同位素水文学会 -赵培-可分享版.pdf 
同位素水文学会 -赵培-可分享版.pdf
第一届同位素水文学学术年会，北京 基于氢氧同位素的浅层紫色土 坡地水文过程与模拟 赵培1，2 唐翔宇2， 唐家良2 1. 商洛学院地理系 2. 中科院成都山地所 2020.11.4 汇报提纲 一、研究背景与意义 二、研究内容与方法 三、主要研究结果 四、下一步工作设想 研究背景与意义 Ø紫色土-重要的农业资源 高生产力、四川农业主要用地，独特的 土壤性质 Ø地理位置重要，面积达320,000 km2 Purple soil distribution 长江水资源重要影响区域 Ø承载人口数量大，灾害频发 例如 四川省7% 耕地 10% 人口 西南干旱、泥石流、崩塌等灾害 Population density 3 Background 研究背景与意义 紫色土丘陵区 非点源污染 侵蚀、泥石流 水循环过程 农业抗旱 科学认识坡地水文过程 是解决上述问题的关键 4 汇报提纲 一、研究背景与意义 二、研究内容与方法 三、主要研究结果 四、下一步工作设想 研究内容 • 紫色土坡地径流过程 通过对土壤水和雨水、径流中的氢氧同位素比率的测定，揭示新水旧水如何相互 混合，在不同湿度和深度下产生径流 • 紫色土坡地径流过程模拟 通过测定各水源的同位素特征对坡地的径流和同位素过程进行模拟，探求土壤内 部水分如何运动 Methodology 研究方法 盐亭截流小流域 nc xt re Co tre ux nfl Co Underflo w nc h Co Mudston e nf lu Interflow nf lu xt re nc h Surface flow h Organic soil Mineral soil Sandstone 坡面、流域两个尺度研究水文循环过程 汇报提纲 一、研究背景与意义 二、研究内容与方法 三、主要研究结果 四、下一步工作设想 （一）紫色土坡地径流过程 Water proportion δD (‰, VSMOW) -90 -70 -50 0 10 20 Rain -120.0 -100.0 Before the 30 40 rain 50 -80.0 -60.0 0% 0 50% 100% 20 Before the 40 rain 60 Rain -110 -90 -70 Before the rain Old water -50 0% 0 50% 50 Old water 100% 优先流和基质流在 土壤水分补给机制 中共存，土壤前期 含水量和降雨特性 决定了哪种补给方 式主导，高前期含 水量、大雨强下， 活塞流主导，反之 优先流主导 （一）紫色土坡地径流过程 -10 -7 -6 Lysimeter soil water -30 -40 -50 -60 Bulk soil water -80 -15 -10 -5 0 b Rainwater before storm -90 0 -50 -100 -15 Rainwat er Bulk soil water -10 c Rainwater -5 0 -150 0 -20 -40 Lysimeter soil water -60 Bulk soil water δ D ‰ (VSMOW) -20 -70 δ D ‰ (VSMOW) -11 -80 -100 δ D ‰ (VSMOW) -12 δ18O ‰ (VSMOW) -9 -8 对比真空提取和陶土 管两种土壤水测定法 的氢氧同位素，发现 陶土管法测定的土壤 水同位素值更能代表 参与径流的“旧水”， 表明雨水携带、混合 土壤中的易活动水， 是径流产生的机制 （一）紫色土坡地径流过程 Given : depth Soil depth (cm) -70 20 -50 -90 30 -70 40 -50 -90 -70 -50 30 25 -90 -60 -90 20 -60 -90 -90 -70 -50 -90 -70 -50 δD of bulk soil water (‰) v Soil water content (%) Given : TDR -60 -90 -60 l δD of lysimeter water (‰) -90 -60 -90 35 -60 -90 10 在土壤表层和土壤含水量 高的环境下，土壤总水与 土壤易活动水的氢氧同位 素比率差异大，提出应引 入“易活动旧（土壤）水” 和“不易活动旧（土壤） 水”概念，提出应根据水 文研究目的选取土壤水相 应的采样方法，不能混淆 或通用 （一）紫色土坡地径流过程 20 August 22 July 30 August 64% 60% 50% Interflow Underflow 67% 51% 45% Flow rate (ml/min Pre-event Date 土壤水是地面下径流的重要水源，约占58~89% δD (VSMOW, ‰) δD (VSMOW, ‰) EC (μs/cm) 降水 (mm/0.5h) 流量 (l/h) 6/1/2013 50 6/6/2013 6/11/2013 6/16/2013 6/21/2013 6/26/2013 0 -50 -100 土壤水势 坡地产流过程 -150 -200 -250 0-15 cm -300 15-25 cm -350 25-35 cm -400 35-45 cm 现象1：同位素峰值早于径流量 峰值： 土壤水最大比例对应同位素峰值， 表明峰值前基质流主导土壤水补 给，表明最大的雨水量激发了最 大的土壤水流出 现象2：EC峰值滞后于流量峰值： 土壤水被激活后溶质随径流逐渐 释放到径流中，同位素反映水源 变化更灵敏准确 （一）紫色土坡地径流过程 河水径流过程水源组成 22 Jul 30 Aug/1 Sep 56.3% Flow rate (m3/s) 70.4% Pre-event Date 20 Aug 95.6% 地下水主导河流径流初期， 雨水主导洪峰的形成，与森 林流域研究结果不同，农业 流域的“快速通道” （一）紫色土坡地径流过程 Event Rainwater Hillslope subsurface flow 22-7 -10.97 -8.52 -8.38 -7.32 -7.50 20-8 -15.58 -10.46 -10.89 -6.54 -7.85 30-8/1-9 -8.12 -9.12 -8.92 -7.00 -7.86 Stream water Base flow Groundwater 河水的退水阶段与坡地径流更为接近， 说明坡面水文过程主导河水的退水过程 （二）紫色土坡地径流模拟 • 坡地水文过程监测采样费时费力，诸如“新水”“旧水”如何 作用产生径流的仍不清晰 • 如何模拟浅薄紫色土坡地水文过程尤其是地面下径流的氢 氧同位素丰度变化 two-dimensional dual-continuum model S2D, (Dusek and Vogel, 2014; Dusek and Vogel, 2018) 运行复杂，需要高性能计算机 Hydrus-2D 收费，将同位素当作溶质模拟 要么复杂！要么收费！ Using high resolution tracer data to constrain water storage, flux and age estimates in a spatially distributed rainfall-runoff model (STARR)，Van Huijgevoort et al. (HP，2016) Hydrological Processes, Volume: 30, Issue: 25, Pages: 4761-4778, First published: 03 May 2016, DOI: (10.1002/hyp.10902) （二）紫色土坡地径流模拟 水箱模型结构 水箱模型就是典型的 利用土壤储水量乘以 出流系数计算壤中流 的出流量 两个疑问？ • 利用完全混合理念模拟地面下径流的同位素过程，能不能 广泛适用？ • 在大多数径流分割研究中，认为土壤水的同位素值是固定 的，土壤水同位素变化会不会显著影响地面下径流的同位 素过程？ 回答疑问1 雨水和土壤水完全混合理念不能反映紫色土区的地 面下径流的同位素趋势 （二）紫色土坡地径流模拟 ESHH模型结构 P(ip) Surface flow (ip) Fast domain Mobile water in shallow soil （MSWssoil) Slow domain Less mobile water in shallow soil （LmSWssoil) Shallow Matric flow (issoil) Shallow Preferential flow (ip) Mobile waterdeep soil （MSWdsoil) Interflow (iif) Less mobile water in deep soil （LmSWdsoil) Deep Preferential flow (ip) Deep Matric flow (idsoil) Interflow (iiF) Mudstone with cracks Deep subsurface low (iDSF) Sandstone x1:浅层优先流系数 x2:优先流退水系数 x3:基质流系数 x4:基质流退水系数 x5:深层优先流系数 x6:深层基质流系数 x7:混合系数 x8:活动/不易活动土壤 水比例 x9:雨水影响强度系数 x10:土壤水储存系数 （二）紫色土坡地径流模拟 AP7=9.7mm AP7=32.9mm AP7=0 （二）紫色土坡地径流模拟 模型参数敏感性分析（Sobol） 当不考虑参与土壤水的同 位素变异时，浅层土壤水 的优先流系数是影响模型 最重要的结果，但当考虑 其变异时，土壤水分的同 位素变异成为对模型结果 影响最大的一个参数 回答疑问2 • MSWi+a（0，1）*（BSWi-MSWi）取代原来 模型中仅仅是的MSWi计算方法 RMSE=0.175 MAE=0.142 P=0.945 RMSE=0.143 MAE=0.113 几点启示 Ø 径流的产生不是雨水和土壤水完全混合过程， 总有一部分未受“影响”的“雨水” Ø 降雨对径流同位素的影响有累积效应和瞬时效 应 Ø 易活动水和不易活动水的比例变化，受前期含 水量和雨强的影响 Ø 模型对土壤水的同位素变异最敏感，径流模拟、 分割应适当考虑土壤孔隙水的同位素变化 汇报提纲 一、研究背景与意义 二、研究内容与方法 三、主要研究结果 四、下一步工作设想 下一步工作设想 Ø 模型没有考虑蒸发、分馏对土壤水的同位素影 响，需要加入蒸散发模块； Ø 不易活动的土壤水能不能用来代表植物水源？ 尚需进一步验证； Ø 如何扩展到空间尺度，发展成流域水文模型。 谢谢！ 敬请各位专家批评指正！