中国南方峰丛洼地坡面流产生机制 ——以桂林丫吉试验场为例

论文摘要

岩溶水资源对西南岩溶地区社会经济发展具有重要作用,总体上西南岩溶地区降雨丰富,水资源总量大,但由于岩溶区长期强烈岩溶化作用产生地表地下双层空间结构导致岩溶区水资源分布的严重不均匀性,水资源成为制约该地区经济发展的主要因素。坡面流作为岩溶含水层中非常特殊的一部分水资源,经过部分介质或完全不经过介质的调蓄,具有极快的流速,这类水资源在降雨过后迅速流失,极不易被人类长期利用,并且在部分地区能够造成严重的内涝,影响当地居民正常生产和生活。同时坡面流对地表形态的塑造、水土流失及岩溶含水层的污染也具有重要作用,岩溶区坡面流流量直接关系到其地表水土流失的强度,决定着地表侵蚀和地下漏失之间的比例关系,通过对岩溶区坡面流的产生机制可以直接理解岩溶区坡面流的产生条件和影响因素。我国西南岩溶区“石漠化”现象严重影响当地经济的发展,目前急需正确认识岩溶区水土流失的主要方式,为正在和即将开展的石漠化治理工作提供坚实的理论基础。本文选取桂林市典型的峰丛洼地地貌类型,以丫吉野外试验场为研究点,在坡体尺度上修建坡面流径流小区,进一步对岩溶区是否存在坡面流的问题给出明确答案,在此基础上进一步探讨坡面流的产流类型、产流条件及其对地下河流量的贡献。通过坡面流水化学性质、土壤孔水位和水化学性质、现场观测现象对坡面流的产生机制有了初步的认识,结合岩溶区坡体的具体结构对坡面流的分布区域和特征进行了详细的探讨,为正确认识西南岩溶地区坡面流的运动和水土流失方式提供了一定的认识基础。监测结果表明岩溶区存在坡面流,但流量极小。2010年在丫吉试验场共观测到5次明显的坡面流过程,坡面流产生的最小降雨量为64.4mm/day。丫吉试验场内坡面流主要以饱和产流为主,仅局部存在少量超渗产流。利用水均衡模型计算得到：若忽略弱透水层底部长时间内的入渗量,径流场区坡面流产生所需降雨量P和前期降雨量W的关系为：P=33.5-0.0795W。丫吉试验场观测到的坡面流径流系数变化范围为0.48%—0.71%,与国内岩溶区开展的坡面流监测结果一致,绝大部分雨水以渗漏为主。暴雨期间坡面流流量仅占S31泉峰值总流量的3.5%,进一步加速了峰值的形成和水化学的变化。对坡面流水化学的研究发现坡面流K+、Na+、C1-、SO42等离子含量稳定,仅Ca2+、HCO3-表现出很强的变化性。通过对Sr元素的分析发现坡面流含有经过岩溶裂隙介质短时间调蓄的水分。通过对岩石裸露和土壤覆盖两种包气带类型坡面流特定水化学指标（Ca2+、HCO3-、pH、T、Ec）的监测发现：岩石裸露包气带结构产生的坡面流水化学性质稳定,Ca2+和HCO3-浓度基本在24-38mg/L和1.3-2.2mmol/L的范围内,土壤覆盖型包气带由于CO2的加入和雨水的稀释效应表现出剧烈的变化,水化学性质表明该结构的坡面流主要由雨水、表层岩溶带水和土壤水三者组成,降雨前期基本为雨水和土壤水,表层岩溶带水含量随后逐渐增加,降雨后期基本上坡面流全部为表层岩溶带水,均表明岩溶区表层岩溶带与坡面流产生存在密切的联系。岩溶区表层岩溶带裂隙发育造成的快速表层岩溶带径流极易导致坡体内产生大量侧向流,坡面流产生方式可以划分为四种：1.表层岩石裂隙不发育或表层土壤低入渗率导致超渗产流；2.土壤层中含有弱透水层或岩石表面裂隙不发育导致土壤饱和,产生饱和产流；3.表层岩溶带裂隙发育不均匀导致的局部裂隙水流出,最终使部分表层岩溶带和土壤层达到饱和,产生地面径流；4.坡体上大量表层岩溶带径流的快速侧向补给导致表层岩溶带完全饱和,产生饱和地面径流。峰丛洼地随着坡度和径流条件的不同导致的表层岩溶带发育程度和土壤厚度的不同,不同部位的坡面流产生方式也存在一定的差异,表现出岩溶区坡面流的“地貌效应”和“尺度效应”。总体上峰丛洼地峰坡中部表层岩溶带发育弱或基本不发育,雨水大部分以超渗产流形式的坡面流流走；缓坡部位表层岩溶带中等发育,该处往往由于裂隙发育不均匀而出现局部表层岩溶带水流出,最终产生饱和坡面径流,此区域产生的坡面流在坡体上出露一段时间后又由于下部入渗性的增强重新入渗进入表层岩溶带,表现出一定的非连续性；洼地底部附近区域坡面流主要由坡体上大量表层岩溶带径流的侧向补给,导致饱和产流,连续性强。单由降雨和土壤补给造成的饱和产流一般存在坡脚处和洼地底部。本文通过对岩溶区坡面流流量、水化学和土壤孔水位水化学监测,详细探讨了丫吉试验场内坡面流的产生方式和各种产生方式的难易程度,并根据峰丛洼地总体的表层岩溶带的演化规律给出了各种产生方式发生的相对位置,对认识岩溶区坡面流的产生、分布和由此引发的水土流失都具有重要意义。

论文目录

• 作者简介
• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• §1.1 研究目的和意义
• §1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 岩溶区水土流失
• 1.2.2 产流理论的发展
• 1.2.3 坡面流流量影响因素
• 1.2.4 坡面流研究现状
• §1.4 存在的科学问题
• §1.5 主要研究内容与方法
• §1.6 野外测试仪器与方法
• 第二章 研究区概况
• §2.1 自然地理概况
• 2.1.1 地形地貌
• 2.1.2 气象条件
• §2.2 水文地质条件
• 2.2.1 地层岩性和构造
• 2.2.2 水文地质
• §2.3 监测点介绍
• 第三章 坡面流产流条件与流量
• §3.1 坡面流特征
• §3.2 产流类型
• §3.3 产流条件
• 3.3.1 地质条件
• 3.3.2 雨量条件
• §3.4 坡面流影响因素
• §3.5 岩溶区坡面流流量
• §3.6 坡面流对地下河的贡献
• 第四章 坡面流水文地球化学性质
• §4.1 水化学特征
• 4.1.1 常规离子
• 4.1.2 微量元素Sr
• §4.2 岩石裸露包气带结构
• §4.3 土壤覆盖包气带结构
• 4.3.1 水化学过程分析
• 4.3.2 径流过程分析
• 第五章 岩溶区坡面流产生机制
• §5.1 表层岩溶带径流快速性
• §5.2 坡面流产生方式
• §5.3 坡面流产生区域
• §5.4 监测场地的坡面流产生方式
• §5.5 峰丛洼地产流过程
• 第六章 结论与建议
• §6.1 结论
• §6.2 建议和展望
• 6.2.1 建议
• 6.2.2 展望
• 致谢
• 参考文献