贵州省岩溶河谷不同降雨时长条件下河流水文过程研究——以威宁县二塘河为例

林 涛,江 波,朱生亮,周文龙

(贵州省山地资源研究所，贵州 贵阳 550001)

1 引言

在全球极端气象灾害频发的背景下[1]，季节性暴雨周期性研究成为世界水文学研究的关注点。研究依靠贵州省毕节市威宁县二塘河流域的水文监测站，以岩溶河谷流域威宁二塘河为对象，分析了2018年6月至2019年3月不同分辨率下河流水文变化，并且确定了这种变化的决定性因素[2]，解释了岩溶河流水文变化特点以及对响应环境的响应。

2 研究区概况与研究站点

2.1 研究区概况

二塘河研究区为亚热带湿润季风性气候，雨量充沛。区内年均降雨量为1000 mm，径流深520 mm。研究区降雨集中于每年6～9月，4个月的降水总和达670 mm，占年降雨量的67%。二塘河水源地为盐仓镇，是研究区的主要河流，属于乌江上游三岔河，研究区监测站点位置如图1。

二塘河平均水温在19℃，气温对水温影响较强。Ca2+浓度48～78 mg/L，HCO3-浓4.3～6.2 mmol/L。Ca2+和Mg2+为水体主要阳离子，离子浓度由大到小为：Ca2+>Mg2+>Na+>K+>HCO3-为主要阴离子，离子浓度由大到小：HCO3->SO42->NO3->Cl-(表1)。河流水化学类型是HCO3·Ca·Mg型[3]，说明在岩溶区河流，对于水化学类型具有控制能力的是白云岩[4]。

图1 研究区监测站点位置示意

表1 2018～2019年雨季、旱季河流水化学组分

2.2 研究站点

研究使用野外站点监测和定量便携式试剂盒的方法。测流堰塘建在河流下游出口处，使用哈希公司MS6100水质监测仪，记录水温、水位、pH值、DO和EC的长期数据。降雨量监测采用中科能慧NHQXZ603型综合气象站，记录间隔为30 min精度为0.1 mm。当地水资源技术工作人员每天定时到监测点使用野外便携式试剂盒[4]测定HCO3-和Ca2+浓度，每周进行监测站点工作，数据处理后形成年水文记录，2018～2019年度水文及降雨变化过程曲线见图2。

最后在实验室使用统计软件，对暴雨水位的开始时间、峰值滞后时间及水位极值响应时间与连续降雨特征进行了相关分析。

3 结果分析

3.1 一个水文年的河谷降雨喀斯特地表河水文响应

2018年6月至2019年3月17次降雨特性、水文响应分析表明：河流雨季降雨多，降雨历时短，最大60 min雨强大、平均雨强大；旱季降雨少，降雨历时长，最大60 min雨强小，平均雨强小(表2)，水位上升起始和降雨峰值滞后随时间渐增。

峰值滞后响应时间与水位上升响应时间和前期无雨时间、降雨时间存在显著线性相关、和最大60 min雨强显著相关。最高水位与最大小时雨强、总降雨量显著相关。相关性分析说明前期无雨时间和最大60 min雨强是水文响应的主要决定因素(表3)。

3.3 雨季暴雨和旱季连续降雨的河流水文过程

记录的典型雨季降雨开始于2018年9月21日凌晨、终止于21日晨，历时30 h，之前无雨天数8 d，降雨量69 mm，最大雨强15 mm/h，平均雨强1.9 mm/h。

记录的旱季降雨开始于2018年11月13日11:00，结束于14日12:00，期间停雨8 h，历时25 h，之前无雨天数15 d，降雨量60 mm，最大雨强6 mm/h，平均雨强1.8 mm/h(表1)。

图2 2018～2019年度水文及降雨变化曲线

表2 2018年6月至2019年3月多次降雨特征记录及水文响应

雨季降雨(图3a)，水位对应降雨量滞后2.5 h，水位急剧上升前累积降雨18 mm，存在峰值两个(0.68和0.88 m)，振幅0.45 m。EC与雨强、水位呈负相关，暴涨暴落；EC随雨强减小而减小，最后数值又缓慢回升至平稳，振幅270 μs/cm，表明在水位快速上升区间，雨量稀释对水化学起主要作用。pH值随EC减小而增大，振幅为0.5。

旱季降雨(图3b)，单峰图形表现在pH值、EC、水位变化过中，在这次降雨中，pH值、EC、水位变化缓慢，暴涨暴跌特征并未体现，水位上升落后于降雨开始时间20 h，最大雨强1h出现峰值；降雨初始EC呈固定斜率下落，达到最大雨强后逐渐下降，最大累计降雨量时达最低值275 μs/cm，振幅达260 μs/cm。pH值先下降后上升，最大振幅0.45。降雨停止时，pH值、EC、水位开始逐渐回到雨前数值。

总的来说，雨季暴雨，水文降雨响应滞后快速，EC与雨强、水位呈负相关。降雨稀释作用决定水化学；旱季暴雨，水化学响应滞后缓慢、振幅小。

表3 年度降雨特征与河流水文指标的相关系数

(a)雨季 (b)旱季

3.4 水文年降雨的河流水文记录与特征

研究区降雨量时间分布不均，夏季高于冬季，气温与水温呈共同升降变化，先降后升。具有显著季节变化的还有水位和EC，夏季高冬季低。pH值夏季低、冬季高，HCO3-和Ca2+浓度随夏、冬季交替，先升后降，雨期下降，浓度峰值在雨季一月后出现。pH值、EC、HCO3-与气温显著相关。降雨量、雨强、无雨天数与水化学相关性差。

4 结论

二塘河水化学变化对外部因素敏感，暴雨期间水位暴涨暴落。在连续降雨条件下，河流水文过程日效应特征不明显，前期无雨天数和流域含水量是水化学特征值的决定因素。在季节尺度上，温度是水化学特征值的决定因素，温度效应强于稀释效应。夏季气温高生物活动频繁，土壤CO2浓度升高，促使了碳酸盐在水体中溶解[5]，所以温度成为河流水化学的主要影响因素。