喀斯特小流域表层带水文补给机制

作     者：佘榕 

作者单位：贵州师范大学 

学位级别：硕士

导师姓名：刘子琦;熊康宁

授予年度：2022年

学科分类：08[工学] 081501[工学-水文学及水资源] 0815[工学-水利工程] 

主      题：水文补给 稳定同位素 水化学 小流域 表层带 

摘      要：喀斯特地区具有特殊的二元三维空间结构,在复杂的水文地质背景下形成了地表流失-地下漏失双重水文格局,由高度风化的碳酸盐基岩组成的表层带具有重要的水文调蓄功能。表层带结构系统如何影响喀斯特近地表水文过程的机制尚不明确,探讨表层带水文补给机制对喀斯特脆弱生态环境恢复重建、水土资源协调利用具有重要意义。基于喀斯特水文地质结构、水文循环特点,结合环境同位素技术和水化学研究理论,针对喀斯特小流域表层带水文补给机制尚不明确的科学问题,在代表中国南方喀斯特石漠化环境类型总体结构的贵州高原选择关岭-贞丰、施秉、毕节撒拉溪三个典型石漠化综合治理示范区为研究区,相应研究区内分别选择查尔岩小流域表层带、黑冲小流域表层带、冲锋小流域表层带作为监测区域,通过野外定点长期监测,测定径流-汇流、地下水、壤中流等不同水文来源的水化学元素浓度、δD和δO。分析不同降雨条件下小流域表层带水化学、产流、δD和δO动态变化特征,使用二端元混合模型分析不同降雨条件下小流域表层带产流的“新水和“旧水比例,利用Iso Source模型确定不同水分补给源对小流域表层带产流的补给贡献率,进而揭示喀斯特小流域表层带水文补给机制。为喀斯特生态环境恢复重建,水土资源协调利用提供科学依据。(1)发现不同石漠化环境下小流域表层带的地质岩性差异,导致小流域表层带降雨过程中水化学特征也存在差异。查尔岩小流域表层带水化学以HCO-Ca型为主,黑冲小流域表层带水化学类型以HCO-Mg-Ca型为主,冲锋小流域表层带水化学以HCO-Ca型为主。三个小流域的阴离子均表现为SO、HCO含量最为丰富,其中SO平均含量表现为:冲锋小流域(26.00 mg/L)黑冲小流域(23.01 mg/L)查尔岩小流域(12.30 mg/L),HCO平均含量表现为:黑冲小流域(409.77 mg/L)查尔岩小流域(353.60 mg/L)冲锋小流域(246.00 mg/L)。在查尔岩小流域表层带和黑冲小流域表层带阳离子则表现为Ca和Mg含量最为丰富,在冲锋小流域表层带则表现为Ca含量最为丰富。三个小流域地下水Ca平均含量表现为:查尔岩小流域(110.50mg/L)冲锋小流域(109.93 mg/L)黑冲小流域(84.64 mg/L),而地下水Mg平均含量变现为:黑冲小流域(28.81 mg/L)查尔岩小流域(8.27 mg/L)冲锋小流域(2.90 mg/L)。(2)发现了不同石漠化环境下小流域表层带的产流差异,阐明了中-强度石漠化区域产流动态变化特征。在2021年雨季查尔岩小流域表层带产流53696.601 L,黑冲小流域表层带产流1537061.621 L,冲锋小流域表层带产流546134.4 L。三个研究区域的产流系数分别表现为黑冲小流域(0.148%)冲锋小流域(0.116%)查尔岩小流域(0.010%)。其中查尔岩小流域的径流系数最低,表明该流域容易形成地下渗漏。由于查尔岩小流域属于强度石漠化区,基岩裸露率高,裂隙溶沟分布广,促进了水分的垂向渗漏,降雨难以形成地表径流。而黑冲小流域属于无-潜在石漠化区域,区域内部少有裂隙溶沟发育,难以形成地下渗漏,易于形成地表径流。对中-强度石漠化区域的查尔岩小流域表层带径流点和汇流点产流动态监测表明:产流时间呈现汇流处(787.14 min)径流点2(598.57 min)径流点1(462.84 min),径流量峰值表现为汇流处(335.50 L/s)径流点2(137.94 L/s)径流点1(30.36 L/s),达到峰值累计降雨量表现为汇流处(20.3 mm)径流点1(18.28 mm)径流点2(17.08 mm),降雨响应敏感性为:径流点2汇流处径流点1。表明汇流处相比较径流点对降雨响应存在滞后性,但其产流持续时间、径流量均明显高于径流点,也反映出径流1和径流2对汇流处具有明显的水分补给作用,汇流点水分来源可能较为复杂,存在多种补给来源,且在补给过程中存在混合机制。(3)揭示小流域表层带水分补给来源及其补给机制。表层带结构与前期水文条件控制了小流域产流补给过程,查尔岩小流域表层带的地下水与降雨是该流域产流的主要补给来源。随着降雨事件的增多,查尔岩小流域汇流处降雨补给比例不断增加,在持续性的降雨事件中,降雨是该流域主要补给源。当小流域前期降水量较少,处于相对不饱和的状态下,产流主要是以地下水补给为主。表明小流域坡面产流方式主要为蓄满产流,且小流域的水分补给来源受前期降雨条件影响,流域水文过程的超渗产流与蓄满产流表现为间歇性的。同时在小流域的产流过程中,基于δD对径流点和汇流处新旧水所占比例划分,结果表明补给水源以旧水占主导,所占比例均达85%以上,而新水所占比例则在15%以下。黑冲小流域表层带出水口处的落水洞水分来源以旧水占主导,所占比例均达75%以上,降雨是黑冲小流域表层带出水口落水洞的主要补给水源。冲锋小流域表层带出水口处的落水洞水分来源以旧水占主导,所占比例均达80%以上,降雨是冲锋小流域落水洞的主要补给水源,平均补给贡献率达到42.2%。其次是壤中流,平均补给贡献率达到32.67%,而地下水的平均补给贡献率则为25.13%。