長江流域花崗巖地區(qū)林地優(yōu)先流時間特性分析

長江流域花崗巖地區(qū)林地優(yōu)先流時間特性分析

優(yōu)先流是在不同環(huán)境條件下發(fā)生的非平衡流過程。這不是傳統(tǒng)理論意義上的平等、垂直和水平運(yùn)動，而是傳統(tǒng)云西法計(jì)算的水位運(yùn)動的運(yùn)動速度、運(yùn)動時間和運(yùn)動時間。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)動的優(yōu)先流理論研究是近30年的事情,研究時間比較短,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研究區(qū)地貌及自然條件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,我們選擇總面積為9.8km2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8km處。流域最高海拔632.1m,最低海拔133.2m,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1150mm,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?；鶐r主要為花崗巖,經(jīng)長期風(fēng)化形成了厚度達(dá)10m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地表徑流調(diào)查和測量試驗(yàn)場地選在流域內(nèi)一人為活動干擾影響較小的凹型坡面,該坡面海拔300m,坡向NW33°,坡度28°30'。在坡腳部位垂直開挖一長度為2.5m、深度為2m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0.4m,高0.3m。在堰池左部安裝一臺自記水位計(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;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,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坡面上的變形地質(zhì)觀測試驗(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0.65-1.5m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4-8mm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災(zāi)后出流特征由于長江地區(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的變化而變化,場次間出流歷時、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20d后至汛期結(jié)束前。2002年和2004年優(yōu)先流首次出流的時間都發(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。與此同時,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年首次出流時間發(fā)生在5月23日,2004年首次出流時間發(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28mm,遠(yuǎn)小于2002年的72mm和2004年的37mm。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短有關(guān)。第二,汛期降雨不一定引起優(yōu)先流運(yùn)動。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)。第三,優(yōu)先流運(yùn)動都是在一場暴雨或大暴雨,或多場中到大雨數(shù)小時后發(fā)生。在2002-2004年的觀測中,發(fā)生諸次優(yōu)先流運(yùn)動過程的降雨條件或是降雨歷時,以中到大雨為主的降雨在15h以上,或是暴雨以上雨型歷時5h以上降雨(見圖3、圖4)。3.2出流時間及滯后第一,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)先流首次出流時間滯后降雨13-92h。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)小時以上。如2002年6月24日的優(yōu)先流出流較降雨晚5.42h(圖5)。第二,優(yōu)先流出流時間滯后于滲流過程。表2列舉了2004年數(shù)次優(yōu)先流及滲流過程起止時間及流量。從各次出流時間來看,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)先流出流時間滯后滲流1h。2004年8月14日降雨優(yōu)先流滯后滲流達(dá)34h之久。第三,同一剖面優(yōu)先流路徑較深,出流時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)流時間是6月27日,路徑B的首次產(chǎn)流時間是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管出流歷時較長,4日16:45至7日8:45,歷時達(dá)64h。而G管出流始于4日17:20止于6日19:20,歷時僅有50h。同時可以看出,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35min。3.3優(yōu)先流的情況第一,優(yōu)先流場次間出流結(jié)束時間早于滲流結(jié)束時間。通過對表2的幾場降雨產(chǎn)生的滲流和優(yōu)先流的結(jié)束時間進(jìn)行比較,可以發(fā)現(xiàn)滲流結(jié)束時間總是超前于優(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18h。換句話說,優(yōu)先流超前于滲流18h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)。可以看出,優(yōu)先流路徑較深的G管的優(yōu)先流結(jié)束時間較位于上部的A管的優(yōu)先流早約13h。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,這一時間要早于汛期的結(jié)束日期大約一個月左右,也遠(yuǎn)早于枯水期。4優(yōu)先流的特性研究發(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