喀斯特地貌區(qū)土壤淺薄、巖石滲漏性強，地表水體（如溪流水和塘庫）少。在表層巖溶泉水分布密度低、流量小的偏遠(yuǎn)村落，集蓄硬質(zhì)路面雨水成為居民解決生產(chǎn)生活用水的普遍做法。然而，由于對喀斯特山區(qū)道路及其路塹邊坡系統(tǒng)徑流路徑及產(chǎn)流機制認(rèn)識不清，該區(qū)針對道路的雨水集蓄工程的選址及設(shè)計缺乏理論依據(jù)，導(dǎo)致收水效率普遍偏低。為此，研究團隊基于長時序山坡淺表層多界面水文水化學(xué)監(jiān)測及同位素技術(shù)（2019年5月至2022年5月共計156次降雨事件），深入揭示了喀斯特山區(qū)道路邊坡系統(tǒng)的主要產(chǎn)流路徑和多界面徑流觸發(fā)機制，系統(tǒng)評估了利用喀斯特山區(qū)道路系統(tǒng)集蓄雨洪徑流的潛力，明確了影響道路邊坡系統(tǒng)地上-地下徑流分配比例的主控因素。
研究發(fā)現(xiàn)：（1）喀斯特區(qū)土壤-表層巖溶帶剖面巖溶風(fēng)化程度隨深度增加逐漸降低，水分垂向入滲性能由表層巖溶帶頂部的40 mm/h逐漸降低到表層巖溶帶底部的8 mm/h，這為喀斯特山坡淺表層橫向徑流的發(fā)生提供了重要的物理結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)?？λ固刈匀簧狡碌乇韽搅飨禂?shù)為2.2%，修建道路過程中形成的路塹邊坡，促使原本在淺表層運移的表層巖溶帶橫向伏流從工程創(chuàng)面出露（占降雨量的16.0%），使得山坡整體雨水資源利用率提高至18.2%。（2）監(jiān)測期間年均降雨量為1468 mm，整個道路邊坡徑流集蓄系統(tǒng)可實現(xiàn)年雨洪徑流收集量達(dá)到34,287 L m–1 a–1，表現(xiàn)出可觀的雨洪徑流集蓄效率。其中，土壤-表層巖溶帶側(cè)向流為263 L m–2 a–1（按單位集水區(qū)投影面積計算）或25,808 L m–1 a–1（按單位道路長度計算，即一米的道路邊坡系統(tǒng)可以收集的水量），該徑流量是道路上方截獲地表徑流及道路本身地表徑流兩者之和的3倍，使其成為喀斯特山區(qū)道路邊坡系統(tǒng)的主要徑流組分（占總徑流量的76%）。（3）道路邊坡系統(tǒng)98%的徑流量發(fā)生在雨季，土壤-表層巖溶帶側(cè)向流表現(xiàn)為蓄滿產(chǎn)流機制，降雨量和前期土壤含水量是影響道路邊坡系統(tǒng)產(chǎn)流過程的主要氣象因子。
本研究結(jié)果基于多界面水文長期原位監(jiān)測，明確了喀斯特山區(qū)修建道路所揭露的土壤-表層巖溶帶系統(tǒng)是整個道路系統(tǒng)中的重要產(chǎn)流路徑，為研發(fā)山區(qū)道路系統(tǒng)地表徑流-表層巖溶帶側(cè)向流聯(lián)合集蓄技術(shù)提供了重要理論支撐。目前，西南喀斯特區(qū)95%的居民點實現(xiàn)了道路村村通，累計建成公路網(wǎng)總里程達(dá)43萬公里。因此，有必要將道路系統(tǒng)中土壤-表層巖溶帶橫向徑流的發(fā)生潛力，作為喀斯特山區(qū)雨水集蓄系統(tǒng)設(shè)計和優(yōu)化布局的重要依據(jù)。
相關(guān)研究成果以Enhancing rainwater harvesting efficiency in karst terrains: The role of road intercepted soil-epikarst lateral flow為題發(fā)表在環(huán)境類Top期刊Journal of Environmental Management，陳洪松研究員為論文通訊作者，付智勇副研究員為第一作者。
圖 1 地表徑流(SR)和土壤-表層巖溶帶側(cè)向流(SEF)對道路邊坡系統(tǒng)徑流(RCF)的貢獻(xiàn)
圖2 喀斯特山區(qū)道路系統(tǒng)主要產(chǎn)流路徑及其降雨水量分配特征