黄土高原不同下垫面小流域径流特征1)

2011-06-13李慧敏张建军徐佳佳王清玉

东北林业大学学报 2011年10期

李慧敏张建军徐佳佳王清玉

(北京林业大学，北京，100083)

黄土高原因其特殊的地质地貌类型以及半干旱的气候特点，在长期的农耕影响下已成为世界上水土流失、生态环境最脆弱的地区之一。严重的水土流失不仅造成土地资源的损失和浪费，水资源也成为限制该区生态环境建设和经济发展的瓶颈。为了治理黄土高原的水土流失、改善生态环境，几十年来在黄土高原开展了大规模的水土保持植被恢复与重建，形成了一批具有高效降低水土流失功能的示范区，如位于山西省吉县的蔡家川流域自1990年开始，实施了植被建设工程，经过20 a的建设，森林覆盖率已达65%，形成了良好的植被体系，成为黄土高原防治水土流失植被恢复的典型示范区。这些植被在改善生态环境、防治水土流失方面起到了积极作用，但如何定量评价植被的生态水文功能仍然是目前亟待开展的课题。

森林与水的关系是目前的热点问题之一，在干旱半干旱气候区的黄土高原进行大面积的植被恢复对流域水文过程具有怎样的影响，是正确评价该区植被建设的关键问题之一，也是在黄土高原合理配置植被建设、调控植被结构的基础。

几十年来，许多研究者已对径流与植被的关系进行了研究，取得了大量的研究成果。Troendle［1］在伏尔加河上游的流域内发现随着流域内森林面积的增加，年径流量和夏季、秋季、冬季的径流量均增加，而春季径流量减少。石培礼等［2］发现森林植被变化对森林水文过程的影响将会改变水量平衡的各个环节，影响森林的水分状况和河川径流。史玉虎等［3］的研究结果表明小流域径流量与同期降水量呈线性正相关，在小流域尺度上森林覆盖率每增加1%，汛期径流深减少6.95 mm。赵西宁等［4］证明良好的植被覆盖度可以显著减缓坡面降雨径流损失。马雪华［5］也观察到在四川省西部米亚罗高山林区、岷江上游冷杉林集水区内，采伐森林会使年径流量减少。杨文治等［6］的研究结果表明土壤主要通过影响土壤入渗速率来间接影响径流，具有明显的地域差异。吴普特等［7］认为人类活动通过工程措施、生物措施和耕作措施改变降雨径流平衡要素，改变蒸发与降雨径流的比例，进而对水循环产生影响。袁艺［8］通过研究证明随着人类活动的加剧，土地利用的变化使径流量趋于增大;降雨强度越大，前期土壤湿润程度越大，土地利用变化对径流量的影响就越小。顾慰祖等［9］利用环境同位素进行研究后发现，径流中有相当一部分是非本次降水形成的。可见，各位研究人员在各自的研究领域取得的研究结果并不完全一致，甚至有相互矛盾的结论。另外在小流域尺度上定量分析不同植被覆盖类型条件下径流的研究还有待深入，因此，在黄土高原地区以不同植被覆盖的小流域为对象，利用长期水文观测资料进行生态水文效益研究，对正确认识和评价黄土高原植被建设具有重要意义。

1 研究区概况

研究区蔡家川流域位于山西省黄土高原西南部的吉县境内，属北京林业大学教学科研试验场。其地理坐标为北纬36°14＇27″～36°18＇23″，东经 110°39＇45″～ 110°47＇45″，为典型的黄土残塬、梁峁侵蚀地形，地势西高东低，东西狭长，流域大体上为由西向东走向，长约12.15 km，面积约39.33 km2，海拔在900～1 513 m，平均海拔1 172 m。该流域处于暖温带半湿润半干旱落叶林与森林草原地带，属暖温带大陆性气候，具有典型的黄土高原的气候特征，年平均降水量为575.9 mm，降水主要集中在6—9月，约占全年降水量的80.6%，最大降雨量为828.9 mm，最小年降雨量为277.7 mm，最大降水变率为43.11%，降雨年际变化大。流域内土壤为碳酸盐褐土，呈微碱性，基本为黄土母质，土质均匀，颜色为灰棕—灰褐—褐色。流域内森林覆盖率约为65%，天然植被主要为侧柏(Platycladus orientalis)、白桦(Betula platyphylla)、虎榛子(Ostryopsis davidiana)、辽东栎(Quercus liaotungensisKoidz)、山杨(Populus davidiana)、丁香(Syzygium aromaticum)、沙棘(Hippophae rhamnoidesLinn.)等，人工植被主要为油松(Pinus tabulaeformis)、侧柏、刺槐(Robinia pseudoacacia)等，其中，油松是针叶树中的优势种，辽东栎是阔叶树中的优势种。

2 研究方法

在山西吉县森林生态系统国家野外科学观测研究站的蔡家川流域内选择刘家凹小流域(多林流域)和井沟小流域(少林流域)作为研究对象，利用Quickbird遥感影像进行流域土地利用调查，利用地理信息系统分析流域地形特征参数。研究流域的基本情况见表1。从表1可见，两个流域除森林覆盖率不同外，其他特征基本相近。

表1 各流域基本情况

于2004至2009年在2个流域内分别布设数字式长期自记雨量计测定降雨过程，该雨量计每5 min记录1次降雨数据，观测数据自动保存在数据存储器中，数据采集后利用Excel表分别统计10、30、60 min雨强和降雨量，并绘制降雨过程线。同时在2个流域出口处修建的复合型量水堰上安置超声波数字式水位计，以每5 min测定1次水位的频率观测水位变化过程，观测的数据自动保存在数据存储器中。数据采集后利用Excel表通过利用标定好的水位流量关系曲线计算径流量和径流过程。

本研究利用2004—2009年取得的降雨径流观测资料，以降雨量、降雨强度、径流总量、地表径流量、基流量等为主要指标分析不同植被覆盖率条件下的降雨径流关系。

3 结果与分析

3.1 植被覆盖率对径流的影响

3.1.1 植被覆盖率对年总径流的影响

表2是2004至2009年刘家凹小流域(多林流域)和井沟小流域(少林流域)年径流深统计表。从表2可见，多林的刘家凹流域的年总径流深均小于少林的井沟流域，后者6 a间的平均径流深是前者的3.21倍。两流域地形地貌特征相似，降雨条件相似，但森林覆盖率与土地利用格局不同，这是其径流量有差别的主要原因。

刘家凹小流域内有大量次生林和人工林，次生林主要分布在流域上游和侵蚀沟中，占整个森林面积的67.29%，人工林主要分布在梁峁坡上，占整个森林面积的32.71%，是典型的森林流域，其植被覆盖率高达82.7%，年均径流深只有2.55 mm，径流系数(径流量与降雨量之比)为0.74%。这是因为森林植被的枝叶可有效拦截部分降水，使到达地面的有效降水减少;同时植被的枯枝落叶在吸收降水的同时，阻延了地表径流，增加了径流入渗;枯枝落叶和植被根系改善土壤的物理性质，大部分降水以土壤水或地下水的形式贮存于土壤中，从而起到拦蓄地表径流和蓄水的功能。而井沟流域内主要为天然荒草地和农田，以农业用地和牧业用地为主，其植被覆盖率只有15.2%，观测期间的年均径流深为8.18 mm，径流系数为2.16%，径流深和径流系数远大于高森林覆盖率的刘家凹流域。这是因为井沟流域内人为活动频繁，仍有牛、羊放牧活动，荒草坡上形成了网状的羊肠小道，这些羊肠小道土地坚硬、渗透能力弱、降水时极易形成径流，从而造成较大的水土流失。国内的一些研究也表明［10］，随着森林植被覆盖率的增大，流域径流量减小，两者呈负相关关系，尤其在干旱半干旱地区，这种作用比较明显。这与本研究结果一致。

表2 各流域全年平均径流深统计

3.1.2 植被覆盖率对枯水期径流的影响

森林对枯水期径流的影响表现在增加枯水期流量［11］，枯水期径流主要是由流域下垫面所蓄降水排泄形成的［12］。黄土高原每年降雨均集中在6—9月，故将每年6—9月定义为雨季，10月—翌年5月则定义为枯季。枯季时降雨普遍较少，径流量有差异的原因主要是下垫面蓄水的不同，即枯季总径流占年总径流量的比重可以反映下垫面对枯水期径流的影响。对表1中数据进行分析可知，虽然少林的井沟流域的年总径流量、枯季径流量显著大于多林的刘家凹流域，但刘家凹流域的枯季径流深占年总径流深的比例为16.2%，而井沟流域的枯季径流深占年总径流深的比例为12.5%，说明植被对径流量的调节控制作用较好，可将雨季时雨水储存而在枯季时释放，如此就使雨季与枯季径流量得以平衡。

3.2 降雨要素对径流的影响

3.2.1 降雨量对径流的影响

图1和图2分别是刘家凹小流域、井沟小流域的降雨径流关系图。两个流域内降雨量与径流量的变化趋势一致，降雨量增加时，径流量也随之增大，降雨量与径流量呈正相关关系，多林流域、少林流域的降雨量与径流深的相关系数分别为0.839 4、0.850 3，二者的关系式为:

R多林流域=0.006 8P－0.046 9，r2=0.704 5，n=101;

R少林流域=0.012 4P－0.087 1，r2=0.723 0，n=101。

式中，R为径流深(mm)，P为降雨量(mm)，r2为线性拟合度，n为样本数。

图1 刘家凹流域降雨量与径流深关系图

可见，两个流域降雨量与径流深的相关关系可用线性曲线来很好地描述，拟合度均达到了0.7以上。降雨量与径流深关系的斜率可以反映径流量随降雨量增加的比率，斜率越大，说明径流增加越快，下垫面涵养较大雨水的作用越弱。多林流域的斜率为0.006 8，而少林流域的斜率为0.014 2，后者为前者的1.82倍，可见少林流域的斜率明显大于多林流域，可以认为，随着森林覆盖率的增加，流域对径流的调节作用逐渐加强。

图2 井沟流域降雨量与径流深关系图

3.2.2 不同雨型下降雨要素对径流的影响

自20世纪70年代以来，关于雨型的分类方法众说纷纭，廖荃荪等［13］将场降雨分为2类，许力等［14］将雨型分为3类，王绍武等［15］将雨型分为6类，前苏联的包高马佐娃将雨型分为7类［16］，其中前2种分型方法比较粗略，后1种分型方法较细致［17］，但是对于干旱区的降雨，分型太细反而不适合。王万忠等［18］以及张建军等［19］研究发现，可根据降雨径流的各个指标将黄土区的降雨经统计分析后分为3类:A类短时局地雷暴雨，B类锋面性降雨夹有雷暴性质的暴雨，C类长历时锋面降雨。

本研究将蔡家川小流域2004—2009年的降雨按照上述分型方法分为3类，如表3。结果表明，A型雨占总降雨次数的59.38%，占总降雨量的48.26%;B型雨占总降雨次数的32.29%，占总降雨量的38.11%;C型雨占总降雨次数的8.33%，占总降雨量的13.62%。可以看出，在蔡家川小流域中，主要雨型为A型短时局地雷暴雨，降雨特点为:降雨历时短，降雨量小，降雨强度大，10、30、60 min降雨量小但雨强大。

表3 不同雨型下不同下垫面的降雨径流统计

从表3还可看出，两流域平均降雨量、平均降雨历时均相差不大，而3种类型中井沟流域的平均径流系数明显大于刘家凹流域的相应指标，这仍然是由两者植被覆盖率的差异性造成的。植被覆盖率较高的刘家凹流域中，大部分雨水接触到地面后还未转化为径流，就已经通过植物截留、枯枝落叶层吸收、填洼或地表蒸散发而丧失，剩余的雨水少，故径流量较小。进一步计算可知，A、B、C型雨条件下，井沟流域的平均径流系数分别是刘家凹流域的1.5、1.9、2.0倍，即C型雨下，两者差别最大，然后依次为B型、A型。究其原因，由于A型雨虽雨强大，但降雨历时短，降雨量没有足够的雨量蓄积，可以形成径流的雨量很少，故径流最少;而C型雨虽雨强较小，但其降雨时间长，随着时间的推移，累积降雨量可观，这样就可以将雨水一点点地渗透，从而形成较大的径流。

表4为不同降雨类型下径流深与降雨要素间的相关系数统计表，从表4可见，A型降雨条件下刘家凹流域降雨要素与径流深相关系数最大的因子为降雨量，其次为降雨量与60 min最大雨强、60 min最大雨强;井沟流域降雨要素与径流深相关系数最大的因子为降雨量，其次为降雨量与平均雨强。两流域径流深与降雨量的相关系数分别为0.86和0.82，且降雨量越大，径流深越大，二者关系式为:

刘家凹流域，径流深Rl=0.004 6P－0.023 3，r2=0.741 3;

井沟流域，径流深Rj=0.006 3P－0.023 5，r2=0.678 9。式中，R为径流深(mm)，P为降雨量(mm)，r2为线性拟合度。

可见，井沟流域回归方程的斜率为0.006 3，明显大于刘家凹流域的0.004 6，两者比例为1.37∶1，说明井沟流域径流深随降雨量增加较快，森林对土地的涵养作用较大。

B型降雨条件下刘家凹流域的径流深与降雨量、降雨量和平均雨强的乘积、降雨量和60 min雨强的乘积相关性均较大，而井沟流域的径流深与60 min雨强、降雨量和平均雨强的乘积、降雨量和60 min雨强的乘积均具有较大的相关性。两流域的径流深均与降雨量和60 min最大雨强的组合(乘积)相关性最大，二者关系式为:

Rl=66.865PI60－0.473 6，r2=0.772 8;

Rj=23.433PI60－0.318 7，r2=0.714 6。

式中，R为径流深(mm)，P为降雨量(mm)，I60为60 min雨强(mm·min－1);r2为线性拟合度。

表4 径流深与各降雨要素的相关系数统计

C型降雨条件下刘家凹流域的径流深大小主要取决于降雨量、降雨历时，径流深与两者的相关系数均为0.86;而井沟流域的径流深与降雨量、降雨量和平均雨强的乘积、降雨量和60 min雨强的乘积均具有很好的相关性，相关系数接近于1。由于此组数据较少，故不再描述其回归方程式。

4 讨论

产生径流量的大小，反映了不同土地利用类型保持水土的能力［20］。相对来说，刘家凹流域(多林流域)森林覆盖率高，而植被可改善土壤的物理性质，土壤的渗透能力和土壤蓄水能力均比较强，降水大部分以土壤水或地下水的形式贮存在土壤中，可起到拦截或减缓地表径流的作用，有效地截留一部分地表径流，蓄水能力较强，径流量和地表径流量都较小。范世香［21］也认为森林植被越好，稳定下渗率越大，地下径流量也就越多，揭示了森林植被增强了土壤渗透能力。所以如何调节植物截留雨水量，使更多的雨水进入土壤而用于林木生长，是干旱区在造林工作中常考虑的问题。而井沟流域(少林流域)长期受地表冲刷和侵蚀，地形支离破碎，土质较差，土壤肥力低，而且长期受当地人类活动及牲畜的干扰，更加改变了地表水的分配，生态环境退化，故水土流失比较严重，径流量较大。故应在黄土区通过封山育林等方式促进植被的自然恢复或通过退耕还林等方式促进植被面积的扩大，从而起到减轻水土流失的作用。

黄土区属于干旱半干旱地区，年降雨量较少，降雨次数较少，而森林覆盖率不高，水土流失很严重，是世界上水土流失最严重的地区之一，故研究降雨与径流的关系非常必要。本研究认为，径流特征是降雨及其下垫面特征的综合反映，枯季总径流占年总径流量的比重可以反映下垫面对枯水期径流的影响，刘家凹流域、井沟流域的枯季径流深占年总径流深的数值分别为16.2%、12.5%，说明植被对径流量的调节控制作用显著，可将雨季时雨水储存而在枯季时释放，如此就使雨季与枯季径流量得以平衡。

大量研究表明，径流量的大小在很大程度上取决于降雨因素。周宏飞等［22］也认为在下垫面条件一定时，降雨能否产生径流，很大程度上取决于降雨历时和降雨强度两个因素。张晓明等［23］认为场降雨产流量和产沙量与降雨量呈良好的相关关系，不同地类的降雨产流产沙差异显著。任玉芬［24］认为降雨量是影响径流水质的重要因素，在相同污染物累积量条件下，降雨量越大，径流中污染物浓度越低。本研究也认为，降雨量是径流变化的主要因素之一。多林流域的斜率为0.006 8，而少林流域的斜率为0.014 2，可见少林流域的斜率明显大于多林流域，可以认为，随着森林覆盖率的增加，流域对径流的调节作用逐渐加强。

在本研究年限内，短历时、雨量小的A型雨占总降雨次数的59.38%，占总降雨量的48.26%，为黄土高原地区的主要降雨类型。郑芳等［25］也认为晋西黄土区雨强最大的A型雨对流域洪峰的影响最显著，是黄土区引起侵蚀的主要降雨形式。卫伟等［26］认为在黄土丘陵沟壑区，径流量主要受降水量、30 min最大雨强以及降水量与30 min最大雨强之积的影响。本研究认为A型雨下刘家凹流域与井沟流域降雨要素与径流深相关系数最大的因子均为降雨量，相关系数均在0.8以上。B型雨径流深的主要影响因子为降雨量和60 min最大雨强之积，其回归方程的拟合度均在0.7以上。且A、B、C型雨条件下，井沟流域的平均径流系数分别是刘家凹流域的1.5、1.9、2.0 倍，这仍然是由于植被覆盖率所致。张建军等［27］认为如何定量描述下垫面覆盖、地形的变化和定量描述雨强、雨型的空间分布是水文模型构建与水文尺度转换的关键。本研究认为，A型雨是黄土丘陵沟壑区的主要降雨形式，也是造成水土流失的主要降雨类型，如何减少黄土区的径流及水土流失，是一个亟待解决的问题。

5 结论

刘家凹流域(多林流域)的年总径流深小于井沟流域(少林流域)，后者6 a间的平均径流深是前者的3.21倍，即森林植被覆盖率越大，流域径流量越小。刘家凹流域的枯季径流深占年总径流深的16.2%，而井沟流域的枯季径流深占年总径流深的12.5%，说明植被对径流量的调节控制作用较好，可将雨季时雨水储存而在枯季时释放，如此就使雨季与枯季径流量得以平衡。

降雨是径流变化的主要因素之一，降雨量增加时，径流量也随之增大，二者可用线性关系来描述;且相同降雨量条件下，井沟流域的径流深明显大于刘家凹流域的径流深，且降雨量越大，径流深增长也越快。随着森林覆盖率的增加，流域对径流的调节作用逐渐加强。在蔡家川小流域中，主要雨型为A型短时局地雷暴雨，A型降雨条件下刘家凹流域径流深的主要影响因子为降雨量、降雨量和60 min雨强的组合(乘积)，而影响半农半牧流域径流深的因子主要为降雨量;B型降雨条件下两流域的径流深均与降雨量和60 min最大雨强的组合(乘积)相关性较大。

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