[加拿大] S.賈斯琴科

水文水資源

降雨新生徑流占全球河川徑流量比例分析

[加拿大] S.賈斯琴科

生物地球化學(xué)循環(huán)、污染物運(yùn)移和化學(xué)侵蝕都通過(guò)降雨在地表形成河川徑流的速度來(lái)調(diào)節(jié)。徑流是新老降雨的混合，然而，目前新老降雨產(chǎn)流在全球河川徑流中的占比還是未知的。收集并分析了來(lái)自世界各地的254個(gè)流域的雨、雪和徑流中季節(jié)性循環(huán)的氧同位素比值，并計(jì)算出過(guò)去2～3月內(nèi)降雨產(chǎn)生的那部分徑流所占比例。這種新產(chǎn)生的徑流約占全球河川徑流的1/3，在所調(diào)查的約90%的流域中，至少5%的流量來(lái)自于新近降雨。由于新生徑流只有不到0.1%來(lái)自全球地下水存儲(chǔ)，最終得出結(jié)論，盡管量級(jí)較小，但薄含水層仍將對(duì)河流水質(zhì)產(chǎn)生較大影響。

降雨；污染物；徑流；河流；影響分析

1 降雨新生徑流占比

計(jì)算水通過(guò)地表輸移時(shí)間對(duì)于預(yù)測(cè)溶質(zhì)、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和污染物的滯留、移動(dòng)和去向均十分重要。雖然世界各地的水文測(cè)站計(jì)算降水、徑流之間的時(shí)間延遲，但都是測(cè)量水勢(shì)的快速性而不是水流本身的速度，而該速度通常會(huì)慢幾個(gè)數(shù)量級(jí)。一般研究的徑流“年齡”主要是測(cè)量降水中地球化學(xué)保守性示蹤物質(zhì)(如Cl-、18O、2H)出現(xiàn)在徑流中所需的時(shí)間。通常有兩種徑流年齡計(jì)算方法： ①次降雨水位線(xiàn)分離法，即把來(lái)自當(dāng)次降雨的“次降雨量”從徑流中分離出來(lái)，這是相對(duì)于來(lái)自降雨前流域存儲(chǔ)的“前期降雨量”； ②降雨在非暴雨期到達(dá)河流所需的平均傳播時(shí)間。

雖然次降雨水位線(xiàn)分離法為數(shù)十個(gè)小流域(流域面積小于100 km2)的次降雨和降雨前水量研究提供了一定參考，但該方法無(wú)法計(jì)算無(wú)降雨時(shí)段徑流時(shí)間的長(zhǎng)短，而通常這一時(shí)段持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)。另外，根據(jù)對(duì)100個(gè)小流域開(kāi)展深入研究，通過(guò)分析降水和徑流中穩(wěn)定同位素的季節(jié)性波動(dòng)，計(jì)算出其平均傳輸時(shí)間通常是15 a。然而最近的研究表明，這種方法估算的平均傳輸時(shí)間易受累積誤差影響，即真正的平均傳輸時(shí)間很有可能被低估。

雖然降雨和徑流中季節(jié)性循環(huán)的18O作為計(jì)算平均傳輸時(shí)間的指標(biāo)并不可靠，但可用來(lái)衡量新徑流所占比重，這里的新徑流是指通過(guò)降雨穿越流域地表到達(dá)河流的時(shí)間少于2.3±0.8個(gè)月的新生徑流。最近有研究表明，即使在非均勻和非穩(wěn)態(tài)的流域，這種新生徑流所占比例也可以被量化。基于穩(wěn)定同位素的新徑流估算通過(guò)18O在水圈的自然季節(jié)性循環(huán)得到(δ18O=([18O/16O樣本]/[18O/16O標(biāo)準(zhǔn)海水]-1)×103‰)。降水的18O值往往具有明顯的季節(jié)性，尤其是在大陸內(nèi)部，這是由于溫度和大氣層水汽輸送途徑的季節(jié)性變化改變了雨水驅(qū)動(dòng)的分離。徑流中18O值通常遵循類(lèi)似的季節(jié)性周期，但相對(duì)于降水輸入有衰減和相移，這是因?yàn)橛晁€有一部分在湖泊、土壤和含水層中混合和存儲(chǔ)。通過(guò)比較降水和徑流中18O的季節(jié)性周期，估算出全球254條河流的新生徑流比重，在空間尺度上，比以往大多數(shù)穩(wěn)定同位素示蹤技術(shù)應(yīng)用的跨越都要大。

對(duì)全球的分析表明，新生徑流約占全球河川徑流量的1/3，分布較廣泛。在這254條河流中，新生徑流平均占比為26%，中位數(shù)為21%(10%～90%范圍內(nèi)占比為4%～53%)。以有流量數(shù)據(jù)的190個(gè)流域?yàn)榛A(chǔ)，計(jì)算出流量加權(quán)的新徑流比重為34%。在所研究河流中，新徑流占比超過(guò)10%的約占3/4，絕大多數(shù)研究河流(89%)中新生徑流的占比都超過(guò)5%。

新生徑流占比較小(<5%)的河流一般為大型天然湖泊和水庫(kù)下游，如瑞典約塔(G?ta ?lv)河在維納恩(V?nern)湖下游的部分，瑞士阿勒(Aare)河在圖恩湖下游的部分，以及美國(guó)密蘇里河位于加里森(Garrison)大壩下游的部分，都與其擋水時(shí)間較長(zhǎng)密切相關(guān)。相反，新生徑流比重大于50%的大多為自由流淌的河流，如杰納布(Chenab)河(巴基斯坦北部)和內(nèi)格羅(Negro)河(巴西，亞馬遜流域)，但在全球范圍內(nèi)并不多見(jiàn)(約占所研究河流的11%)。

大多數(shù)河流(89%)有相當(dāng)比重的(>5%)新生徑流，這一研究結(jié)果對(duì)污染物運(yùn)移具有重要意義。保守示蹤劑的光譜分析已經(jīng)表明，流域的傳輸時(shí)間分布具有“長(zhǎng)尾巴”的現(xiàn)象，這意味著可溶性污染物在流域的留存時(shí)間跨度長(zhǎng)，被緩慢釋放進(jìn)入地表水。研究表明，雖然流域可以長(zhǎng)時(shí)間留存污染物，但也會(huì)將一部分可溶性污染物迅速傳輸至河流中。新生徑流在全球河流中的普遍存在意味著，即使典型流域的平均運(yùn)輸時(shí)間很長(zhǎng)(數(shù)年到數(shù)十年)，但新生徑流也可以在很短的時(shí)間內(nèi)(2個(gè)月以?xún)?nèi))將污染物傳輸至地表水?？偟膩?lái)說(shuō)，多數(shù)流域都存在大量的快速和緩慢的徑流，從而可以迅速將相當(dāng)一部分水溶性污染物運(yùn)至河流中，同時(shí)在流域?qū)⒁徊糠治廴疚锪舸鏀?shù)年或數(shù)十年。

2 陡峭山區(qū)情況

該研究觀(guān)測(cè)站點(diǎn)大多位于北美和歐洲，新生徑流占比的空間分布表明，在陡峭山區(qū)流域，新徑流的分布不如梯度平緩地區(qū)普遍。在這254個(gè)研究流域中，新徑流比重與平均地形梯度的對(duì)數(shù)之間呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(斯皮爾曼等級(jí)相關(guān)ρ=-0.36，p<0.000 1)，由此可以證明以上觀(guān)點(diǎn)。如果地勢(shì)陡峭的流域主要位于山區(qū)，大量積雪在夏天融化，會(huì)使帶有“冬天”同位素標(biāo)識(shí)的徑流在夏天出現(xiàn)，使季節(jié)性同位素循環(huán)出現(xiàn)“遲滯”的效應(yīng)，這就有可能使上述相關(guān)關(guān)系不成立。為此，排除了長(zhǎng)序列二月雪水平均當(dāng)量超過(guò)平均年降水量10%的流域，并發(fā)現(xiàn)這種負(fù)相關(guān)性更加顯著(ρ=-0.39，p<0.000 1)。

新生徑流在平坦地形區(qū)域分布更為普遍反映了這些地區(qū)農(nóng)業(yè)的發(fā)展，在梯度平緩地區(qū)快速?gòu)搅饕搽S之增加。這一假設(shè)與254個(gè)測(cè)站所觀(guān)測(cè)到的結(jié)果一致。耕地在各流域的比重與新生徑流的比重顯著相關(guān)，當(dāng)然也與平均坡度呈負(fù)相關(guān)。

相反，新徑流在陡峭地形的分布減少，這說(shuō)明陡峭的地形往往有利于更深層的垂直滲流，而不是淺層的側(cè)向流。這種山區(qū)流域產(chǎn)生更多滲流的趨勢(shì)似乎不合常理，但與產(chǎn)流和地下水流動(dòng)的概念模型一致，表明地形粗糙度使地下水的長(zhǎng)流路繞過(guò)一級(jí)河流。陡峭地區(qū)新生徑流比重較小，這表明在陡峭地形中，由于巖石應(yīng)力產(chǎn)生基巖裂隙，提高了滲透性，促進(jìn)了更深層的滲流。在這254個(gè)流域中，新生徑流比重與平均水位深度(ρ=-0.26，p<0.000 1)以及基巖滲透率(ρ=-0.15，p<0.02)呈負(fù)相關(guān)，這也證實(shí)了以上假設(shè)。在更陡峭的流域，新生徑流與水深以及基巖滲透率之間呈更顯著的相關(guān)性。反之，山區(qū)流域新徑流比重小，意味著可溶養(yǎng)分不太可能很快分流至地表水，從而更容易被生物降解。此外，從某種程度上來(lái)說(shuō)，陡峭的地形具有更深的滲流和更長(zhǎng)的地下水滯留時(shí)間，因此，河流中可能出現(xiàn)更高濃度的侵蝕產(chǎn)物。

往往陡峭的流域新生徑流較小，雖然有其統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，但新生徑流和地形坡度的對(duì)數(shù)之間的關(guān)系表現(xiàn)出明顯的分散，表明其他的流域特征也影響新徑流。

在收集的數(shù)據(jù)集中，地形梯度與新生徑流比重顯示了極強(qiáng)的相關(guān)性，但未解釋的方差比重大，這表明其他變量也發(fā)揮了重要作用。此外，還觀(guān)察到新生徑流比重與流域面積、年降水量、基巖孔隙度、人口密度，或流域中牧場(chǎng)或開(kāi)放水域的比例組成之間沒(méi)有顯著的相關(guān)性。其他一些以前確定與徑流年齡有關(guān)的控制因素在區(qū)域尺度上可能比較關(guān)鍵，如坡向、土壤排水分類(lèi)、基巖地質(zhì)或降水的季節(jié)性。以前的研究表明，上述因素中，有些與徑流時(shí)段有很強(qiáng)的相關(guān)性，但這種相關(guān)性通常只是局限在特定的氣候條件以及少量測(cè)站中(254個(gè)流域中不足10個(gè)流域)。

由于地表以下孔隙度和滲透率隨深度的增加迅速減小，新生徑流可能主要產(chǎn)生于含水層頂部隙度和滲透率最大的薄層?？梢愿鶕?jù)新生徑流的比重對(duì)這種“短期含水層”的蓄水量進(jìn)行量化。在所研究的流域中，將這種短期含水層的蓄水量用等效水深表示，在1～55 mm范圍內(nèi)(10%～90%范圍；中位數(shù)小于14 mm)。相比之下，全球最表層2 km地殼的地下水儲(chǔ)量平均相當(dāng)于約180 m的等效水深。因此，在所研究測(cè)站中，短期含水層蓄水量約占全球表層2 km地殼地下水平均儲(chǔ)存量的0.000 5%～0.03%(中位數(shù) 0.008%)。若只考慮在地殼表層100 m地下水儲(chǔ)量(約15 m等效水深)，短期含水層蓄水量只占淺層地下水儲(chǔ)量一小部分(約0.007%～0.4%；中位數(shù) 0.09%)。

這種少量的短期蓄水量表明，在典型流域，新生徑流比大多數(shù)流域存續(xù)的地下水都要年輕許多個(gè)數(shù)量級(jí)。全球地下水平均儲(chǔ)量等效水深(180 m/a)比全球年徑流量等效水深(280 mm/a)大3個(gè)數(shù)量級(jí)，這樣的結(jié)果在正常范圍內(nèi)。盡管如此，它為在月尺度上定量劃分徑流提供了可行的方法。相對(duì)于流域，這種短期含水層每個(gè)體積單位產(chǎn)生更多的河川徑流。因此，這種薄的短期蓄水層與河川的連通性最強(qiáng)。盡管儲(chǔ)量不大，但這里的生物地球化學(xué)反應(yīng)將會(huì)對(duì)河流水質(zhì)產(chǎn)生較大的影響。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文的研究首次估算了全球河川徑流中新生徑流的比重。結(jié)果表明，新生徑流約占全球河川徑流的1/3，并在河川徑流中普遍存在。因此，即使流域的平均傳輸時(shí)間為數(shù)年或數(shù)十年，流域可在較短的時(shí)間內(nèi)將大量的水溶性污染物傳輸?shù)胶恿鳌１疚难芯刻岢龅男聫搅鞅戎乜梢詸z驗(yàn)水文模型，作為一種比單純對(duì)比模擬和實(shí)測(cè)徑流水文過(guò)程性更好的方法，能夠在一定程度上為真實(shí)模擬水流在地表流動(dòng)提供基準(zhǔn)。分析表明，陡峭地區(qū)流域產(chǎn)生的新生徑流少于平坦地區(qū)流域，耕地比例大的流域新生徑流比重更大。這表明，耕地面積大的平原地區(qū)更可能將傳輸化肥和農(nóng)藥在相對(duì)較短的時(shí)間跨度內(nèi)快速傳輸至河流(約2個(gè)月)。分析也表明，一小部分(<0.1%)陸地含水層體積產(chǎn)生的徑流約占河川徑流的1/3，也就是說(shuō)，在高連通性的薄短期蓄水層，盡管儲(chǔ)水量不大，但是這里發(fā)生的生物地球化學(xué)反應(yīng)會(huì)對(duì)河流水質(zhì)產(chǎn)生較大影響。

邰肇悅 譯

(編輯：李 慧)

勘 誤

《水利水電快報(bào)》2017年第1期文章《氣候變化對(duì)緬甸耶育瓦水電站水力發(fā)電的影響》文末的“譯簡(jiǎn)介”應(yīng)改為“譯者簡(jiǎn)介”， 特此更正，并為由此造成的不便深表歉意。

2016-10-15

1006-0081(2017)02-0013-02

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