西南喀斯特流域水文過程研究取得進(jìn)展

2020-10-10 王發(fā)      】

  西南喀斯特地區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱,土壤淺薄、巖石裸露率高,強烈的巖溶作用形成地表、地下雙層結(jié)構(gòu),水文過程迅速且時空異質(zhì)性高。在全球氣候變化背景下,極端氣候發(fā)生頻率增加,旱澇災(zāi)害嚴(yán)重,亟需探明喀斯特流域水文過程及其調(diào)控機制。與非喀斯特地區(qū)土壤層調(diào)控水文過程為主不同,喀斯特地區(qū)水文過程主要由植被、土壤、表層巖溶帶以及管道、裂隙耦合而成的復(fù)雜多界面結(jié)構(gòu)控制。但是,如何定量評估土壤-表層巖溶帶系統(tǒng)及多重儲水/導(dǎo)水介質(zhì)(管道、裂隙、基質(zhì))對徑流的調(diào)蓄作用,是提升喀斯特流域水源涵養(yǎng)功能面臨的主要難題。此外,如何評估流域水文過程對植被變化的響應(yīng)是衡量區(qū)域生態(tài)恢復(fù)工程水文效應(yīng)的重要指標(biāo)。 

  中國科學(xué)院亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所環(huán)江喀斯特生態(tài)系統(tǒng)觀測研究站陳洪松課題組依托木連小流域水文監(jiān)測系統(tǒng),結(jié)合物探技術(shù)和穩(wěn)定氫氧同位素/水化學(xué)(NO3-、TOC、Ca2+、Mg2+HCO3-)示蹤技術(shù),分析了地表溪流水和不同類型泉水的補給過程,評估了土壤-表層巖溶帶和管道-裂隙-基質(zhì)系統(tǒng)對溪流水補給的調(diào)蓄作用。結(jié)果發(fā)現(xiàn),溪流水平均滯留時間為43周,間歇泉(1號泉水)平均滯留時間(23周)明顯低于常流泉(2號泉水,201周)。這是因為間歇泉補給區(qū)內(nèi)裸巖率高,土壤和表層巖溶帶相對淺薄且管道裂隙發(fā)育,導(dǎo)致含水層儲水空間小、調(diào)蓄能力差,對降雨響應(yīng)更敏感。雖然在周尺度上,間歇泉、常流泉和溪流水新水補給比例分別可達(dá)到80%、60%55%,但在年際尺度上溪流水和泉水均主要受到舊水補給(>90%),降雨通過與前期地下水充分混合后補給泉水和溪流水。另一方面,小流域地表溪流水的主要補給源不是出流泉水(旱季補給比例較高,但最大不超過25%),而是以壤中流和表層巖溶帶水為主的地下徑流。 

  NO3-為示蹤劑,將溪流水補給來源概化為土壤和表層巖溶帶兩種儲水介質(zhì),應(yīng)用二元混合模型,發(fā)現(xiàn)表層巖溶帶是溪流水的最重要補給來源。次降雨事件中,土壤水對溪流水的貢獻(xiàn)量最大僅有16.8%;而在年尺度,土壤水平均供水量為1.4%。將表層巖溶帶進(jìn)一步細(xì)分為管道、裂隙、基質(zhì),根據(jù)水流在三種導(dǎo)水介質(zhì)中的滯留時間不同而引起的電導(dǎo)率值的差異,應(yīng)用電導(dǎo)率頻率分布(CFD)方法,發(fā)現(xiàn)由于小流域巖溶化發(fā)育程度較低,基質(zhì)流均是溪流水最主要的補給來源(旱季>80%、雨季>55%),但管道在小流域富水階段也是重要的排水通道(最大10%-15%)。 

  在區(qū)域尺度,分析了1980s~2015年龍江流域(1.6km2)及其3個子流域(環(huán)江流域,中洲小江流域和東小江流域)水文要素的時空變化特征及其與植被覆蓋變化的關(guān)系,定量、半定量區(qū)分了氣候變化和植被恢復(fù)對徑流的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn),4個流域2003~2015年徑流量較1985~2002年減少,降雨量對年徑流減少的貢獻(xiàn)率為17.5~52.9%,顯著低于非喀斯特流域的研究結(jié)果,表明喀斯特流域徑流對植被變化的響應(yīng)更加敏感。植被恢復(fù)能有效提升區(qū)域水文調(diào)節(jié)功能,退耕還林等人類活動改變了徑流在季節(jié)尺度上的分配,其對非汛期徑流增加的貢獻(xiàn)率與流域喀斯特地貌占比呈負(fù)相關(guān)。在喀斯特地貌占比較大的龍江流域(81%)和環(huán)江流域(66%),植被恢復(fù)是非汛期徑流增加的主要原因;而在喀斯特地貌占比較小的中洲小江流域(61%)和東小江流域(26%),植被覆蓋沒有發(fā)生突變,非汛期徑流增加主要受氣候變化影響。 

  研究成果以Hydrological Response of Karst Stream to Precipitation Variation Recognized through the Quantitative Separation of Runoff為題發(fā)表在Science of the Total Environment期刊上;以Seasonal Recharge of Spring and Stream Waters in a Karst Catchment Revealed by Isotopic and Hydrochemical Analyses為題,發(fā)表在Journal of Hydrology期刊上;以Separating the Relative Contributions of Climate Change and Ecological Restoration to Runoff Change in a Mesoscale Karst Basin為題,發(fā)表在Catena期刊上。該研究得到國家自然科學(xué)基金、中科院國際伙伴計劃、廣西自然科學(xué)基金、中科院西部學(xué)者項目的資助。 

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  泉水和溪流水平均滯留時間估算(左)和新舊水補給比例的季節(jié)性變化特征分析(右) 

  溪流水補給來源(管道、裂隙、基質(zhì))季節(jié)性變化特征 

  1985—2015龍江流域植被變化(左)及氣候變化和人類活動對季節(jié)尺度徑流變化的貢獻(xiàn)(右) 

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