長江三峽花崗巖地區(qū)林地優(yōu)先流時(shí)間特性分析

李金峰

(1 太原理工大學(xué) 2 山西省水土保持科學(xué)研究所)

優(yōu)先流是在多種環(huán)境條件下發(fā)生的非平衡流過程，它并不是傳統(tǒng)理論意義上的均質(zhì)一維垂直向下的流動(dòng)，該運(yùn)動(dòng)與傳統(tǒng)達(dá)西定律推算的水分遷移速度、遷移時(shí)間和遷移量均不一致，而是伴隨著水分沿某些優(yōu)先途徑的集中運(yùn)動(dòng)。其表現(xiàn)形式較多，有大孔隙流、指流、管流、漏斗流、環(huán)繞流、溝槽流、非飽和重力流、部分置換流、短路流和異質(zhì)流等。優(yōu)先流的提出，是土壤水分運(yùn)動(dòng)機(jī)理研究由均質(zhì)走向非均質(zhì)領(lǐng)域的標(biāo)志。

開展土壤水分運(yùn)動(dòng)的優(yōu)先流理論研究是近30年的事情，研究時(shí)間比較短，而土壤的異質(zhì)性更為優(yōu)先流的研究增添了幾分神秘。優(yōu)先流的研究對于山區(qū)泥石流災(zāi)害的形成、水質(zhì)污染、渣土堆放、垃圾場選擇等以及土地利用的各種工程措施設(shè)計(jì)，具有極為重要的指導(dǎo)意義。

由于優(yōu)先流是一種常見現(xiàn)象，影響因子多樣，而且科學(xué)準(zhǔn)確地收集優(yōu)先流還沒有實(shí)現(xiàn)。到目前為止，優(yōu)先流特性還存在不明了之處，還沒有一個(gè)相對量化、系統(tǒng)成形衡量優(yōu)先流的標(biāo)準(zhǔn)。為明晰此問題，本文以長江三峽花崗巖地區(qū)林地管流為例做如下探討。

1 試驗(yàn)地概況

為順利開展長江三峽地區(qū)優(yōu)先流研究，發(fā)現(xiàn)并監(jiān)測自然條件下的典型優(yōu)先流運(yùn)動(dòng)，我們選擇總面積為9.8 km2的湖北省秭歸縣境內(nèi)的曲溪小流域?yàn)樵囼?yàn)基地，建立觀測站。觀測站建自1998年，觀測數(shù)據(jù)翔實(shí)，可為科學(xué)分析優(yōu)先流運(yùn)動(dòng)提供扎實(shí)的數(shù)據(jù)依據(jù)。

該試驗(yàn)基地位于長江三峽大壩的上游8 km 處。流域最高海拔632.1 m，最低海拔133.2 m，屬長江一級支流。研究區(qū)處于亞熱帶，屬大陸性季風(fēng)氣候，多年平均降水量1 150 mm，多集中在5 -10月份。該流域土壤以黃壤為主，溝底有少量水稻土。基巖主要為花崗巖，經(jīng)長期風(fēng)化形成了厚度達(dá)10 m 以上的花崗巖風(fēng)化層。研究區(qū)自然植被類型是以常綠闊葉林為基帶的部分人工林的山地植被。林木以馬尾松、杉木、落葉松、麻櫟和栓皮櫟等樹種構(gòu)成的針闊混交林為主，并伴有部分栽培樹種柑橘、油桐、烏桕、板栗和茶樹等。林下灌木以黃荊、莢迷、毛黃櫨、杜鵑、胡枝子和馬桑等為主，草本以蘭草、白茅、蕨類、苔草和飛蓬等為主。地表有大量苔蘚覆蓋。

2 試驗(yàn)條件及設(shè)備

試驗(yàn)場地選在流域內(nèi)一人為活動(dòng)干擾影響較小的凹型坡面，該坡面海拔300 m，坡向NW33°，坡度28°30'。在坡腳部位垂直開挖一長度為2.5 m、深度為2 m 的土壤剖面。剖面左側(cè)為一溝道，坡面地表徑流由此匯集。在溝口處安置一90°薄壁三角堰，以測定坡面地表徑流。為防止水分滲漏堰基，人工整修至出口基巖。三角堰出口頂寬0.4 m，高0.3 m。在堰池左部安裝一臺(tái)自記水位計(jì)，通過實(shí)測出口處水位與儀器測量值的比較與計(jì)算，得出儀器實(shí)測水位高度，得到該流域的地表徑流過程和地表徑流量。由三角堰測得的流域地表徑流量按下式計(jì)算:

式中:Q——地表徑流量，m3/s;

h——出口處水深，m。

在土壤剖面前方部位搭建一測量用簡易房屋，房屋內(nèi)安置了與優(yōu)先流連通的經(jīng)改裝的日產(chǎn)B -432Z 型長期自記雨量計(jì)作為優(yōu)先流測量器，量測剖面滲流的翻斗式流量計(jì)和監(jiān)測降雨的CR2 型翻斗式電腦數(shù)字雨量儀。

為把從剖面土層中滲出的水分集中后測量，在開挖的土壤剖面下部作一與剖面相當(dāng)?shù)乃嗉?，承接從土壤剖面滲出的水流，即坡面滲流，通過集水器引入翻斗式流量計(jì)測定其過程。同時(shí)，為了防止因降雨引起的土壤剖面侵蝕和由降雨直接進(jìn)入集水槽形成的干擾，試驗(yàn)過程中在剖面上方搭建雨棚，攔截降雨。

3 優(yōu)先流觀測及時(shí)間特性分析

試驗(yàn)在土壤剖面處進(jìn)行雨中觀測，發(fā)現(xiàn)所在剖面土管主要集中在距地表0.65 -1.5 m 水平條狀范圍內(nèi)分布，這一范圍屬土壤B 層(花崗巖風(fēng)化程度較高的層次)向C 層(花崗巖風(fēng)化程度較差的層次)過渡的中間類型。能夠明顯觀測到8 條直徑為4 -8 mm 的土管，大多集中在坡面下部坡腳部位垂直于坡長方向上。因試驗(yàn)儀器所限，選擇了其中4 條進(jìn)行了多年系列觀測。運(yùn)用儀器自計(jì)和人工觀測的方法，在2002 -2004年間共觀測記錄了76 場降雨(以日降雨量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)為標(biāo)準(zhǔn))，其中共觀測到18 次優(yōu)先流。

3.1 周期性

由于長江地區(qū)汛期降水量占全年降水量的70% -80%左右，枯水期長達(dá)7 個(gè)月，其降水量卻僅占20% -30%。根據(jù)對觀測到數(shù)據(jù)的分析發(fā)現(xiàn)，優(yōu)先流的產(chǎn)流基本隨同降水量及降水歷時(shí)的變化而變化，場次間出流歷時(shí)、流量均不相同。從觀測到的優(yōu)先流現(xiàn)象來看，該地區(qū)的優(yōu)先流為季節(jié)性周期出流。

具體來講，優(yōu)先流以自然年度為周期，汛中期為波峰，枯水期為波谷，形成規(guī)律的季節(jié)性周期出流。在2002 -2004年長江三峽花崗巖區(qū)林地優(yōu)先流試驗(yàn)中，枯水期雖然有降水但無優(yōu)先流運(yùn)動(dòng)過程，而汛中期優(yōu)先流現(xiàn)象明顯(見圖1)，一般發(fā)生在每年汛期開始20 d 后至汛期結(jié)束前。2002年和2004年優(yōu)先流首次出流的時(shí)間都發(fā)生在5月，前者為5月23日，后者為5月30日。而優(yōu)先流每年末次出流過程均發(fā)生在8月，2002年為8月28日，2003年為8月7日，2004年為8月25日(見表1)。這說明在該地區(qū)優(yōu)先流的產(chǎn)流過程是季節(jié)性周期出流。

圖1 2002 -2004年優(yōu)先流出流量

表1 優(yōu)先流出流的相關(guān)時(shí)間參數(shù)與流量關(guān)系表

與此同時(shí)，由于優(yōu)先流出流受氣象因素影響較大，即使汛期也因降雨過程差異對優(yōu)先流有顯著影響。

第一，首次出流時(shí)間存在年際差異。2003年優(yōu)先流的首次出流較往年稍晚一些，發(fā)生在6月27日。2002年首次出流時(shí)間發(fā)生在5月23日，2004年首次出流時(shí)間發(fā)生在5月30日。據(jù)2003年降雨統(tǒng)計(jì)資料，試驗(yàn)地當(dāng)年5月日降水量最大值為28 mm，遠(yuǎn)小于2002年的72 mm 和2004年的37 mm。初步分析2003年優(yōu)先流出流較晚與場降水量小和降雨歷時(shí)短有關(guān)。

第二，汛期降雨不一定引起優(yōu)先流運(yùn)動(dòng)。在2002年6月27日至7月26日期間，由于場次降水量小且降水歷時(shí)短，盡管該月份屬于汛期，但仍然不能觀測到明顯的優(yōu)先流出流現(xiàn)象。但是在2003年和2004年同期都有多場次的優(yōu)先流出流(圖2)。

圖2 2002年6月28日至7月28日間降雨量

第三，優(yōu)先流運(yùn)動(dòng)都是在一場暴雨或大暴雨，或多場中到大雨數(shù)小時(shí)后發(fā)生。在2002 -2004年的觀測中，發(fā)生諸次優(yōu)先流運(yùn)動(dòng)過程的降雨條件或是降雨歷時(shí)，以中到大雨為主的降雨在15 h 以上，或是暴雨以上雨型歷時(shí)5 h 以上降雨(見圖3、圖4)。

圖3 2002年優(yōu)先流對降雨(類型)的響應(yīng)

圖4 2003年優(yōu)先流對降雨(類型)的響應(yīng)

3.2 滯后性

第一，優(yōu)先流出流滯后于降雨過程。從表1 中不難看出優(yōu)先流主要集中在汛期發(fā)生，并且優(yōu)先流首次出流時(shí)間滯后降雨13 -92 h。而其他場次的優(yōu)先流出流過程往往也滯后降雨過程數(shù)小時(shí)以上。如2002年6月24日的優(yōu)先流出流較降雨晚5.42 h(圖5)。

第二，優(yōu)先流出流時(shí)間滯后于滲流過程。表2列舉了2004年數(shù)次優(yōu)先流及滲流過程起止時(shí)間及流量。從各次出流時(shí)間來看，優(yōu)先流出流總滯后于滲流。最短的是2004年7月13日和7月17日降雨中，優(yōu)先流出流時(shí)間滯后滲流1 h。2004年8月14日降雨優(yōu)先流滯后滲流達(dá)34 h 之久。

表2 2004年優(yōu)先流與滲流運(yùn)動(dòng)過程

第三，同一剖面優(yōu)先流路徑較深，出流時(shí)間滯后位于上部的其他優(yōu)先流。從2003年優(yōu)先流試驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)，同屬于B 層的優(yōu)先流路徑A 和路徑B 的產(chǎn)流首次時(shí)間不同。位于同一剖面的優(yōu)先流路徑A較路徑B 的位置略高，離地面更近。路徑A 的首次產(chǎn)流時(shí)間是6月27日，路徑B 的首次產(chǎn)流時(shí)間是7月21日。這說明距地表較遠(yuǎn)的優(yōu)先流路徑產(chǎn)流時(shí)間相對淺層優(yōu)先流路徑產(chǎn)流滯后。又如，在2003年7月4日至5日的降雨中，位于高位的A 管出流歷時(shí)較長，4日16:45 至7日8:45，歷時(shí)達(dá)64 h。而G管出流始于4日17:20 止于6日19:20，歷時(shí)僅有50 h。同時(shí)可以看出，優(yōu)先流路徑較深的G 管出流明顯晚于位于上部的A 管，相差約35 min。

圖5 20020624 降雨量和優(yōu)先流4 h 變化圖

3.3 超前性

第一，優(yōu)先流場次間出流結(jié)束時(shí)間早于滲流結(jié)束時(shí)間。通過對表2 的幾場降雨產(chǎn)生的滲流和優(yōu)先流的結(jié)束時(shí)間進(jìn)行比較，可以發(fā)現(xiàn)滲流結(jié)束時(shí)間總是超前于優(yōu)先流。如在2004年7月13日至14日的優(yōu)先流出流結(jié)束后同一剖面的滲流在次日12:00才結(jié)束(表2)，整整晚了18 h。換句話說，優(yōu)先流超前于滲流18 h 結(jié)束。

第二，同一剖面優(yōu)先流路徑位置較深的優(yōu)先流結(jié)束時(shí)間早于優(yōu)先流路徑較淺的優(yōu)先流。在2003年7月4日至5日的降雨中，位于高位的A 管出流時(shí)間為4日16:45 至7日8:45，而G 管出流始于4日17:20 止于6日19:20(見圖6)?？梢钥闯?，優(yōu)先流路徑較深的G 管的優(yōu)先流結(jié)束時(shí)間較位于上部的A 管的優(yōu)先流早約13 h。

圖6 20030704 場次降雨后A 管與G 管優(yōu)先流過程

第三，優(yōu)先流末次出流早于枯水期。從表1 中可以看出，2002 -2004年的末次出流均在8月，2002年為8月28日，2003年為8月7日，2004年為8月25日，這一時(shí)間要早于汛期的結(jié)束日期大約一個(gè)月左右，也遠(yuǎn)早于枯水期。

4 結(jié)論

研究發(fā)現(xiàn)，長江三峽花崗巖地區(qū)林地優(yōu)先流具有周期性、滯后性和超前性等時(shí)間特性:①優(yōu)先流為季節(jié)性周期出流，每年汛期都能觀測到明顯的優(yōu)先流現(xiàn)象;②優(yōu)先流的滯后性體現(xiàn)在優(yōu)先流出流一般l 滯后于降雨過程，優(yōu)先流出流時(shí)間滯后于滲流過程，以及同一剖面優(yōu)先流路徑較深出流時(shí)間滯后于位于上部的其他優(yōu)先流;③優(yōu)先流的超前性體現(xiàn)在單場次優(yōu)先流出流的結(jié)束時(shí)間早于滲流結(jié)束時(shí)間;④在同一剖面不同位置的優(yōu)先流出流的差異性上，表現(xiàn)為位置較深的優(yōu)先流路徑結(jié)束時(shí)間超前上部的優(yōu)先流路徑出流的優(yōu)先流;⑤超前性還體現(xiàn)在優(yōu)先流末次出流超前于枯水期。

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