陈 钢，王船海，翟 月，陈云飞，张娉楠，茅志兵

(1.河海大学水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，江苏 南京 210098；2.河海大学水文水资源学院，江苏 南京 210098；3.南京慧水软件科技有限公司，江苏 南京 210019；4.常州市金坛区河道湖泊管理所，江苏 常州 213200)

太湖流域是我国典型的湿润平原区，约30%的地区是低地圩区[1]，其特点是地势平坦、地下水位浅、河网错综复杂[2]。这些水资源丰富的地区人口稠密和农业活动密集容易受到洪水的侵袭，也易受到污染[3-4]。因此，迫切需要关注平原区的水文行为，为区域风险评估和水资源管理提供坚实的科学基础。

产流是陆地水文循环的关键部分[5]，对预测特定区域的水量和水质非常重要。典型的产流机制有：Horton产流[6]，当降雨量超过非饱和土壤的入渗率时发生；Dunne产流[7]和地下径流发生在土壤饱和时。除了前期条件和降雨特征等基本影响因素外，地下水和地表水之间的强相互作用对平原地区的水循环也很重要[8]。在国外，Apples等[9]通过野外试验与数据分析得出荷兰地下水浅埋的平原农田区同时存在蓄满产流和超渗产流；Pyzoha等[10]根据美国南克罗莱纳州平原区历史水文数据分析洼地与地下水的相互作用并建立了概念模型；Krause等[11]在德国东北部Havel河洪泛区进行野外径流试验定性分析区域水平衡。国内平原区水循环的野外试验研究始于20世纪50年代[12]，李帆等[13]基于淮河流域五道沟的长序列观测资料分析了不同地下水埋深下的径流变化规律；顾慰祖等[14]探讨了滁州水文试验基地的径流成分与降水径流悖论。

野外试验可以直观地理解产流过程，因而对开发适用的产流计算方法至关重要[15]。本研究在江苏省常州市金坛区典型的平原区设立2个基地进行了野外试验，探讨太湖流域平原区的产流过程；在分析降雨过程水量平衡的基础上，评价了洼地蓄水量在流域径流响应中的作用；采用Pearson相关分析方法，分析了降雨径流关系以及产流与影响因子之间的联系。

1 研究区域与方法

1.1 研究区域概况

两试验基地(图1)位于江苏省常州市金坛区。该区地层多为第四系松散沉积物，主要由泥灰岩和钙质泥岩组成，厚度约30m。红旗圩(HQW)试验基地位于朱林镇(31.725°N，119.471°E)，总面积为1 008 m2(84 m×12 m)，地表高程为2.4～3.8 m；土壤质地为粉质黏壤土，平均密度为1.36 g/cm3，平均饱和导水率为46.63 mm/h，饱和体积含水率为45.0%，有机质质量比为14.78 g/kg。白塔桥(BTQ)试验基地位于指前镇(31.667°N，119.457°E)，总面积为1 710 m2(85.5 m×20 m)，地表高程范围4.2 ～5.8 m；1 m深度的土壤也具有相同的粉质黏壤土，其平均密度、平均饱和导水率、饱和体积含水率和有机质质量比分别为1.52 g/cm3、30.22 mm/h、47.0%和18.38 g/kg。

图1 试验基地Fig.1 Test site

1.2 数据采集

两试验基地均采用双排水沟渠设计(图1(b)(c))，外侧沟渠用于阻隔实验区与周边地区的地表水交换；核心实验区降雨后将产汇流的水量由内侧沟渠排出。红旗圩与白塔桥均安装微型综合自动气象站，自动连续监测降水、蒸发、风速、风向、气温等基本的水文气象要素的时间变化；均在出口处安设薄壁三角堰与水尺，同时在堰前和内侧沟渠中设置HOBO压力式水位计用于监测地表水深的变化过程(图2(a))。在红旗圩、白塔桥分别安装有2口地下水观测井，井口处安装JH2004型激光水位计。红旗圩试验基地共布设4个土壤水分监测剖面，将时域反射测量(TDR)传感器水平插入地面以下10 cm、20 cm、40 cm、60 cm和80 cm的深度处(图2(b))。白塔桥试验基地共布设2个土壤水分监测剖面，各剖面TDR传感器的垂直布设与红旗圩剖面相同。在2个试验基地中，统一选择10 min作为各种数据的采样间隔。

图2 测量仪器布设Fig.2 Measuring instrument installation

1.3 数据分析

1.3.1 产流事件定义

根据总降水量大于5 mm和两次相邻降雨间隔不小于24 h这2条标准定义单次降雨事件。降水事件中区域出口处若观察到有出流现象，则被定义为产流事件。红旗圩和白塔桥分别确认了29次和23次降水事件。产流事件共发生了29次，其中红旗圩发生17次，白塔桥发生12次。与Amatya等[16]研究中使用29个事件，Slattery等[17]的23个事件相比，本文29个事件对于探索径流与影响因素之间的联系具有可靠性。

1.3.2 次事件水量平衡

填洼量指暂时存储在地表洼地中的降水，是影响地势平坦地区径流过程的重要因素[18]。对田间尺度的水量平衡，设定地表为上边界，地面以下第一个相对不透水层为下边界。除填洼量外所有项均已知。给定时期内的水量平衡公式为

D=P-E-R-I-ΔV

(1)

式中：D——填洼量；P——降水量；E——蒸散发；R——区域径流深；I——累积入渗量；ΔV——研究区与周围区域之间的水量交换，试验基地为闭合区域，ΔV=0；Δθi——非饱和区第i层土壤水分的增量；Δzj——序号j和j+ 1的土壤水分传感器之间的垂直距离。

1.3.3 相关性分析

对每个事件从雨量图和流量过程线中提取可能影响产流的水文气象相关特征，并将其分为降雨前期条件和事件特征。雨前土壤含水量通过土壤蓄水容量(soil water storage capacity，SWSC)进行估算，SWSC定义为将地下水位升至地表处所需的水深(单位面积时所需体积)，采用梯面积包围法计算[19]。

对于事件条件，降雨特征包括总降水量(P)、降雨历时(T)、降雨峰值强度(Pmax)和平均降雨强度(Pmean)。水文变量包括单个降雨事件的径流深(R)、洪峰流量(Qmax)、径流系数(α)、累积入渗量(I)、地下水位增量(ΔH)和填洼量(D)。总径流量用深度表示，为每10 min间隔内试验区出口流量的增量之和除以试验区的总面积；径流系数是指降雨转化为径流的比例[20]。计算所有事件的这些变量，并用Pearson相关系数[21]进行分析。

2 结果与讨论

2.1 研究周期内的水文气候条件

红旗圩和白塔桥的基本气象水文特征包括日降水量、日蒸发量、地下水埋深以及土壤含水量(图3)。2016年红旗圩的总降水量为1 853.4 mm，远高于年平均降水量。白塔桥在研究期间的总降水量为1 148.9 mm，与年平均降水量一致。2016年的总蒸发量为1 301.3 mm，2018—2019年为1 063.4 mm。红旗圩实测的浅层地下水位在地表以下0.08～1.20 m之间，白塔桥实测范围为0.08～1.00 m。红旗圩的地下水位平均埋深为0.57 m，白塔桥为0.45 m。每个研究区域的平均地下水埋深和排水沟渠底高(图3中的虚线标记)在同一高程上，表明研究区的地下水动态与沟底高程存在一定的关系。

图3 地表以下10 cm深度处的P、E、地下水埋深和土壤含水量Fig.3 Daily rainfall depth (P),evaporation (E),groundwater depth and volumetric soil water content at 10 cm depth below ground surface

红旗圩试验基地距地表10 cm土层的土壤含水量最大值为0.584 m3/m3，最小值为0.304 m3/m3，平均值为0.417 m3/m3。白塔桥试验基地，土壤含水量在0.377～0.602 m3/m3之间波动，其均值为0.497 m3/m3。表层土壤水分动态对降雨很敏感，降雨后土壤含水量增加。地表以下土壤含水量的变化趋势与地下水的变化趋势基本一致，表明该区浅层地下水与土壤水之间存在较强的相互作用。

2.2 降雨径流事件特征分析

选择6个事件分析降雨径流事件中的降雨和水文要素动态(表1)，3个选自红旗圩，命名为H1、H2和H3；3个选自白塔桥，命名为B1、B2和B3。

表1 6个降雨产流事件特征Table 1 Rainfall and runoff characteristics for six selected rainfall events

根据地面以下10 cm、20 cm、40 cm、60 cm和80 cm深处的土壤相对饱和度(图4)，事件H1、H2、H3和B2，土壤水分表现出相似的快速响应，尤其是在10 cm深度处，土壤水含量因降雨脉冲呈现台阶式上升的特点，在降雨停止后逐渐下降。随着土壤深度的增加，土壤水分随降水的增幅逐渐减少，响应时间也相应延长。事件B1和B3由于2 d前刚发生过降雨事件，表土处于接近饱和的状态，因此事件降水造成的土壤水分增量几乎可以忽略。当土壤深度超过60 cm时，所有事件中土壤水分的状态都没有明显变化，表明这一部分的土壤在整个时期内均保持饱和状态。

浅层地下水呈现出与土壤水对降水的变化相似的快速响应，但表现为相对缓和的曲线形式，这是因为垂直入渗过程削弱了降水脉冲。在H2事件中大雨强条件下，地下水位增幅很小，是因为H2事件相对干燥的前期土壤水分条件使得入渗水量主要用于补充非饱和带而没有到达地下水面处。因此，地下水响应的差异认为是该地区地下水与土壤水之间存在强烈相互作用的结果，浅层地下水动态受降雨和前期土壤湿度条件共同影响。由图4可知，地表径流的产生条件是10 cm深处的土壤含水量达到相对饱和，这证实了蓄满产流模式的存在。6个径流事件的流量过程有极高的变异性。不同的试验基地的径流总量相差10倍，而同一地点不同事件的峰值流量则相差50倍。产流事件的持续时间从3～66 h不等，径流系数的范围是0.11～0.73。

2.3 降雨-径流关系

2.3.1 蓄满产流

根据29个事件得到总径流量与总降雨量之间的相关关系(图5)。从红旗圩的不同时间序列数据获得了确定系数R2=0.951的拟合效果，表明该区域蓄满产流在径流过程中的主导地位。斜率接近1表明土壤基本处于湿润状态，这一结论与图4发现表层土接近饱和的现象一致。-18.14 mm的截距可以看作是产生径流的降雨量阈值。对于白塔桥，因为这几次降雨均属于中小雨事件，前期土壤水分、地表洼地和植被截留等对产流深造成了很大的不确定性。从图5(a)的放大视角可以看出，在红旗圩中总降雨量小于50 mm的事件，同样表现出了很高的不确定性。

图4 6个降雨事件的P、相对饱和度(S*)、地下水埋深和出口流量(Q)Fig.4 Time series of rainfall (P),relative saturation (S*),groundwater dept and discharge (Q) at the outlet for six rainfall events

图5 降水-径流线性关系Fig.5 Linear corrections between rainfall and runoff depth for different events

2.3.2 超渗产流

图6使用箱型图描述了红旗圩的29个降水事件和白塔桥的23个降水事件中最大小时雨强的分布，结果表明该地区以低强度降雨事件为主。以2个地点的饱和导水率(KS)作为土壤下渗能力的下限参考值用以判定超渗现象是否发生，除了极少的事件超过该阈值外，大多数事件中的最大雨强都小于引发超渗现象的阈值。另一方面，即使在土壤未饱和且有极端降雨的情况下有超渗地面径流产生，受该区域的微地形起伏影响，这部分水会存储在洼地中而难以到达流域出口。因此在这一区域，超渗产流模式的存在仅限于这一区域发生的极端降雨事件，并且对最终的产流贡献较小。

图6 最大小时雨强箱型图Fig.6 Boxplots of peak rainfall intensity per hour

2.4 前期条件-径流关系

地下水位埋深越浅，土壤蓄水量越小，降雨入渗量越低，累积入渗量与前期地下水位的相关性就越明显。在不同降雨强度下，初始地下水深度与径流系数之间的关系如图7所示。当地下水初始埋深大于0.5 m时，没有出现径流系数大于0.5的事件。初始地下水深度在0.5 m以内的点显示出径流系数的变化较大。左上角的这些情况(图7(a))表明，地下水位埋深较浅的条件符合极端降雨事件，将导致急流，并使该地区容易遭受洪灾。

图7 径流系数与地下水初始埋深H0关系Fig.7 Relationship between runoff coefficient and initial groundwater depth

图8显示了红旗圩和白塔桥的土壤蓄水量与初始地下水埋深之间的良好线性关系，R2分别达到0.850和0.841，反映了浅层地下水和土壤水之间的强相互作用。由2个拟合函数得到的斜率倒数可以作为这类土壤的给水度的一个指标。给水度是土壤的基本性质之一，是指地下水位下降一个单位深度，从地下水位延伸到地表面的单位面积在重力作用下所释放出的水的体积。从函数关系可以用来估算土壤蓄水量，为事件前的渗透预测提供了依据。

图8 地下水初始埋深与土壤蓄水量关系Fig.8 Relationship between initial groundwater depth and water storage capacity of soil

2.5 填洼蓄水-径流关系

基于29个径流事件水平衡计算得出填洼量，红旗圩的填洼量值在0.29～18.86 mm之间，而在白塔桥为0.19 ～12.13 mm。红旗圩平均值为6.20 mm，标准偏差为4.75 mm，白塔桥的平均值为6.63 mm，标准偏差为3.91 mm。不同地点的数据统计特征基本相似，平均值的细微差异是不同的地表植被所致。综合以上分析，认为可以将填洼量作为该地区常见但具有不确定性的径流损失项，并且在某种程度上贡献了图5中降雨-径流线性关系中截距的一部分。因此，综合考虑填洼量的影响因素和这一数值对径流影响的复杂性，基于收集的数据使用t检验，0.95置信水平下填洼量的取值参考范围为4.72～8.03 mm。

2.6 讨 论

太湖流域平原地区浅层地下水与土壤水的相互作用显著。地下水埋深较浅的土壤易饱和，导致蓄满产流占主导地位。引发Dunne产流的阈值由图5(a)中降雨-径流线性关系的截距确定。通过比较高强度降雨和饱和导水率，发现超渗产流仅限于极端降雨事件(图6)。地下水初始埋深是前期条件一个良好的指标。降雨前地下水位较浅，说明前期土壤含水量较高，径流系数较高。初始地下水位与土壤蓄水量之间的线性关系可用于估计该地区的湿润状况(图8)。Horton产流和Dunne产流的存在表明了平原区的多种产流机制，并确定了多种径流过程对降雨响应的影响。通过地表以下的初始地下水埋深是影响集水区径流形成的一个重要参数的定性结论，提出了地表以下的初始地下水埋深作为前期条件估计的依据。洼地蓄水量的取值范围与地下水初始埋深对模型中的参数选择和取值范围有一定的指导意义。本文所采用的方法将田间试验与降雨事件下的水量平衡相结合，有效地验证了监测数据的合理性和准确性，为径流机理的定量研究提供了良好的依据。

3 结 语

a.低强度降雨事件和易饱和土壤的普遍存在表明蓄满产流在径流过程中占主导地位，而超渗产流仅限于极端暴雨事件中，表明该地区存在多个径流过程。总降水量与径流量之间的强线性关系证实了这一观点。

b.降雨前地下水初始埋深与土壤蓄水量呈良好的线性正相关关系，反映了该地区浅层地下水与土壤水的强相互作用。

c.基于水平衡计算得出太湖平原区洼地蓄水量参考值区间，对数值模拟中该参数的取值范围有意义。

基于野外试验区研究的这一方法是可行的，因为其他研究人员已经讨论过，在小尺度上发现的机理在扩大到集水区尺度是有意义的。此外，这些结论仅在水量平衡的基础上获得。同位素示踪实验是揭示径流与野外试验田特征之间内在关系的有力工具，应能证明本文结果，因此将在进一步研究中加以考虑。