高寒山区河道径流形成过程的同位素示踪及模拟研究

发布时间：2018-03-30 22:26

本文选题：高寒山区　切入点：河道径流　出处：《中国地质大学》2016年博士论文

【摘要】：在世界范围内,高寒山区多是大型河流的水源区。高寒山区各水文要素对气候变化的响应非常敏感,并通过径流过程的变化将这种响应传递到中、下游,从而对整个流域的水量和水质产生影响。因此,对源于高寒山区的河流,其径流形成机制研究十分重要。在北极和亚北极山区,冰川和积雪融水对河道径流有着显著的贡献,但在中低纬度高寒山区,降雨仍是河道径流的主要来源。因此,降雨转化成河道径流的过程与机制是高寒山区水文学研究的重要内容。我国西北地区大型内陆河跨高寒山区和干旱区,其特殊的山地-盆地结构决定了山区是径流的形成区,而盆地是径流的耗散区,盆地内降水很少。开展高寒山区河道径流水分来源的季节变化特征研究和降雨-径流的形成机制研究,对认清内陆河流域水资源的形成与转化有着重要意义,是西北地区合理利用水资源,缓解水资源短缺现状的科学基础。综合上述背景,本论文选取黑河上游红泥沟小流域为典型研究区,基于环境同位素和反应溶质示踪剂,分析红泥沟河道径流补给来源的季节变化特征,并选取夏季典型降雨-径流事件,定量识别河道径流水分来源和流动路径的动态变化。在此基础上,构建基于物理过程的分布式降雨-径流模型,以期为高寒山区径流形成机制的分析、气候变化和人类活动对径流过程的影响预测及流域水资源的科学管理等提供依据。论文主要开展了以下四个方面研究：1.环境同位素指示的河道径流水分来源的季节性变化基于红泥沟小流域内河水、地下水、土壤水(含地下冰)、降雨和融雪水δ18O值的年内变化,推断河道径流水分来源及其季节变化为：春季解冻期间(3-5月),冻土融水为河水主要补给来源；在夏季(6-9月),降雨及其转化形成的坡面流和驱动的地下水流为河道径流主要补给来源；秋初过渡阶段(9月底-10月中旬),河水主要源于夏末时由降雨补给并存储在流域内的地下水：秋季冻结期间(10月中旬-11月份底),河水主要源于冻土冻结过程中还未转化为地下冰、仍以液态形式流动的残留地下水,因液-固相转变过程中同位素分馏,该水源δ180值极低。2.环境同位素和反应示踪剂指示的降雨-径流事件的形成过程总体来看,对于各典型降雨-径流事件,事件水对河道径流的贡献较小(20%-40%),且仅约10%～18%以地面径流形式进入河道；储留的前期降雨对径流贡献较大(600%～80%),且经历过地下过程,以地下径流或回归流形式进入河道。在降雨-径流事件的不同阶段,河道径流的水分来源和形成机制存在差异：(1)事件初期,到达地面的降雨主要用于填补土壤水分亏损,难形成坡面流,事件前水对河道径流的贡献接近100%。(2)事件中后期,降雨在非饱和区下渗补给地下水,导致潜水面上升,坡脚处的饱和区面积增大,或地下水与河水间水力梯度增大,地下水向河道的补给量增大,即“事件水驱赶事件前水进入河道”；同时,随土壤水分亏损得到弥补和地面洼地填满,开始形成超渗和超蓄产流。因此,该时段内事件水和事件前水对河道径流的贡献量都增加,但事件前水的相对比例有所下降,而事件水的相对贡献增加。(3)降雨结束后,径流事件仍持续一段时间,但因事件水对事件前水的驱替作用下降,故两者对河道径流的贡献量都下降,但事件前水所占比例逐渐上升。3.黑河上游山区草原带小流域产汇流概念模型通过环境同位素和反应示踪剂对红泥沟小流域河道径流形成过程,特别是夏季降雨-径流过程的示踪研究,提出了产汇流概念模型。(1)流域基底为二叠与白垩纪砂岩、泥岩和泥质砂岩,顺坡形成良好的隔水底板,地下径流(地下水和壤中流)的赋存和运移被限制在上覆的薄层残坡积物内(约1-4m厚)。自坡顶向下,残坡积层厚度变大,但颗粒变细,渗透性由强变弱,导致山坡中、上部为接受降雨入渗补给的非饱和区,山坡下部为饱和区,在河流两岸形成雨季淹水的湿地。(2)降水在山坡中、上部入渗,受浅埋的隔水基岩阻隔,以地下径流的形式向下部汇集,在坡脚受弱透水层或季节性冻土层(夏初)阻隔,溢出地表形成坡面流,经河岸湿地汇集到河道中。(3)流域内两个主要储水单元(山坡中、上部的薄层状粗颗粒残坡积物和下部细颗粒残坡积物上面的河岸湿地)的容量有限,在冬季时都处于冻结状态,无液态水释出,导致河道断流；春季时地下冰逐渐消融,释出的重力水以浅层地下径流或坡面流形式向河道汇集,河道复流,但水量有限；在秋季时,河岸湿地中储存的地表径流和浅层地下径流首先冻结,河水以基流补给为主,随山坡残坡积物中的地下径流也逐渐冻结,河道径流进一步减小,直至完全断流。(4)由于流域储水能力有限、河岸湿地具有快速输水能力且流域内普遍分布导水能力极强的有机层,这导致夏季的降雨-径流过程具有如下特点：水在流域内的滞留时间和流程都较短；径流对降雨的响应非常迅速和显著；环境同位素和反应示踪剂的浓度与径流量的动态变化具有较好的一致性。4.分布式降雨-径流模型的构建及径流水分来源模拟在提取研究区数字高程模型(DEM)的基础上,结合高分辨率激光雷达DEM点云数据,利用ArcGIS10软件生成研究区的DEM。在ArcGIS水文模块辅助下对区域DEM进行水文分析,获取了红泥沟小流域边界范围及其水系和植被覆盖情况。进而,论文基于已构建的产汇流概念模型,以红泥沟流域的降水、径流观测资料为基础,结合流域空间属性的调查结果,利用MIKE SHE软件构建了研究区的降雨-径流模型,并利用次降雨-径流事件的观测数据和示踪结果进行模型参数的率定和模型验证,率定结果显示NSE系数为0.89,相关性系数(R2)为0.8594,验证结果显示次降雨径流和月径流的NES系数为0.75和0.74,相关系数(R2)为0.7563和0.8158,表明模型可对流域的降雨径流事件进行有效预测。与此同时,论文对径流水分来源进行了模拟,发现月降雨-径流模拟期内,地下径流对河道径流的贡献比例约为80%,而次降雨-径流事件中地下径流的贡献比例约为65%,与同位素分割方法得到的结果较为一致(相差10%),证明了该模型的有效性。论文特色与创新之处：(1)本研究将环境同位素和反应溶质示踪技术与基于物理过程的分布式径流模型相结合,通过其结果的对比和相互验证,以提高降雨径流形成过程和机制的研究精度,为常规物理观测十分困难的偏远高寒山区的水文过程研究提供了新思路。(2)黑河上游及至整个青藏高原都广泛分布以“薄层残坡积物+河岸湿地”为主要储水单元的源头流域。本研究所选择的红泥沟小流域是其中的典型代表,对该流域内降雨汇流路径及其与不同蓄水单元相互作用的研究,以及据此构建的降雨径流产、汇流概念模型,可为高寒山区同类小流域水文过程的研究提供参考。
[Abstract]:In this paper , it is very important to study the seasonal variation characteristics of river runoff in high - cold mountain areas , and to select typical rainfall - runoff events in the north of China .
In summer ( June - September ) , the slope flow and driven groundwater flow formed by rainfall and its transformation are the main recharge sources of river runoff .
During the transitional stage of autumn ( end of September - mid - October ) , the river water mainly comes from the recharge of rainfall and the underground water stored in the basin . During the freezing period of autumn ( mid - October - November ) , the river water mainly originates from the residual groundwater flowing in the liquid form , which is very low in the process of liquid - solid phase transition .
In the early stage of the incident , the rainfall is mainly used to fill up the water deficit of the river , it is difficult to form the slope .
This paper puts forward a conceptual model of runoff .
In spring , the underground ice is gradually ablated , and the released gravity water is collected by shallow underground runoff or slope flow to the river channel , and the river is complex , but the water quantity is limited ;
At the time of autumn , the surface runoff and the shallow groundwater runoff stored in the wetland of the river bank are firstly frozen , the river water is supplemented by the base flow , the underground runoff in the slope residual slope is gradually frozen , and the river runoff is further reduced until the complete cut - off . ( 4 ) Because the water storage capacity of the river basin is limited , the river bank wetland has the characteristics of rapid water transmission capacity and the water drainage capacity is very strong in the river basin , which leads to the rainfall - runoff process in summer having the characteristics that the residence time and the flow of the water in the river basin are short ;
The response of runoff to rainfall is very rapid and remarkable ;
The results show that the model can effectively predict the rainfall runoff in the basin . The results show that the model can effectively predict the rainfall runoff in the basin .

【学位授予单位】：中国地质大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：P333

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