黑河上游典型小流域包气带水的平均滞留时间研究

包气带水的平均滞留时间是认识降水入渗－包气带水储存－河川径流等生态水文过程的重要理论基础。本项目依托黑河流域上游生态-水文实验研究站，以黑河上游典型流域－马粪沟流域（2960－4820 m）的降水、土壤水、地下水、泉水和河水的同位素特征为基础，利用同位素技术和水化学特征，考虑植物蒸腾和根系吸水的影响，通过集总参数卷积模型估算包气带水的平均滞留时间，阐明非饱和带土壤水中的水分传输动态过程以及水存储量，利用多重线性回归来分析不同地形条件下、土壤类型、冻融过程和不同景观带等对平均滞时的影响。通过本项目的研究，揭示地表水/降水-土壤水/包气带水-基流/河川径流之间循环的时空过程，为黑河上游出山径流量的估算、河川径流的产生、水资源变化过程和对不同景观格局的平均滞留时间的预测提供理论依据和科学支持，从而为黑河流域出山径流形成提供重要的理论支持。

包气带水的平均滞留时间是认识降水-河川径流、出山径流量和水平衡等重要水文过程的理论基础。选取黑河上游葫芦沟流域红泥沟支流为研究对象，在2012至2014年的7-9月份采集了降水、河水和不同深度的（0、20、40、60、80、100、120和140 cm）土壤样品，结合室内分析研究了降水、河水和土壤水的δ18O和δD值变化特征。以此为基础，应用集总参数卷积模型进行了包气带水平均滞留时间的估算。研究结果表明，降水的δ18O和δD值变化很明显，其范围分别为+1.71‰～-12.84‰和+35.90‰～-88.73‰。在降水取样期间，进行了8次高频取样分析瞬时降水的δ18O和δD组成特征，结果发现降水的δ18O和δD在一场降水事件内也存在着较大的变化。在2014年9月13日一次6小时的降水事件内，δ18O和δD变化范围分别为-2.5‰～-14.0‰和-10.1‰～-94.0‰。通过分析河水δ18O和δD的日变化发现，早晚δ18O和δD偏正，中午δ18O和δD相对较贫。通过比较河水δ18O和δD值的年际尺度上发现，2014年较前两年（2012、2013年）的结果相对富集。不同深度土壤水的δ18O和δD特征表明，浅层土壤水(0-60cm)的变化范围都较大，深层土壤水的变化范围较小。浅层水的δ18O和δD变化范围大是由于不仅受到降水补充的影响，而且受到表层蒸发的影响。另外，7月份与8、9月份土壤水的δ18O和δD组成有明显差异，7月份土壤水的δ18O和δD组成变化范围较大，且较偏负，而8、9月份的变化较小，相对偏正。三年的观测结果表明，河水的δ18O和δD（-4.52‰～-11.29‰，-11.48‰～-67.49‰）和土壤水的δ18O和δD（-3.54‰～-12.26‰，-14.52‰～-75.55‰）变化范围具有很大的相似性。由此可见，河水的主要水分补给来源是土壤水。也有高δ18O值降水的补充。基于以上数据结果，运用集总参数卷积模型、土壤水系统中同位素输入（降水的同位素值）和输出浓度（土壤水的同位素值）的关系来估算研究区土壤包气带水的平均滞留时间约为2.8月。研究结果揭示了葫芦沟流域红泥沟支流降水－基流/河川径流产生的水循环时间尺度，该结果可为进一步研究黑河上游出山径流形成提供重要的理论支持。