小流域模拟降雨入渗产流特征研究

(辽宁省抚顺市水利工程建设质量与安全监督站，辽宁 抚顺 113008)

在全球范围内，寒冷山区大部分是大型河流的水源区。在我国的东北地区，寒冷山区的径流形成过程决定着河流中下游的水量和其动态变化，是流域水资源科学管理的基础[1]。降雨量变化特征是进行河流泥沙量研究的重要基础，对于进行河流泥沙治理具有重要意义。国内外学者分别采用多种方法理论，在大量的研究课题中开展了土地利用形式和植被覆盖率对水文河流的影响研究，并取得了丰富的研究成果[1]。但是因考虑的因素较少且应用技术存在一定的缺陷，仅仅采用水文模型、水文学方法以及水土保持技术的研究较难满足水资源演化规律性研究的需要[2]。当前，我国已经开展了大量的水土保持工程建设，并建立了适用于水土保持的技术理论体系，明显改变了流域下垫面层的地形地貌结构特征。辽东地区近年来的径流特征发生了明显改变，且因对辽东流域内各个水文站之间的流域研究不足，造成对辽东地区流域的水土保持工程的科学评价产生不利影响。故本文选择径流较大的辽东地区为研究对象，并结合监测站的水文监测资料，探讨了该流域的降雨径流变化趋势，为进行水土保持关键性技术措施研究提供决策性依据和评判标准[2]。

1 降雨过程特征

2012年，第一次典型降雨事件加密期间共收集了13个SiO2样品。其中，基本流量降水前，降水事件发生在12次底雨事件。在第一次典型降雨事件之前，水样中的SiO2含量约为9.0 mg/L。随着降雨的进行，SiO2的含量分两个阶段。7月20日7时至21日7时左右，河流SiO2含量由9.0 mg/L迅速降至5.0 mg/L左右；7月21日6时至7月21日17时左右。，SiO2含量迅速从约5.0 mg/L上升到8.8 mg/L左右。7月21日17时左右到7月22日17时左右，SiO2含水量约为8.0 mg/L左右。SiO2含量的变化符合第一个降雨峰值的曲线。

2012年，第二次降雨事件典型地被收集了14个样品的SiO2同位素，其中一组是从降雨开始到降雨结束的前雨流13。第二个典型的降雨事件类似于第一个典型的降雨事件。降雨前，水样中SiO2含量约为4.0 mg/L，随着降雨事件的减少而增加。到了最低点，SiO2约为2.65 mg/L，然后在8月10日17:30左右逐渐增加，中等挥发度，SiO2最终增加到4.0 mg/L左右。总体变化曲线与第二次曲线一致降雨高峰[3]。

2 降雨的结果分析

在2012年的第一次典型降雨事件中，地下径流量随着降雨量的增加而逐渐增加，但比例逐渐下降[4]。降雨前，河流径流完全被地下径流补给，减少约0.003 08 m3/s。当径流量达到峰值时，径流达到最大值，达到0.034 8 m3/s，最低，约占河流总流量的56%。随着流量上升到最高水平而开始下降，地下径流量也在减少，但这个比例逐渐增加，直到降雨量最小化对河流的影响，比例上升到100%左右。地表径流和径流的比例先增加后减小，地下径流趋势相反。地表径流量的变化先增大后减小，与地下径流量相同。地表径流峰值约为0.023 4 m3/s，地表径流峰值约为44%。地表径流约占河流总径流量的23%，老水约占总径流量的77%。在径流减少过程中，地表径流总量约占总径流量的19%，地下径流约占81%。在整个降雨事件中，地下径流比例约为79.2%，地表径流约占20.8%。

2012年第二次典型降雨事件，地下径流及其对径流的贡献率与7月19日基本持平。2012年8月17日1740左右，地下径流和地表径流量分别为0.056 1 m3/s和0.024 1 m3/s，分别达到了最大值。此时地表径流对河流径流的贡献率为32.5%，也达到了最高值。地下径流对河流径流的贡献率为67.5%，是最低的。在径流总量增加的情况下，地表径流总量约占总径流量的13.5%，旧径流约占86.5%。在径流总量减少的情况下，地表总径流量约占总径流量的10%，地下径流约占90%。在整个降雨过程中，地表径流约占10%，地下径流约占90%。

根据以上两个典型的降雨事件分割结果，可以看出，2012年第一次典型降雨事件中，地表径流比例约为20%，地下径流比例约为80%。在2012年的第二次典型降雨事件中，地表径流约占10%，地下径流约占90%。根据研究结果，在2012年的第一次典型事件中，降雨量约占径流量的30%，而地表径流量仅占20%左右。渗透或中间的地下水或地下水之后，至少约10%的降雨渗入河中。第二个典型的降雨事件约占径流量的10%。地表径流仅占降雨总量的10%。渗透至少约18%后，W渗入河中。在第二个典型事件中，地下径流比例增加，这也与活动层厚度增加和降雨入渗增加有关。

可以看出，在上述典型降雨-渗流事件中，降雨对径流的贡献较小(20%～44%)，仅有10%～20%左右进入地表径流。雨前降雨对径流(60%～80%)有显着贡献，并且经历了流入或流回河中的地下流。降雨渗入非饱和带内的地下水，导致淹没水面上升，饱和面积增加或地下水和河水的梯度增大。

同时也反映出辽西地区的草原带具有一定的拦截能力和较强的导水能力。可能的原因如下：有机层发育良好;地下室由二叠系和古近系砂岩，泥岩和泥质砂岩组成。从上到下，残留沉积物较薄，导水能力有所减弱。

3 模型构建研究

研究径流形成机制具有重要的理论和实践价值，而辽宁东部流域是这种分水岭的典型代表。 通过对小流域河流径流形成过程，特别是夏季降雨径流过程的环境同位素和反应示踪剂，提出了如下的概念模型。

(1)流域基底为与白聖纪砂岩、泥岩和泥质砂岩。上覆薄层残余沉积物(约1～4 m厚)与地下室和地形的起伏是一致的。因此，良好的防水地坪，地下径流(地下水和中流)仅限于薄的残余沉积物的发生和迁移，水量有限，流量和停留时间短。

(2)流域内松散沉积物主要由残留沉积物组成。其分布特征如下：从南部的顶部，东部和西部斜坡向下，残坡的增厚，由<1 m增加到>3 m，砂砾主要由粘土变为主要颗粒由粗变薄，渗透性强由弱变强，储存能力从弱到强。在分布格局的控制下，山腰中上部为非饱和地区，降雨入渗，下部为饱和区，形成了雨季两岸淹没的湿地。

(3)流域径流形成过程为：降水位于山坡上，侵入粗磨带上部;被浅海底岩层阻挡，收集为浅层地下水和中层水流;季节性霜层(初夏)阻塞溢流表面，形成一条斜流，流经河岸湿地(饱和带)，最后进入河流。如果坡脚直接被河流切割，则地面径流不再转化为回流，而基流直接进入河流。

(4)流域内主要存在两个蓄水单元，分布在山丘上部和残余薄层上部，主要起到地下径流储存和传输的作用。河岸分布在山体湿地下部残留细粒表面以上，主要来源于储运地表径流(包括回流)作用。

(5)由于两座水库蓄水能力较低，季节性冻土的冻结深度达到基岩，即两类蓄水单元冬季冻结，冬季切断。尽管春季没有水文输入到流域，但地下储存的固体冰在重力作用下逐渐融化并融入河流，河流开始回流。由于蓄水单元容量有限，释放的液态水量有限，随着气温的变化，河水径流昼夜波动。另外，由于季节性冻土层的广泛存在，永久冻土层的融化主要由浅层地下径流或坡面流动所控制。在秋天，当河流径流得到控制时，过度拥挤恰恰相反。首先是存储在河岸湿地中的地表径流或浅层地下水径流转化为固体水。此时，上游的剩余径流逐渐转化为固体水，径流进一步减少，直到两个蓄水单元完全冻结，河流被切断。

(6)夏季，水文输入以降水主要集中在盆地内。由于流域蓄水能力有限，季节性冻结王可能会进一步降低初夏的蓄水量。长期以来，河滩湿地的蓄水单元已经饱和，即使在洪水的情况下，水流也能迅速运输。另外，高度有机垫的广泛分布导致了流域降雨径流的形成：径流与降雨密切相关，对后者的响应非常迅速。降雨径流通常有一个非常明显的高峰，非常陡峭。

4 结语

(1)流域基底为二叠与白里纪砂岩、泥岩和泥质砂岩，沿坡面形成良好的防水底板，地下径流(地下水和中流)局限于残余沉积物上它(约1-4米厚)发生和迁移。从斜坡顶部到斜坡顶部，残坡变厚变大，但颗粒变薄，渗透性减小，导致山体上部不饱和带的渗入。斜坡下部为饱和带，雨季两侧湿地淹没。

(2)降水在山坡上，入渗上部受到浅海水道的阻挡，并以地下径流的形式汇聚到下部，受到弱水或季节性弱水层的阻挡。斜坡脚下的永冻土(初夏)溢出形成一个斜坡流，河岸湿地汇合成河流。

(3)流域内的两个主要蓄水单元(下部残留细粒沉积物上方山坡上部和中部的细残留沉积物和河床湿地)容量有限，冬季不冻结液态水被释放，导致河流不连续秋季，河滩湿地储存的浅层径流首先冻结，河床主要由基流补充。秋季，地下水层在春季融化，重力水被释放到浅层地下径流或坡面。由于坡面上的径流逐渐冻结，河流径流进一步减少，直至断流。

(4)由于流域蓄水能力有限，漫滩湿地的输水能力非常强，流域内有机层分布极为集中。夏季降水径流过程具有以下特点。因此，这个过程是暂时的：对降雨的径流响应是非常迅速和显着的；环境同位素和反应示踪剂与径流动态变化是一致的。

[1]陈宗宇,万力,聂振龙,等.利用稳定同位素识别黑河流域地下水的补给来源[J].水文地质工程地质.2006(06)：9-14.

[2]王振颖,蔡景平,张中凯.辽宁省水土流失现状、动态变化及防治对策[J].水土保持应用技术.2002.(05)：32-36.

[3]贾仰文,王浩,严登华.黑河流域水循环系统的分布式模拟(Ⅰ)——模型开发与验证[J].水利学报.2006(05)：534-542.

[4]胡立堂,陈崇希.数值模型在黑河干流中游水资源管理中的应用[J].地质科技情报.2006(02)：93-98.