流域生态水文过程中水传输时间研究进展_吕学成.pdf

：流流域域生生态态水水文文过过程程中中水水传传输输时时间间研研究究进进展展吕学成，田孟涵，梁靓，高金芳，王莉（甘肃省水土保持科学研究所，甘肃 兰州；兰州理工大学，甘肃 兰州）摘要流域尺度上降水的径流路径是科学认识大尺度区域水传输时间的基础和先决条件。在参考国内外大量研究文献的基础上，对水传输时间的研究进展从基本概念、计算方法到模型建模方法进行了分析与评述，指出机理模型研究是未来研究水传输时间的方向，而尺度研究目前研究的精度不够；在对水传输时间研究各类方法分析和归纳后，指出流域水传输时间研究的方法包括直接计算方法和间接计算方法两种，并对各种方法的优缺点及适用条件进行了总结；最后指出流域水传输时间研究存在的问题主要集中在模型输入特征、补给假设、数据长度、河流取样和传输时间分布函数选择等问题，为流域生态水文过程、水资源合理利用及流域水文提供科学依据。关键词径流路径；水传输时间；传输时间分布；模型中图分类号 文献标识码文章编号 （）收稿日期 基金项目国家自然科学基金项目（）；甘肃省水利科研技术推广项目（甘水建管发 号、号）；甘肃省水土保持补偿费项目作者简介吕学成（），男，甘肃白银人，高级工程师，主要从事水土保持与水利工程方面工作。，（o o oo，o，；o o oo，o，）：o o o o o o o o，o o o o o，o o o o o o o o o o o o o o o o o ，o，o ，o o o o o o o ，o，o o o o ，o o ：o；o；o降水的径流路径是生态水文过程中的重要环节，而流域尺度上降水的径流路径是科学认识大尺度区域水传输时间的基础和先决条件。通常情况下，降水是土壤水和地下水的唯一补给源，一部分直接汇入河流，另一部分通过土壤入渗转化为地下水。降水进入土壤并向流域出口运移的过程包括了水的存储，径流路径和来源等信息。等在 世纪 年代基于化学工程和地下水领域提出了估算流域水传输时间的改进方法。由于区域降水的时空差异，基于地下水改进方法计算的水传输时间不能反映流域在时空上变化的复杂过程，且垂直和水平流动的耦合与优先流现象的解释相对缺乏 。近年来，随着计算机软硬件的发展，和 等 利用计算机程序来解译基于环境示踪剂的集总参数模型来估算流域水传输时间分布。等用水传输时间作为监测大流域（大于）储水量和水流流量变化的手段。然而，水流在流域内的存储和径流路径相对复杂，根据不同区域特征选用适宜的计算方法可为估算流域水传输时间提供更可靠的依据。同时，水传输时间也是解决流域生态水文过程、地下水污染、生态安全及水资源合理配置等问题的关键。研究方法及分析 基本概念传输时间分布可以描述水和溶质在流域内保留和释放的路径，而水和溶质运移路径是控制地球化学和生物地球化学循环及污染物的持久性的重要途径。降水通过流域向河流运移的时间决定了生物地球化学反应发生的时间。因此，定量化平均传输时间和传输时间分布规律显得尤为重要。通常情况下，河流是不同水源混合的结果，可以反映降 年 月第 卷 第 期 地下水o ，o.水在流域内的滞留时间。在流域内沿着流动路径的任一点，水分子从进入流域到通过流域的时间被定义为水滞留时间。更具体的说，水滞留时间被定义为水分子在进入流域内部到到达流域出口所耗费的时间，而水分子通过地下流动系统到达流域出口的时间被定义为水传输时间。流域的水传输时间是到达流域出口的时间，包括地表流动和渠道输移。直接计算方法首先，考虑一个简单的水力平衡，水力周转时间（）被定义为：（）式中：为流域动态储水量（）；为流速（），通常假设为恒定值或平均值。基于流域地下水储量一定这一假设，从达西定律来看，水力周转时间被表示为：（）（）式中：为补给到流域出口的距离，；为水头差，；为有效孔隙度，；为水力传导度，。间接计算方法从概念上讲，假设示踪剂的背景浓度是零，传输时间分布可表示为与时间序列相对应的瞬时响应或突变函数：（）（）（）（）式中：（）为 时的示踪剂浓度，。传输时间分布函数（）表示用示踪剂瞬时来源对整个流域的概率密度进行描述。对于传输时间其他的术语是流经时间分布，系统响应函数和权重函数。示踪剂的平均传输时间（）标准化为首次到达流域出口时刻的平均到达时间：（）（）（）（）与流域的水力周转时间相比较（公式（），它已成为估计平均传输时间的常用方法。传输时间分布是典型的倾斜式长尾巴分布。因此，方差，偏度和中值等更适合描述传输时间分布的形状和尺度。而公式（）和公式（）计算的高度理论化的传输时间分布在流域尺度上完成这些实验十分困难。等称平均传输时间比周转时间更有指导意义，因为平均传输时间能够描述地下系统的各个方面。如果示踪剂在流域内没有滞留且稳定，那么示踪剂的平均传输时间就等于水力周转时间（即：）。主要进展 模型研究流域水传输时间分布通常由试验分析的稳定同位素（和），氚（），和其它稳定示踪剂（例如氯化物）随时间变化的关系确定 。降水期间环境示踪剂（如）沿着流域地表和地下不同的流动路径运移。而在不受人类活动影响的流域内，地下流动路径是降水的主要运移路径。示踪剂沿着地下流动路径到达河流网络的运移过程中的平流和分散，是流域水流路径分布、径流过程和地下水文特点的直接响应。而传输时间分布是流域所有位置示踪剂到达流域出口的综合响应。一般情况下，流域内稳定示踪剂的运移用卷积积分表示为：o（）（）（）（）（）（）式中：是输入和输出的滞后时间；o（）是任意时刻出流示踪剂的浓度组成；（）是任意时刻流域内示踪剂的浓度组成；（）是传输时间分布；星号代表卷积运算的简略。但公式（）仅适用于恒定潜流类型。公式（）仅有示踪剂浓度，没有修正时间和流动参数（如流速），所以与总潜流量相比流动系统变化的部分不会显著的长期偏离平均值，和 o 等 修正了流动时间：（）（）式中：为修正流动时间；为年平均径流。更多集总模型（空间均质输入）表示为：o（）（，）（）（）式中：（，）是随时间变化的传输时间分布。尽管公式（）更符合流域环境下实现，但传输时间分布本质上很复杂，因此也难以精确量化。等把流域传输时间分布看成随机的，这能够估计流域平均传输时间随时间的变化。传输时间分布研究流域的传输时间分布可能是各种各样的形状，具体取决于流动路径的分布。因此，传输时间分布是从许多假设分布中选择，由于真实的分布未知，只有在特殊情况下能够通过试验来直接决定。通用的水文模型类型包括：活塞流、指数流、指数活塞流和弥散模型。活塞流模型是直接假设所有的流动路径速度和路径长度相同，而这在流域内是绝对不可能实现的。指数模型简单描述流域的的流动时间是指数型的。而指数活塞流模型整个系统是指数型分布的，但适时用活塞流模型延迟了流动时间。弥散模型包括了简单的扩散公式并认为附近的传输时间是均一的。建模方法 集总参数方法集总参数方法估计传输时间有许多模型，如离子径迹，直接模拟，组分模型，概念水文模型，和随机方法 。通常，这些方法仅需要流域的水文特征就能估算传输时间，许多缺乏资料的流域得益于这些技术。因此，集总参数方法常被用于推断无资料地区的传输时间。集总参数方法通过流域尺度上的水文参数估计传输时间分布，在时间域内积分完成，程序可以用计算机代码编程执行 。集总参数方法通常不能很好地描述传输时间分布，但却是流域传输时间计算的重要方法。卷积方法当公式（）的卷积在时间域内，它能使用傅里叶频率或者拉普拉斯域转换。根据卷积定理，卷积仅仅是（）和（）输入时间序列的转换。用功率谱描述（）和（）由傅叶里振幅平方决定的一个特别的信号频率，用乘法卷积表示为：o（）（）（）|（）|（）|（）|（）而传输时间分布的功率谱是|（）|（）|（）|（）其中，是频率（，其中 是波长），|（）|，|（）|和 （）|分别是输入、输出和传输时间的功率谱。|（）|将会根据滤波的形状，给出输入频率阻尼或者衰减第 卷第 期地下水 年 月程度。然而，|（）|功率谱的结果不能反转传输时间分布的时域。功率谱方法也许考虑到了更好的辨别潜在传输时间分布与时域方法间的比较，因为流动系统常常有特定的频率响应特征。但去卷积时，高频组分和输入 输出信号混淆可能掩盖真正的传输时间分布的辨别 。正弦波方法降水的稳定同位素组成趋向于不同的对流层温度变化来反映季节性的变化，这在某些情况下近似等于正弦函数：o（）（）式中：是预测的同位素组成，是估算的年平均 值，是年振幅，是相位，是角频率常量（），；是时间。公式（）能用正弦和余弦的关系在统计学上用一次谐波估算，等提出了多重标准的回归模型：oo（）（）（）回归系数 o和 由和计算。指数模型、指数活塞流模型和弥散模型的平均传输时间的解析解与公式（）结合推出用输入和输出信号表示的正弦曲线：（）（）（）（）（）（）（）式中：是阻尼系数，为 ；和 是输入和输出信号的年振幅；是描述活塞流部分的参数；是佩莱克数。参数 为系统水的总体积与传输时间指数分布体积的比值。对于 ，模型等于指数模型，然而当 ，模型是活塞流模型。o 等通过 和 校准了指数活塞流模型和公式（）：|（）()o|（）这种方法考虑到用指数和指数活塞流模型来解释示踪信号。公式（）或公式（）需要足够的观察数据，所以正弦波分析的应用限制于数据周期的数量上。o 等对三种不同的方法估算的水传输时间对比发现卷积方法比正弦波方法结果更精确。同样地，若降雨或者补给是非均匀的，通常采用正弦波方法，因为正弦波方法计算简单，常常被用来估算平均传输时间。另外，正弦波方法不用区别不同模型类型，因为平均传输时间直接从信号振幅给了一个选型计算。并且，正弦波方法输入参数通常是稳定同位素数据集，没有利用不同于年频率的微妙变化。因此，卷积方法被认为是估算传输时间分布和传输时间最精确的方法。存在问题 输入特征问题一般情况下，测量输入代表了整个流域的时空输入。实际上，降水同位素组成通常在同一位置取样。在流域尺度上，特别是在山区，海拔、降水强度，空气温度和雨影效应可能引起降水在短距离上同位素组成的变化。融雪水的输入同样存在问题，特别是融雪水主要补给流域土壤水和地下水。融雪水的轻同位素特征在正弦波方法上延长了平均传输时间。早期融雪水的分馏常常引起其同位素组成轻，而随后的融化过程富集重同位素。因此，若存在积雪覆盖，输入特征应该考虑融雪水早期分馏程度。总之，如何获得代表性的融雪水同位素来估算流域的传输时间鲜有研究，流域同位素输入组成的特征可能导致潜在的不确定性或传输时间模型参数估算的误差。补给假设问题假设传输时间模型输入组成与补给组成相同。理论上，如果所有的降水输入和补给速率已知，那么输入的平均权重由长期的平均河流同位素组成。这个假设即没有考虑土壤蒸发分馏也未能考虑冠层截留分馏；蒸腾在土壤根界面认为没有发生水分分馏。换句话说，水文示踪模型除了识别传输时间分布参数外，还要耦合示踪物浓度变化与径流路径的关系。数据记录长度示踪物记录长度也是集总参数方法输入和输出的常见问题。如果传输时间分布长于输入记录长度，短系列的输入可能导致参数估计的误差和示踪剂质量不平衡。许多研究人员用正弦波近似替代长期数据。在这种情况下，分布参数估计的不确定性就存在了；因此，建议获得最长的数据记录。河流样品采集问题在大多数研究中，由于经费制约，输入周期为每周（或每月）一次。从而，模型输入不能期望比每周（或每月）更好的时间尺度数据集。通常在河流样品采集期间，未剔除暴雨期间的同位素组成，因为暴雨直接影响着河流的同位素组成。如果估计地下水平均传输时间，在暴风雨后滞后一至两周，或融雪后滞后一周采集样品很有必要，以避免暴风雨的快速的贡献覆盖传输时间的真值。河流样品采集决定着反映基流或整个流动状态传输时间的估计，研究估计的基流传输时间并不能真正代表流域的传输时间，但是在估计地下水传输时间上是有效的。如果输入时间周期是每天一次，那么估计的流域传输时间就更为客观了。传输时间分布选择问题根据流域特性，传输时间模型选择适宜的传输时间分布是常见的问题。集中参数方法主要应用于地下水系统，模型类型通常是基于简化的含水层几何形状。例如，指数型传输时间分布含水层应具有均匀水力传导性和孔隙率，并且不饱和区是忽略不计的；指数 活塞流模型传输时间分布有效剔除了传输时间过短或过长的含水层。一般情况下，传输时间分布仅仅简单描述了流域出口所有的流动路径分布。结语纵观国内外的研究现状，研究流域水传输时间目前存在或亟待解决的主要问题有：（）模型的输入特征问题，（）补给假设，（）数据记录长度问题，（）河流样品采集问题，（）传输时间分布选择问题。由于不同方法可以得到不同的传输时间，如何衡量其精确度；不同流域尺度水传输时间参数的相互转化问题，如何通过小流域向大流域的转化；理论模型中参数的变异问题，各种理论模型都引用了反映一定区域的传输特征参数，这些参数特征反映一定区域的传输时间，第 卷第 期地下水 年 月其代表性好坏如何衡量；不同土壤结构和降水组分影响着流域传输时间，如何更好的反映其对传输时间的影响，都有待于进一步研究。由于土壤结构和降水来源本身的复杂性和空间的变异性，使得用示踪剂表示的水传输时间的也更加复杂，还有大量的基础性研究需要展开，尤其在大尺度流域上，考虑的问题往往更复杂，必须考虑地貌、土壤、植被、土地利用等宏量因素与微观尺度量的综合影响，需要逐步深入研究。尽管许多方法还处于起步阶段（如示踪剂数据的光谱分析、机理，传输时间分布模型）。更为重要的是，传输时间建模将为流域水文、生态安全、水资源合理配置和污染物治理提供重要科学依据。参考文献靳宇蓉，鲁克新，李鹏，等 基于稳定同位素的土壤水分运动特征 土壤学报 （）：李晗，司炳成，靳静静，等 利用环境氚估测黄土高原坡地深层渗漏量 水土保持学报 （）：，o o oo o o o o （）：，o，o o o o o o o o oo o （）：，o，o o o o oo o o oo （）：，o o o oo o o ooo （）：，o o o ：o o o o o o o oo ：，o，oo o ，o o o ooo o（）：，o o ooooo o：o o o oo o （）：，o o o oo oo o o o ，o o o o o o o o o o o （）：，o，o o o o o o oo：o oo o oooo （）：，oo o o o ，o o，o （）：，oo o o o o oo，o （）：，o ，o oo o o o：o oo （）：，o o ooo o oo o （）：，o，o o o o oo o o o o oo o ooo o 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万元，但上述财产非淹没区全部财产，如：淹没区内城镇基础设施中现在建的道路交通资产、行政事业单位中交通及运输业、邮电及通信业、金融及保险业、教育业、广播电视业及体育业等资产，因资料缺乏，均未考虑。故预测的此数值明显偏小。专项专项内容包括公路桥、铁路桥、输气管道、水利工程等。此部分资产因无相关资料，本次计算经济损失时暂未考虑。社会与环境影响本次社会与环境影响，主要针对溃坝后对社会与环境产生的影响进行分析，溃坝社会与环境影响主要影响因素有：淹没范围内，风险人口数量、城镇规模、基础设施重要性、文物古迹级别、河道形态破坏程度、动物栖息地保护级别、自然景观级别、潜在污染企业规模等因素。社会与环境影响，以溃坝社会环境影响指数 度量。溃坝社会环境影响指数 可按下式计算：（）式中：为风险人口系数；为城市规模系数；为基础设施重要性系数；为文物古迹级别系数；为河道形态破坏程度系数；为动物栖息地保护级别系数；为自然景观级别系数；为潜在污染企业规模系数。上述各系数的赋值标准参见水库大坝安全管理应急预案编制导则（）附录。淹没区内文物古迹、动物栖息地、自然景观等涉及不同级别，故，赋值也有差异。本次计算溃坝社会环境影响指数时，按较高级别赋值。经计算，苏巴什水库溃坝社会环境影响指数 为，标准为重大。结语结合苏巴什水库库容、主要水工建筑物级别、保护对象、水文气象条件及流域洪水特征，通过对溃坝洪水后果计算分析，得到如下结论：（）苏巴什水库溃坝后，对下游柯坪镇、盖孜力克镇和玉尓其乡产生威胁，水库溃决时对柯坪镇 个社区 个村、盖孜力克镇 个村、玉尓其乡 个村产生威胁，其损失上包线淹没面积 ，涉及风险人口 万人，溃坝洪水发生后，估算生命损失 人。（）淹没区内财产额度为 万元。但上述财产非淹没区全部财产，因资料缺乏，未考虑全面。专项内容包括公路桥、铁路桥、输气管道、水利工程等，此部分资产因无相关资料，本次计算经济损失时也暂未考虑。故、此经济损失数值应是偏小的。（）综合计算结果，苏巴什水库溃坝社会环境影响指数 为，标准为重大。参考文献赵丹丹 苏巴什水库调度运行方式研究 陕西水利（）：孔灿 新疆柯坪苏巴什水库水雨情预警系统设计及运行管理探讨 地下水 （）：张莹徐，世凯，阮仕平 溃坝的生命损失研究现状述评 黑龙江水专学报，（）：第 卷第 期地下水 年 月