溶带对地下径流的重要影响,但是由于岩溶地区土岩结构复杂多样,过去的研究方法在区分入渗水受上覆土壤特性和下覆基岩裂隙分布的影响方面存在局限。此外,这些研究通常缺乏自然降雨下不同土岩结构和不同雨型径流响应的直接比较,且野外实验观测存在难度大、成本高、监测数据精度不足等缺点。
采用定量信息来阐明土岩结构对地下径流过程的影响,可为进一步了解岩溶地区水资源利用做出贡献。为此,本研究在西南岩溶地区构建了三种典型土岩结构的土柱物理模型,观测自然降雨事件形成的地下径流过程,对比分析不同土岩结构下水平衡、径流对不同类型降雨响应特征的差异,以期为揭示西南岩溶地区表层岩溶带复杂土岩结构下水文过程和水资源转化提供科学依据。
1. 材料与方法
1.1 试验装置及观测
三个方形柱体试验装置(图1)布设于中国科学院普定岩溶生态系统观测研究站(简称普定站)。柱体内部横截面积1 m2、高度2 m,周边为水泥砌制。该地区属中亚热带季风温暖湿润气候区,多年平均降水量为
1315 mm,5−10月降水量占全年的80%以上,年均气温15.1 ℃[41]。根据野外调查,该地区表层岩溶带土岩结构具有石灰岩、白云岩上覆石灰土和黄壤多种组合类型。三个土柱试验装置的土岩组合类型(图1)包括:(1)薄层石灰土—土岩混合层—石灰岩块(土柱a)。其中,土岩混合层为石灰岩块裂隙中充填石灰土和黄壤,土岩体积比为2∶8;下层为两两正交摆放的规则岩块(15 cm×10 cm×60 cm);最底层为反滤层(砂砾),此种结构通常分布于土层薄、石灰岩裂隙发育的山坡;(2)薄层石灰土—白云岩碎石(土柱b)。其中,下层白云岩碎石直径1~4 cm,此种结构反映土少石多的典型白云岩山坡;(3)厚层土壤—石灰岩碎石(土柱c)。土壤包括石灰土、黄壤土,此种结构大都出现在土壤较厚、下覆碎石的坡耕地或岩溶洼地。土柱中石灰岩、白云岩来自当地石场,土壤取当地自然环境中发育于石灰岩和白云岩上的土壤,风干后回填于土柱内,土壤质地情况见表1。各土壤层为均匀填埋,填埋前采用环刀法确定土壤容重(表2)。
表 1 土柱中土壤质地Table 1. Soil textures in soil columns土壤类型 土壤质地 颗粒组成/% 砂粒 粉粒 黏粒 黄壤土 壤土 28.2 45.6 26.2 白云岩上发育石灰土 壤土 36.7 49.1 14.2 石灰岩上发育石灰土 粉壤土 26.1 57.6 16.3 注:砂、粉、黏粒粒径分别为0.05~2 mm、0.002~0.05 mm、<0.002 mm;土壤质地分类按照美国农业部(United States Department of Agriculture, USDA)的土壤质地分类标准进行。
Note: The particle sizes of sand, powder and clay are 0.05–2 mm, 0.002–0.05 mm and <0.002 mm, respectively. Soil textures are classified according to the soil texture classification standards of United States Department of Agriculture.表 2 土柱基本结构及特征参数Table 2. Basic structures and physical properties of soil columns土柱 分层特征 土壤占比/% 土壤容重/g·cm−3 岩石裂隙率/% 渗透系数(10−3) cm/·s−1 a ① 0~23 cm (石灰岩上发育)石灰土 100 1.34 − 0.815 ② 23~38 cm 石灰土—岩块 20 1.34 − 13.7* ③ 38~83 cm 黄壤土—岩块 20 1.25 − 13.7* ④ 83~133 cm 岩块 − − 8 18.9 ⑤ 133~143 cm 反滤层(碎石) − − 25 4.79 b ① 0~20 cm (白云岩上发育)石灰土 100 1.00 − 3.14 ② 20~150 cm 白云岩(碎石) − − 40 17.8 c ① 0~15 cm (石灰岩上发育)石灰土 100 1.34 − 0.815 ② 15~85 cm 黄壤土 100 1.25 − 0.0221 ③ 85~148 cm 石灰岩(碎石) − − 12.1 21.3 注:*23~83 cm层在注水实验中测出的渗透系数值。
Note: * Permeability coefficient of the layers from 23 cm to 83 cm measured in water injection experiment.在岩块和碎石层填埋后,通过注水实验估算体裂隙率。体裂隙率是指单位体积岩体中裂隙的体积与包括裂隙在内的岩石体积之比,可用来定量表征岩体内部裂隙的发育程度[42]。注水实验的具体步骤为:对岩石层注水至水面淹没过岩石层最高点,停止注水,测量注入的水体积(及裂隙体积)Vw,则该层体裂隙率Kv=VwV0×100%,其中,V0为岩石层总体积(表2)。
注水后使用HOBO水位记录仪(HOBO U20-001-04-TI)监测降深s随时间t的变化,根据降水头法[43],由达西定律计算各层渗透系数K:
K=−LlnH2H1t2−t1 (1) 式中:K为试验土层渗透系数(cm·s−1);t1、t2为注水试验两个时段时间 (s);H1、H2为t1、t2时的试验水头(cm);H2=H1−s ,其中,s 为t1到t2时下降水头(cm);L为试验土层厚度(cm)。
绘制ln(H−sH)~t的曲线,采用最小二乘法拟合其斜率k,从而求得该层的渗透系数K=−k⋅L(表2)。
在三个土柱不同深度处填埋HOBO SMC(EC-5)土壤水分湿度传感器,测量土壤含水率;土柱底部设有自由出流口,采用HOBO RG3-M雨量桶观测出流量(图1)。降水等气象资料来源于普定试验站内气象场的观测结果。
2019年6月1日开始观测,观测时段步长为1 h。其中,2020年6月29日−7月1日、8月26日−9月5日、9月15日−9月16日仪器故障缺测。在试验期间,土柱装置几乎不产生地表径流,所以出口观测的径流均视为地下径流。
1.2 分析方法
1.2.1 水平衡分析
选取监测期内一个完整水文年(2020年6月21日−2021年6月21日)以及雨季(2020年6月21日− 10月21日)分别进行水量平衡计算:
P−R=E+ΔW (2) 式中:P为总降雨量,R为总径流量,E为总蒸发量,ΔW为土壤水蓄量差,由实测的土壤层时段初、时段末含水率的差值乘以土壤层厚度计算得出;岩石层储水量变化忽略不计。根据式(2)推求实际蒸发量E。
1.2.2 次降雨—径流特征及相关性分析
选取年内23场次降雨事件以及对应的径流过程(图2)。次降雨事件的划分标准为:连续10 h以上内无降雨,则视为两次降雨过程。统计次降雨特征,包括:次降雨量P、降雨历时T、降雨强度I、最大1 h雨量Pm(图3,表3)。次降雨形成的地下径流过程划分标准为:以径流起涨到回落至下一个起涨时刻为一次径流事件;采用直线斜割法分割径流过程线,作为次降雨形成的径流过程(图3)。以此统计径流响应特征,包括:次径流深R、洪峰流量Qm,以及初始径流响应时间T0、洪峰响应时间Tm。其中, T0为降雨开始到流量起涨的时间,Tm为小时最大雨量到洪峰流量的时间(图3)。此外,还统计雨前土壤含水率Sw。23场次降雨、径流统计值变化范围见表3。
表 3 次降雨、径流特征及变化范围Table 3. Characteristics and variation range of rainfall and runoff统计指标 指标符号 单位 变化范围 次降雨量 P mm 10.0~69.4 降雨历时 T h 2~40 降雨强度 I mmh−1 0.43~8.50 最大1 h雨量 Pm mm 0.6~16.8 土壤初始含水率 Sw − 0.178~0.365 径流深 R mm 0.33~67.37 洪峰流量 Qm mm 0.04~9.26 初始径流响应时间 T0 h 0.1~18.0 洪峰响应时间 Tm h 0.1~25.0 降雨产流阈值的研究采用直线回归法[44]。通过回归分析建立次径流量与次降雨量间直线方程, 从而推求降雨产流阈值。
采用 Spearman 秩相关[45]分析23场径流响应特征(Yi)与降雨特征及雨前土壤含水率(Xi)之间的相关性。Spearman 秩相关系数计算公式为:
rs=1−6∑d2in(n2−1) (3) 式中: rs为秩相关系数;di为Xi与Yi的差值;Xi、Yi分别为变量X、Y按特征值从小到大排列的序号(i=1~n);n为样本容量;rs取值范围在(−1,1)之间,绝对值越大相关性越强, 取值符号表示相关的方向。
1.2.3 降雨类型划分及径流响应特征分析
根据次降雨四个特征值(P、T、I、Pm),采用K-means聚类算法,将23场降雨分为4类:A、B、C、D型降雨。K-means聚类计算过程为:在23个样本中随机选择4个样本作为初始聚类中心,基于欧式距离将其余的样本划入距离它们最近的聚类中心成为一簇,重新计算新簇中的均值,将其作为新的聚类中心,再次执行上述步骤,直到聚类中心不再变化,则聚类完成。若各聚类的方差具有显著性差异(P<0.05),则认为分类合理[46]。
根据K-means聚类分析结果,23场降雨事件可分为4类(表4):A型降雨雨量大、雨强大、历时短;B型降雨雨量小、雨强小、历时长;C型降雨雨量大、雨强小、历时长;D型降雨雨量小、雨强大、历时短。4类降雨特征指标值的差异均通过显著性检验(P<0.05)。在雨季(2020年6月21日−10月21日),A型降雨发生的频次最高,占总场次的43.5%,累计降雨量最大,为345.0 mm;B型降雨占总场次的17.4%,累计降雨量63.2 mm;C型降雨占总场次的8.7%,累计降雨量105.8 mm;D型降雨占总场次的30.4%,累计降雨量114.0 mm。
表 4 不同降雨类型特征指标均值Table 4. Average value of characteristic indexes under different rainfall types降雨
类型次降雨量
P/mm降雨历时
T/h降雨强度
I/mmh−11小时最大雨强
Pm/mmA 34.5 11.8 3.2 10.8 B 15.8 28.0 0.6 2.9 C 52.9 31.0 1.7 12.3 D 16.3 6.3 3.6 8.7 统计A、B、C、D雨型下径流响应特征值的均值,对比分析三个土柱不同雨型下产流量特征。
此外,采用最小显著性差异法 (Least–Significant Difference,LSD),根据 T检验进行各组间的配对比较。LSD检验的敏感性高,各个水平间的均值存在微小的差异也易被检验出来。
2. 结果与分析
2.1 水平衡对比
本研究基于各土柱统计的全年以及雨季降水量P、出流量R,采用式(2)计算实际蒸发量E,具体数据见表5。结果显示:土柱a、b、c年出流总量依次减少,具体表现为:Ra>Rb>Rc;径流系数R/P分别为0.88、0.79、0.55;年实际蒸发量排序与径流量排序相反,即Ec>Eb>Ea,分别占年降水量的47%、21%和11%。土柱c的年蒸发量是土柱a的近4倍、土柱b的近2倍,下覆白云岩碎石(土柱b)的年蒸发量是下覆块状石灰岩(土柱a)的近2倍。
表 5 水量平衡计算表Table 5. Annual and rainy season water balance土柱a 土柱b 土柱c 全年 雨季 全年 雨季 全年 雨季 降雨总量P/mm 1294 850 1294 850 1294 850 径流总量R/mm 1136 817 1016 771 717 499 土壤水蓄量差ΔW/mm 10.7 10.0 1.2 3.5 −32.0 8.3 实际蒸发量E/mm 146.7 22.6 276.0 75.5 608.4 342.6 径流系数R/P 0.88 0.96 0.79 0.91 0.55 0.59 在雨季,土柱a、b径流系数R/P相比于全年显著增大,分别为0.96、0.91;而土柱c雨季的R/P(0.59)仅略大于年径流系数(0.55)。
2.2 次降雨—径流响应特征的对比
2.2.1 次降雨—径流量回归曲线
对23场次降雨量及次产流量绘制散点图,通过最小二乘法进行线性回归分析,得到土柱a、b、c降雨−径流量回归曲线(图4)。拟合的线性回归方程(R=αP+β)确定性系数均大于0.76,显示出较强的线性相关性。
根据式(2),次降雨的产流条件是需满足缺水量(P−E−ΔW)。因此,由线性回归方程可知,R=0得出的截距反映开始产流所需的降雨阈值。具体计算公式为:
降雨阈值=−βα (4) 式中:β是线性回归方程中的截距,α是斜率。当R=0时,上式给出了开始产流所需的最小降雨量。
计算得出阈值最大的土柱是c(7.90 mm),大于土柱a、b阈值(分别为3.94 mm、4.91 mm),说明土层厚增加了地下径流形成所需的降雨阈值。斜率α反映了单位降雨量所产生的径流量,即产流能力。三种土岩结构的斜率分别是
0.9996 、0.8430 、0.7768 。这也表明土柱a的产流能力最高,土柱b其次,土柱c产流能力最低。2.2.2 次降雨—径流特征的相关性
采用Spearman秩相关分析方法,得出23场降雨事件下的径流特征值与次降雨特征值和雨前土壤含水率之间的相关系数矩阵(表6)。三个土柱的次径流深R、洪峰流量Qm大都仅与次降雨量P呈显著正相关(P <0.01)。
表 6 降雨径流特征统计量Spearman秩相关系数表Table 6. Spearman correlation coefficient between rainfall and runoff statistical features次径流深/mm 次洪峰流量/mm 次初始径流响应时间/h 次洪峰响应时间/h Ra Rb Rc Qm,a Qm,b Qm,c T0,a T0,b T0,c Tm,a Tm,b Tm,c P 0.873** 0.871** 0.817** 0.686** 0.683** 0.684** −0.201 −0.043 −0.115 −0.160 −0.324 −0.615** T 0.322 0.265 0.194 0.085 −0.009 −0.040 0.530** 0.690** 0.409 0.213 0.325 0.384 I 0.140 0.186 0.239 0.243 0.396 0.281 −0.676** −0.685** −0.318 −0.302 −0.484* −0.590** Pm 0.375 0.516* 0.458* 0.339 0.557* 0.378 −0.523** −0.438** −0.356 −0.334 −0.570* −0.794** Sw,a 0.283 0.558* −0.150 −0.137 Sw,b 0.118 0.355 0.083 0.072 Sw,c 0.247 0.447 −0.626* 0.004 注:**表示在0.01水平(双侧)上显著相关;*表示在0.05水平(双侧)上显著相关。
Note: ** indicates a significant correlation at the level of 0.01 (bilateral); * indicates a significant correlation at the level of 0.05 (bilateral).对于初始径流响应时间T0,土柱a、b的T0取决于降雨过程,即与降雨历时T显著正相关,与降雨强度I、最大1 h雨量Pm显著负相关;而土柱c的T0仅受初始土壤含水率Sw影响,且两者显著负相关。
对于洪峰响应时间Tm,土柱c的Tm与降雨量、降雨强度、最大1 h雨量显著负相关;而土柱a、b的Tm与降雨特征以及土壤初始含水率Sw相关性大都不显著。
2.3 不同雨型下降雨—径流响应特征对比
2.3.1 径流量对比
统计各类雨型下径流响应特征值(图5)。由图5a可知,对于各种类型降雨,a、b、c土柱径流量R均呈现Ra>Rb>Rc的特征,这与年径流量、雨季径流量排序一致。
检验每个土柱四种降雨类型之间径流深的差异性,如图5中字母不同表明降雨类型径流深之间差异性显著(P<0.05),字母相同则不显著。
次降雨量大的A、C雨型产流量显著大于次降雨量小的B、D雨型产流量(图5a),这与表6中径流量与降雨量的正比关系结论一致。
2.3.2 洪峰流量对比
对比四种雨型下洪峰流量Qm之间的差异(图5b),次降雨量大的A、C雨型远比次降雨量小的B、D雨型Qm值大,两类雨型形成的R值差异性显著(P<0.05)。这也与表6中洪峰流量—降雨量呈正比关系一致。
对比a、b、c土柱之间Qm的差异,次降雨量大的A、C雨型Qm呈现:Qm,b>Qm,a>Qm,c,而次降雨量小B、D雨型下呈现:Qm,a>Qm,b>Qm,c,这说明土层厚的土柱c峰值最小,但土层薄的a、b土柱洪峰流量对不同量级的次降雨量响应存在差异。
2.3.3 降雨—径流响应时间对比
图5c和图5d分别为不同雨型下初始径流响应时间T0、洪峰响应时间Tm平均值。图5c表明,无论何种雨型,土层厚的c土柱T0最大(平均为6.0 h)。对于表土浅薄的土柱a、b,因为T0与降雨历时成正比、与强度成反比(表6),所以历时最长和雨强最小的B雨型T0最大,历时最短、雨强最大的A雨型T0最小;土柱a比土柱b初始径流响应时间总体略长(平均值分别为4.5 h、3.7 h)。
图5d表明,土柱c洪峰滞后时间Tm也最长(平均为9.1 h),且由于Tm与降雨量、降雨强度、最大1 h雨量显著负相关(表6),因此降雨量和降雨强度小的B型降雨洪峰滞后尤为显著。对于土柱 a、b, 土柱a总体比土柱b的Tm大(平均值分别为4.2 h、3.5 h)。
3. 讨 论
3.1 土岩结构对水平衡的影响
不同土岩结构的水平衡对比分析揭示了岩溶地区的土壤厚度对水文过程的重要影响。本研究显示,随着土壤厚度的增加(土柱a厚度23 cm,土柱b厚度20 cm,土柱c厚度85 cm),蒸发量增大,径流量减少。这一现象与Zhang等[40]的研究结果一致,他们在研究中也发现土壤厚度的增加会显著增强水分的蒸发和滞留。本研究中土下的碎石(土柱b)相比岩块(土柱a)有更强的水分滞留能力,这导致更大的蒸发损失和更小的径流量。此外,本研究还发现土层浅薄地区的径流季节性变化显著,这使得该地区更易发生旱涝灾害。
3.2 土岩结构对降雨径流关系的影响
本研究的线性回归分析揭示了表层岩溶带土岩结构的降雨—径流关系呈现出明显的阈值—线性两阶段特征,即降雨达到阈值后产流,大于阈值后,降雨—径流呈线性关系,这与兰旻[47]和寇平浪等[48]的研究结果一致。
斜率α反映了不同土岩结构的产流能力差异,这与方胜等[49]的理论相符,他们强调了表层岩溶带岩土组构对水分入渗的重要影响。本研究中线性回归曲线的斜率大对应着单位降雨转化为径流的效率高,即产流能力大。根据水量平衡计算与回归分析,土柱a的年蒸发量最小,回归曲线的斜率最大,而土柱b的年蒸发量大于a,回归曲线斜率小于a,这可能是由于碎石的比表面积远大于岩块,碎石表面的薄膜水、毛细水、凝结水总量更大,所以在表面土壤层厚度相近的情况下,土柱b的年蒸发量约为土柱a的两倍。
3.3 不同雨型对土岩结构径流特征的影响
本研究发现,除降雨量外,雨型也是影响径流特征的重要因素。对于次降雨量小的雨型(B、D雨型),土柱a产生较大的洪峰;而对于次降雨量大的雨型(A、C雨型),土柱b的洪峰更大,此现象可能与土柱b中白云岩碎石对入渗水的双重影响有关。一方面,碎石减小了过水断面的面积,且增加了水流的弯曲度进而限制水分入渗,如焦友军等[50]指出当裂隙平均迹长过小时会导致裂隙连通性较差,影响裂隙水流和溶蚀作用。另一方面,碎石增加了大孔隙和裂隙数量从而促进水分入渗,如党宏宇等[51]发现碎石的位置和粒径对入渗的影响不同,较小粒径(5~20 mm)的碎石有促进入渗的作用,而大粒径(20~40 mm)的碎石起抑制作用,本研究中的碎石粒径为10~40 mm,其入渗能力可能随雨型变化。而土柱a下覆岩块裂隙率低(8%)、导水性强,其渗透系数大于碎石,优先流占比高,所以小降雨易入渗地下并形成洪峰;而土柱b下覆碎石储水能力大(裂隙率为40%)(表2),有利于大降雨入渗水的积蓄并形成较大的洪峰。
此外,对于土层薄的土岩结构(土柱a和b),初始径流时间主要取决于降雨过程。历时长、降雨强度小的降雨事件的初始径流时间长,但洪峰流量滞后时间受降雨过程影响并不显著。相比之下,土层较厚的土岩结构(土柱c)中,初始径流时间与土壤含水率呈显著负相关性,即较高的土壤含水率缩短了出流时间。此外,随着次降雨量和降雨强度的减小,洪峰的滞后性在土柱c中变得更加明显。
本研究还观察到厚层土壤对入渗水的滞蓄能力强,导致初始出流和洪峰响应时间远大于薄层土壤,特别是在小降雨事件中这一现象更为明显。薄层土壤土柱a、b初始出流和洪峰对不同雨型降雨响应时间差异不显著。这一发现表明,尽管雨型和降雨量是重要的控制因素,但土壤厚度在径流的滞后特征上起着主导作用。
综上所述,本研究强调了土岩结构的物理特性,即土壤厚度和下覆岩石的特性在水文响应过程中的关键作用,其不仅影响水平衡,还决定了降雨径流关系的动态和不同雨型下的径流特征,这些发现为岩溶水资源管理提供了科学依据。
4. 结 论
(1)表层岩溶带中土壤层厚度是对水平衡(径流、蒸发和土壤水滞蓄过程)和地下径流过程响应特征影响的首要因素。随着土壤厚度的增加,蒸发量增大,径流量减小,地下径流形成所需降雨阈值增大。与薄层土壤相比,厚层土壤地下径流洪峰小,各场次平均地下径流初始响应时间、洪峰响应时间分别延长1.4~2.2 h、4.9~5.6 h。
(2)表层岩溶带中岩石破碎程度也对水平衡和地下径流过程响应特征产生影响。土下碎石比岩体裂隙滞留水分能力强,蒸发损失大,径流量小,下覆白云岩碎石(土柱b)的蒸发量是下覆石灰岩块(土柱a)的近2倍,而径流量是后者的约89%。下覆岩块裂隙率低(8%)、导水性强,小降雨易入渗地下并形成较大洪峰;而下覆碎石储水能力大(裂隙率为40%),有利于大降雨入渗水的积蓄并形成较大的洪峰。
(3)不同雨型下土岩结构对水平衡和地下径流过程响应特征影响程度存在差异。薄层土壤的土岩结构初始径流响应时间取决于降雨过程,而厚层土壤土岩结构初始径流响应时间与土壤含水率呈负相关。此外,在厚层土壤中,洪峰流量显著减小,初始径流和洪峰流量的响应时间延长,但这种延长的幅度随降雨事件的降雨量和降雨强度的增加而减小。
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表 1 土柱中土壤质地
Table 1. Soil textures in soil columns
土壤类型 土壤质地 颗粒组成/% 砂粒 粉粒 黏粒 黄壤土 壤土 28.2 45.6 26.2 白云岩上发育石灰土 壤土 36.7 49.1 14.2 石灰岩上发育石灰土 粉壤土 26.1 57.6 16.3 注:砂、粉、黏粒粒径分别为0.05~2 mm、0.002~0.05 mm、<0.002 mm;土壤质地分类按照美国农业部(United States Department of Agriculture, USDA)的土壤质地分类标准进行。
Note: The particle sizes of sand, powder and clay are 0.05–2 mm, 0.002–0.05 mm and <0.002 mm, respectively. Soil textures are classified according to the soil texture classification standards of United States Department of Agriculture.表 2 土柱基本结构及特征参数
Table 2. Basic structures and physical properties of soil columns
土柱 分层特征 土壤占比/% 土壤容重/g·cm−3 岩石裂隙率/% 渗透系数(10−3) cm/·s−1 a ① 0~23 cm (石灰岩上发育)石灰土 100 1.34 − 0.815 ② 23~38 cm 石灰土—岩块 20 1.34 − 13.7* ③ 38~83 cm 黄壤土—岩块 20 1.25 − 13.7* ④ 83~133 cm 岩块 − − 8 18.9 ⑤ 133~143 cm 反滤层(碎石) − − 25 4.79 b ① 0~20 cm (白云岩上发育)石灰土 100 1.00 − 3.14 ② 20~150 cm 白云岩(碎石) − − 40 17.8 c ① 0~15 cm (石灰岩上发育)石灰土 100 1.34 − 0.815 ② 15~85 cm 黄壤土 100 1.25 − 0.0221 ③ 85~148 cm 石灰岩(碎石) − − 12.1 21.3 注:*23~83 cm层在注水实验中测出的渗透系数值。
Note: * Permeability coefficient of the layers from 23 cm to 83 cm measured in water injection experiment.表 3 次降雨、径流特征及变化范围
Table 3. Characteristics and variation range of rainfall and runoff
统计指标 指标符号 单位 变化范围 次降雨量 P mm 10.0~69.4 降雨历时 T h 2~40 降雨强度 I mmh−1 0.43~8.50 最大1 h雨量 Pm mm 0.6~16.8 土壤初始含水率 Sw − 0.178~0.365 径流深 R mm 0.33~67.37 洪峰流量 Qm mm 0.04~9.26 初始径流响应时间 T0 h 0.1~18.0 洪峰响应时间 Tm h 0.1~25.0 表 4 不同降雨类型特征指标均值
Table 4. Average value of characteristic indexes under different rainfall types
降雨
类型次降雨量
P/mm降雨历时
T/h降雨强度
I/mmh−11小时最大雨强
Pm/mmA 34.5 11.8 3.2 10.8 B 15.8 28.0 0.6 2.9 C 52.9 31.0 1.7 12.3 D 16.3 6.3 3.6 8.7 表 5 水量平衡计算表
Table 5. Annual and rainy season water balance
土柱a 土柱b 土柱c 全年 雨季 全年 雨季 全年 雨季 降雨总量P/mm 1294 850 1294 850 1294 850 径流总量R/mm 1136 817 1016 771 717 499 土壤水蓄量差ΔW/mm 10.7 10.0 1.2 3.5 −32.0 8.3 实际蒸发量E/mm 146.7 22.6 276.0 75.5 608.4 342.6 径流系数R/P 0.88 0.96 0.79 0.91 0.55 0.59 表 6 降雨径流特征统计量Spearman秩相关系数表
Table 6. Spearman correlation coefficient between rainfall and runoff statistical features
次径流深/mm 次洪峰流量/mm 次初始径流响应时间/h 次洪峰响应时间/h Ra Rb Rc Qm,a Qm,b Qm,c T0,a T0,b T0,c Tm,a Tm,b Tm,c P 0.873** 0.871** 0.817** 0.686** 0.683** 0.684** −0.201 −0.043 −0.115 −0.160 −0.324 −0.615** T 0.322 0.265 0.194 0.085 −0.009 −0.040 0.530** 0.690** 0.409 0.213 0.325 0.384 I 0.140 0.186 0.239 0.243 0.396 0.281 −0.676** −0.685** −0.318 −0.302 −0.484* −0.590** Pm 0.375 0.516* 0.458* 0.339 0.557* 0.378 −0.523** −0.438** −0.356 −0.334 −0.570* −0.794** Sw,a 0.283 0.558* −0.150 −0.137 Sw,b 0.118 0.355 0.083 0.072 Sw,c 0.247 0.447 −0.626* 0.004 注:**表示在0.01水平(双侧)上显著相关;*表示在0.05水平(双侧)上显著相关。
Note: ** indicates a significant correlation at the level of 0.01 (bilateral); * indicates a significant correlation at the level of 0.05 (bilateral). -
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