长江三峡花岗岩地区林地优先流时间特性分析

李金峰

(1 太原理工大学 2 山西省水土保持科学研究所)

优先流是在多种环境条件下发生的非平衡流过程，它并不是传统理论意义上的均质一维垂直向下的流动，该运动与传统达西定律推算的水分迁移速度、迁移时间和迁移量均不一致，而是伴随着水分沿某些优先途径的集中运动。其表现形式较多，有大孔隙流、指流、管流、漏斗流、环绕流、沟槽流、非饱和重力流、部分置换流、短路流和异质流等。优先流的提出，是土壤水分运动机理研究由均质走向非均质领域的标志。

开展土壤水分运动的优先流理论研究是近30年的事情，研究时间比较短，而土壤的异质性更为优先流的研究增添了几分神秘。优先流的研究对于山区泥石流灾害的形成、水质污染、渣土堆放、垃圾场选择等以及土地利用的各种工程措施设计，具有极为重要的指导意义。

由于优先流是一种常见现象，影响因子多样，而且科学准确地收集优先流还没有实现。到目前为止，优先流特性还存在不明了之处，还没有一个相对量化、系统成形衡量优先流的标准。为明晰此问题，本文以长江三峡花岗岩地区林地管流为例做如下探讨。

1 试验地概况

为顺利开展长江三峡地区优先流研究，发现并监测自然条件下的典型优先流运动，我们选择总面积为9.8 km2的湖北省秭归县境内的曲溪小流域为试验基地，建立观测站。观测站建自1998年，观测数据翔实，可为科学分析优先流运动提供扎实的数据依据。

该试验基地位于长江三峡大坝的上游8 km 处。流域最高海拔632.1 m，最低海拔133.2 m，属长江一级支流。研究区处于亚热带，属大陆性季风气候，多年平均降水量1 150 mm，多集中在5 -10月份。该流域土壤以黄壤为主，沟底有少量水稻土。基岩主要为花岗岩，经长期风化形成了厚度达10 m 以上的花岗岩风化层。研究区自然植被类型是以常绿阔叶林为基带的部分人工林的山地植被。林木以马尾松、杉木、落叶松、麻栎和栓皮栎等树种构成的针阔混交林为主，并伴有部分栽培树种柑橘、油桐、乌桕、板栗和茶树等。林下灌木以黄荆、荚迷、毛黄栌、杜鹃、胡枝子和马桑等为主，草本以兰草、白茅、蕨类、苔草和飞蓬等为主。地表有大量苔藓覆盖。

2 试验条件及设备

试验场地选在流域内一人为活动干扰影响较小的凹型坡面，该坡面海拔300 m，坡向NW33°，坡度28°30'。在坡脚部位垂直开挖一长度为2.5 m、深度为2 m 的土壤剖面。剖面左侧为一沟道，坡面地表径流由此汇集。在沟口处安置一90°薄壁三角堰，以测定坡面地表径流。为防止水分渗漏堰基，人工整修至出口基岩。三角堰出口顶宽0.4 m，高0.3 m。在堰池左部安装一台自记水位计，通过实测出口处水位与仪器测量值的比较与计算，得出仪器实测水位高度，得到该流域的地表径流过程和地表径流量。由三角堰测得的流域地表径流量按下式计算:

式中:Q——地表径流量，m3/s;

h——出口处水深，m。

在土壤剖面前方部位搭建一测量用简易房屋，房屋内安置了与优先流连通的经改装的日产B -432Z 型长期自记雨量计作为优先流测量器，量测剖面渗流的翻斗式流量计和监测降雨的CR2 型翻斗式电脑数字雨量仪。

为把从剖面土层中渗出的水分集中后测量，在开挖的土壤剖面下部作一与剖面相当的水泥集水槽，承接从土壤剖面渗出的水流，即坡面渗流，通过集水器引入翻斗式流量计测定其过程。同时，为了防止因降雨引起的土壤剖面侵蚀和由降雨直接进入集水槽形成的干扰，试验过程中在剖面上方搭建雨棚，拦截降雨。

3 优先流观测及时间特性分析

试验在土壤剖面处进行雨中观测，发现所在剖面土管主要集中在距地表0.65 -1.5 m 水平条状范围内分布，这一范围属土壤B 层(花岗岩风化程度较高的层次)向C 层(花岗岩风化程度较差的层次)过渡的中间类型。能够明显观测到8 条直径为4 -8 mm 的土管，大多集中在坡面下部坡脚部位垂直于坡长方向上。因试验仪器所限，选择了其中4 条进行了多年系列观测。运用仪器自计和人工观测的方法，在2002 -2004年间共观测记录了76 场降雨(以日降雨量统计数据为标准)，其中共观测到18 次优先流。

3.1 周期性

由于长江地区汛期降水量占全年降水量的70% -80%左右，枯水期长达7 个月，其降水量却仅占20% -30%。根据对观测到数据的分析发现，优先流的产流基本随同降水量及降水历时的变化而变化，场次间出流历时、流量均不相同。从观测到的优先流现象来看，该地区的优先流为季节性周期出流。

具体来讲，优先流以自然年度为周期，汛中期为波峰，枯水期为波谷，形成规律的季节性周期出流。在2002 -2004年长江三峡花岗岩区林地优先流试验中，枯水期虽然有降水但无优先流运动过程，而汛中期优先流现象明显(见图1)，一般发生在每年汛期开始20 d 后至汛期结束前。2002年和2004年优先流首次出流的时间都发生在5月，前者为5月23日，后者为5月30日。而优先流每年末次出流过程均发生在8月，2002年为8月28日，2003年为8月7日，2004年为8月25日(见表1)。这说明在该地区优先流的产流过程是季节性周期出流。

图1 2002 -2004年优先流出流量

表1 优先流出流的相关时间参数与流量关系表

与此同时，由于优先流出流受气象因素影响较大，即使汛期也因降雨过程差异对优先流有显著影响。

第一，首次出流时间存在年际差异。2003年优先流的首次出流较往年稍晚一些，发生在6月27日。2002年首次出流时间发生在5月23日，2004年首次出流时间发生在5月30日。据2003年降雨统计资料，试验地当年5月日降水量最大值为28 mm，远小于2002年的72 mm 和2004年的37 mm。初步分析2003年优先流出流较晚与场降水量小和降雨历时短有关。

第二，汛期降雨不一定引起优先流运动。在2002年6月27日至7月26日期间，由于场次降水量小且降水历时短，尽管该月份属于汛期，但仍然不能观测到明显的优先流出流现象。但是在2003年和2004年同期都有多场次的优先流出流(图2)。

图2 2002年6月28日至7月28日间降雨量

第三，优先流运动都是在一场暴雨或大暴雨，或多场中到大雨数小时后发生。在2002 -2004年的观测中，发生诸次优先流运动过程的降雨条件或是降雨历时，以中到大雨为主的降雨在15 h 以上，或是暴雨以上雨型历时5 h 以上降雨(见图3、图4)。

图3 2002年优先流对降雨(类型)的响应

图4 2003年优先流对降雨(类型)的响应

3.2 滞后性

第一，优先流出流滞后于降雨过程。从表1 中不难看出优先流主要集中在汛期发生，并且优先流首次出流时间滞后降雨13 -92 h。而其他场次的优先流出流过程往往也滞后降雨过程数小时以上。如2002年6月24日的优先流出流较降雨晚5.42 h(图5)。

第二，优先流出流时间滞后于渗流过程。表2列举了2004年数次优先流及渗流过程起止时间及流量。从各次出流时间来看，优先流出流总滞后于渗流。最短的是2004年7月13日和7月17日降雨中，优先流出流时间滞后渗流1 h。2004年8月14日降雨优先流滞后渗流达34 h 之久。

表2 2004年优先流与渗流运动过程

第三，同一剖面优先流路径较深，出流时间滞后位于上部的其他优先流。从2003年优先流试验可以发现，同属于B 层的优先流路径A 和路径B 的产流首次时间不同。位于同一剖面的优先流路径A较路径B 的位置略高，离地面更近。路径A 的首次产流时间是6月27日，路径B 的首次产流时间是7月21日。这说明距地表较远的优先流路径产流时间相对浅层优先流路径产流滞后。又如，在2003年7月4日至5日的降雨中，位于高位的A 管出流历时较长，4日16:45 至7日8:45，历时达64 h。而G管出流始于4日17:20 止于6日19:20，历时仅有50 h。同时可以看出，优先流路径较深的G 管出流明显晚于位于上部的A 管，相差约35 min。

图5 20020624 降雨量和优先流4 h 变化图

3.3 超前性

第一，优先流场次间出流结束时间早于渗流结束时间。通过对表2 的几场降雨产生的渗流和优先流的结束时间进行比较，可以发现渗流结束时间总是超前于优先流。如在2004年7月13日至14日的优先流出流结束后同一剖面的渗流在次日12:00才结束(表2)，整整晚了18 h。换句话说，优先流超前于渗流18 h 结束。

第二，同一剖面优先流路径位置较深的优先流结束时间早于优先流路径较浅的优先流。在2003年7月4日至5日的降雨中，位于高位的A 管出流时间为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(见图6)。可以看出，优先流路径较深的G 管的优先流结束时间较位于上部的A 管的优先流早约13 h。

图6 20030704 场次降雨后A 管与G 管优先流过程

第三，优先流末次出流早于枯水期。从表1 中可以看出，2002 -2004年的末次出流均在8月，2002年为8月28日，2003年为8月7日，2004年为8月25日，这一时间要早于汛期的结束日期大约一个月左右，也远早于枯水期。

4 结论

研究发现，长江三峡花岗岩地区林地优先流具有周期性、滞后性和超前性等时间特性:①优先流为季节性周期出流，每年汛期都能观测到明显的优先流现象;②优先流的滞后性体现在优先流出流一般l 滞后于降雨过程，优先流出流时间滞后于渗流过程，以及同一剖面优先流路径较深出流时间滞后于位于上部的其他优先流;③优先流的超前性体现在单场次优先流出流的结束时间早于渗流结束时间;④在同一剖面不同位置的优先流出流的差异性上，表现为位置较深的优先流路径结束时间超前上部的优先流路径出流的优先流;⑤超前性还体现在优先流末次出流超前于枯水期。

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