降雨新生径流占全球河川径流量比例分析

[加拿大] S.贾斯琴科

水文水资源

降雨新生径流占全球河川径流量比例分析

[加拿大] S.贾斯琴科

生物地球化学循环、污染物运移和化学侵蚀都通过降雨在地表形成河川径流的速度来调节。径流是新老降雨的混合，然而，目前新老降雨产流在全球河川径流中的占比还是未知的。收集并分析了来自世界各地的254个流域的雨、雪和径流中季节性循环的氧同位素比值，并计算出过去2～3月内降雨产生的那部分径流所占比例。这种新产生的径流约占全球河川径流的1/3，在所调查的约90%的流域中，至少5%的流量来自于新近降雨。由于新生径流只有不到0.1%来自全球地下水存储，最终得出结论，尽管量级较小，但薄含水层仍将对河流水质产生较大影响。

降雨；污染物；径流；河流；影响分析

1 降雨新生径流占比

计算水通过地表输移时间对于预测溶质、营养物质和污染物的滞留、移动和去向均十分重要。虽然世界各地的水文测站计算降水、径流之间的时间延迟，但都是测量水势的快速性而不是水流本身的速度，而该速度通常会慢几个数量级。一般研究的径流“年龄”主要是测量降水中地球化学保守性示踪物质(如Cl-、18O、2H)出现在径流中所需的时间。通常有两种径流年龄计算方法： ①次降雨水位线分离法，即把来自当次降雨的“次降雨量”从径流中分离出来，这是相对于来自降雨前流域存储的“前期降雨量”； ②降雨在非暴雨期到达河流所需的平均传播时间。

虽然次降雨水位线分离法为数十个小流域(流域面积小于100 km2)的次降雨和降雨前水量研究提供了一定参考，但该方法无法计算无降雨时段径流时间的长短，而通常这一时段持续时间较长。另外，根据对100个小流域开展深入研究，通过分析降水和径流中稳定同位素的季节性波动，计算出其平均传输时间通常是15 a。然而最近的研究表明，这种方法估算的平均传输时间易受累积误差影响，即真正的平均传输时间很有可能被低估。

虽然降雨和径流中季节性循环的18O作为计算平均传输时间的指标并不可靠，但可用来衡量新径流所占比重，这里的新径流是指通过降雨穿越流域地表到达河流的时间少于2.3±0.8个月的新生径流。最近有研究表明，即使在非均匀和非稳态的流域，这种新生径流所占比例也可以被量化。基于稳定同位素的新径流估算通过18O在水圈的自然季节性循环得到(δ18O=([18O/16O样本]/[18O/16O标准海水]-1)×103‰)。降水的18O值往往具有明显的季节性，尤其是在大陆内部，这是由于温度和大气层水汽输送途径的季节性变化改变了雨水驱动的分离。径流中18O值通常遵循类似的季节性周期，但相对于降水输入有衰减和相移，这是因为雨水还有一部分在湖泊、土壤和含水层中混合和存储。通过比较降水和径流中18O的季节性周期，估算出全球254条河流的新生径流比重，在空间尺度上，比以往大多数稳定同位素示踪技术应用的跨越都要大。

对全球的分析表明，新生径流约占全球河川径流量的1/3，分布较广泛。在这254条河流中，新生径流平均占比为26%，中位数为21%(10%～90%范围内占比为4%～53%)。以有流量数据的190个流域为基础，计算出流量加权的新径流比重为34%。在所研究河流中，新径流占比超过10%的约占3/4，绝大多数研究河流(89%)中新生径流的占比都超过5%。

新生径流占比较小(<5%)的河流一般为大型天然湖泊和水库下游，如瑞典约塔(Göta älv)河在维纳恩(Vänern)湖下游的部分，瑞士阿勒(Aare)河在图恩湖下游的部分，以及美国密苏里河位于加里森(Garrison)大坝下游的部分，都与其挡水时间较长密切相关。相反，新生径流比重大于50%的大多为自由流淌的河流，如杰纳布(Chenab)河(巴基斯坦北部)和内格罗(Negro)河(巴西，亚马逊流域)，但在全球范围内并不多见(约占所研究河流的11%)。

大多数河流(89%)有相当比重的(>5%)新生径流，这一研究结果对污染物运移具有重要意义。保守示踪剂的光谱分析已经表明，流域的传输时间分布具有“长尾巴”的现象，这意味着可溶性污染物在流域的留存时间跨度长，被缓慢释放进入地表水。研究表明，虽然流域可以长时间留存污染物，但也会将一部分可溶性污染物迅速传输至河流中。新生径流在全球河流中的普遍存在意味着，即使典型流域的平均运输时间很长(数年到数十年)，但新生径流也可以在很短的时间内(2个月以内)将污染物传输至地表水。总的来说，多数流域都存在大量的快速和缓慢的径流，从而可以迅速将相当一部分水溶性污染物运至河流中，同时在流域将一部分污染物留存数年或数十年。

2 陡峭山区情况

该研究观测站点大多位于北美和欧洲，新生径流占比的空间分布表明，在陡峭山区流域，新径流的分布不如梯度平缓地区普遍。在这254个研究流域中，新径流比重与平均地形梯度的对数之间呈显著负相关关系(斯皮尔曼等级相关ρ=-0.36，p<0.000 1)，由此可以证明以上观点。如果地势陡峭的流域主要位于山区，大量积雪在夏天融化，会使带有“冬天”同位素标识的径流在夏天出现，使季节性同位素循环出现“迟滞”的效应，这就有可能使上述相关关系不成立。为此，排除了长序列二月雪水平均当量超过平均年降水量10%的流域，并发现这种负相关性更加显著(ρ=-0.39，p<0.000 1)。

新生径流在平坦地形区域分布更为普遍反映了这些地区农业的发展，在梯度平缓地区快速径流也随之增加。这一假设与254个测站所观测到的结果一致。耕地在各流域的比重与新生径流的比重显著相关，当然也与平均坡度呈负相关。

相反，新径流在陡峭地形的分布减少，这说明陡峭的地形往往有利于更深层的垂直渗流，而不是浅层的侧向流。这种山区流域产生更多渗流的趋势似乎不合常理，但与产流和地下水流动的概念模型一致，表明地形粗糙度使地下水的长流路绕过一级河流。陡峭地区新生径流比重较小，这表明在陡峭地形中，由于岩石应力产生基岩裂隙，提高了渗透性，促进了更深层的渗流。在这254个流域中，新生径流比重与平均水位深度(ρ=-0.26，p<0.000 1)以及基岩渗透率(ρ=-0.15，p<0.02)呈负相关，这也证实了以上假设。在更陡峭的流域，新生径流与水深以及基岩渗透率之间呈更显著的相关性。反之，山区流域新径流比重小，意味着可溶养分不太可能很快分流至地表水，从而更容易被生物降解。此外，从某种程度上来说，陡峭的地形具有更深的渗流和更长的地下水滞留时间，因此，河流中可能出现更高浓度的侵蚀产物。

往往陡峭的流域新生径流较小，虽然有其统计学意义，但新生径流和地形坡度的对数之间的关系表现出明显的分散，表明其他的流域特征也影响新径流。

在收集的数据集中，地形梯度与新生径流比重显示了极强的相关性，但未解释的方差比重大，这表明其他变量也发挥了重要作用。此外，还观察到新生径流比重与流域面积、年降水量、基岩孔隙度、人口密度，或流域中牧场或开放水域的比例组成之间没有显著的相关性。其他一些以前确定与径流年龄有关的控制因素在区域尺度上可能比较关键，如坡向、土壤排水分类、基岩地质或降水的季节性。以前的研究表明，上述因素中，有些与径流时段有很强的相关性，但这种相关性通常只是局限在特定的气候条件以及少量测站中(254个流域中不足10个流域)。

由于地表以下孔隙度和渗透率随深度的增加迅速减小，新生径流可能主要产生于含水层顶部隙度和渗透率最大的薄层。可以根据新生径流的比重对这种“短期含水层”的蓄水量进行量化。在所研究的流域中，将这种短期含水层的蓄水量用等效水深表示，在1～55 mm范围内(10%～90%范围；中位数小于14 mm)。相比之下，全球最表层2 km地壳的地下水储量平均相当于约180 m的等效水深。因此，在所研究测站中，短期含水层蓄水量约占全球表层2 km地壳地下水平均储存量的0.000 5%～0.03%(中位数 0.008%)。若只考虑在地壳表层100 m地下水储量(约15 m等效水深)，短期含水层蓄水量只占浅层地下水储量一小部分(约0.007%～0.4%；中位数 0.09%)。

这种少量的短期蓄水量表明，在典型流域，新生径流比大多数流域存续的地下水都要年轻许多个数量级。全球地下水平均储量等效水深(180 m/a)比全球年径流量等效水深(280 mm/a)大3个数量级，这样的结果在正常范围内。尽管如此，它为在月尺度上定量划分径流提供了可行的方法。相对于流域，这种短期含水层每个体积单位产生更多的河川径流。因此，这种薄的短期蓄水层与河川的连通性最强。尽管储量不大，但这里的生物地球化学反应将会对河流水质产生较大的影响。

3 结 语

本文的研究首次估算了全球河川径流中新生径流的比重。结果表明，新生径流约占全球河川径流的1/3，并在河川径流中普遍存在。因此，即使流域的平均传输时间为数年或数十年，流域可在较短的时间内将大量的水溶性污染物传输到河流。本文研究提出的新径流比重可以检验水文模型，作为一种比单纯对比模拟和实测径流水文过程性更好的方法，能够在一定程度上为真实模拟水流在地表流动提供基准。分析表明，陡峭地区流域产生的新生径流少于平坦地区流域，耕地比例大的流域新生径流比重更大。这表明，耕地面积大的平原地区更可能将传输化肥和农药在相对较短的时间跨度内快速传输至河流(约2个月)。分析也表明，一小部分(<0.1%)陆地含水层体积产生的径流约占河川径流的1/3，也就是说，在高连通性的薄短期蓄水层，尽管储水量不大，但是这里发生的生物地球化学反应会对河流水质产生较大影响。

邰肇悦 译

(编辑：李 慧)

勘 误

《水利水电快报》2017年第1期文章《气候变化对缅甸耶育瓦水电站水力发电的影响》文末的“译简介”应改为“译者简介”， 特此更正，并为由此造成的不便深表歉意。

2016-10-15

1006-0081(2017)02-0013-02

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