基于染色示踪的喀斯特峰丛洼地优先流特征研究

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喀斯特峰丛洼地二元结构发育,水文过程迅速,早涝灾害严重。研究喀斯特土壤水分运移过程的中的优先流现象对于理解喀斯特地区水文循环过程、物质迁移过程有重要的意义。其一方面能够加深对于喀斯特地区径流壤中流的形成机制及其水分、养分迁移过程的认识,为提高流域水源涵养功能评价水平,为区域水资源管理提供科学依据,另一方面能够为区域水文模型的建立及其情景预测提供基础资料。本文基于广西环江县典型的喀斯特白云岩小流域试验场地为研究对象,利用染色示踪技术、图像处理技术以及TDR自动监测技术,结合野外实地调查,通过分析染色剖面的染色路径特征,阐明了峰丛洼地优先流模式以及影响因素,并对优先流过程在水分入渗过程中的贡献率进行评估。主要结论如下:  (1)喀斯特洼地优先流类型主要为大孔隙流和裂隙流。洼地中耕地(0.363)与自然封育区(0.765)的优先流程度存在显著性差异,虽然不同土地利用方式下的剖面染色总面积无明显的差异,但是耕地染色区域主要集中在耕作层土壤,其0-20cm范围内染色总面积占整体染色总面积的91%,而自然封育区仅为60%。耕地的入渗深度(45.3cm)小于自然封育区(50.2cm),耕作层阻碍了水分入渗及优先流的产生,同时加强了孔隙、裂隙中的水分与土壤基质之间的交换。耕作层以下土体中优先流程度(0.884)与自然封育区差异不明显,但其优先流路径的分布特征有明显的差异,自然封育区的孔隙、裂隙发育程度高于耕地,而最大入渗深度(59.8cm)大于自然封育区。植被覆盖及其根系的生长通过影响土壤理化性质及其优先流路径分布导致优先流特征的差异,同时耕作层的存在对于耕作层以下部分土体的优先流路径的发育起到关键作用。  (2)喀斯特坡地土壤优先流类型复杂,不同土体结构下的具有不同的优先流类型组合。通体黏质土壤中为大孔隙流,浅层黏质土壤与风化基岩结合的土体中大孔隙流、裂隙流、岩土界面流、指流均较为发育,基岩的风化程度对透过土壤层的水分的入渗方式有重要影响。土石混合结构土体中存在裂隙流和指流,裂隙流主要分布于土壤表层(0-10cm),碎石含量的分布与优先流程度无明显的相关性。含有裂隙的分层土体中以指流为主,不同土壤类型水力特征的差异是产生指流的主要因素。除染色总面积外,黏质土壤水分入渗深度(122.4cm)及其优先流程度(0.823)明显的大于土石混合结构(57.271cm,0.124)和分层结构土体(54.1cm,0.169),并且后两种土体中的优先流程度差异性不显著。  (3)通过对优先流贡献率统计分析表明坡地深厚黏质土壤中的优先流过程在水分运移中贡献率最大(29%),而耕地中最小(1%)。峰丛洼地优先流产生和发育的过程中,土壤质地的影响最大,土体结构次之,植被类型的影响较小。喀斯特植被的分布异质性和根系生长在表层的特征导致了其对优先流的影响被地形地貌和土体性状掩盖。土体构型和土壤质地在影响优先流类型的同时,同时影响着优先流发生的程度。  (4) TDR自动监测技术可以与染色示踪技术在优先流研究中可以很好的结合。自然降雨事件中,下坡位黏质土壤含水量对降雨响应时间显著小于上坡沙壤土。影响优先流发生及其过程的因素很多,随着降雨量的增大,初始含水量的影响程度越来越小。上坡位土壤各层含水量在降雨过程中变化幅度较大但是变化梯度较小,优先流过程较弱,而下坡位黏质土壤中恰好相反,水分变化随着降雨量和强度的变化而变化迅速,其大孔隙在水分的传导和排泄过程中发挥着重要作用。
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