元陽梯田水源區(qū)全福莊小流域降雨及徑流特征李巖

彭永剛+朱興耀

摘要：對元陽梯田水源區(qū)全福莊小流域進(jìn)行了定位觀測實(shí)驗(yàn),收集了多年降水和徑流資料,采用統(tǒng)計(jì)的方法分析了該地區(qū)降雨量與徑流量的特征。結(jié)果表明:全福莊小流域降雨年度分布不均,年內(nèi)主要集中在5~9月,以小雨最多,占總降雨場次的59.12%;研究區(qū)年徑流深1429.58mm,徑流量年內(nèi)變化不明顯,小流域一年四季常流水;降雨是產(chǎn)生徑流的主要因素,但不是唯一因素。由小流域降雨和徑流對比可知,全福莊小流域的森林植被對徑流具有良好的調(diào)節(jié)功能。

關(guān)鍵詞：梯田;小流域;降雨;徑流

收稿日期：20140403

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(編號(hào):41371066)資助

作者簡介：李巖（1987—），男，河南周口人,回族,西南林業(yè)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院碩士研究生。中圖分類號(hào)：S157.1文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：16749944(2014)05000104

1引言

流域是水土流失研究的基本單元,揭示流域產(chǎn)流特征,分析其影響因子,是森林水文學(xué)研究的重要課題。流域是由坡面與河系構(gòu)成［1］,其產(chǎn)流與產(chǎn)流過程,因受多種因素影響,遠(yuǎn)較坡面產(chǎn)流復(fù)雜［2］。不同的降雨,不同的植被,在不同時(shí)期,不同的地區(qū)［3~6］對徑流都會(huì)產(chǎn)生不同的影響。由于流域產(chǎn)流的復(fù)雜性,短期的野外觀測是不能夠滿足研究需要的。因此,設(shè)置觀測站,長時(shí)間對小流域降雨徑流過程進(jìn)行定點(diǎn)觀測成為了流域產(chǎn)流特征研究的經(jīng)典實(shí)驗(yàn)方法。

元陽縣位于云南省南部的低緯度高海拔地區(qū),地處哀牢山脈南段,紅河中游南岸。地理位置為東經(jīng)102°27′~103°13′,北緯22°49′~23°19′。元陽梯田分布在元陽縣中部［7］,梯田核心區(qū)在元陽縣境內(nèi)面積約有1.32×104hm2,這些梯田坐落在海拔700~1900m、坡度為15°~75°間［8］的山嶺溝壑之間,距今已有1300多年的歷史,是中國古代梯田的杰出代表,是人類適應(yīng)自然、改造自然的典范。2013年6月元陽哈尼梯田更被列入世界遺產(chǎn)名錄,元陽梯田之所以能夠千百年來經(jīng)久不衰,至今可以良好運(yùn)行是與其水源區(qū)獨(dú)特的水文效應(yīng)分不開的。本文以元陽縣全福莊小流域?yàn)檠芯繉ο?在天然降雨條件下,研究其降雨和徑流特征,分析徑流和降雨之間的關(guān)系,為小流域水土保持建設(shè)、流域開發(fā)和治理提供理論指導(dǎo)。

2研究區(qū)概況

研究區(qū)設(shè)置在元陽梯田水源區(qū)全福莊小流域,距縣城南沙42km,距老縣城新街12km,地理位置為東經(jīng)102°46′04″~102°46′39″,北緯23°05′23″~23°06′09″,小流域總面積76.87hm2。海拔高程1880~2130m,相對高差250m,屬麻栗寨河二級(jí)支溝。

全福莊小流域?qū)賮啛釒降丶撅L(fēng)氣候,年平均日照時(shí)數(shù)1820.8h,蒸發(fā)量1500.6mm,年平均氣溫16.6℃,最高氣溫31.5℃,最低氣溫-2.5℃。多霧多雨,年平均霧日181d,雨日191d。多年平均降雨量1500~2000mm,干濕季分明,每年5~9月為雨季,降雨量占全年總雨量的70%以上,且暴雨多集中于雨季。小流域內(nèi)土壤主要是黃棕壤和黃壤,土層較厚,約100cm,土壤剖面完整。小流域內(nèi)土地利用類型以林地為主,森林覆蓋率達(dá)80%以上,植被類型為中亞熱帶常綠闊葉林,主要喬木種有石礫(LithocarpusmegalophyllusRehder et E.H.Wilson)、元江栲(CastanopsisorthacanthaFranch)、旱冬瓜(AlnusnepalensisD.Don)、云南臀果木(pygeumhenryi Dunn)等。主要灌木樹種有臭牡丹(ClerodendrumbungeistendTsiang)、野牡丹(Melastomacandidum D.Don)、廣西香花藤(AganosmaKwangsiensisTsiang)、茶(Camlliasinensis)。主要草本種有蕨菜(Pteridiumaquilinum var.Catiusculus(Desv.) Underw)、芨草(Achnatherumsplendens (Trin.) Nevski)、喜花草(EranthemumnervosumR.Br.ex.Roem.et.Schult)、莎草(Schizaeadigitata)等。

3研究方法

選取全福莊小流域2012~2013年的降雨、產(chǎn)流定位觀測數(shù)據(jù)。

3.1降水量

在小流域內(nèi)卡口站屋頂處安裝JDZ05-1型自記雨量計(jì)常年連續(xù)觀測降雨,每5min記錄一次降雨量數(shù)據(jù)?？梢酝ㄟ^觀測結(jié)果計(jì)算每場降雨的降雨量、降雨強(qiáng)度、降雨過程等數(shù)據(jù)。

3.2徑流量

在小流域出口引水溝道上方設(shè)立卡口站,在卡口站安裝WFH-2型水位計(jì)(精度0.5mm),每5min測量一次溝道中設(shè)置的直角三角形薄壁堰的堰前水頭H,采用直角三角堰經(jīng)驗(yàn)公式［9］計(jì)算小流域徑流流量。再使用統(tǒng)計(jì)軟件計(jì)算出逐日徑流量。直角三角堰流量公式為:

Q=1.33H2.465。

式中Q為過堰流量(m3/s),H為堰前水頭(m)。

4結(jié)果與分析

4.1全福莊小流域降雨特征

4.1.1降雨量

經(jīng)過統(tǒng)計(jì)分析可以發(fā)現(xiàn),研究區(qū)降雨量在年際之間差別還是比較大的。2012年全年降雨量1626mm,比2013年降雨總量2038mm要低20.26%。2012年、2013年的月降雨量分布情況見圖1。

圖12012、2013年月降雨量分布

根據(jù)降雨量監(jiān)測數(shù)據(jù),2012年試驗(yàn)地共監(jiān)測降雨139次,年降雨總量為1626mm,由圖1可知,降雨主要集中分布在5~9月,這5個(gè)月的降雨量有1263mm,占全年降雨總量的77.68%;7月為該年的最大降雨月,降雨量達(dá)到344mm,占全年降雨總量的21.16%。2012年6月19日為該年最大降雨日,此次降雨歷時(shí)3h35min,降雨量為100mm,降雨歷時(shí)短,降雨強(qiáng)度大。

2013年試驗(yàn)地共監(jiān)測到157次降雨,比2012年降雨次數(shù)明顯增加。該年降雨總量2038mm,在常年雨季5~9月降雨總量1451mm,占全年降雨總量的71.2%之外,4月、10月和12月降雨量也較往年偏多。7月為年的最大降雨月,降雨量達(dá)到561mm,比常年同期相比較大,占全年降雨總量的27.53%。全年最大降雨日不在雨季之內(nèi),為2013年12月15日,降雨歷時(shí)19h5min,降雨量99mm,降雨歷時(shí)長,雨強(qiáng)平穩(wěn)均勻。

通過對2012年和2013年降雨總量和月降雨量分析可知:研究區(qū)降雨年內(nèi)分配很不均勻,起伏較大。各年月降雨量走勢基本一致,雨季主要集中在5~9月。由于該試驗(yàn)區(qū)研究開始時(shí)間較晚,兩年的降雨數(shù)據(jù)顯示的特征還不太明顯,等研究期進(jìn)一步延長,多年的觀測數(shù)據(jù)集合分析,相信降雨量分布特征會(huì)更加明顯。

4.1.2降雨類型

根據(jù)24h降雨量對降雨類型進(jìn)行分類［10］:0~999mm為小雨,10~2499mm為中雨,25~4999mm為大雨,>50mm為暴雨。將研究期內(nèi)降雨量級(jí)統(tǒng)計(jì)如表1所示。

由表1統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可知,全福莊小流域在2012、2013年監(jiān)測期間共有降雨296場,其中小雨、中雨、大雨、暴雨分別為175場、76場、37場和8場。在4種降雨類型中小雨的場次最多,占總降雨場次的5912%,隨雨量級(jí)的增大,降水的場次依次減少,尤其是大雨和暴雨的場次,遞減程度十分明顯。而從降雨量來看中雨和大雨各占降雨總量的3354%和3234%,小雨和暴雨的降雨量相差不多,所以4種雨量等級(jí)的降雨量分布呈現(xiàn)兩頭少,中間多的態(tài)勢。

表12012、2013年降雨場次和降雨類型

時(shí)間降雨量

/mm降雨

場次降雨類型場次小雨降雨量/mm場次中雨降雨量/mm場次大雨降雨量/mm場次暴雨降雨量/mm2012-1866341142682012-2002012-32332101132012-4457582372012-52561912514592671792012-631824167145539211002012-734427177969431051662012-8164148274592782012-9181169295742782012-1094119441181322012-11748494652012-1241434137合計(jì)162613988336324881655732452013-13087101202013-25375202332013-34875162322013-4131126255801262013-526419830712541092013-6230148343562541862013-75613010531016792801612013-829419103945638821112013-91021512443582013-10150147266991252013-1196692013-12166636115146199合計(jì)20381578731244741216285357總計(jì)36642961756487612293711858602

從表1還可以看出,對小流域地表徑流影響較大的大雨和暴雨在2013年的場次和降雨總量都比2012年顯著增加,且2013年的總雨量也比2012年增加2534%。這說明研究區(qū)正逐漸脫離2009年開始的云南全省大旱的影響,氣候也在恢復(fù)濕潤。

2014年5月綠色科技第5期4.2全福莊小流域徑流特征

由全福莊小流域徑流觀測數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)得出,2012年研究區(qū)徑流總量為11004萬m3,年徑流深為143155mm;2013年徑流總量10974萬m3,年徑流深142761mm。研究區(qū)年際間變化不大。將2012年和2013年各月徑流量繪制如圖2。

從圖2中可以看出,小流域每月徑流量變化不是很大,2012年徑流量最大月是在8月份,為1251255m3,2013年徑流量最大是在7月,為1334616m3,分別占當(dāng)年徑流總量的1137%和1216%。2012年徑流量最小月是2月的6628065m3,2013年徑流量最小月則是在6月的6979158m3,分別占當(dāng)年徑流總量的602%和636%。兩年的徑流月分布情況還顯示出,旱季中后期的2~4月和雨季前期的5、6月這5個(gè)月的徑流量變化極小,月徑流量均在7萬m3左右。從7月開始,月徑流量開始明顯增長,雨季結(jié)束時(shí)開始回落,一直到次年1月。

圖22012、2013年月徑流量分布

4.3全福莊小流域降雨和徑流之間的關(guān)系

降雨是徑流的主要來源,也是形成徑流的首要環(huán)節(jié)。一般來說,降雨量越大,產(chǎn)生河川徑流就越大;降雨強(qiáng)度越大,短期內(nèi)形成洪峰的可能性就越大。

圖32012年各月降雨量與徑流量

根據(jù)圖3和圖4的研究區(qū)數(shù)據(jù)顯示,研究期間的各月降雨量變化比較大,而各月徑流量變化幅度不如降雨量變化大。因?yàn)榻涤旰蛷搅髦g的密切關(guān)系,徑流量大小多隨降雨量變化而變化,但并不是一一對應(yīng)的。例如2012年的3~5月、7~8月和2013年的4~5月、9~10月,這些時(shí)段的降雨量是在增加但徑流量反而在減少。2013年降雨總量比2012年多出2534%,但徑流總量反而比2012年少。這些數(shù)據(jù)可以說明研究區(qū)小流域?qū)搅饔兄己玫恼{(diào)節(jié)作用,徑流量的大小不是僅受降雨量的影響,還有其他的影響因素。

圖42013年各月降雨量與徑流量

5結(jié)論與討論

(1)研究區(qū)降雨量年際變化較大,2013年的降雨量也比2012年增加2534%。降雨年內(nèi)分布不均,雨季(5~9月)降雨量占全年的70%以上,且大雨和暴雨多分布于雨季。從降雨強(qiáng)度來看,小雨發(fā)生的頻次最高,而中雨和大雨的降雨量最多。

(2)全福莊小流域在研究期間平均年徑流深142958mm,每月徑流量變化不大,不論雨季還是旱季常年有徑流產(chǎn)生。降雨量變化和徑流量變化并非一一對應(yīng),2013年降雨量比2012年明顯增加,而徑流量反而比2012年少,也就說明研究區(qū)徑流量和降雨量的相關(guān)性不明顯。

由以上結(jié)論可知,研究區(qū)的徑流量大小不是只受降雨量單一因素影響,還與土地利用類型、植被、土壤等有很大關(guān)系。全福莊小流域近年開展退耕還林還草工作以后,天然林恢復(fù)很快,研究區(qū)內(nèi)大片的水源涵養(yǎng)林對降雨有攔蓄作用,對徑流有吸收作用,其作為“天然水庫”對小流域徑流有較好的調(diào)節(jié)作用。今后還可通過對研究區(qū)不同植被、土壤的研究,更加全面的分析小流域降雨徑流特征。

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