貴州省巖溶河谷不同降雨時長條件下河流水文過程研究
——以威寧縣二塘河為例

林 濤,江 波,朱生亮,周文龍

(貴州省山地資源研究所，貴州 貴陽 550001)

1 引言

在全球極端氣象災害頻發的背景下[1]，季節性暴雨周期性研究成為世界水文學研究的關注點。研究依靠貴州省畢節市威寧縣二塘河流域的水文監測站，以巖溶河谷流域威寧二塘河為對象，分析了2018年6月至2019年3月不同分辨率下河流水文變化，并且確定了這種變化的決定性因素[2]，解釋了巖溶河流水文變化特點以及對響應環境的響應。

2 研究區概況與研究站點

2.1 研究區概況

二塘河研究區為亞熱帶濕潤季風性氣候，雨量充沛。區內年均降雨量為1000 mm，徑流深520 mm。研究區降雨集中于每年6～9月，4個月的降水總和達670 mm，占年降雨量的67%。二塘河水源地為鹽倉鎮，是研究區的主要河流，屬于烏江上游三岔河，研究區監測站點位置如圖1。

二塘河平均水溫在19℃，氣溫對水溫影響較強。Ca2+濃度48～78 mg/L，HCO3-濃4.3～6.2 mmol/L。Ca2+和Mg2+為水體主要陽離子，離子濃度由大到小為：Ca2+>Mg2+>Na+>K+>HCO3-為主要陰離子，離子濃度由大到小：HCO3->SO42->NO3->Cl-(表1)。河流水化學類型是HCO3·Ca·Mg型[3]，說明在巖溶區河流，對于水化學類型具有控制能力的是白云巖[4]。

圖1 研究區監測站點位置示意

表1 2018～2019年雨季、旱季河流水化學組分

2.2 研究站點

研究使用野外站點監測和定量便攜式試劑盒的方法。測流堰塘建在河流下游出口處，使用哈希公司MS6100水質監測儀，記錄水溫、水位、pH值、DO和EC的長期數據。降雨量監測采用中科能慧NHQXZ603型綜合氣象站，記錄間隔為30 min精度為0.1 mm。當地水資源技術工作人員每天定時到監測點使用野外便攜式試劑盒[4]測定HCO3-和Ca2+濃度，每周進行監測站點工作，數據處理后形成年水文記錄，2018～2019年度水文及降雨變化過程曲線見圖2。

最后在實驗室使用統計軟件，對暴雨水位的開始時間、峰值滯后時間及水位極值響應時間與連續降雨特征進行了相關分析。

3 結果分析

3.1 一個水文年的河谷降雨喀斯特地表河水文響應

2018年6月至2019年3月17次降雨特性、水文響應分析表明：河流雨季降雨多，降雨歷時短，最大60 min雨強大、平均雨強大；旱季降雨少，降雨歷時長，最大60 min雨強小，平均雨強小(表2)，水位上升起始和降雨峰值滯后隨時間漸增。

峰值滯后響應時間與水位上升響應時間和前期無雨時間、降雨時間存在顯著線性相關、和最大60 min雨強顯著相關。最高水位與最大小時雨強、總降雨量顯著相關。相關性分析說明前期無雨時間和最大60 min雨強是水文響應的主要決定因素(表3)。

3.3 雨季暴雨和旱季連續降雨的河流水文過程

記錄的典型雨季降雨開始于2018年9月21日凌晨、終止于21日晨，歷時30 h，之前無雨天數8 d，降雨量69 mm，最大雨強15 mm/h，平均雨強1.9 mm/h。

記錄的旱季降雨開始于2018年11月13日11:00，結束于14日12:00，期間停雨8 h，歷時25 h，之前無雨天數15 d，降雨量60 mm，最大雨強6 mm/h，平均雨強1.8 mm/h(表1)。

圖2 2018～2019年度水文及降雨變化曲線

表2 2018年6月至2019年3月多次降雨特征記錄及水文響應

雨季降雨(圖3a)，水位對應降雨量滯后2.5 h，水位急劇上升前累積降雨18 mm，存在峰值兩個(0.68和0.88 m)，振幅0.45 m。EC與雨強、水位呈負相關，暴漲暴落；EC隨雨強減小而減小，最后數值又緩慢回升至平穩，振幅270 μs/cm，表明在水位快速上升區間，雨量稀釋對水化學起主要作用。pH值隨EC減小而增大，振幅為0.5。

旱季降雨(圖3b)，單峰圖形表現在pH值、EC、水位變化過中，在這次降雨中，pH值、EC、水位變化緩慢，暴漲暴跌特征并未體現，水位上升落后于降雨開始時間20 h，最大雨強1h出現峰值；降雨初始EC呈固定斜率下落，達到最大雨強后逐漸下降，最大累計降雨量時達最低值275 μs/cm，振幅達260 μs/cm。pH值先下降后上升，最大振幅0.45。降雨停止時，pH值、EC、水位開始逐漸回到雨前數值。

總的來說，雨季暴雨，水文降雨響應滯后快速，EC與雨強、水位呈負相關。降雨稀釋作用決定水化學；旱季暴雨，水化學響應滯后緩慢、振幅小。

表3 年度降雨特征與河流水文指標的相關系數

(a)雨季 (b)旱季

3.4 水文年降雨的河流水文記錄與特征

研究區降雨量時間分布不均，夏季高于冬季，氣溫與水溫呈共同升降變化，先降后升。具有顯著季節變化的還有水位和EC，夏季高冬季低。pH值夏季低、冬季高，HCO3-和Ca2+濃度隨夏、冬季交替，先升后降，雨期下降，濃度峰值在雨季一月后出現。pH值、EC、HCO3-與氣溫顯著相關。降雨量、雨強、無雨天數與水化學相關性差。

4 結論

二塘河水化學變化對外部因素敏感，暴雨期間水位暴漲暴落。在連續降雨條件下，河流水文過程日效應特征不明顯，前期無雨天數和流域含水量是水化學特征值的決定因素。在季節尺度上，溫度是水化學特征值的決定因素，溫度效應強于稀釋效應。夏季氣溫高生物活動頻繁，土壤CO2濃度升高，促使了碳酸鹽在水體中溶解[5]，所以溫度成為河流水化學的主要影響因素。