漓江上游降水特征及典型森林群落地表徑流規(guī)律的研究

王金葉, 李海防, 段文軍, 唐東明, 王紹能, 劉興偉, 黃華乾

(1 . 桂林理工大學(xué) 旅游學(xué)院，廣西 桂林 541004；2. 廣西貓兒山國家級自然保護(hù)區(qū)管理局，廣西 興安541316）

漓江上游降水特征及典型森林群落地表徑流規(guī)律的研究

王金葉1, 李海防1, 段文軍1, 唐東明2, 王紹能2, 劉興偉1, 黃華乾1

(1 . 桂林理工大學(xué) 旅游學(xué)院，廣西 桂林 541004；2. 廣西貓兒山國家級自然保護(hù)區(qū)管理局，廣西 興安541316）

從2009年1月到2011年12月，采用固定樣地定位監(jiān)測法，對漓江流域典型森林群落木荷 Schima superba林降水特征及地表徑流規(guī)律進(jìn)行研究。結(jié)果表明：木荷林在雨季容易產(chǎn)生地表徑流，但由于木荷林群落結(jié)構(gòu)良好，地表徑流系數(shù)僅為0.0167；木荷林地表徑流平均滯后時間為70 min，最長滯后時間為330 min。地表徑流的產(chǎn)生受前期降水和林地條件的影響，在前期降水較充分的情況下，4.3 mm的降水就能產(chǎn)生地表徑流。地表徑流量與降水量呈顯著線型相關(guān)；降水強(qiáng)度對徑流系數(shù)的影響也比較明顯，降水強(qiáng)度越大徑流系數(shù)越大。

漓江；降水量；降水強(qiáng)度；地表徑流

森林與水的關(guān)系一直是生態(tài)學(xué)和水文學(xué)研究的熱點(diǎn)，地表徑流是森林生態(tài)系統(tǒng)的主要水文過程。地表徑流除受地表和立地條件的影響外，降水量和降水強(qiáng)度對徑流的產(chǎn)生及其過程都具有重要影響[1-2]。國內(nèi)外學(xué)者對地表徑流規(guī)律與特征進(jìn)行了大量的研究[3-12]，但由于地表徑流影響因素的多樣性和差異性，導(dǎo)致研究結(jié)論在不同地區(qū)存在明顯的差異。漓江流域靠近南海，受太平洋副熱帶高壓及北部山區(qū)影響，雨量充沛，水量豐富[13]。漓江是國際山水旅游勝地，但流域徑流年內(nèi)分配極不均勻，雨季洪澇頻繁，旱季水量不足，對旅游的可持續(xù)發(fā)展產(chǎn)生很大的影響，引起社會各界的關(guān)注和重視。國內(nèi)學(xué)者對漓江流域森林水文功能等問題開展了初步研究[14-18]，但有關(guān)地表徑流對降水響應(yīng)的研究則相對較少。本文以漓江上游典型森林群落為研究對象，進(jìn)行地表徑流與降水關(guān)系的研究，旨在闡明不同降水變化對地表徑流的影響，探討漓江上游森林群落徑流形成過程與機(jī)理。

1 試驗區(qū)概況

漓江位于中亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候帶，為雨水補(bǔ)給型河流。漓江上游是西南高值暴雨區(qū)之一，降水時空分布極不均勻，導(dǎo)致漓江洪枯分明。試驗區(qū)位于漓江上游貓兒山中段九牛塘小流域(110°29′E，25°52′N)，流域總面積 13.40 hm2，海拔1 100 m。森林群落為以木荷Schima superba為主的常綠闊葉林，森林覆蓋率96.5%。年平均氣溫16.4℃～18.1 ℃，多年平均降水量達(dá)2 600 mm，最高年降雨量3 500 mm；年日照1 243.5～1 467.1 h，年平均相對濕度79%～82%。主要土壤類型為山地黃壤，土層薄、質(zhì)地粗、粉沙粒含量高；成土母質(zhì)主要是泥炭巖、礫巖、紫紅色沙頁巖等。

2 研究方法

2.1 降水觀測

興安縣氣象局于2007年在貓兒山九牛塘小流域山脊空曠地架設(shè)LI-1401小型自動氣象站（LI-COR，Lincoln，USA），進(jìn)行林外降雨量（mm）等氣象因子的觀測，其中降水用虹吸式自記雨量計測定。2009年，為完成國家自然科學(xué)基金項目（30860058），在流域內(nèi)實驗樣地旁邊的空曠地架設(shè)JL-21型自記雨量計，觀測降雨過程。JL-21自記雨量計分辨率為0.2 mm，記錄間隔最小時間為1 min。

2.2 地表徑流觀測

2009年，在試驗流域木荷林試驗區(qū)建立永久固定樣地。樣地海拔1 100 m，坡度25°，坡向東南，郁閉度95%，下木蓋度30%；木荷平均胸徑20 cm，平均樹高18 m，林分密度1 500株·hm-2。在固定樣地建立地表徑流觀測場，規(guī)格10 m×20 m。為防止地表徑流場內(nèi)外滲漏，徑流場四周用水泥板做隔水墻，水泥板深入地下40 cm，地面露出15 cm，在出水口一端修建三角形量水堰，用自記流量計（Level-2000，USA）測定地表徑流。為防止徑流場施工對徑流過程產(chǎn)生影響，建設(shè)過程中確保徑流場內(nèi)植被和土壤保持原始狀態(tài)。

2.3 流量計算

地表徑流量根據(jù)三角量水堰的特點(diǎn)，采用Kindsvater-Shen公式計算瞬時流速，公式如下：

式中：Q為瞬時流速，he為對應(yīng)缺口頂點(diǎn)的有效水頭高度，g為重力加速度，θ為三角量水堰的堰角，本試驗中三角量水堰堰角θ等于90°。

2.4 數(shù)據(jù)處理

對觀測收集的數(shù)據(jù)按照研究需要進(jìn)行分類統(tǒng)計，在進(jìn)行時間序列統(tǒng)計的同時進(jìn)行次降水過程與徑流過程的統(tǒng)計。由于地表徑流量少，觀測儀器的精度要求高，實驗對干擾的反應(yīng)極其敏感，觀測過程常受到小動物、昆蟲等的影響，使觀測數(shù)據(jù)的有效性降低。通過對2010年～2011年降水和徑流觀測資料按照單次降水和徑流進(jìn)行統(tǒng)計分析，確定地表徑流有效觀測數(shù)據(jù)29組，利用SPSS軟件進(jìn)行降水與地表徑流關(guān)系研究。

3 結(jié)果分析

3.1 試驗區(qū)降水特性

根據(jù)氣象觀測資料分析，試驗區(qū)所在的九牛塘是漓江流域高值暴雨區(qū)之一。多年平均降雨2 509.1 mm，最高年降雨3 500.0 mm；降水年內(nèi)分配極不均勻（圖1），一年分為雨季（3～8月）和旱季（9月～翌年2月）兩個時期，降水主要集中雨季，占全年降水的82.39%；旱季降水僅占全年降水的17.61%；其中5～7月降水量最大，3個月降水占一年總降雨量的47.13%；11月份降水最少，占總降水量的0.62%。實驗區(qū)降水年際差異極其顯著，2011年與往年相比總體表現(xiàn)為生長季降水偏少，干旱特征表現(xiàn)明顯。生長季（4～8月）降水總量達(dá)1 915.8 mm，其中5月份降水834.7 mm，占年平均降水總量33.26%；6月份降水761.1 mm，占年平均降水總量30.33%；7、8月份降水僅為多年平均同期降水的33.19%，表現(xiàn)為極干旱。2011年雨季暴雨頻發(fā)，強(qiáng)度大；最大降雨強(qiáng)度為20.0 mm/h，出現(xiàn)在2011年5月7日至8日。單次降雨超過50 mm的降雨出現(xiàn)8次，降雨1 134.60 mm，對降雨總量的貢獻(xiàn)達(dá)到59.22%。其中，超過100 mm的降雨2次，降雨量286.8 mm；超過200 mm的降雨2次，降雨量522.6 mm。

圖1 漓江上游試驗區(qū)年降水分配Fig. 1 Annual precipitation distribution of the study area in upper reaches of Lijiang River

3.2 地表徑流特征和徑流系數(shù)

2011年4月～8月，試驗區(qū)共觀測到有效地表徑流29次，對應(yīng)降雨量總量1 814.4 mm，平均降雨強(qiáng)度為4.45 mm/h，地表徑流總量30.38 mm，地表徑流系數(shù)0.016 7，地表徑流平均滯后時間為70 min。地表產(chǎn)流最小降雨量為3.4 mm，產(chǎn)流0.001 5 mm，徑流系數(shù)為0.000 4（2011年6月14日）；單次最大降水為354.8 mm，產(chǎn)流8.05 mm，徑流系數(shù)為0.022 7。2011年6月14日出現(xiàn)小降雨產(chǎn)生地表徑流前，試驗區(qū)自6月3日起每天都出現(xiàn)不同強(qiáng)度和量級的降雨，一直持續(xù)到2011年6月13日14時，總降雨量326.4 mm。由于連續(xù)多天的降雨使木荷林生態(tài)系統(tǒng)水分處于相對飽和狀態(tài)，導(dǎo)致小降雨量就產(chǎn)生地表徑流。在連續(xù)降雨的情況下，往往會在小流域（集水區(qū)）出現(xiàn)地表徑流與降雨同步的現(xiàn)象?？傮w上看，木荷林地表徑流很小，地表徑流系數(shù)為0.0167，比黃承標(biāo)等在龍勝西江坪研究米椎Castonopsis carlesii和紅潤楠Castanopsis hystrix Miq常綠闊葉林的地表徑流系數(shù)（0.05）要低[14]。地表徑流系數(shù)反映一個地區(qū)的地表徑流對降水量的反應(yīng)，它綜合反映了一個地區(qū)內(nèi)地質(zhì)、土壤和植被等地表狀況對徑流的影響。地表徑流系數(shù)小，說明木荷常綠闊葉林比米椎和紅潤楠常綠闊葉林土壤疏松，入滲能力強(qiáng)，進(jìn)入林內(nèi)的降水更易于入滲轉(zhuǎn)化為地下徑流，因而具有較好的水土保持作用和保蓄雨水、涵養(yǎng)水源和削減洪峰的功能。

3.3 地表徑流的滯后效應(yīng)

漓江流域典型森林群落木荷林內(nèi)，不論大雨、中雨和小雨產(chǎn)生地表徑流都明顯滯后于降雨，地表徑流持續(xù)時間長于降水時間，降水停止后仍有徑流產(chǎn)生（圖2）。地表徑流平均滯后降雨70 min，最短滯后時間僅為4 min，地表徑流幾乎與降雨同時發(fā)生；最長滯后時間為330 min，地表徑流在降雨5小時以后才發(fā)生。最長滯后時間330 min出現(xiàn)在2011年5月21～22日，降水92.4 mm，降雨強(qiáng)度3.38 mm/h，這與本次降雨前一周內(nèi)沒有出現(xiàn)降雨有關(guān)；次長滯后時間（313 min）出現(xiàn)在2011年4月29-30日，降水41.2 mm，降雨強(qiáng)度2.72 mm/h，在本次降雨前連續(xù)6天無降雨。

圖2 地表徑流的滯后效應(yīng)Fig. 2 Hysteresis effect of surface runoff

這表明，漓江流域木荷林地表徑流的滯后效應(yīng)十分明顯，但其過程與滯后時間受森林群落地被物結(jié)構(gòu)以及前期天氣情況和地被物含水情況的影響。最短滯后時間的發(fā)生一般存在兩種情況，一是在強(qiáng)暴雨情況下地表徑流幾乎與降雨同步。2011年6月28日觀測地表徑流發(fā)生時間僅滯后降雨4 min，考慮到觀測誤差（每5分鐘記錄1個數(shù)據(jù)）地表徑流滯后降雨的時間應(yīng)為9 min，其主要原因是由于降水強(qiáng)度大，特別是開始降水強(qiáng)度的影響十分明顯，5 min內(nèi)降雨11.2 mm，降雨強(qiáng)度達(dá)134.4 mm/h；二是前期受降水影響林冠和群落地被物儲水處于相對飽和狀態(tài)，遇到降水就會產(chǎn)流。2011年6月7日觀測地表徑流發(fā)生時間僅比降雨滯后4 min，其主要是在前期一天內(nèi)有56.4 mm降雨量，并持續(xù)到本次降水前4 h。

3.4 降水要素對地表徑流特征的影響

3.4.1 降水要素對地表徑流特征指標(biāo)的相關(guān)性分析

降水是地表徑流產(chǎn)生的基礎(chǔ)，也是最主要的影響因素，直接影響地表徑流量大小和徑流系數(shù)的變化。降水影響因素包括降水量和降水強(qiáng)度。降水對地表徑流的影響是單個降水因素或多個降水因素相互作用的結(jié)果，為了深入了解降水因素與地表徑流特征指標(biāo)之間相互作用關(guān)系，利用SPSS對降雨量、降雨強(qiáng)度、地表徑流量、地表徑流系數(shù)、地表徑流滯后時間各因子之間的相互作用關(guān)進(jìn)行分析，得到降水因素與地表徑流因素的相關(guān)矩陣（表1）。表明降水量與地表徑流量和徑流系數(shù)相互關(guān)系緊密，降水強(qiáng)度與地表徑流量和徑流系數(shù)之間有一定的相關(guān)性，其中與徑流系數(shù)的關(guān)系相對比較緊密。

表1 降水因素與地表徑流因素的相關(guān)矩陣Table 1 The correlation matrix between precipitation and surface runoff

3.4.2 降水量對地表徑流特征指標(biāo)的影響

結(jié)果表明，降水量與地表徑流量之間呈顯著線性關(guān)系（圖3）。利用降水量（P）與徑流量（R）數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，兩者之間的線性關(guān)系為：R=0.0217P-0.2975，R2=0.8974，P＜0.01，表明在一定范圍內(nèi)，降水量越多產(chǎn)生的地表徑流量越多。由于地表徑流匯入河川徑流的速度遠(yuǎn)高于地下徑流或壤中流，地表徑流越多，河川徑流滯后降水的時間越短。這也正是降水量越大，河川徑流滯后時間越短，越容易發(fā)生洪水的原因之一。

圖3 次降雨量與地表徑流的關(guān)系Fig. 3 Relationships between surface runoff and precipitation

根據(jù)降水量與地表徑流系數(shù)之間的散點(diǎn)圖（圖4），可以看出，地表徑流系數(shù)隨著降水量和降水強(qiáng)度增大而遞增的趨勢。經(jīng)對變化趨勢進(jìn)行擬合，降水量（P）與地表徑流系數(shù)（C）之間呈現(xiàn)對數(shù)函數(shù)關(guān)系，C=0.0042ln(x)-0.0048，R2= 0.4373。根據(jù)降水量與地表徑流滯后時間之間的散點(diǎn)圖（圖5），結(jié)果表明，地表徑流滯后時間受到降水量的影響呈現(xiàn)不規(guī)律變化。地表徑流的滯后時間在降水因素影響的基礎(chǔ)上，還受到環(huán)境條件，如林地覆蓋狀況、地被物和林冠水分狀況等因素的影響。因此，為提高森林群落調(diào)節(jié)洪水的能力，需要通過改變和干擾林地條件來實現(xiàn)，特別是修復(fù)森林群落土壤層和地被物層結(jié)構(gòu)，提高其入滲能力，減少地表徑流發(fā)生，滯后地表徑流產(chǎn)生時間。

圖4 次降雨量與地表徑流系數(shù)的關(guān)系Fig. 4 Relationships between surface runoff index and precipitation

圖5 次降雨量與地表徑流滯后時間的關(guān)系Fig. 5 Relationships between runoff lag time and precipitation

3.4.3 降水強(qiáng)度對地表徑流特征指標(biāo)的影響

除降水量對地表徑流特征指標(biāo)產(chǎn)生強(qiáng)烈的影響外，降水強(qiáng)度與降水歷時對地表徑流的作用也非常明顯。利用降水強(qiáng)度與地表徑流量繪制散點(diǎn)圖（圖6），可以看出，地表徑流量隨著降水強(qiáng)度增大呈增加趨勢，但規(guī)律性不明顯。地表徑流系數(shù)受降水強(qiáng)度影響呈現(xiàn)隨著降水強(qiáng)度增大而遞增的趨勢（圖7），經(jīng)對變化趨勢進(jìn)行擬合，降水強(qiáng)度（I）與地表徑流系數(shù)（C）呈現(xiàn)線性函數(shù)關(guān)系，C=0.001 8I+0.002 5，R2=0.533 7。地表徑流滯后時間受到降水強(qiáng)度的影響呈現(xiàn)不規(guī)律變化（圖8），總體上表現(xiàn)出為隨著降水強(qiáng)度增大地表徑流滯后時間遞減。

圖6 降雨強(qiáng)度與地表徑流的關(guān)系Fig. 6 Relationships between surface runoff and rainfall intensity

圖7 降水強(qiáng)度與地表徑流系數(shù)的關(guān)系Fig. 7 Relationships between surface runoff index and rainfall intensity

圖8 降水強(qiáng)度與地表徑流滯后時間的關(guān)系Fig. 8 Relationships between runoff lag time and rainfall intensity

3.4.4 降水對地表徑流特征指標(biāo)的綜合影響

為了考慮降水量與降水強(qiáng)度共同作用對地表徑流的影響規(guī)律，利用降水量和降水強(qiáng)度組合因子對地表徑流特征指標(biāo)的影響進(jìn)行分析。利用SPSS進(jìn)行降水量和降水強(qiáng)度與地表徑流量的二元回歸分析，判定系數(shù)R2=0.948，說明降水量和降水強(qiáng)度與地表徑流量的回歸效果較好。顯著性檢驗結(jié)果表明，降水強(qiáng)度的顯著性概率0.414＞0.05，表明降水強(qiáng)度對地表徑流量的影響不顯著。因此，一般情況下可以只根據(jù)降水量的大小預(yù)測地表徑流量的變化，二元回歸實際上成了一元回歸。同樣，利用SPSS進(jìn)行降水量和降水強(qiáng)度與地表徑流系數(shù)的二元回歸分析和顯著性檢驗，判定系數(shù)R2=0.499，表明降水量和降水強(qiáng)度與地表徑流系數(shù)的回歸效果一般。顯著性檢驗結(jié)果表明，降水量的顯著性概率0.002＜0.05，降水強(qiáng)度的顯著性概率0.032＜0.05，降水量和降水強(qiáng)度對地表徑流系數(shù)的影響顯著。利用SPSS進(jìn)行降水量和降水強(qiáng)度與地表徑流滯后時間的二元回歸分析和顯著性檢驗，表明其回歸效果差，降水量和降水強(qiáng)度對地表徑流滯后時間的影響不顯著。

4 結(jié) 論

降水是形成地表徑流的基礎(chǔ)，對地表徑流變化具有顯著的影響。漓江流域上游降水年內(nèi)分配極不均勻，雨季和旱季分明，降水主要集中在雨季，占全年降水的82.39%。降水過度集中導(dǎo)致其典型森林群落木荷林內(nèi)地表徑流具有獨(dú)特的規(guī)律。在雨季地表徑流發(fā)生比較普遍，在有前期降水的情況下，較小的降水也會引起地表徑流。但由于森林群落良好的結(jié)構(gòu)使地表徑流系數(shù)較小，徑流滯后時間明顯。徑流受到降水量和降水強(qiáng)度等降水因子的影響，其中降水量影響明顯，但降水強(qiáng)度的影響變異性較大。由于地表徑流產(chǎn)生還受到下墊面等各種復(fù)雜條件的影響，往往在不同的研究中表現(xiàn)出差異性的結(jié)論。因此，在降水影響研究的基礎(chǔ)上還需要對下墊面對地表徑流產(chǎn)生的影響進(jìn)行綜合研究，才能較準(zhǔn)確的揭示地表徑流發(fā)生與發(fā)展的規(guī)律與機(jī)理。

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Characteristics of precipitation and its effects on surface runoff in typical forest community in upper reaches of Lijiang River

WANG Jin-ye1, LI Hai-fang1, DUAN Wen-jun1, TANG Dong-ming2, WANG Shao-neng2, LIU Xing-wei1, HUANG Hua-qian1
(1. College of Tourism, Guilin University of Technology, Guilin 541004, Guangxi, China;2. Mao’ershan National Nature Reserve, Xing’an 541316, Guangxi, China)

∶ By using long-term localization observation, characteristics of precipitation and its effects on surface runoff in typical forest community of Schima superba were monitored and studied in upper reaches of Lijiang river from January 2009 to December 2011.The results show that surface runoff was easy to be yielded during rainy season, but runoff coefficient was only 0.0167 because of complicated structure of forest community. The average lag time of surface runoff was 70 minutes and the maximum value was 330 minutes. Surface runoff is mainly connected with antecedent precipitation and forestland condition. Runoff would be produced when rainfall was 4.3 mm for the early saturated rainfall. Surface runoff was positively correlated with precipitation, and the relationship between runoff and rainfall intensity was also obvious.

∶ Lijiang river; precipitation; rainfall intensity; surface runoff

S715.3

A

1673-923X(2012)06-0072-06

2012-03-13

國家自然科學(xué)基金項目“漓江上游森林群落結(jié)構(gòu)與水文過程調(diào)控機(jī)理研究”(30860058); 國家科技支撐計劃課題“漓江流域生態(tài)旅游資源可持續(xù)利用技術(shù)模式及示范”(2012BAC16B04)；廣西科技攻關(guān)計劃課題“漓江上游森林生態(tài)系統(tǒng)格局優(yōu)化與可持續(xù)管理技術(shù)研究”（桂科攻1298006-3）

王金葉(1965—)，男，甘肅民樂人，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事森林生態(tài)水文和生態(tài)旅游研究

李海防(1974—)，男，山東萊陽人，博士后， 副教授，主要從事生態(tài)學(xué)教學(xué)與科研工作；E-mail: lihaifang@scib.ac.cn

[本文編校：吳 彬]