典型岩溶包气带洞穴滴水水文过程研究——以桂林硝盐洞为例

选取桂林丫吉试验场硝盐洞为研究对象,通过示踪试验和高分辨率水文水化学监测,确定滴水补给来源,研究典型岩溶包气带洞穴滴水对降雨响应的水文过程。研究结果表明,硝盐洞XY5滴水主要受到两种径流成分补给,即集中补给的管道流和弥散流。硝盐洞上部包气带中可能存在表层岩溶带含水层,长期维持滴水流量。滴水流量、电导率和示踪剂浓度的峰值均出现在强降雨时段,表现出快速响应的管道流特征,存在降雨阈值引起硝盐洞滴水降雨响应。降雨前岩溶含水层水分条件是包气带水文响应差异的主要原因,雨季滴水对降雨响应迅速,XY5滴水对降雨响应的滞后时间为10 h;而旱季对降雨的响应滞后明显,滞后时间达9.8天,体现了土壤和表层岩溶带的调蓄作用。74.4 mm降雨量是旱季转雨季滴水响应的降雨阈值。借助于洞穴滴水的水文动态变化和示踪试验技术对于研究包气带水文过程,深入了解岩溶含水层结构及特征,揭示岩溶区降雨入渗补给机制具有重要作用。     

典型岩溶石山包气带洞穴水流的水文过程浅析

为了研究岩溶包气带洞穴水流的水文过程,在2013年7月1日至2013年11月21日期间,选取桂林丫吉试验场硝盐洞XY5滴水点为研究对象,利用GreenSpanCTDP300多参数仪对其进行了每半小时一次的高频率水文指标监测,分析了包气带洞穴滴水对降雨响应过程及水化学指标的动态变化特征。研究表明：洞穴滴水量、电导率和水温有很好的对应关系;滴水量变化主要受到降雨量、降雨强度和硝盐洞单元体前期含水量的影响,监测期间滴水量变化范围为23.15-589.47 mL/s;水温对降雨响应速度最快且主要受当地气温的影响,流量和电导率基本上表现出同时上升态势,电导率具有季节变化规律,即雨季电导率值较大,波动小,旱季值较小,波动较大;从旱季和雨季的水文过程,并结合旱季滴水主要化学组分的动态变化来看,电导率和水温有3个峰值,不同的峰对应不同产流顺序的水,即裸岩面产生的坡面径流、土壤—基岩界面径流和裂隙水。因此,通过洞穴滴水的水文过程及水化学指标的动态变化特征,可以定性的反映出滴水水源、滴水点运移路径、时间和环境条件的变化。     

岩溶水柜集流坡面的径流模式和调控建议

作为南方岩溶地区水柜水源的坡面径流,其形成和动态变化缺少精确且详细的解析。选择桂林丫吉试验场峰丛洼地的一个表层岩溶泉为对象,通过1个水文年多指标的监测,获得不同降雨条件下坡面径流的水文和水化学动态过程,以水文分析和水化学示踪解析径流水文特征、产流条件和水源组成。结果表明:坡面径流的水文过程季节性变化对比强烈,低水位总时长占全年的一半,连续时长超过3个月,全年连续断流有40多天,显示坡面径流水源不稳定,具有调控的必要性;受控于溶蚀作用的水化学动态展示了来自于多种界面的径流汇合过程;电导率等指标的波动共同指向降雨事件中形成于裸岩区的石面流发挥先锋作用。依据集流场的下垫面结构从3个方向提出调控建议:减少裸岩区径流渗漏;改善表层岩溶带通透性;揭露覆盖区隐伏径流。这些措施将有助于增加水柜蓄水量,提高径流利用效率。     

包气带增厚条件下地下水补给规律研究

伴随人类活动影响的不断增大,地下水位持续下降,包气带厚度增大,改变了地下水的补给条件.为阐明在巨厚包气带中水分运移规律,在河北栾城实验站进行了包气带水分运移监测试验.通过对监测数据的计算和分析,揭示了大水漫灌条件下,灌溉水在包气带中湿润峰和零通量面（ZFP）的运移和形成规律,计算了灌溉水回归补给地下水的水量,并利用达西公式进行验证.试验结果客观准确地反映了在当前人类剧烈活动影响下,包气带中水分运移规律及灌溉水补给地下水的情况,同时通过对包气带水分运移情况进行监测,取得了包气带水分运移的翔实资料和灌溉参数,对于促进农业节水灌溉有重大的现实意义.     

冻土退化影响下坡面水文过程研究进展及趋势展望

全球气候变化背景下,冻土将会发生显著变化,进而影响寒区生态和水文系统的物理、化学和生物过程,并诱发区域水资源恶化与生态功能退化,其中坡面冻土水文过程是物质和能量在寒区地表各圈层迁移转化的重要载体与基本单元。为此,基于"驱动-过程-机制"这一研究视角,从冻土退化及其水文过程响应、冻土水文过程及其局地因素影响、冻土水文过程机制及其影响模拟等三个方面,综述了国内外有关冻土退化影响下坡面水文过程研究方面的最新进展;同时,在总结了当前冻土水文过程研究不足的基础上,提出了如下建议:(1)更加注重坡面冻土水文过程要素观测与方法集成研究;(2)更加注重坡面冻土水文过程变化机理与耦合机制研究;(3)更加注重坡面冻土水文过程时空演化与效应评估研究。以期提升寒区流域径流形成演化的认知能力与径流变化的预测能力,并为寒区流域水资源稳定和适应性利用提供理论基础与科学对策。     

水文模型系统在峨嵋河流域洪水模拟中的应用

研究目的是采用水文模型系统(HMS)模拟峨嵋河流域暴雨水文过程,并为长江上游地区气候和水文响应研究提供可靠的信息。HMS是一种分布式水文模型可用于研究各种气候因子和地表覆盖变化而引起的水文过程响应,该系统(HMS)利用气象、土壤类型、土地利用和地表覆盖、数字高程(DEM)和降雨径流等资料,研究气候、陆面、地表水和地下水的相互作用机理。在本次研究中,采用SCS Curve Number(CN)和Green-Ampt(GA)方法来计算径流过程,用GIS来数字化DEM、土壤、土地利用和陆地覆盖数据。通过用不同时间间隔的降雨和不同计算方法的水力参数模拟水文过程,来检验降雨的时间尺度效应和水力参数的空间变异性对水文过程的影响。结果表明,HMS对峨嵋河流域暴雨洪水的模拟及预测具有较好的适用性。     

干旱区资料稀缺流域日径流过程模拟

选取具有物理基础的分布式水文模型MIKE SHE来模拟大尺度资料稀缺地区水文过程。以塔里木河主要源区之一开都河流域为研究区域,将流域内气象水文站点观测数据与遥感数据相结合,运用GIS空间分析方法修正数据输入。利用气象、土壤类型、土地利用和地表覆盖、数字高程和降雨等资料,研究大气、陆面、地表水和地下水的相互作用机理,通过模型敏感性分析确定了5个"自由"参数,并依据出山口水文站数据对模型进行率定和验证。结果表明,MIKE SHE能在水文、气象站点稀少,土壤及水文地质数据缺乏的条件下,模拟开都河流域的日径流过程,模型效率系数达到0.7以上,率定期与验证期水量平衡误差均小于3%,模拟径流与实测径流高度相关。     

干旱区资料稀缺法流域日径流过程模拟

选取具有物理基础的分布式水文模型MIKE SHE来模拟大尺度资料稀缺地区水文过程.以塔里木河主要源区之一开都河流域为研究区域,将流域内气象水文站点观测数据与遥感数据相结合,运用GIS空间分析方法修正数据输入.利用气象、土壤类型、土地利用和地表覆盖、数字高程和降雨等资料,研究大气、陆面、地表水和地下水的相互作用机理,通过模型敏感性分析确定了5个"自由"参数,并依据出山口水文站数据对模型进行率定和验证.结果表明,MIKE SHE能在水文、气象站点稀少,土壤及水文地质数据缺乏的条件下,模拟开都河流域的日径流过程,模型效率系数达到0.7以上,率定期与验证期水量平衡误差均小于3%,模拟径流与实测径流高度相关.     

降雨条件下滑坡排水沟排水数值模拟

地表排水沟是滑坡治理常见措施之一。在降雨入渗与坡面径流有限元耦合模型中,通过调整径流方程中的坡度参数,实现地表排水沟排水模型。模型具有易于理解、实现简单的优点。以地表排水模型为基础,对5种典型滑坡在设与不设排水沟情况下坡体渗流场、坡面径流场、坡体入渗量和入渗过程进行了数值模拟。结果表明,当降雨强度相对土体渗透性较小时,排水沟设置在坡体渗透性由小变大的位置,才能有效地截断上游径流,减小入渗量;而当降雨强度相对土体渗透性较大时,排水沟排水效果并不明显。     

坡地氮磷流失过程模拟

根据农田坡面氮、磷流失的主要过程,建立了基于次降雨事件的坡面氮、磷迁移模型。模型采用改进的Green-Ampt方程和运动波方程计算下渗与坡面流,土壤侵蚀采用修改的欧洲土壤侵蚀模型计算,用考虑了侵蚀影响与扩散作用的迁移模型计算坡面氮、磷迁移过程,采用一维对流扩散方程计算氮、磷在土壤中的迁移过程。利用室内人工降雨资料对模型进行了率定及验证。结果表明,模型可以较好地模拟地表径流中氮、磷浓度,率定期与验证期模型效率系数均在0.89以上。根据坡地氮、磷流失机理,分析了降雨强度与地表坡度对坡面径流中氮、磷浓度的影响。     

人工降雨条件下冲沟型泥石流起动试验研究

下垫面以位于贡嘎山东坡的熊家沟为模型,开展了不同降雨强度条件下冲沟型泥石流起动的模拟试验,初步研究了冲沟型泥石流的形成机理和演化特征.试验研究表明:(1)在强降雨条件下,水体入渗速度、不同深度土体含水量变化与降雨强度呈反比例关系,降雨强度越大,越不利于水体入渗,而有利于坡面汇流、冲沟径流和下切侵蚀; (2)在强降雨和径流条件下,土体破坏方式、破坏程度以及泥石流形成机理表现出差异性.相对较小雨强降雨条件下,土体破坏方式以滑坡为主,泥石流形成模式表现为滑坡液化与转化起动,雨强较大降雨条件下,土体破坏方式以侵蚀垮塌为主,泥石流形成模式为洪流席卷垮塌体和沟床揭底; (3)起动试验中泥石流阵性特征明显.在强降雨条件下,雨强与泥石流的规模、黏度之间没有正相关性,雨强越大,泥石流黏度越小,试验中多出现的是高含砂洪流,而相对较小雨强作用下由土体液化转化形成的泥石流黏度较大.试验现象和结果与熊家沟泥石流起动、发生过程具有较高的一致性.     

Assessing the impacts of rainfall intensity and urbanization on storm runoff in an arid catchment

In the past few decades, rapid urbanization has occurred in many regions of the Kingdom of Saudi Arabia due to increasing population and urban development. Additionally, the effects of global warming on rainfall characteristics have been observed. This rapid change in urbanization and climate change has cause significant changes in the nature of land surfaces and rainfall patterns, which affect the runoff process and the amount of surface runoff during floods. This study investigated the effect of urbanization and rainfall intensity for Hafr Al-Batin watershed located in Saudi Arabia. For this purpose, a hydrologic model, HEC-HMS, was adopted to simulate the flow of different rainfall intesities and urbanization levels. Simulated results showed that for a 100-year storm, a 24-h duration, and an urbanization level of 80%, the peak flow was 213% higher than the estimated current peak and the runoff volume was 112% higher than the current runoff volume. These results show a strong linear correlation between the level of urbanization and both peak discharge and runoff volume. Furthermore, the results indicate that for short return periods, the peak flow is more sensitive to the level of urbanization compared to long periods.     

贵州凉风洞洞穴滴水水文水化学过程分析

通过对贵州荔波凉风洞5个滴水点进行为期1年的动态监测,表明除大气降雨携带的较少物质成份外,凉风洞滴水中的物质主要来源于土壤,同时,示踪结果显示出凉风洞滴水对大气降雨的响应较快,滴水的物质组成直接源自于洞穴环境。洞穴滴水的化学组成中元素含量的变化主要由水运移过程中水-土、水-岩作用导致的方解石溶解-沉淀过程所控制,稀释作用、水来源的差异或者活塞流产生了一定的效果,但其影响较弱,表明凉风洞滴水点的次生沉积物可能记录了环境变化信息。但水在洞穴顶板内运移过程中发生的水文地球化学过程(岩石的溶解、方解石沉淀作用过程)以及洞穴滴水响应大气降雨的时间尺度、水动力过程、水流形式等因素,影响到凉风洞洞穴次生沉积物过去环境记录指标。因此,岩溶次生沉积物过去环境变化指标的解译应该有洞穴滴水水动力地球化学过程的结果作为支撑。这些过程的清晰化可以更好地为研究洞穴环境次生沉积记录的高分辨率、短时间尺度的过去变化提供依据。     

基于人工降雨试验的淮北地区产流产沙差异性研究

针对淮北地区水土流失问题,利用野外人工模拟降雨试验,分析了不同雨强(40mm/h、60mm/h和80mm/h)和坡度(5°、10°和15°)条件下砂姜黑土和黄潮土产流产沙差异。结果表明:砂姜黑土初始产流时间长,产流总量小。坡面出现细沟时,砂姜黑土初始含沙量随时间变化有减小趋势,最终趋于稳定,而黄潮土含沙量呈波动变化;60mm/h、80mm/h雨强10°坡砂姜黑土产沙总量大于黄潮土,其他情况黄潮土产沙总量大于砂姜黑土,黄潮土土壤侵蚀严重。砂姜黑土表面细沟发育密度大,主要在坡面中下部,为相互连通的树枝状结构,而黄潮土表面细沟发育密度小,形成沟壑。两种土壤产流总量、产沙总量与坡度、雨强分别呈多元线性函数、多元幂函数关系,雨强对坡面产流产沙总量的影响大于坡度。     

降雨诱发坡面型泥石流形成机理

基于野外调查和室内测试分析,依据岩土体破坏准则理论,结合典型坡面型泥石流进行剖析,从坡面型泥石流形成的影响因素、运动学特征、动力条件、形成与演化过程等方面,探讨了降雨诱发坡面型泥石流的形成机理。研究结果表明:坡面流以平移式滑动方式破坏为主,通常发生于残坡积土层厚度小(≤2.0 m)的陡坡地带(坡度≥40°),降雨是坡面型泥石流的主要触发因素,雨水入渗促使斜坡残坡积岩土体饱和软化,当土体含水率超过28%~30%,粘聚力、内摩擦角与含水率关系曲线都出现了明显的拐点,即饱和度超过75%时,其粘聚力和内摩擦角都发生急剧降低,斜坡土体由稳定状态向破坏状态演化。遇持续降雨(或暴雨)作用,此种残坡积土局部发生失稳下滑——流土,进而在动水压力作用下发生下泻造浆形成坡面泥石流。     

岩溶地下水位对降雨响应的时空变异特征及成因探讨——以广西桂林甑皮岩为例

岩溶地下水位对降雨响应具有时空变异性,甑皮岩遗址地下水动力系统结构的认识存在分歧。利用高分辨率降雨水位数据,将研究区分割为不同含水体,通过水位动态、相关分析、滑动窗口采样相关分析等方法,探讨岩溶地下水对降雨响应时空变异特征及成因。结果表明,岩溶强发育、扩散流导水的含水体水位对降雨的响应表现为缓升缓降,水位自相关性强;发育岩溶管道的含水体水位表现为陡升陡降,水位自相关系数衰减速率快,对降雨响应的滞后时间短,互相关函数图呈多峰型;岩溶发育的极不均匀性是造成空间响应差异的主要原因。雨季地下水位对降雨响应的滞后时间远小于枯季;雨季累积降雨量大、水位埋深浅、包气带长期处于饱和或者近饱和状态,降雨垂直入渗补给历时短;雨季暴雨频繁导致含水体地下水短期内形成较大水力梯度,径流补给速度加快。综合分析认为,甑皮岩遗址地下水动力系统由NE向岩溶管道、NS向管道-裂隙以及NE向强径流带3个子径流系统组成。     

Catchment-scale soil erosion and sediment yield simulation using a spatially distributed erosion model

Increasing rainfall intensity and frequency due to extreme climate change and haphazard land development are aggravating soil erosion problems in Korea. A quantitative estimate of the amount of sediment from the catchment is essential for soil and water conservation planning and management. Essential to catchment-scale soil erosion modeling is the ability to represent the fluvial transport system associated with the processes of detachment, transport, and deposition of soil particles due to rainfall and surface flow. This study applied a spatially distributed hydrologic model of rainfall–runoff–sediment yield simulation for flood events due to typhoons and then assessed the impact of topographic and climatic factors on erosion and deposition at a catchment scale. Measured versus predicted values of runoff and sediment discharge were acceptable in terms of applied model performance measures despite underestimation of simulated sediment loads near peak concentrations. Erosion occurred widely throughout the catchment, whereas deposition appeared near the channel network grid cells with a short hillslope flow path distance and gentle slope; the critical values of both topographic factors, providing only deposition, were observed at 3.5 (km) (hillslope flow path distance) and 0.2 (m/m) (local slope), respectively. In addition, spatially heterogeneous rainfall intensity, dependent on Thiessen polygons, led to spatially distinct net-erosion patterns; erosion increased gradually as rainfall amount increased, whereas deposition responded irregularly to variations in rainfall.     

桂林硝盐洞洞穴滴水示踪及气候环境意义研究

洞穴滴水对大气降水的滞留时间的研究是准确解译洞穴沉积物气候环境代用指标的重要内容。由于研究尺度和技术手段的差异,目前对滞留时间的研究重视程度仍不够。基于此引入水文地质领域成熟的示踪方法,对桂林丫吉硝盐洞滴水对大气降水响应时间进行了连续高分辨率的研究。利用野外自动化荧光仪和荧光示踪剂,实现了滴水的自动化示踪研究,节省了人力物力且提高了分辨率。通过两次示踪试验,确定了桂林丫吉硝盐洞滴水雨季对大气降水的响应时间小于48h,一些强降雨事件,滞留时间甚至小于4h。发现滴水的温度变化可以作为高分辨率监测时大气降水形成径流的示踪剂。对于桂林丫吉硝盐洞XY5常年性滴水点,雨季日降雨强度大于16.3mm就可以形成径流,并被监测到。XY5滴水点主要存在两个水源补给,常年的基流补给和大气降水的快速补给。这些认识对洞穴滴水监测和洞穴沉积物古气候环境重建有着很好的借鉴意义。     

Response of a loess landslide to rainfall: observations from a field artificial rainfall experiment in Bailong River Basin,China

Rainfall-induced landslides are a significant hazard in many areas of loess-covered terrain in Northwest China. To investigate the response of a loess landslide to rainfall, a series of artificial rainfall experiments were conducted on a natural loess slope, located in the Bailong River Basin, in southern Gansu Province. The slope was instrumented to measure surface runoff, pore water pressure, soil water content, earth pressure, displacement, and rainfall. The hydrological response was also characterized by time-lapse electrical resistivity tomography. The results show that most of the rainfall infiltrated into the loess landslide, and that the pore water pressure and water content responded rapidly to simulated rainfall events. This indicates that rainfall infiltration on the loess landslide was significantly affected by preferential flow through fissures and macropores. Different patterns of pore water pressure and water content variations were determined by the antecedent soil moisture conditions, and by the balance between water recharge and drainage in the corresponding sections. We observed three stages of changing pore water pressure and displacement within the loess landslide during the artificial rainfall events: Increases in pore water pressure initiated movement on the slope, acceleration in movement resulting in a rapid decrease in pore water pressure, and attainment of a steady state. We infer that a negative pore water pressure feedback process may have occurred in response to shear-induced dilation of material as the slope movement accelerated. The process of shear dilatant strengthening may explain the phenomenon of semi-continuous movement of the loess landslide. Shear dilatant strengthening, caused by intermittent or continuous rainfall over long periods, can occur without triggering rapid slope failure.