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摘要
Abstract
集水區(qū)的降雨徑流轉化通常遵循各種較慢和較快的流動路徑,導致水流中混合有“年輕”和“較老”的水。本研究探討了降水強度和土壤濕度對農業(yè)流域水流中水年齡分布的影響。以往研究僅考慮土壤濕度對水流中“年輕”和“較老”水混合的影響,但本研究假設降水強度也可能起關鍵作用。通過分析流域的高分辨率δ1?O數(shù)據(jù),利用基于SAS函數(shù)的示蹤劑傳輸模型估算水流的渡越時間分布(TTD)。研究設置了兩種SAS函數(shù)參數(shù)化情況:一種僅考慮土壤濕度,另一種同時考慮土壤濕度和降水強度。結果表明,考慮兩者時,水流示蹤模擬效果更好(納什-薩特克利夫效率從0.31提高到0.51)。兩種方法對小于90天的TT估計相似,但僅考慮土壤濕度時,小于7天的TT在夏季和秋季模擬不佳,因為此時降水直接貢獻(如瓦排水)和地表流動過程顯著。這表明在干燥土壤條件下,無論降水強度高低,事件水都可能通過快速流動路徑(地表水流、瓷磚排水溝等)繞過土壤基質。因此,在優(yōu)先流和地表流重要的流域中,SAS函數(shù)應同時考慮土壤濕度和降水強度,以更好地描述快速水流生成機制。
研究目的
Research Objective
探討土壤濕度和降水強度對快速流的傳輸時間分布(Transit Time Distribution, TTD)的影響,特別是在一個具有顯著快速徑流響應成分的異質性流域中。研究旨在通過分析高分辨率的穩(wěn)定同位素數(shù)據(jù)(δ18O),測試快速流及其傳輸時間是否僅受土壤濕度控制,還是也受降水強度的影響,并改進對快速流生成機制及其時間尺度的理解和描述。
研究方法
Research Method
1
研究地點選擇
在奧地利Petzenkirchen的水文開放實驗室(Hydrological Open-Air Laboratory, HOAL)進行研究,該流域面積為66公頃,具有濕潤氣候和典型的農業(yè)土地利用特征。
圖1. HOAL集水區(qū)地圖以及降水、氣象站、土壤濕度、河流同位素采樣和降水同位素采樣裝置的位置。
2
數(shù)據(jù)收集
①水文氣象數(shù)據(jù):包括2013年10月至2018年12月期間的日降水、日徑流和土壤濕度數(shù)據(jù)。
②穩(wěn)定同位素數(shù)據(jù):使用Picarro L2130-i 和L2140-i 激光光譜儀測量降水和徑流中的δ18O和δ2H。
圖2. HOAL集水區(qū)的水文和示蹤劑數(shù)據(jù)
3
模型構建與模擬
①水文模型:基于DYNAMITE建??蚣埽?、冠層截留、非飽和根區(qū)、快速響應和地下水等五個水庫,模擬流域的水文過程。
②追蹤傳輸模型:結合水文模型,使用基于年齡排序的存儲選擇(rSAS)函數(shù)來模擬不同年齡水的釋放概率,從而估計徑流中的TTD。
③模型校準與優(yōu)化:使用差分進化算法優(yōu)化模型參數(shù),確保模型能夠同時再現(xiàn)徑流和δ18O的動態(tài)變化特征。
結論與展望
Conclusion and Prospect
Picarro儀器測量的δ18O和δ2H數(shù)據(jù)被用于分析降水和徑流中的水年齡分布,以及快速流的傳輸時間分布特征。這些數(shù)據(jù)與水文模型模擬結果相結合,用于驗證和改進模型對快速流生成機制的描述。
通過分析降水和徑流的同位素數(shù)據(jù),發(fā)現(xiàn)快速流中年輕水的比例在降水強度較高時顯著增加,表明降水強度對快速流的傳輸時間有顯著影響,支持了研究中關于降水強度與土壤濕度共同控制快速流傳輸時間的結論。
同位素數(shù)據(jù)還揭示了在干旱土壤條件下,降水事件水通過快速流路徑(如地表徑流、排水溝和優(yōu)先流路徑)繞過土壤基質直接進入河流的現(xiàn)象,進一步證實了研究假設。