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太行山典型小流域潛流動態變化研究

摘要：為了科學地對太行山區地下水環境進行綜合評價，本試驗采用了“翻斗式”自計量水技術，對該區普遍存在的裂隙潛流的動態變化過程進行新監測。根據監測的數據分析了該區潛流的日動態變化過程和水文年動態變化過程，分析結果說明造成這種動態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，降雨對潛流的年內變化也有著直接的影響。

關鍵詞：典型小流域 潛流 動態變化

1 太行山地下水環境概況

太行山區主要以花崗片麻巖為主，另有少量的石灰巖區，其中花崗片麻巖區基巖裂隙一般比較發育。由于地質構造、巖性、地貌的不同、造成山區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的砂礫石層中，而巖溶水主要以承壓的形式存在于石灰巖區的溶洞中。從蓄水構造的角度講，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。在花崗片麻巖區一般由于基巖裂隙發育比較廣泛，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裂隙水資源利用率較低的一個重要原因。但作為山區唯一而寶貴的水資源，始終是當地人民生存與發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試驗站的西側，東經114°15′58″，北緯37°52′44″，典型小流域屬花崗片麻巖山地，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育，多年平均地表徑流系數較小，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，其實質是“水在由局部飽和區域構成的連通滲流路徑中的流動”。

3 截潛工程及量測系統

為了研究潛流的動態變化規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%的坡度鋪設管道。考試論壇

由于潛水流量較小，一般在1001/h以下，常用量水設備與方法（水表、堰流法）均不能較準確對潛流進行長期連續監測。經過長期不斷研究與探索，在受數字（自計）雨量計的啟發的基礎上，大膽地將日本千葉大學教授新滕靜夫自行研制的“翻斗式”自計量水系統用于小流域潛流的監測中，從監測手段上避開了通過測定水位來求得流量的傳統方法，從而避免了水溫對水位測定所帶來的影響。該系統主要由“翻斗式”量水器和事件記錄儀（或數據采集器）組成；在起初使用事件記錄儀（HOBO）的過程中，由于其內存有限（一般為2000次或8000次），只能連續監測2d左右，不能滿足監測需要，同時所帶來的工作量也較大，后經進一步研究，最后將數據采集器（CR10X）與“翻斗式”量水器有機的結合在一起，便使“翻斗式”自計量水系統達到了比較完備的階段。

4 潛流動態變化

4.1潛流日變化

潛流日變化在不同的季節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。可以看出，在夏季，潛流的日變化有一個共同的特點，即在每天早晨6：00前后，潛水流量達到最大，之后將一直減小，直至下午18：00左右，降低到最低點，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，3d時間流量減少了21.21/h.根據以上分析，潛流動態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 潛流的年內變化

典型小流域1999年6月至2000年6月的一個水文年內，潛水流量的動態變化曲線。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小（11.041/h）。②在一個水文年內，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，且極不穩定，這種增長將一直持續到第二年的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）由于強烈的植被蒸散，潛流增長比較緩慢，有時還表現出忽升忽降的現象；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 潛流動態變化結果分析

典型小流域淺層地下潛流的補給源主要是天然降雨，并且主要是當年和前一年的降雨，或著說就是當年（以水文年計）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、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，由于春旱和強烈的大氣蒸發力作用，經常導致潛水的斷流，而后又隨著雨季的來臨驟然增加，恢復潛流。但如果不是連續降雨或陰天，潛流會很快下降至某一數值。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，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所測得的數據進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前后出現正負拐點，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左右轉負；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，該階段處于緩慢凝結階段：7～19點，該階段處于蒸發階段：19～24點，該階段處于快速（較0～7點）凝結階段。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）是指在單位時間內從流域出口流出的水量與流域面積的比，它是根據測得的有關數據計算來的，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。根據變化情況，同樣可將全天24h的變化分為3個階段：0～7點，該階段徑流通量呈緩慢增長趨勢；7～18點，該階段徑流通量呈下降趨勢；18～24點，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的相關關系曲線得到進一步說明。給出了上午6～11點和下午14～19點兩個階段E與R的關系曲線，可以看出，上午6～11點之間，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，兩者呈負的極相關關系（R2=0.78）；可以看出，在下午14～19點之間，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，兩者呈正的極相關關系（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，太陽凈輻射由負轉正，

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