壤中暴流水文机理与致灾效应_崔鹏.pdf

地 理 学 报ACTA GEOGRAPHICA SINICA第78卷 第7期2023年7月Vol.78,No.7July,2023壤中暴流水文机理与致灾效应崔 鹏1,2，张国涛1，张晨笛1（1.中国科学院地理科学与资源研究所，北京 100101；2.中国巴基斯坦地球科学研究中心，巴基斯坦 伊斯兰堡 45320）摘要：壤中暴流是山丘区陡峭坡体包气带壤中流的一种特殊存在形式，也是山洪形成最为重要的产流机制之一。然而，现有研究对壤中暴流的科学内涵、机理过程与致灾特征的认知尚缺乏系统梳理和总结，限制了产汇流理论体系和山洪模型方法的发展。通过对国内外壤中暴流研究发展历程的梳理和产流物理过程的解析，本文厘清了壤中暴流的科学内涵与概念，提炼出壤中暴流发生的三大物理条件及其对非线性响应过程的影响，总结了壤中暴流对山洪、滑坡与泥石流致灾过程的影响机制。最后，凝练出未来需要深化的3个关键科学问题：包气带岩土体大孔隙水分输移过程与水文连通机制、坡面内部岩土体通道界面的水分交换过程及机理、复杂坡面地形条件下多产流机制综合的山洪形成机理。可为复杂山区的山洪形成机理与水文理论框架构建提供新的研究视角，更好支撑山洪灾害预测预报与防灾减灾的国家科技需求。关键词：壤中暴流；产流机制；包气带；山洪；致灾机理DOI:10.11821/dlxb2023070051 引言山洪广泛发育于约占中国陆地面积2/3的山丘区，是山地小流域表层物质快速输移的过程1，暴发突然，破坏性强，形成过程复杂，预测预报困难，往往造成毁灭性灾害，严重威胁广大山丘区人民生命财产和重大工程安全，制约社会经济的高质量发展。而且，随着全球气候变化加剧，山区局地极端强降雨频次增加，进一步增大了山洪灾害的不确定性和危害性2。壤中暴流（Subsurface Stormflow）作为山洪形成的主要水源和重要产流机制，深刻地影响着山洪的孕育、形成和发展过程3-4，是特大山洪泥石流链生灾害研究的重要突破口。然而，壤中暴流的来水具有强非恒定特点、主要流通路径为复杂多孔介质5且空间不均匀性较高6，导致其演变过程及成灾效应表现极端复杂性和高度不确定性7-9，加之水文数据资料的稀缺10，对深入认识壤中暴流的水文机理和灾害效应、构建基于物理过程的理论体系形成巨大挑战，限制其内涵、外延、研究对象、物理过程等理论方法体系与核心内容的发展和完善。自“19651974年国际水文发展十年计划”颁布以来11-13，众多学者主要基于壤中暴流和降雨量的线性关系假设开展系列水文现象学研究，直到21世纪初，逐渐认识到壤收稿日期：2023-03-23;修订日期：2023-07-07基金项目：国家自然科学基金项目(41941017,42201086);国家重点研发计划(2022YFC3002902);博士后创新人才支持计 划 项 目(BX20220293)Foundation:National Natural Science Foundation of China,No.41941017,No.42201086;National Key R&D Program of China,No.2022YFC3002902;The National PostdoctoralProgram for Innovative Talents,No.BX20220293作者简介：崔鹏(1957-),男,陕西西安人,中国科学院院士,主要从事山地灾害与水土保持研究。E-mail:1627-1640页地 理 学 报78卷中暴流与输入变量降雨之间的非线性关系，并开展水文过程的机理研究4,14-17。壤中暴流与山洪灾害关联密切，而山洪死亡人口占中国洪涝灾害死亡总人口年均比例高于70%18，使得山洪形成机理研究成为当前新时期水灾害及水文科学发展面临最重要的任务之一。深化壤中暴流水文机理与致灾效应研究，有助于揭示变化环境下山区流域水文过程与山洪形成的时空演变规律，构建考虑壤中暴流机制的山洪形成理论体系和模型，可为山区小流域山洪的预测预报和防灾减灾工作提供重要理论与科技支撑。本文拟针对壤中暴流科学内涵的复杂性，从物理过程和发生条件出发界定壤中暴流概念的内涵与外延，梳理壤中暴流的发生条件和水文响应过程，总结其对成洪致灾机制的影响，最后提炼了未来研究需要关注的关键科学问题。2 壤中暴流的概念与科学内涵2.1 壤中暴流定义国际上，壤中暴流（subsurface stormflow）也称间流（interflow/throughflow）、侧流（lateral flow）、地下径流（subsurface runoff）、瞬时地下水流（transient groundwater）与土壤水流（soil water flow）11,15,19。众多术语的存在主要由于对降雨或融雪、融冰、灌溉渗漏等供水后壤中暴流水文响应物理过程理解的不全面。虽有研究将壤中暴流认为非饱和区的非饱和流11，但大多研究认为，壤中暴流是一种饱和（或接近饱和）的水流过程，主要是由地下水位上升至透水性更强上部土壤中形成侧向流动，或在低透水层上方出现瞬时饱和流的过程4,20-22。国内学者对该术语的概念表述与译文，最早可以追溯到1984年地质矿产部水文地质工程地质研究所出版的 水文地质词汇（英中法德俄文对照）23，将“subsurfacerunoff”“subsurface flow”“subsurface stormflow”放在同一项目下解释为“地下径流，暴雨渗流，地下水流由下渗的降水在地面下作侧向运动而形成的水流”，1985年刘光文等编订的英汉水文学词汇24，并将其译为“次表层流，壤中流”；英汉给水排水辞典25（1989年）译为“暴雨渗入地下水流”；现代英汉水利水电科技词典26（1990年）译为“次表层流，壤中流，暴雨渗入地下水流”；汉英英汉水利土木工程词典27（1992年）将其译作“暴雨地下流量；表层流；壤中流”；英汉水科学词汇（新编）28（2002年）翻译为“暴雨渗流，土壤浅层侧向流”；亦有文献或书籍29-30将其译为“地下暴雨径流、地下洪流、快速壤中流”。芮孝芳编著的水文学原理31（2012年）将其译为“壤中水径流”，并提出与“超渗地面径流”、“饱和地面径流”、“地下水径流”产生物理条件的差异性，但并没有给出明确的定义和概念；张艳军等主编的山区小流域洪水过程及其模拟（2021年）32将其译为“壤中暴雨流”，在国内首次给出了基本概念，突出了“subsurface stormflow”在山洪形成与模拟中的重要性，但概念中对其物理过程和发生条件表述仍有所欠缺。总 体 而 言，国 外 学 者 并 没 有 从 物 理 过 程 和 形 成 条 件 出 发 给 予“subsurfacestormflow”准确的概念和定义。笔者认为“壤中暴流”作为“subsurface stormflow”的中文译法更为合适，主要原因包括：机理层面上，它是供水（降水）与下渗矛盾在一定介质条件下的发展机理和过程，是一种产流机制，如蓄满产流与超渗产流，而区别于单纯的“优先流”渗流过程（图1）；水源层面上，该过程主要区别于蓄满、超渗产流形成的表面径流，也不同于喀斯特地区深层地下流或地下河，主要是壤中流起主导作用，发生位置主要位于土壤基岩界面及其以上的包气带。形成特征上，它极易发生16287期崔 鹏 等：壤中暴流水文机理与致灾效应于地形陡峭、气候湿润、土壤渗透强的土石山区，产流多且流速高，是山洪来水的重要组分，表现为：快而多，“暴”字形象表征了这一特点。在此，我们认为壤中暴流主要指供水充足且高渗透性坡体的包气带，由重力自由水主导通过大孔隙通道、相对不透水界面而快速出流的现象。它具有非饱和带暂存饱和带界面共存、水力梯度大、多界面变动产流的特点（图1）。壤中暴流作为一种产流机制的具体定义为：通常由暴雨或融雪、融冰、灌溉渗漏等供水期间，地表以下水流透过土层或风化层基岩等高渗透区，并在土壤间低渗透界面或基岩土壤界面形成的坡面河道水文连接通道向坡下快速运动的一种产流机制。2.2 壤中暴流研究的渊源壤中暴流的研究主要经历了3个主要发展阶段：发现提出阶段（19191960年）、规律探索阶段（19601980年）与形成机理研究阶段（1980年至今）。（1）壤中暴流现象发现与初期研究阶段（19191960年）壤中暴流水文理论最早可追溯到1919年，瑞士著名水文学家Engler教授33通过自然降雨观测到森林实验流域坡面根际区的强烈入渗作用以及土壤中或基岩土壤界面上的“无数缝隙”的横向坡下运动过程，且并无坡面漫流出现，首次强调壤中暴流在森林水文过程的重要性。1936年，“Subsurface stormflow”由美国伊利诺伊州水文学家Hursh教授在著名的科维塔（Coweeta）实验流域水文研究中提出34。后来10多年，他通过流域暴雨洪水过程的原型观测，开展径流分割与水源研究35-37，首次明确暴雨过程中流域尺度壤中暴流是洪水过程的重要组成水源。虽然壤中暴流产流理论与1933年Horton超渗产流理论38的提出时间几乎同步，但因为壤中暴流形成运动过程的复杂性、流通路径的隐蔽性与数学概化的高难度性，并未引起水文学者广泛重视。（2）壤中暴流规律探索阶段（19601980年）直到 20 世纪 6070 年代，通过国际水文十年计划（International HydrologicalDecade,IHD），Whipkey39、Dunne等40、Weyman41、Harr42、Mosley43等一些水文学家逐渐开始通过野外坡面观测与人工降雨实验，开展坡面尺度壤中暴流的现象学研究。如英国布里斯托大学水文学家Weyman41开展坡面天然降雨观测（开挖60 cm深槽，剖面呈图1壤中暴流形成机理示意图Fig.1 Schematic diagram in formation mechanism of subsurface stormflow1629地 理 学 报78卷现上覆土与不透水基岩），建立了坡面侧向排泄径流、水位与时间的函数关系，是最早采用坡面地下非饱和流与饱和流总势能概念对壤中暴流进行现场定量的研究。此外，美国农业部Harr42教授通过流域精细化观测发现了降雨期间侧向下坡流域垂直下渗流大致相等，壤中暴流是洪水过程的主要径流来源，占据降雨总量比例高达38%。基于坡面、流域（非）饱和流过程的定性认识与定量论证，推动了壤中暴流的现象学研究，为壤中暴流水文机理在其他地质地貌环境下产流路径与响应过程的研究奠定了理论基础，对坡面壤中暴流研究具有深远的意义。（3）壤中暴流形成机理研究阶段（1980年至今）为了解决流域壤中暴流水源形成、水流路径的科学难题，20世纪90年代左右，一些水文学家开始尝试借助染色剂、水化学（电导率EC、Cl-）、水同位素（D、18O）等示踪剂定性或半定量研究“老水”“新水”问题、“水流路径与水源”问题，并阐明了“基岩土壤界面水位寿命极短，与坡面渗流速率几乎相近”的观点，证实了壤中暴流快速补给径流的特点44-48。同时，Woods等49、Harris50、McDonnel等51、Burns等52、Freer等14研究发现，坡面基岩形态可显著控制壤中暴流过程，特别是基岩洼地能够影响壤中暴流初期产流过程。该发现有力推动壤中暴流理论的发展，直到21世纪仍在众多实验区得到验证4,8,16,53-54，逐渐形成研究的主要模式与概念、理论模型。例如，两种典型的壤中暴流产流模式（图2d、2e）被广泛接受，第一种模式主要指暴雨过程中更深、更持久的地下水位上升后，与渗透性更强的多孔介质相交，导致横向快速流动16,55。第二种模式主要指在渗透差异大的界面（如土壤层、土壤岩石界面）8,53-54，通过土壤管网15或风化层基岩裂缝56产生横向快速下坡流，贡献于洪水径流。其中，第二种模式更为普遍。随着壤中暴流实验研究方法发展，如染色示踪提取提取技术、非侵入式影像获得技术、地下雷达探测技术、声波探测技术、电阻率层析成像技术、3S技术等32，国内外研究逐渐发现，壤中暴流产生主要受地形坡度、基岩