层间裂隙对喀斯特坡地径流特性的影响：来自模拟降雨实验的见解

《Journal of Hydro-environment Research》：Influence of interlayer fissures on runoff characteristics of karst slopes: insights from simulated rainfall experiments

本研究通过室内钢槽模拟试验，探讨侧向溶解裂隙（ISFs）对喀斯特斜坡径流特征的影响。结果表明，ISFs的存在显著改变径流组成：当ISFs数量和厚度增加时，层间裂隙径流（ISFR）占比从20%增至78%，同时地表径流生成时间推迟。研究证实ISFs在调节径流中起关键作用，并首次将ISFR单独列为重要径流成分，为喀斯特地区水文管理提供新依据。

　　在喀斯特地貌的坡地环境中，土壤层通常较薄，地下水与地表水之间的水文响应迅速，这些特征导致了复杂的径流行为。以往的研究多关注地表径流、土壤-上层喀斯特界面径流以及上层喀斯特径流，但对岩层间横向溶解裂隙（即所谓的“层间裂隙”ISFs）对径流过程的影响却鲜有深入探讨。本研究通过室内控制实验模拟了ISFs的数量和厚度，并系统分析了其对喀斯特坡地径流过程的影响。实验结果表明，在没有ISFs的情况下，垂直溶解裂隙径流（VSFR）占总径流的35%至52%，是主要的径流组成部分。然而，随着ISFs数量的增加，层间裂隙径流（ISFR）逐渐成为主导的径流形式，其占比可达到20%至78%，同时地表径流的产生时间被显著延迟。此外，ISFs的数量与土壤-上层喀斯特界面径流（SEIR）和ISFR之间呈现出显著的负相关和正相关关系（p < 0.05）。这些发现强调了ISFs在调节喀斯特坡地径流过程中的关键作用，并突显了层间裂隙径流作为喀斯特坡地径流的重要组成部分。

喀斯特上层带（epikarst）是碳酸盐岩层的最上层部分，被认为是岩石风化和溶解的主要发生区域。作为喀斯特临界带的关键组成部分，上层带的发育程度和结构特征具有高度的异质性，对水文过程产生深远影响。这种异质性使得喀斯特坡地的水流动路径和径流生成机制与非喀斯特地区存在显著差异。因此，理解上层带对坡地径流特征的影响，是喀斯特生态水文学研究中的一个重要课题。已有研究表明，上层带对径流的调控作用主要体现在地表径流、土壤-上层喀斯特界面径流和上层带径流这三个方面。通常情况下，喀斯特坡地上的降雨会迅速通过土壤层渗透进入上层带，从而导致地表径流的产生量非常有限，地表径流系数通常低于5%。在强降雨条件下，地表径流才可能出现，且其产生时间受到上层带发育程度的显著影响。当降雨强度超过土壤-上层喀斯特界面的渗透能力时，水体会沿着该界面向下流动，形成土壤-上层喀斯特界面径流。而上层带径流则汇集了整个上层带内部的径流，并沿着上层带向下渗透，成为喀斯特坡地最终的渗流通道。在某些研究中，上层带径流甚至占到了喀斯特灌木坡地总降雨量的71%。

由于碳酸盐岩的沉积过程具有阶段性，其岩层在垂直方向上通常呈现不连续的特征，且各层的厚度差异较大。在这种地质背景下，水流动和溶解作用常常在岩层之间形成横向的溶解裂隙，这些裂隙被称为层间裂隙（ISFs）。水通过这些裂隙流动时形成的径流被称为层间裂隙径流（ISFR）。然而，现有的关于上层带径流过程的研究，主要集中在地表径流、土壤-上层喀斯特界面径流和上层带径流这三种类型，而ISFR通常被视为上层带径流的一部分，很少被单独分析。这是因为ISFR在流动一定距离后，会向下渗入垂直溶解裂隙，从而与VSFR混合，难以区分。因此，许多研究并未充分考虑ISFR作为一种独立径流成分的重要性。

层间裂隙通常与喀斯特坡地表面大致平行，并且常常被土壤和细粒岩石填充。这种结构特征使得ISFR能够独立于其他类型的径流，形成独特的水流动路径。同时，上层带中的水体滞留作用在支持地表生态系统方面发挥着不可替代的作用。此外，作为喀斯特坡地的重要水文网络，层间裂隙的空间连通性和渗透性可能在整个降雨渗透到径流排放的过程中产生关键影响。因此，从支持生态系统和调节径流过程的角度来看，将ISFR视为一种独立的上层带径流类型，并研究其对喀斯特坡地径流特征的影响，具有重要的科学意义和实际应用价值。

本研究通过使用钢槽模拟喀斯特坡地独特的“地表-地下结构”，以明确层间裂隙对径流过程的影响。在不同降雨强度条件下，我们对地表径流（SR）、土壤-上层喀斯特界面径流（SEIR）、层间裂隙径流（ISFR）以及垂直溶解裂隙径流（VSFR）进行了系统的实验分析。实验中，我们通过操控层间裂隙的数量和厚度，观察其对不同径流类型产生的影响。研究的主要目标包括：（1）探讨在不同层间裂隙特征条件下，SR、SEIR、ISFR和VSFR的特性；（2）明确层间裂隙在影响喀斯特坡地径流过程中的重要作用。

实验结果表明，垂直溶解裂隙径流在无层间裂隙的情况下是主要的径流形式。然而，随着层间裂隙数量的增加，其对径流过程的主导作用逐渐增强，而地表径流的出现时间则被显著延迟。此外，层间裂隙的数量与SEIR和ISFR之间存在显著的负相关和正相关关系。这些发现表明，层间裂隙在喀斯特坡地的水文循环中扮演着重要的角色，不仅影响了径流的形成和分布，还对整个坡地的水文响应机制产生了深远影响。

在喀斯特地区的研究中，土壤层通常较为浅薄，且其结构较为松散，含有较高的黏土和砾石比例，这使得其具有较高的渗透能力。这种特性使得喀斯特地区的降雨能够迅速渗透进入上层带，从而减少地表径流的产生。然而，当降雨强度超过土壤层的渗透能力时，部分水体会在土壤-上层喀斯特界面形成径流。同时，由于层间裂隙的存在，水体可能在这些裂隙中流动，最终汇入垂直溶解裂隙，形成ISFR。这一过程表明，层间裂隙不仅是水流动的通道，还在调节整个坡地水文响应中起到关键作用。

此外，层间裂隙的形成与喀斯特地貌的发育密切相关。在自然条件下，层间裂隙的界面通常较为粗糙和不规则，这会减缓水流动的速度，并增加水体的滞留时间。然而，在本实验中，我们使用的是人工岩板，其表面较为光滑，这可能导致模拟出的层间裂隙具有更高的渗透性。虽然我们通过实验设计尽可能控制了变量，但在模拟过程中仍存在一定的局限性。例如，自然条件下的层间裂隙可能比人工模拟的更具复杂性和不规则性，从而对径流过程产生不同的影响。因此，未来的研究需要进一步考虑自然条件下层间裂隙的结构特征，以更准确地模拟其对水文过程的影响。

总体而言，本研究通过室内实验揭示了层间裂隙在喀斯特坡地水文过程中的关键作用。实验结果表明，层间裂隙不仅能够显著改变径流的分布和形成时间，还可能影响整个降雨渗透到径流排放的路径和机制。这些发现为理解喀斯特地区的水文响应提供了新的视角，并强调了层间裂隙作为独立水文路径的重要性。未来的研究可以进一步探讨层间裂隙在不同地质条件和气候背景下的变化规律，以及其对生态系统和水资源管理的潜在影响。通过深入研究层间裂隙的水文功能，我们能够更好地预测和管理喀斯特地区的水资源，为该地区的可持续发展提供科学依据。