陈学秋1,，瞿思敏1,，张雄鹰3，崔彦萍4，陈红雨5，徐时进5，石 朋1,，王轶凡，勾建峰

(1.河海大学 水文水资源与水利工程国家重点实验室，南京 210098；2.河海大学 水文水资源学院，南京 210098；3.湖北省宜昌市水文水资源勘测局，宜昌 443000； 4.江苏省水文水资源勘测局，南京 210029； 5.水利部淮河水利委员会水文局，安徽 蚌埠 233000)

1 研究背景

流量过程线分割是水文学研究的重要内容，通过定量划分不同径流成分获得降雨径流关系及进行产汇流计算，以此阐明流域产汇流机制的基本原理，为水文模型建立及水资源规划管理提供理论依据[1]。近30 a来，运用稳定同位素技术进行流量过程线分割的研究取得了一系列成果。顾慰祖和谢民[2]采用环境同位素18O对江西藤桥流域流量过程线进行二水源分割，研究18O时程变化对块状岩类裂隙水、第四系孔隙水及裂隙水补给地下径流的影响。

许多研究结果表明流域初始状态与事件水(一般指地表径流，主要由降雨产生)和事件前水(一般指地下径流，在降雨前就储存于土壤中)分割之间存在相关性。Casper等[3]使用溶解有机氮(DOC)质量守恒方程在Duerreychbach流域对前期土壤含水量较小的流量过程线进行分割，认为增加前期土壤含水量提高了其他子流域与主河道的连通性，使得产流模式更加复杂。Pellerin等[4]使用电导率(EC)作为示踪剂对城市地区流量过程线进行分割，发现尽管一场降雨中事件水占暴雨流量(指总径流量中超出基流的部分)的比例很高(61%～117%)，但其占总径流量的比例通常很低(18%～78%)，并且后一比例与流域初始流量呈负相关(拟合系数R2=0.55，显著性系数p<0.01)。Cey等[5]使用18O/16O同位素比率和电导率对2场强降雨事件流量过程线进行分割，研究表明前期土壤含水量不同对产流量及径流划分的影响不同，在相同降雨强度下高水位条件河道流量更大且事件水占总径流量的比例更大。

本文选择位于浙江省德清县内的和睦桥小流域为研究区域，采集不同场次降雨水样及降雨前后河道水样，根据稳定同位素含量(δ18O)确定流域出口断面流量中不同水源所占比例，分析流域不同初始状态对流量过程线分割的影响。

2 研究区域概况

和睦桥小流域位于浙江省北部德清县内姜湾流域上游，地处119°47′05″E—119°48′20″E，30°34′05″N—30°34′55″N范围内，流域面积1.35 km2(见图1)。流域位于亚热带季风气候区东北边缘，雨量丰沛，湿度较大，多年平均降雨量为1 580 mm，年平均气温为14.0 ℃。流域内植被茂密，以竹林、柴木为主。

图1 研究区位置及水样采样点示意图Fig.1 Location of sampling sites in the study area

流域海拔在150～600 m之间，平均高程298 m，区域内多山地，平原极少，谷狭坡陡，坡度介于25°～45°之间。流域内土壤厚度多为50～60 cm，沿河床附近达到70～80 cm，质地疏松，孔隙率较大，部分山地腐殖质土多未发育成土壤，透水性很大。流域各类岩石裂隙均非常发达，每当连续性降雨时部分水量沿裂隙下渗，成为地下水，地下水沿裂隙和层面流出，成为河水的主要补给来源。

图2 改进的顺序降雨采样器示意图Fig.2 Schematic diagram of a modified sequentialrainfall sampler

3 采样与分析

本研究对和睦桥小流域2015—2016年间4场降雨事件的降雨、河水和土壤水进行观测及采样。在流域上、中、下游分别设置降雨及河水采样点。降雨样本采用Kennedy等改进的顺序降雨采样器[6](见图2)进行采集。

河水样本在流域出口断面处采集，降雨前、降雨中和降雨后均取样，取样时间间隔为1 h。所有水样都储存在30 mL聚乙烯采样瓶中，瓶盖处用防水带密封以防同位素分馏。水样由河海大学水文水资源与水利工程国家重点实验室分析，δ18O分析精度为±0.02‰。时段降雨资料由流域内标准气象站提供，观测时间间隔为6 min。流域出口有三角形薄壁堰，通过水位传感器观测堰上水深，经薄壁堰经验公式[7]计算得到时段出流量(见式(1))，观测时间间隔同样为6 min。上游采样点同时设置土壤含水量观测点，采用时域反射计(TDR)测量表层及地表以下50 cm处土壤含水量，观测时间间隔为1 h。

(1)

式中：Q为过堰流量(m3/s)；C为流量系数(m1/2/s)，根据汤普森试验，堰口夹角为90°时C取1.4；H为堰上水头(m)。

4 二水源分割原理

二水源分割的基本原理是将流量过程线分为事件水和事件前水2部分[8]。顾慰祖[9]在Sklash等[10]研究的基础上归纳了采用环境同位素法分割水源的8个基本假设：①基流和地下水以相同同位素含量表征；②降雨或融雪水也以相同的同位素含量表征或其变化已知；③本次降雨与基流或地下水之间有明显的同位素含量差异；④非饱和带对河流流量的贡献可忽略，或其同位素组成与地下水相同；⑤地表蓄水对河流流量的贡献也可忽略；⑥地面径流的同位素含量必须与本次降水的含量相同；⑦各种水源在汇集过程中的同位素分馏影响忽略不计；⑧基于经典的简化产流机制。

二水源分割的基本方程由水量平衡方程和同位素质量守恒方程组成，其表达式分别为：

Qt=Qo+Qn；

(2)

CtQt=CoQo+CnQn。

(3)

式中：Qt表示总流量；Qn表示事件水流量；Qo表示事件前水流量；Ct表示河水δ18O平均浓度；Co表示基流δ18O平均浓度；Cn表示降雨δ18O平均浓度。Ct，Cn，Co用18O的千分差(δ)值表示。

联解式(2)、式(3)可得：

(4)

(5)

5 结果分析

本文选择和睦桥小流域2015—2016年4场降雨事件，降雨量P及流量过程线见图3。取降雨、基流(用降雨事件前河水替代)和河水中(降雨事件后)测定的δ18O浓度的平均值，根据式(4)、式(5)进行径流成分划分，分割结果见表1。

图3 4场降水事件流量过程线划分Fig.3 Hydrograph separation of four rainfall events with 18O as hydrograph event tracer

4场降雨事件中事件前水占总径流量的58%～88%，占峰值流量的14%～31%。和睦桥流域下垫面土壤质地疏松，孔隙率大，地表以下水量输运条件好。在整个降雨事件过程中，降雨降落到地表后大部分雨量下渗形成地下径流补给河道，少数形成地表径流，故总径流量中事件水所占比例较小，事件前水占总径流量比例较大。由图3可知，洪峰流量一般紧随降雨峰值出现，在降雨强度较大的情况下，降雨多以地表径流的形式汇集到流域出口，地表径流占瞬时总径流量的比例明显增大，因此洪峰流量以事件水为主。

表1 4场降雨事件二水源分割结果Table 1 Result of dual-component hydrograph separation for four rainfall events

影响不同场次径流成分分割结果的因素包括流域面积、土地利用类型、流域初始状态和降雨特征等[11]。不同场次降雨开始前流域的水文气象条件不尽相同，因此流域出口流量中事件水和事件前水所占比例也不同。研究表明，在不考虑流域的水文、气象状况及流域特征长期缓慢变化的情况下，基于同种同位素分割计算方法，流域初始状态包括土壤含水量、初始流量以及初始水位对流量过程的分割有重要影响[9]。本次研究的4场洪水过程的流域前期状态见表2。

径流形成物理机制的研究多以降雨-径流关系为基础。James和Roulet[12]以及Segura等[13]的研究表明随着总降雨量中贯穿降雨的比例增加，总径流量中事件水量也会增加。Pellerin等[4]发现贯穿降雨量与事件水比例呈正相关。在本文研究的4场降雨事件中，总降雨量(贯穿顺序降雨)与事件水比例也有类似关系(见图4)。图中事件水比例与降雨总量的正相关性系数R2=0.745 4。20160622次降雨事件降雨以梅雨为主，降雨总量不大但历时较长，降水特征区别于其他3台风雨事件，事件水比例较高，因此距离拟合曲线有较大偏离。

图4 4场降雨事件降雨总量与事件水比例的关系Fig.4 Relationship between total rainfall and event water contribution percentage of four rainfall events

5.1 流域初始流量对流量过程线划分的影响

河道流量由观测的河道水位数据根据式(1)推导而来，河道水位越高则流量越大。一场洪水过程的总径流系数指流域出口总径流量占总降雨量的比例，事件水径流系数是总径流量中事件水部分占总降雨量的比例。20150808次洪水、20150822次洪水及20150928次洪水初始流量均不为0，初始流量越大则总径流系数及事件水径流系数越小(见图5)。

图5 4场降雨事件径流系数与初始流量的关系Fig.5 Relationship between runoff coefficient andantecedent discharge in four rainfall events

河道初始流量主要影响汇流过程尤其是地下径流汇流，初始流量越大，河道水位越高，地下径流向河道排泄的动力越小，地下径流减少导致总径流系数减小。但是流域内土壤分布的空间差异以及降雨的时空变化使得流域产流方式并不单一。20150808次及20150928次洪水过程时段降雨强度及总降雨量较大，2次洪水总径流系数在0.3～0.4之间。在降雨强度较大的时段内，降雨达到地面以后不能及时全部下渗。在部分地区包气带未蓄满之前就产生大量的地表径流，因此这2场洪水事件水径流系数较大。20150822次洪水总降雨量较小，降雨时间较短，降雨时程分配较为平均，降雨多下渗进入土壤和岩层裂隙中，总径流系数及事件水径流系数相比前2次事件更低。20160622次洪水中河道初始流量为0，前5 d降雨量为0，总径流系数异常偏低，说明该事件前期流域状态较为干旱，降雨多用于补充土壤缺水量。

4次事件中的事件水占径流总量的12%～42%，与初始流量呈负相关(R2=0.992 1，见图6)。初始流量越大，总径流系数越小，但事件前水比例反而增大，说明在汇流阻力增大的情况下，下渗进入地表以下的降雨可能并没有直接随地下水汇集到流域出口，而是与降雨事件发生前存蓄在土壤或岩石裂隙中的事件前水发生交换。事件水重新进入土壤孔隙及岩石裂隙，补充土壤缺水量，事件前水以地下径流的形式流出。和睦桥流域地处湿润区，在某些降雨强度较大的时段可能出现超渗产流，但大部分时间降雨以下渗为主，总径流量中事件前水比例占优。

图6 4场降雨事件事件水比例与初始流量的关系Fig.6 Relationship between event water contributionpercentage and antecedent discharge infour rainfall events

5.2 流域前期土壤含水量对流量过程线划分的影响

本文研究的4场洪水中除20160622次洪水前期没有降雨外，20150808次洪水、20150822次洪水以及20150928次洪水的前5 d降雨量在10 mm左右，前期土湿相差不大，平均土壤含水量在17%～26%之间(见表2)，前期流域状态较为湿润。事件水所占比例在31%以下，说明湿润状态下流域出口总径流量中事件水总量不占优势。

Casper等[3]发现降雨在补充土壤缺水量的同时替换原先的土壤水并使之产流，且这样的交换多发生在上层土壤中，因此前期土壤越湿润，事件水在总径流量中所占的比例越低。但由表2可知，随着前期表层土壤含水量的增加，事件水比例先增加后减少，而随着深层土壤含水量的增加，事件水比例先减少后增加，呈现不同的变化规律。随着前期土壤含水量的增加，事件水在填充土壤孔隙后产流，事件水比例也随之上升，这与蓄满产流的假设一致，但在表层土壤含水量较大而深层土壤尚未饱和的情况下，事件水更有可能向下渗透或与事件前水发生交换，导致事件水贡献比例后期减少。与Casper研究结论的略微差异说明土壤组成差异也会对产流模式产生影响。不同于Casper研究中流域土壤组成以泥炭、淤泥及灰壤为主，和睦桥流域土壤包括红壤、黄壤及潮土。这种多变的特征在小流域尤为明显，这在James和Roulet[12]的研究中也有所印证。

河道径流量一般会随降雨量呈比例增加，但是大多数降雨降落在地面上会引起土壤含水量而非径流量的增加。图7中表层土壤含水量在取样前期均有所上升，过程线最高值均超过30%，说明该流域降雨到达下垫面后用于填充洼地和土壤孔隙，与河网连通的区域达到饱和后产流，随后土壤含水量有所下降。

图7 表层及地表以下50 cm处土壤含水量变化Fig.7 Soil moisture content at surface and 50 cm fromsurface corresponding to four rainfall inputs

20150808次与20150928次洪水前期土壤水含水量及前5 d降雨量相差很小，洪水过程总径流系数也很相近，但事件水比例分别为31%和15%。分析其土壤含水量时程变化可以看出20150928次洪水过程中表层及深层土壤水含量对下渗降雨的响应较为迅速，降雨开始后土壤含水量立刻显著升高，而20150808次洪水过程中土壤含水量上升较为缓慢，深层土壤水含量在采样前期没有很大变化，直至后期才逐步升高。此外，20160622次洪水过程中土壤含水量也呈现缓慢增加的变化特征，而该场洪水的事件水比例高达42%。这说明土壤含水量的迅速增加增强了土壤孔隙的连通性，更有利于区域土壤含水量达到饱和并产流，所以流域出口径流中地下径流比例更高，事件水比例则更低。和睦桥流域处于亚热带季风区，采样时间在夏、秋2季，雨量丰沛且湿度较大。如果流域前期土壤含水量较高或前期降雨较多，降雨使得土壤含水量迅速饱和，产流区和河道的连通性增强，地下水能够迅速产流并汇集到出口断面，则总径流中事件水成分较少，比例较低。

6 结 论

本文对和睦桥流域径流分割与流域初始状态之间的关系进行研究，得到以下结论：

(1)该流域出口径流总量中事件前水占优，洪峰流量以事件水为主，4场洪水事件中事件前水占径流总量的58%～88%，占峰值流量的14%～31%。

(2)该流域存在多种产流机制，流域初始流量与总径流系数及事件水比例呈负相关，在初始流量较大、汇流阻力较大的情况下，事件水下渗后多存蓄而少出流，反而将存蓄在土壤中的事件前水置换出去。

(3)前期土壤含水量与事件水比例的影响模式复杂多变，但在前期土壤含水量较高或前期降雨较多的情况下，一旦降雨条件使得土壤含水量迅速饱和，流域土壤连通性增强，则总径流中事件水贡献比例将降低。