喀斯特流域降雨-径流形成机制及阈值行为

《Interventional Cardiology Clinics》：Rainfall-runoff generation mechanisms and threshold behaviors in a karst catchment

　　

水文过程是土壤侵蚀与水分流失的关键驱动因素。阈值行为为量化非线性降雨-径流响应提供了有用框架。然而，降雨量、降雨强度与前期湿润度在界定径流过程中的定量交互作用，仍缺乏充分约束。本研究基于某喀斯特流域逐小时降雨-径流观测资料，收集了65次降雨-径流事件。研究人员采用基于模型的情景模拟以及同位素/水化学示踪方法，旨在量化降雨-径流关系并揭示该流域的径流生成机制。结果表明，随着降雨强度增加，降雨量与径流之间的关系由非线性模式转变为线性模式。情景模拟将降雨强度阈值界定为9 mm/h。高于该阈值时，径流显著增加，而前期湿润度的影响减弱。相反，在9 mm/h以下时，随着降雨强度减小，降雨阈值由9 mm呈指数式增至37 mm。示踪证据显示，高强度降雨事件的径流系数与平均事件水占比明显高于低强度事件，分别为19.1%和19.4%，而低强度事件分别为5.7%和11.4%，并伴随显著溶质稀释。然而，在干燥前期条件下，即使高强度降雨也仅产生较低的径流系数和平均事件水占比，分别为6.9%和10.9%。这些结果共同表明，降雨强度主要激活快速径流路径，而前期湿润度调控事件总径流量。研究结果强调了径流阈值在侵蚀风险评估与适应性管理中的实践价值，因为超过阈值的事件与显著更高的泥沙产出相关，并可能有助于在极端降雨日益频繁的背景下识别早期预警的关键条件。

该研究发表于《Interventional Cardiology Clinics》的说法与原文不符。根据所给文献内容，本文是一项围绕喀斯特小流域事件尺度降雨-径流响应的水文学研究，重点讨论降雨量、降雨强度和前期土壤湿度指数（ASI，antecedent soil moisture index，前期土壤湿度指数）对径流生成的共同控制作用，以及由此产生的阈值行为和水文连通性变化。因此以下解读严格依据原文内容展开，不对刊载信息作无依据扩展。

从研究背景看，径流生成是流域水文过程的核心环节，直接影响土壤侵蚀、养分流失以及水土保持成效。传统流域水文学长期围绕“降雨后水流向何处、以何种路径汇入河道、在流域内停留多久”等基本问题展开研究，虽然已有大量基于特定站点和复杂过程观测的“自下而上”研究积累了丰富认识，但流域内部显著的时空异质性仍然限制了对降雨-径流关系的统一量化描述。在此背景下，阈值行为分析作为一种“自上而下”的研究思路，能够将复杂水文过程提炼为径流通量与可观测状态变量之间的非线性关系，从而回答在不同降雨强度和前期湿润状态下，需要多大降雨量才能触发径流这一关键问题。

现有研究已表明，径流阈值不仅受降雨量控制，还与降雨强度、前期湿润度以及流动路径激活过程密切相关。然而，这三者之间的定量交互关系仍未得到充分约束。该问题在喀斯特流域中尤为重要，因为喀斯特地区具有地表-地下双重结构，土壤-表层岩溶带（epikarst，表层岩溶带）空间异质性强，水文连通性变化迅速，因而往往对降雨过程表现出更敏感的响应。与非喀斯特流域相比，喀斯特流域更容易发生地表和地下的土壤及养分流失。在极端降雨事件日趋频繁的背景下，明确降雨量、降雨强度和前期土壤湿度如何共同触发径流，对于深化喀斯特水文过程理解以及改进侵蚀风险预警具有重要意义。

研究人员以中国西南广西环江县一个典型峰丛洼地小流域为研究对象。该流域面积为1.14 km²，地形高差大，洼地与坡地差异显著，基岩以白云岩和白云质灰岩为主，土壤厚度与质地沿坡位向洼地逐渐变化，形成明显的坡地-洼地土壤序列。这种地貌和地下结构共同塑造了入渗能力、蓄存条件与径流连通性的显著空间差异：坡地更有利于地下补给和储水，而洼地则更容易形成快速径流。基于多年降雨-径流事件观测数据，研究人员引入机器学习模型学习事件尺度降雨-径流关系，并通过构建虚拟情景数据集，扩展不同降雨量-降雨强度-ASI组合下的可能响应，以弥补实测事件数量不足的问题。同时，研究还采用事件尺度SCS-CN模型（Soil Conservation Service Curve Number model，土壤保持局曲线数模型）进行对照分析，并结合稳定同位素与水化学示踪证据，识别控制因子、量化阈值行为并解释径流生成机制。

方法上，研究主要基于2017—2018年共65次降雨-径流事件的逐小时降雨和出口流量观测，样本来自广西环江县峰丛洼地喀斯特小流域。研究人员计算总径流、有效径流和径流系数，利用4个土壤水分监测点估算ASI；通过递归特征消除（RFE，recursive feature elimination）筛选关键变量；构建随机森林（RF）、支持向量机（SVM/SVR）和人工神经网络（ANN）模型并与事件尺度SCS-CN模型比较；随后建立160万组虚拟降雨情景，采用分段线性回归识别阈值，并结合δ¹⁸O、δ²H及水化学指标对代表性事件进行机制解释。

在结果部分，论文包含若干清晰的小标题，分别展示了研究发现。

3.1. Rainfall and runoff characteristics
研究首先描述了降雨与径流的基本特征。2017年和2018年总降雨量分别为1504 mm和1440 mm，湿季降雨占全年降雨的68%—81%。65次事件中，最大降雨量为230 mm，峰值降雨强度为55 mm/h，平均降雨强度为14 mm/h，平均ASI为118 mm。两年流量过程存在明显年际差异，说明该小流域在相似年降雨总量下，径流响应仍可能受事件结构和前期状态显著影响。这为后续分析降雨特征与前期湿润度的联合作用提供了基础。

3.2. Correlation among rainfall characteristics based on measured data
基于实测数据的相关关系分析表明，总降雨量与总径流之间呈现明显非线性关系，降雨阈值约为13.5 mm。当降雨强度低于5 mm/h时，即使总降雨量达到24 mm，流域仍几乎不产生径流；随着降雨强度增加，降雨量-径流关系逐渐由非线性向近似线性转变，转折点约为10 mm/h。对于相同降雨量，更高的降雨强度会产生更多径流。RFE结果进一步确认，总降雨量、最大降雨强度和ASI是解释径流变化的三个核心变量，其重要性排序依次为总降雨量、最大降雨强度和ASI，三者可解释约90%的径流变异。这说明该流域径流响应主要受降雨输入控制，但降雨强度和前期湿润状态对非线性行为具有关键调节作用。

3.3. Multiple threshold behaviors based on the quantification of scenario simulation data
在模型比较中，四类模型均表现出可接受的径流预测能力。RF结果较稳定，SVM在测试集上具有最高预测精度，而ANN在训练集和测试集之间保持了较好的平衡性能和偏差控制，因此被认为是综合表现最优的模型。尽管SCS-CN模型统计性能相对中等，但仍具有较好的水文学可解释性。基于最优模型建立的160万组虚拟情景显示，随着ASI增加，降雨强度阈值变化不明显，而触发径流所需的降雨量总体随ASI增加而减小。研究还发现ASI为60 mm附近是一个重要分界点：在0—60 mm范围内，降雨阈值显著高于60—135 mm范围，说明干湿状态转换会导致径流触发条件明显改变。二维关系图进一步表明，当降雨强度超过9 mm/h时，无论总降雨量或ASI如何变化，均较容易触发径流；反之，当降雨强度降低时，触发径流所需降雨量呈指数增加。统计结果表明，土壤凋萎含水量对应的60 mm可视为控制降雨阈值的重要前期湿润度阈值。在湿润条件下（ASI>60 mm），最大降雨阈值约30 mm；在干燥条件下（ASI<60 mm），则升高至37.2 mm。由此可见，该喀斯特流域存在显著的多重阈值行为，其中9 mm/h是降雨强度控制径流响应模式转变的关键界点。

4.1. Effect of rainfall amount, intensity and antecedent soil moisture on runoff
讨论部分首先指出，该流域径流主要由总降雨量控制，而降雨强度与ASI则共同调节降雨-径流关系的非线性特征。前期湿润状态越高，流域越容易达到饱和并形成径流；而较大的降雨强度能够加速局地连通性建立并增强快速响应。研究由此强调，在喀斯特环境中，仅依据降雨量解释径流形成是不充分的，必须同时考虑前期蓄水亏缺和高强度降雨对快速通道的激活作用。

4.2.1. Interaction between infiltration-excess and saturation-excess processes
研究人员认为，该喀斯特流域的径流生成由超渗产流（infiltration-excess runoff，降雨强度超过入渗能力导致的产流）与蓄满产流（saturation-excess runoff，土壤或近地表储水达到饱和后的产流）相互作用共同决定。约9 mm/h的降雨强度阈值，标志着径流生成由“储水控制”向“强度控制”的转变。当降雨强度超过该阈值时，降雨输入可局部超过洼地土壤及浅层土壤-表层岩溶带界面的入渗和排水能力，从而激活地表径流和近地表侧向流；此时径流对前期湿润度的敏感性下降，降雨阈值趋于稳定。相反，当降雨强度低于该阈值时，雨水更易入渗至薄层土壤和表层岩溶带，只有在弥补部分前期储水亏缺后才形成径流，因此随着降雨强度降低，所需降雨量显著增加。示踪结果支持这一解释：高ASI但低强度事件的径流系数和平均事件水占比明显低于湿润-高强度事件，而低ASI下的高强度事件虽可出现较高的峰值事件水占比，但事件尺度总径流仍然较低，说明降雨强度主要控制快速径流通道的激活，而前期湿润度主要控制总径流量转化程度。

4.2.2. Role of the epikarst in rainfall-runoff generation
论文进一步指出，表层岩溶带在该流域中具有“双重作用”，既是暂时储水库，又是流动调节器。在干燥前期条件或低强度降雨下，入渗水更可能暂时储存在土壤-表层岩溶带系统中，并进一步向深部包气带和地下水垂向输送；在湿润前期条件或高强度降雨下，由于储水亏缺减小、裂隙和管道被激活，侧向地下传输和快速汇流贡献明显增强。这一机制解释了湿润-高强度事件与干燥-高强度事件在峰值事件水占比都较高的情况下，径流系数却存在显著差异的现象。水化学上，峰值降雨后Ca²⁺和Mg²⁺迅速下降表明新近事件水对既有喀斯特水发生了显著稀释，而其缓慢恢复则反映表层岩溶带储存水体的持续混合与渐进释放。因此，表层岩溶带并非被动储水层，而是决定径流生成方式和径流组成的重要调节介质。

4.3. Rainfall-runoff processes and erosion risk
研究还将径流阈值与侵蚀风险联系起来。基于45次具有产沙观测的降雨事件，泥沙产量与有效径流深之间存在极显著正相关，且超过阈值的事件产沙显著高于未超过阈值的事件。这说明一旦降雨条件超过径流阈值，流域水文连通性增强、有效径流增加，同时泥沙输出显著提升。因此，径流阈值不仅是水文指标，也是评估喀斯特流域侵蚀风险的重要判据。高强度降雨尤其容易引发超渗产流，造成较强土壤侵蚀和养分流失；湿润前期条件会进一步放大这一风险。

4.4. Limitations of this study
关于局限性，研究明确指出，同位素与水化学观测仅覆盖3次代表性产流事件，因此足以支持定性解释，但不足以对水体停留时间或输移时间分布进行严格定量估计。此外，研究尚未与更广泛的机器学习或深度学习方法进行系统比较，且研究重点是事件总径流量而非连续动态过程，因此未采用LSTM等过程型深度学习模型。

最后，研究结论可译为：本研究识别了一个小型白云岩峰丛洼地流域事件尺度降雨-径流响应的阈值行为。降雨量、降雨强度和前期湿润度共同控制径流生成，其中约9 mm/h的转折点标志着响应行为的重要变化。当降雨强度超过该阈值时，径流更易被触发，且对前期湿润度的敏感性降低；而在较低强度降雨下，则需要更大的降雨量，且前期湿润度的控制作用更强。同位素和水化学证据进一步表明，该流域径流生成反映了强降雨期间快速通道激活与前期湿润度相关储水控制之间的相互作用。尽管本文识别的具体阈值可能具有流域特异性，但所获得的过程认识对于其他具有类似水文地貌特征的小型喀斯特流域也具有参考意义。除加深过程理解外，这些阈值还对喀斯特地区侵蚀风险评估和适应性管理具有现实价值。在本研究流域内，超过径流阈值的事件对应显著更高的泥沙产量，表明阈值超越与水文连通性增强及泥沙输出加速相一致。在气候变化背景下，随着高强度降雨事件可能更加频繁，这类基于阈值的认识可为径流与侵蚀早期预警、敏感源区识别以及脆弱喀斯特景观中的定向水土保持策略提供支持。