黄土丘陵区小流域大气降水-土壤水-地下水转化行为机理研究

黄土区大气降水- - 土壤水- - 地下水循环转化机理目前尚不明确，生态恢复引起的土壤干化对水循环影响程度、后果难以确定，需借助土壤优先流理论和同位素示踪技术对深厚黄土层的水循环转化机理进行研究。研究拟以延安燕沟流域强降雨事件引起的水转化为对象，进行流域降雨、土壤水、泉水、井水、河水的同步监测与过程采样，农林草地（大型土柱）土壤水分运移对比试验（TDR监测湿润锋、同位素示踪水源和染色剂显示路径）、模拟土壤孔隙组成与大孔隙连通性对水分下渗的影响试验等，结合各类水体水量动态及水样同位素组成变化，借助正余弦函数模型，配合泉水、井水、土柱渗流等水量突变时段监测结果，研究黄土区水量转化中优先流补给量和滞后时间；比较分析大孔隙在土壤入渗进程中的作用与主导因子；基于降雨、土壤水、地下水三相混合模型，研究黄土土体/小流域的水循环路径、方式、强度。成果对深化黄土区水循环理论、促进流域治理科学决策有指导意义。

课题进行了多项试验、监测任务：燕沟流域降雨、土壤水、沟道径流、泉水、井水等水资源要素的系统监测，包括雨水、地表水、地下水、土壤水的水样H2&O18同位素示踪检测；农林草样地及其模拟土柱的土壤入渗过程监测；不同土地利用下土壤根系特征测定；SWAT模型模拟流域水文变化和SWAT的双域入渗模型模拟大孔隙流变化过程。通过以上任务的完成，突出地对土壤水分运移的大孔隙通道数量特征及其在降雨进入地下水的贡献率方面取得了以下进展：. 1 农林草地的植物根系数量特征塑造了土壤中的大孔隙的数量特征，进而奠定了降雨—土壤水—地下水的联系基础：染色试验表明农、林草地土壤中均存在大孔隙流现象。进一步研究表明,土壤根系生物量、根长密度和根表面积指数是影响染色剂分布的主要因子。雨水在土壤中运移的湿润峰运移的速度较大孔隙优先流大大延长，表明降雨—土壤水—地下水的水力联系通道仍以非饱和土壤入渗为主要特征。. 2 土壤大孔隙的有效性与连通性是降雨入渗行为的关键，植被恢复促进了土壤大孔隙形成，有利于局地水文小循环。土壤中大孔隙数目及大孔隙度由大到小顺序为：刺槐林地≈草地>小麦地>苹果林地，即农地的生产活动降低了土壤的大孔隙。农林草地土壤中>1 mm的有效大孔隙对饱和导水率的贡献可达到36.19～46.72%，>0.5 mm的有效孔隙能解释61.10～69.93%的饱和水流通量。. 3 SWAT模型模拟结果显示植被恢复增强了降雨—地下水联系，并量化了林草植被恢复对径流减少的可能贡献。燕沟流域退耕还林草前后的1997年/2003年的径流深为14.64 mm /9.37 mm，6年来年径流减少了5.27mm，占2003年总径流深的56.2%。双域模型较单域模型更能反映土壤入渗的实际。. 4 黄土区降雨—土壤水—地下水表现出一定的优先流机制，即同位素示踪发现次降雨下的地表水以当次降雨补给为主，以土壤水补给为辅，地下水却显示出明显的雨水特征，反映出大孔隙通道补给地下化的客观性。. 5 证明了异质性施肥对促进植被生长效果显著。. 综上所述：在黄土高原地区，降雨—土壤水—地下水的水力联系通道由于林草植被恢复而不断完善、强化，降雨进入地下水的能力会逐渐增加。