降雨新生徑流占全球河川徑流量比例分析

[加拿大] S.賈斯琴科

水文水資源

降雨新生徑流占全球河川徑流量比例分析

[加拿大] S.賈斯琴科

生物地球化學循環、污染物運移和化學侵蝕都通過降雨在地表形成河川徑流的速度來調節。徑流是新老降雨的混合，然而，目前新老降雨產流在全球河川徑流中的占比還是未知的。收集并分析了來自世界各地的254個流域的雨、雪和徑流中季節性循環的氧同位素比值，并計算出過去2～3月內降雨產生的那部分徑流所占比例。這種新產生的徑流約占全球河川徑流的1/3，在所調查的約90%的流域中，至少5%的流量來自于新近降雨。由于新生徑流只有不到0.1%來自全球地下水存儲，最終得出結論，盡管量級較小，但薄含水層仍將對河流水質產生較大影響。

降雨；污染物；徑流；河流；影響分析

1 降雨新生徑流占比

計算水通過地表輸移時間對于預測溶質、營養物質和污染物的滯留、移動和去向均十分重要。雖然世界各地的水文測站計算降水、徑流之間的時間延遲，但都是測量水勢的快速性而不是水流本身的速度，而該速度通常會慢幾個數量級。一般研究的徑流“年齡”主要是測量降水中地球化學保守性示蹤物質(如Cl-、18O、2H)出現在徑流中所需的時間。通常有兩種徑流年齡計算方法： ①次降雨水位線分離法，即把來自當次降雨的“次降雨量”從徑流中分離出來，這是相對于來自降雨前流域存儲的“前期降雨量”； ②降雨在非暴雨期到達河流所需的平均傳播時間。

雖然次降雨水位線分離法為數十個小流域(流域面積小于100 km2)的次降雨和降雨前水量研究提供了一定參考，但該方法無法計算無降雨時段徑流時間的長短，而通常這一時段持續時間較長。另外，根據對100個小流域開展深入研究，通過分析降水和徑流中穩定同位素的季節性波動，計算出其平均傳輸時間通常是15 a。然而最近的研究表明，這種方法估算的平均傳輸時間易受累積誤差影響，即真正的平均傳輸時間很有可能被低估。

雖然降雨和徑流中季節性循環的18O作為計算平均傳輸時間的指標并不可靠，但可用來衡量新徑流所占比重，這里的新徑流是指通過降雨穿越流域地表到達河流的時間少于2.3±0.8個月的新生徑流。最近有研究表明，即使在非均勻和非穩態的流域，這種新生徑流所占比例也可以被量化。基于穩定同位素的新徑流估算通過18O在水圈的自然季節性循環得到(δ18O=([18O/16O樣本]/[18O/16O標準海水]-1)×103‰)。降水的18O值往往具有明顯的季節性，尤其是在大陸內部，這是由于溫度和大氣層水汽輸送途徑的季節性變化改變了雨水驅動的分離。徑流中18O值通常遵循類似的季節性周期，但相對于降水輸入有衰減和相移，這是因為雨水還有一部分在湖泊、土壤和含水層中混合和存儲。通過比較降水和徑流中18O的季節性周期，估算出全球254條河流的新生徑流比重，在空間尺度上，比以往大多數穩定同位素示蹤技術應用的跨越都要大。

對全球的分析表明，新生徑流約占全球河川徑流量的1/3，分布較廣泛。在這254條河流中，新生徑流平均占比為26%，中位數為21%(10%～90%范圍內占比為4%～53%)。以有流量數據的190個流域為基礎，計算出流量加權的新徑流比重為34%。在所研究河流中，新徑流占比超過10%的約占3/4，絕大多數研究河流(89%)中新生徑流的占比都超過5%。

新生徑流占比較小(<5%)的河流一般為大型天然湖泊和水庫下游，如瑞典約塔(G?ta ?lv)河在維納恩(V?nern)湖下游的部分，瑞士阿勒(Aare)河在圖恩湖下游的部分，以及美國密蘇里河位于加里森(Garrison)大壩下游的部分，都與其擋水時間較長密切相關。相反，新生徑流比重大于50%的大多為自由流淌的河流，如杰納布(Chenab)河(巴基斯坦北部)和內格羅(Negro)河(巴西，亞馬遜流域)，但在全球范圍內并不多見(約占所研究河流的11%)。

大多數河流(89%)有相當比重的(>5%)新生徑流，這一研究結果對污染物運移具有重要意義。保守示蹤劑的光譜分析已經表明，流域的傳輸時間分布具有“長尾巴”的現象，這意味著可溶性污染物在流域的留存時間跨度長，被緩慢釋放進入地表水。研究表明，雖然流域可以長時間留存污染物，但也會將一部分可溶性污染物迅速傳輸至河流中。新生徑流在全球河流中的普遍存在意味著，即使典型流域的平均運輸時間很長(數年到數十年)，但新生徑流也可以在很短的時間內(2個月以內)將污染物傳輸至地表水。總的來說，多數流域都存在大量的快速和緩慢的徑流，從而可以迅速將相當一部分水溶性污染物運至河流中，同時在流域將一部分污染物留存數年或數十年。

2 陡峭山區情況

該研究觀測站點大多位于北美和歐洲，新生徑流占比的空間分布表明，在陡峭山區流域，新徑流的分布不如梯度平緩地區普遍。在這254個研究流域中，新徑流比重與平均地形梯度的對數之間呈顯著負相關關系(斯皮爾曼等級相關ρ=-0.36，p<0.000 1)，由此可以證明以上觀點。如果地勢陡峭的流域主要位于山區，大量積雪在夏天融化，會使帶有“冬天”同位素標識的徑流在夏天出現，使季節性同位素循環出現“遲滯”的效應，這就有可能使上述相關關系不成立。為此，排除了長序列二月雪水平均當量超過平均年降水量10%的流域，并發現這種負相關性更加顯著(ρ=-0.39，p<0.000 1)。

新生徑流在平坦地形區域分布更為普遍反映了這些地區農業的發展，在梯度平緩地區快速徑流也隨之增加。這一假設與254個測站所觀測到的結果一致。耕地在各流域的比重與新生徑流的比重顯著相關，當然也與平均坡度呈負相關。

相反，新徑流在陡峭地形的分布減少，這說明陡峭的地形往往有利于更深層的垂直滲流，而不是淺層的側向流。這種山區流域產生更多滲流的趨勢似乎不合常理，但與產流和地下水流動的概念模型一致，表明地形粗糙度使地下水的長流路繞過一級河流。陡峭地區新生徑流比重較小，這表明在陡峭地形中，由于巖石應力產生基巖裂隙，提高了滲透性，促進了更深層的滲流。在這254個流域中，新生徑流比重與平均水位深度(ρ=-0.26，p<0.000 1)以及基巖滲透率(ρ=-0.15，p<0.02)呈負相關，這也證實了以上假設。在更陡峭的流域，新生徑流與水深以及基巖滲透率之間呈更顯著的相關性。反之，山區流域新徑流比重小，意味著可溶養分不太可能很快分流至地表水，從而更容易被生物降解。此外，從某種程度上來說，陡峭的地形具有更深的滲流和更長的地下水滯留時間，因此，河流中可能出現更高濃度的侵蝕產物。

往往陡峭的流域新生徑流較小，雖然有其統計學意義，但新生徑流和地形坡度的對數之間的關系表現出明顯的分散，表明其他的流域特征也影響新徑流。

在收集的數據集中，地形梯度與新生徑流比重顯示了極強的相關性，但未解釋的方差比重大，這表明其他變量也發揮了重要作用。此外，還觀察到新生徑流比重與流域面積、年降水量、基巖孔隙度、人口密度，或流域中牧場或開放水域的比例組成之間沒有顯著的相關性。其他一些以前確定與徑流年齡有關的控制因素在區域尺度上可能比較關鍵，如坡向、土壤排水分類、基巖地質或降水的季節性。以前的研究表明，上述因素中，有些與徑流時段有很強的相關性，但這種相關性通常只是局限在特定的氣候條件以及少量測站中(254個流域中不足10個流域)。

由于地表以下孔隙度和滲透率隨深度的增加迅速減小，新生徑流可能主要產生于含水層頂部隙度和滲透率最大的薄層。可以根據新生徑流的比重對這種“短期含水層”的蓄水量進行量化。在所研究的流域中，將這種短期含水層的蓄水量用等效水深表示，在1～55 mm范圍內(10%～90%范圍；中位數小于14 mm)。相比之下，全球最表層2 km地殼的地下水儲量平均相當于約180 m的等效水深。因此，在所研究測站中，短期含水層蓄水量約占全球表層2 km地殼地下水平均儲存量的0.000 5%～0.03%(中位數 0.008%)。若只考慮在地殼表層100 m地下水儲量(約15 m等效水深)，短期含水層蓄水量只占淺層地下水儲量一小部分(約0.007%～0.4%；中位數 0.09%)。

這種少量的短期蓄水量表明，在典型流域，新生徑流比大多數流域存續的地下水都要年輕許多個數量級。全球地下水平均儲量等效水深(180 m/a)比全球年徑流量等效水深(280 mm/a)大3個數量級，這樣的結果在正常范圍內。盡管如此，它為在月尺度上定量劃分徑流提供了可行的方法。相對于流域，這種短期含水層每個體積單位產生更多的河川徑流。因此，這種薄的短期蓄水層與河川的連通性最強。盡管儲量不大，但這里的生物地球化學反應將會對河流水質產生較大的影響。

3 結 語

本文的研究首次估算了全球河川徑流中新生徑流的比重。結果表明，新生徑流約占全球河川徑流的1/3，并在河川徑流中普遍存在。因此，即使流域的平均傳輸時間為數年或數十年，流域可在較短的時間內將大量的水溶性污染物傳輸到河流。本文研究提出的新徑流比重可以檢驗水文模型，作為一種比單純對比模擬和實測徑流水文過程性更好的方法，能夠在一定程度上為真實模擬水流在地表流動提供基準。分析表明，陡峭地區流域產生的新生徑流少于平坦地區流域，耕地比例大的流域新生徑流比重更大。這表明，耕地面積大的平原地區更可能將傳輸化肥和農藥在相對較短的時間跨度內快速傳輸至河流(約2個月)。分析也表明，一小部分(<0.1%)陸地含水層體積產生的徑流約占河川徑流的1/3，也就是說，在高連通性的薄短期蓄水層，盡管儲水量不大，但是這里發生的生物地球化學反應會對河流水質產生較大影響。

邰肇悅 譯

(編輯：李 慧)

勘 誤

《水利水電快報》2017年第1期文章《氣候變化對緬甸耶育瓦水電站水力發電的影響》文末的“譯簡介”應改為“譯者簡介”， 特此更正，并為由此造成的不便深表歉意。

2016-10-15

1006-0081(2017)02-0013-02

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