應(yīng)用案例

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Picarro L2130-i(用Picarro分析儀解碼:小流域快速徑流的“時(shí)間之謎”)

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摘要



Abstract

集水區(qū)的降雨徑流轉(zhuǎn)化通常遵循各種較慢和較快的流動路徑,導(dǎo)致水流中混合有“年輕”和“較老”的水。本研究探討了降水強(qiáng)度和土壤濕度對農(nóng)業(yè)流域水流中水年齡分布的影響。以往研究僅考慮土壤濕度對水流中“年輕”和“較老”水混合的影響,但本研究假設(shè)降水強(qiáng)度也可能起關(guān)鍵作用。通過分析流域的高分辨率δ1?O數(shù)據(jù),利用基于SAS函數(shù)的示蹤劑傳輸模型估算水流的渡越時(shí)間分布(TTD)。研究設(shè)置了兩種SAS函數(shù)參數(shù)化情況:一種僅考慮土壤濕度,另一種同時(shí)考慮土壤濕度和降水強(qiáng)度。結(jié)果表明,考慮兩者時(shí),水流示蹤模擬效果更好(納什-薩特克利夫效率從0.31提高到0.51)。兩種方法對小于90天的TT估計(jì)相似,但僅考慮土壤濕度時(shí),小于7天的TT在夏季和秋季模擬不佳,因?yàn)榇藭r(shí)降水直接貢獻(xiàn)(如瓦排水)和地表流動過程顯著。這表明在干燥土壤條件下,無論降水強(qiáng)度高低,事件水都可能通過快速流動路徑(地表水流、瓷磚排水溝等)繞過土壤基質(zhì)。因此,在優(yōu)先流和地表流重要的流域中,SAS函數(shù)應(yīng)同時(shí)考慮土壤濕度和降水強(qiáng)度,以更好地描述快速水流生成機(jī)制。



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研究目的



Research Objective

探討土壤濕度和降水強(qiáng)度對快速流的傳輸時(shí)間分布(Transit Time Distribution, TTD)的影響,特別是在一個(gè)具有顯著快速徑流響應(yīng)成分的異質(zhì)性流域中。研究旨在通過分析高分辨率的穩(wěn)定同位素?cái)?shù)據(jù)(δ18O),測試快速流及其傳輸時(shí)間是否僅受土壤濕度控制,還是也受降水強(qiáng)度的影響,并改進(jìn)對快速流生成機(jī)制及其時(shí)間尺度的理解和描述。



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研究方法



Research Method

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研究地點(diǎn)選擇

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奧地利Petzenkirchen的水文開放實(shí)驗(yàn)室(Hydrological Open-Air Laboratory, HOAL)進(jìn)行研究,該流域面積為66公頃,具有濕潤氣候和典型的農(nóng)業(yè)土地利用特征。


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圖1. HOAL集水區(qū)地圖以及降水、氣象站、土壤濕度、河流同位素采樣和降水同位素采樣裝置的位置。

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數(shù)據(jù)收集

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①水文氣象數(shù)據(jù):包括2013年10月至2018年12月期間的日降水、日徑流和土壤濕度數(shù)據(jù)。

②穩(wěn)定同位素?cái)?shù)據(jù):使用Picarro L2130-i 和L2140-i 激光光譜儀測量降水和徑流中的δ18O和δ2H。


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圖2. HOAL集水區(qū)的水文和示蹤劑數(shù)據(jù)

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模型構(gòu)建與模擬

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①水文模型:基于DYNAMITE建??蚣?,包含雪、冠層截留、非飽和根區(qū)、快速響應(yīng)和地下水等五個(gè)水庫,模擬流域的水文過程。

②追蹤傳輸模型:結(jié)合水文模型,使用基于年齡排序的存儲選擇(rSAS)函數(shù)來模擬不同年齡水的釋放概率,從而估計(jì)徑流中的TTD。

③模型校準(zhǔn)與優(yōu)化:使用差分進(jìn)化算法優(yōu)化模型參數(shù),確保模型能夠同時(shí)再現(xiàn)徑流和δ18O的動態(tài)變化特征。


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結(jié)論與展望



Conclusion and Prospect

Picarro儀器測量的δ18O和δ2H數(shù)據(jù)被用于分析降水和徑流中的水年齡分布,以及快速流的傳輸時(shí)間分布特征。這些數(shù)據(jù)與水文模型模擬結(jié)果相結(jié)合,用于驗(yàn)證和改進(jìn)模型對快速流生成機(jī)制的描述。

通過分析降水和徑流的同位素?cái)?shù)據(jù),發(fā)現(xiàn)快速流中年輕水的比例在降水強(qiáng)度較高時(shí)顯著增加,表明降水強(qiáng)度對快速流的傳輸時(shí)間有顯著影響,支持了研究中關(guān)于降水強(qiáng)度與土壤濕度共同控制快速流傳輸時(shí)間的結(jié)論。

同位素?cái)?shù)據(jù)還揭示了在干旱土壤條件下,降水事件水通過快速流路徑(如地表徑流、排水溝和優(yōu)先流路徑)繞過土壤基質(zhì)直接進(jìn)入河流的現(xiàn)象,進(jìn)一步證實(shí)了研究假設(shè)。

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