基于水文与同位素信息的小流域产汇流机理研究

传统的概念性水文模型，侧重于对降雨径流过程的模拟，对水流路径和流域滞时考虑不多，主要基于流域出口断面的流量过程线来进行模型参数率定和模型检验。但是越来越突出的环境问题，要求不仅关注河道流量，也要了解流域的一些内部过程。本研究拟以安徽省的杨楼流域为研究对象，构造一个经济合理的水文和同位素同步观测系统，在此基础上确定流域滞时分布模型并进行多水源同位素流量过程线划分，从而发展一个复杂度合适同时考虑水文和同位素模拟的流域水文模型。然后通过水文观测资料、同位素观测资料及同位素分析结果，进行多准则参数率定，实现参数降维，提高参数的可识别性。该研究理论和方法，不仅能帮助我们更好地理解流域产汇流机理，而且通过引入同位素信息进行多目标参数率定，解决流域水文模型参数的不确定性问题，提高洪水预报精度，为防洪减灾提供技术支撑。

采用理论推导、室内实验和野外实验相结合的手段，着重于机理研究，进行了若干个同位素水文基础实验研究，包括室内土柱降雨入渗实验、野外台风雨事件水循环要素同位素分析实验、不同洪水事件降雨和贯穿降雨同位素分析实验、不同土地利用方式下水循环要素同位素分析实验。通过这些实验研究，获得了一些有用的水文和同位素基础数据，为解释小流域产汇流机理提供了依据，主要获得了如下成果：（1）设计两组降雨同位素输入不同的室内土柱降雨入渗实验，通过输入和输出的同位素信息，采用不同模型，计算流域平均滞时，通过与实测滞时比较，反推流域的下渗模式。（2）对台风雨事件中降雨、贯穿降雨、地表水、地下水、河水分别采样，进行同位素分析，发现降雨、地表水和地下水之间δ18O差异主要是由本次降水和事件前水的混合引起的；降雨的同位素组成存在显著的时程变化，说明有必要采用顺序降雨采样器进行水样的收集。（3）通过对不同洪水事件降雨和贯穿降雨进行采样同位素分析，发现直接降水和贯穿降水的同位素含量均表现出显著的时程变化，但贯穿降水的变化幅度比直接降水的要小；大暴雨的直接降水和贯穿降水同位素含量差别大，各次暴雨间直接降水和贯穿降水的δ2H和δ18O平均值差别不大，但单场暴雨的同位素含量变化很大；不同的计算方法对贯穿降水与直接降水间同位素含量差别影响不大，但不同采样方式对结果影响显著。（4）设计不同土地利用方式下的水循环要素采样分析，发现降雨量大的地区，同位素值要负，符合降雨同位素的“降雨量效应”；不同土地利用方式引起的降水和贯穿降水同位素含量差别略有差异，但不显著；不同土地利用方式下的地表水同位素含量均表现出显著的时程变化，但其变化范围与降水的变化范围不一致；不同土地利用方式对地下水同位素含量影响不大。