水土保持典型措施对地下水补给生态基流的影响研究

Abstract

针对国家及社会广泛关注的河流水沙锐减、生态基流不足，严重影响流域社会、 经济及生态安全，人们对于水土保持措施对河流影响质疑较多，特别是流域水土保 持对地下水补给河道径流的影响机制不清，本研究选取具有典型意义的缺水高含沙 渭河流域作为研究对象，通过流域实测资料统计分析、室内模拟试验和数学模型模 拟相结合的方法，在自主设计降雨、径流、土壤水及地下水四水转化模拟试验系统 的基础上，深入研究了不同土壤、坡度、降雨强度及不同水土保持措施对降雨径流 转化为地下水补给河川径流过程。在此基础上，利用渭河实测资料构建了渭河流域 的降雨径流 SWAT 模型，深入分析了典型水土保持措施对渭河地下水补给河道特别 是生态基流的影响，取得如下主要成果： （1 ）试验系统设计。在概化渭河流域地下径流强补给区的降雨径流、地表水 地下水转化模式基础上，设计了室内降雨-径流-侵蚀-产沙-地下水-河川径流模拟试 验系统。该系统包括降雨系统、模拟系统、观测系统等，采用下喷式降雨系统装置 模拟天然降雨，通过设计表层不同下垫面来模拟不同的水土保持措施，通过不同机 械组成的土壤组合来模拟土壤水及地下水运移层，通过在水槽侧向布置测压管来观 测地下水的流场变化，通过中子仪测量土壤水，地表及地下径流的流速、流量采用 常规方法测量。试验结果表明，该系统可以较好的模拟坡面降雨-地表径流-土壤水- 地下水-河川径流的转化过程。 （2 ）室内试验结果表明：水土保持典型措施促进了降雨径流转化为地下水补给 河川径流。基于筛选的典型水土保持措施，进行人工模拟降雨试验，结果表明：相 比于裸坡，草地和秸秆覆盖措施减少地表径流，增加土壤湿度，促进降雨入渗补给 地下水明显；3 o 坡度 45~120mm/h 雨强下，草地和秸秆覆盖补给地下水量平均约为 裸坡的 1.96 和 2.05 倍；总体上，裸坡条件下，降雨雨强、土壤粒径及坡度都对降 雨径流的地表和地下产流有明显影响，而随着草地和秸秆覆盖措施实施，弱化了这 些因素对次降雨径流关系的影响，产流向有利于地表水向地下水转化的方向发展。 （3 ）为了更好的研究不同坡面水土保持措施、不同降雨雨强对地下水补给河 川径流的影响，选用 MODFLOW&nbsp; 数学模型在验证的基础上对不同水土保持措施的影响进行模拟分析。利用上述试验资料，对地下径流的水面线、流速、流量及流场 验证结果表明：各种误差指标均在允许的范围之内，模型可以用于本研究模拟计算。 进一步研究表明：下垫面变化主要影响降雨入渗补给系数 &alpha; 和各层土壤给水度 Sy； 对于试验土壤，同一水保措施同一雨强，不同坡度条件下，地下水补给量随坡度增 加而减少；同一坡度同一雨强，不同处理条件下，地下水补给量为覆盖＞草地＞裸 坡；同一措施同一坡度，不同雨强条件下，地下水补给量随雨强增大而减小。20 o 坡度 120mm 降雨量，裸坡雨强大于 105mm/h，降雨难以补给地下水；草地雨强大 于 255mm/h，降雨难以补给地下水；秸秆覆盖雨强大于 285mm/h，降雨难以补给地 下水；150mm/h 雨强，裸坡坡度大于 15 o ，降雨难以补给地下水；草地坡度大于 35 o ， 降雨难以补给地下水；秸秆覆盖坡度大于 40 o ，降雨难以补给地下水。 （4 ） 在坡面水土保持措施有利于地下水补给基流分析基础上，分析渭河流域 的实测资料表明，随着 渭河流域水土保持综合治理 程度的提 高，地下水补给河道生 态基流作用明显。采用小波分析、Mann-Kendall 检验、双累积曲线及数字滤波等统 计方法分析降雨、土壤湿度及河川径流实测资料结果表明，渭河流域干流非汛期基 流指数与流域蓄水能力呈正相关，以 80 年代为分界线；80 年代以前随着生态植被 的破坏，非汛期基流指数持续减小；80 年代以后，随着流域综合治理的实施，非汛 期基流指数总体呈增加趋势；在降雨量先减少后增加情况下，汛期农田土壤湿度持 续增加。实测资料分析表明，水土保持综合治理有蓄洪补枯效应，有利于枯水期生 态基流保障。 （5 ） 为了 进一步 研究典型水土保 持措施对流域地下水补给 生态基流 的影响， 用 采用 SWAT&nbsp; 模型就渭河流域森林和草地措施对流域 地下水补给河道径流 变化影响 等 进行 进一步分析 。利用流域水文、气象、土壤、土地利用等资料，构建了渭河流 域上中游 SWAT 模型，分别采用林家村、魏家堡和咸阳水文站 1960-1969 和 1970-1979 年月径流数据对模型进行参数率定与验证。率定期模拟效果指标纳什系 数（NS）和相关系数的平方（r 2 ）范围分别为：0.82~0.84，0.79~0.86；验证期 NS 和 r 2 范围分别为：0.70~0.76，0.74~0.79，表明模型可以用于渭河上中游流域进行模 拟研究。在此基础上，就丰水、平水及枯水等典型年，保证其他条件不变的情况下， 现状、农地 10%、20%和 40%转化为林地或者草地四种情景进行模拟。结果表明， 平水年，林家村水文断面以上流域林地面积每增加 1%，该断面可增加非汛期生态 基流 0.034m 3 /s，提高该断面生态基流近期目标保障 1.30%；魏家堡水文断面以上流 域林地面积每增加 1%，该断面可增加非汛期生态基流 0.082m 3 /s，提高该断面生态基流近期目标保障 2.06%；咸阳以上水文断面林地面积每增加 1%，该断面可增加 非汛期生态基流 0.096m 3 /s，提高该断面生态基流近期目标保障 1.81%。而平水年， 林家村、魏家堡及咸阳水文断面以上流域草地面积每增加 1%，可分别提高相应断 面非汛期生态基流近期目标保障的 1.15%，1.71%和 1.28%。 关键词：水土保持措施；地下水；生态基流；Visual MODFLOW；SWA</p