南京毛竹林小流域徑流組分及CN 值影響因素研究

岳健敏，張金池＊，付達夫，莊家堯，劉 鑫

（1.南京林業(yè)大學 林學院，江蘇 南京210037；2.國家林業(yè)局 中南林業(yè)調(diào)查規(guī)劃設(shè)計院，湖南 長沙410014）

自然界的水文現(xiàn)象，是多因素相互作用的結(jié)果，20世紀初，在瑞士Emmental山地的2個不同森林覆蓋率集水區(qū)進行的河流流量對比試驗，是現(xiàn)代水文學研究的開端［1-2］。流域水文模型的研究始于20世紀50年代，它是針對流域上發(fā)生的水文過程進行模擬所建立的數(shù)學模型。隨著全球生態(tài)環(huán)境的不斷惡化，作為水文循環(huán)過程中的重要環(huán)節(jié)，“森林和水”的研究受到越來越多的關(guān)注并開展相關(guān)森林水文的研究［3］，由于水文現(xiàn)象的形成機理尚不完全清楚，水文模型成為研究這種復雜現(xiàn)象的重要工具。

SCS模型是由美國農(nóng)業(yè)部水土保持局（Soil Conservation Services）經(jīng)過長期實地調(diào)研提出用來估測降雨徑流的經(jīng)驗型模型［4］，其特點是所需資料簡單易取，并能反映不同土壤類型、不同土地利用方式及前期土壤含水量對降雨徑流的影響［5］。SCSCN經(jīng)驗模型不僅用于小流域及城市水文、水保、防洪工程計算的水文模型，還作為其他綜合模型的一個子模型用于地表徑流的計算［6］如：CREAMS［7］、EPIC［8］、AGNAPS［9］等，模型應 用的空間尺度范圍從20m×5m的徑流小區(qū)到1 000km2的中等流域，應用的氣候范圍分布于氣候溫濕潤帶至沙漠地區(qū)［10-12］。

SCS-CN經(jīng)驗模型結(jié)構(gòu)簡單，只需一個反映降雨前流域下墊面特征的綜合參數(shù)——徑流曲線數(shù)（CN），其值的大小反映了流域土壤的濕潤狀況［13］，它不是單獨確定的一個數(shù)，是一個系列值（SCS 1985；Hjelmfelt 1991）［14-15］，不同流域 CN 值不同，同一個流域也可能存在一個或多個CN值，CN的變異主要受環(huán)境因子的影響，前期降水量和土壤水分含量在很早就被認為是最易處理的可變性來源，這是前期土壤濕潤條件（antecedent moisture condition，AMC）概念的起源（SCS 1985）［15］。土壤濕潤狀況影響著降雨入滲速率和入滲量，因此對地表產(chǎn)流能力及CN有著明顯影響［16］，目前對于同一土地利用類型CN值應對不同土壤含水量、降雨量等的變異程度研究較少。

本文的研究對象是南京江寧區(qū)祿口鎮(zhèn)的銅山林場中的毛竹林小流域，隸屬于長江三角洲地區(qū)山地丘陵區(qū)，該地區(qū)水資源緊缺矛盾日益凸顯，越來越成為區(qū)域社會經(jīng)濟發(fā)展的制約因素。本文的目的是通過對毛竹林典型小流域的降雨徑流規(guī)律進行研究，探討SCS模型關(guān)鍵參數(shù)——CN（徑流曲線數(shù)）在該流域應用的主要影響因子，以期為該地區(qū)域水資源水環(huán)境管理和生態(tài)用水定額的制定提供理論依據(jù)和科學方法。

1 研究區(qū)概況

本試驗研究選取的小流域為典型流域，林分為毛竹純林（Phyllostachys heterocycla），流域面積34.895hm2，研究區(qū)位于銅山分場（31°35′-31°39′N，118°50′-118°52′E），隸屬于南京市近郊國營東善橋林場，距南京市20km。年平均降水量1 100 mm，存在2個多雨期：即春夏之交的梅雨期和夏季的臺風雨期，降雨的特點是冬春次乏量少、夏秋頻繁量多，全年以4-9月降雨量最盛，約占全年降雨量的7 1%。年平均氣溫1 5.1℃，全年日照時數(shù)為2 199.5h，地形為蘇南丘陵，土壤類型為黃棕壤，海拔范圍38～388m，坡度22°，植被覆蓋度85%。

2 材料與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源與觀測

2.1.1 數(shù)據(jù)來源 數(shù)據(jù)來源于銅山林場2010-2012年毛竹林降雨徑流觀測數(shù)據(jù)，采用積分法進行時段以及日、月降雨量、徑流量的計算［17］

2.1.2 數(shù)據(jù)觀測 降雨量觀測：在觀測林分中選取生長條件良好的典型坡面設(shè)置觀測點，確定樣地大?。?0m×20m），其內(nèi)設(shè)置3個集水槽（200cm×20cm×20cm），用于收集穿透雨，布設(shè)時盡量除去周圍過高的草本植被，使其低于徑流槽，避免干擾，將降雨導入稱重式自動排液式穿透雨測定系統(tǒng)，最后根據(jù)集水槽的面積以及3個集水槽收集到的穿透雨量換算出林內(nèi)降雨量，降雨量結(jié)合雨量筒數(shù)據(jù)取平均值，1.0mm降雨量采用翻斗式雨量計遠程信息傳輸系統(tǒng)通過衛(wèi)星平臺遠程發(fā)送信息1次。

徑流量觀測：在毛竹林小流域集水區(qū)出口設(shè)置了45°頂角三角薄壁堰和浮子式自記水位觀測計，用以實時觀測徑流水位線，水位流量系數(shù)計算公式［5］為：

式中：Qs為45°頂角三角薄壁堰在某一時刻流量系數(shù)（m3／s）；H 為45°頂角三角薄壁堰某一時刻的水位（m）。

地表徑流+壤中流、基流的觀測：在毛竹林小流域范圍內(nèi)設(shè)置1個徑流場（面積5m×20m，坡度15°），用于觀測地表徑流+壤中流、基流，降雨時徑流場觀測數(shù)據(jù)為地表徑流+壤中流，無降雨時的觀測數(shù)據(jù)為基流。

土壤體積含水量的測定：采用ECH2O土壤含水率監(jiān)測系統(tǒng)，ECH2O傳感器通過測量土壤的介電常數(shù)來計算土壤體積含水率。

參照SCS模型［18］反推得到CN值的計算式：

公式中：A=（5P+254）2-Q（25P-5 080），

B=50 800＊（5P+254）+508 000Q，

C=25 4002

其中P為降雨量，Q是相對應的徑流量。

2.2 數(shù)據(jù)圖像處理軟件

數(shù)據(jù)分析軟件：Excel 2013對數(shù)據(jù)進行匯總計算處理；SPSS 19做相關(guān)性分析和多元回歸分析。

圖像處理軟件：originpro 8.0。

3 結(jié)果與分析

3.1 毛竹林小流域徑流及其組分與降雨量影響分析

水文循環(huán)的主要組分有降水、蒸散發(fā)、儲藏水和徑流，徑流又可分為地面徑流、壤中流和地下徑流。影響產(chǎn)流的因素很多，包括降水特性、地質(zhì)地貌特征、下墊面熱狀況、土壤特性和植被等，本文主要研究毛竹林林內(nèi)降雨量對徑流組分的影響。

3.1.1 毛竹林多年平均徑流組分分析 毛竹林小流域多年平均徑流組分見表1。

毛竹林小流域多年平均徑流量49.61mm，占年降雨量的6.55%，年平均地表徑流與壤中流總量為16.90mm，占年降雨量的2.23%；年平均基流量32.63mm，占年降雨量的4.31%。毛竹林年蒸發(fā)量為320mm，根據(jù)流域系統(tǒng)水量平衡原理，年均地下滲透量為387.39mm，能很好地補給地下水資源，根據(jù)土壤系統(tǒng)的水量平衡原理，土壤層中的蓄水量是337.86mm，占年降雨量44.63%，說明毛竹林小流域的森林體系具有巨大的水源涵養(yǎng)功能。

3.1.2 毛竹林徑流組分與降雨量變化分析 對南京城郊毛竹林小流域坡地月徑流與降雨量分析表明，降雨量與各月徑流組分之間存在顯著正相關(guān)關(guān)系，如圖1。

表1 毛竹林小流域多年平均徑流組分Table 1 Annual averaged runoff components on small watershed in bamboo forest mm

圖1 月降雨量與月徑流組分的關(guān)系Fig.1 Monthly rainfall and monthly runoff components

圖1A所示，毛竹林小流域降雨量與月總徑流量呈顯著正相關(guān)，回歸關(guān)系式為Y=0.064 X-0.102，R2=0.911，圖1B表明，毛竹林坡地月降雨量與月壤中流+地表徑流線性回歸顯著相關(guān)，呈正相關(guān)趨勢，回歸關(guān)系式為Y=0.029 X-0.623，R2=0.946，圖1C所示，毛竹林小流域月降雨量與月基流量呈顯著正相關(guān)，回歸關(guān)系式為Y=0.035 4 X+0.513 7，R2=0.796。

在降雨產(chǎn)流過程中，隨著土壤水分的運動，水分從土壤表面滲入土層，隨著土壤水分的運動，水分有部分滲漏，這種現(xiàn)象稱之為入滲，是土壤水分最常見向下運動的現(xiàn)象，也是徑流形成過程的重要環(huán)節(jié)。一般可劃分為滲潤階段、滲漏階段、滲透階段，土壤蒸發(fā)是土壤水耗損的一個重要組成，也是土壤水向上運動最常見的一個現(xiàn)象，在徑流產(chǎn)生過程中，土壤水分向上和向下移動造成的損失稱為產(chǎn)損，如圖1D所示，主要的降雨事件都集中在20～100mm，隨著降雨量的逐步增加，產(chǎn)損量也呈同步上升的趨勢，二者呈顯著正相關(guān)，回歸關(guān)系式為Y=0.936 X+0.102，R2=0.999。說明在降雨產(chǎn)流過程中，降雨是影響該地區(qū)徑流年際變化的主要因素。

3.2 毛竹林小流域CN值與各影響因素相關(guān)性分析

3.2.1 毛竹林小流域CN值與各影響因素相關(guān)性 SCS模型中，徑流曲線數(shù)（CN）是反映降雨前流域下墊面特征的綜合參數(shù)，對降雨徑流的預測有著顯著的影響，研究表明CN值與前期土壤濕度（antecedent moisture condition，簡稱 AMC）、坡度、植被、土壤類型和土地利用方式有關(guān)，取值范圍為0～100［6］。本文主要研究分析了CN值與降雨量、徑流量、產(chǎn)損量、土壤體積含水量以及降雨量／土壤體積含水量（RSVW）的相關(guān)關(guān)系，Pearson分析結(jié)果如表2。

表2 CN值與各影響因子的Pearson相關(guān)性Table 2 The Pearson correlation from the value of CN with each influence factor

如表3所示，CN值與徑流量和土壤體積含水量相關(guān)性不強，與降雨量、產(chǎn)損量、RSVW之間呈極顯著高度負相關(guān)，其中與產(chǎn)損量相關(guān)性最高，達0.950，與降雨量相關(guān)性達0.943，與RSVW的相關(guān)性達0.902，說明本流域影響CN值的主要因子是降雨量、產(chǎn)損量、降雨量／土壤體積含水量。

3.2.2 毛竹林小流域CN值與各顯著影響因子關(guān)系建立 不同立地、不同環(huán)境條件下，越濕潤的流域，CN值越大，表明流域濕潤狀況越佳，地表越容易產(chǎn)流［19］。當CN→0時，相對的S→∞（S-流域最大蓄水量），表示流域具有完全意義的滲透能力，即地表無徑流產(chǎn)生；CN→100時，相對的S→0，即流域無滲透，降雨全部轉(zhuǎn)化為地表徑流。對毛竹林小流域各影響因子與CN值回歸分析如圖2、表3。

降雨量、產(chǎn)損量、土壤體積含水量均影響著土壤的濕潤度，在同一立地條件下，對于不同降雨事件，產(chǎn)流受土壤濕潤程度和降雨量的共同作用。毛竹林小流域單因子降雨量與CN值之間呈負相關(guān)關(guān)系（圖2A），20～40mm小降雨事件對應的CN值較大，表明毛竹林小流域土壤水源涵養(yǎng)能力較好，流域水分滲透作用較小，利于產(chǎn)流。大降雨量對應較小的CN值，可能是因為大降雨事件發(fā)生在夏季，間隔期較長，并且毛竹林蒸騰蒸發(fā)作用較強，土壤水分受植被的蒸騰拉力和土壤毛管空隙的雙重作用，導致土壤水分的向上向下移動，造成土壤層相對較干燥，CN值相對較小。

圖2 CN值與各影響因子關(guān)系Fig.2 The relationship between the value of CN and each influence factor

土壤體積含水量可以作為土壤濕潤情況的參量，研究結(jié)果顯示，降雨量和土壤體積含水量相關(guān)性較差，相關(guān)系數(shù)為0.408；CN值和土壤體積含水量呈負相關(guān)，相關(guān)系數(shù)也僅為-0.428。但是前期降水量和土壤水分含量在很早就被認為是最易處理的可變性來源，這就是前期土壤濕潤條件（antecedent moisture condition，AMC）概 念 的 起 源 （SCS 1985）［15］，因此本文利用毛竹林降雨量、降雨前土壤水分得到降雨量與土壤體積含水量的比，用其來反映前期土壤濕潤條件（antecedent moisture condi-tion，AMC），分析CN值與降雨量／土壤含水率的關(guān)系（圖2B），毛竹林小流域的濕潤等級主要分布在0～4范圍，CN值和降雨量／土壤含水率呈顯著指數(shù)函數(shù)負相關(guān)關(guān)系，即隨著降雨量／（土壤體積含水量×100）的增加，CN值逐步平緩，降雨量／（土壤體積含水量×100）的增加，反映的是流域土壤較干旱，CN值減小。

在降雨產(chǎn)流過程中，土壤水分會有一部分損失，導致土壤濕潤狀況下降，CN值也隨之下降，隨著產(chǎn)損量的逐步增加，CN值有逐步下降的趨勢，如圖2C所示，主要原因可能是，在降雨產(chǎn)流過程中，由于地表蒸發(fā)、植被蒸騰、土壤層的下滲作用，土壤的水分會有部分損失，導致土壤的濕潤狀況發(fā)生改變，引起CN值的變化。

表3 CN值與各顯著影響因子多元回歸模型Table 3 The multiple linear regression model of the value of CN

4 結(jié)論

分析了在毛竹林小流域這個特定研究區(qū)域內(nèi)，徑流及其組分與降雨量的關(guān)系，SCS模型中的關(guān)鍵參量CN值與各影響因素相關(guān)分析。

毛竹林具有巨大的水源涵養(yǎng)功能，毛竹林小流域月降雨量與月總徑流量、月地表徑流量+壤中流、月基流量、產(chǎn)損量呈顯著正相關(guān)，降雨是影響該地區(qū)徑流年際變化的主要因素。

本流域影響CN值的主要因子是降雨量、產(chǎn)損量、降雨量／土壤體積含水量（RSVW）。

根據(jù)毛竹林小流域CN值與各影響因子相關(guān)性強弱建立回歸模型，模型顯著，在一定程度上CN值分別與降雨量呈現(xiàn)負相關(guān)關(guān)系，回歸關(guān)系式為Y=67.493e-0.011x+22.07，R2=0.925；CN 值和降雨量／土壤含水率的比呈顯著指數(shù)函數(shù)關(guān)系，Y=73.39e-0.225x+21.26，相關(guān)系數(shù)R2=0.894；CN值和產(chǎn)損量呈線性負相關(guān)關(guān)系，回歸關(guān)系式為Y=80.426-0.315 X，R2=0.899。

5 討論

本試驗沒有根據(jù)該流域的地形特征和土壤特征對該流域土地類型進行劃分，沒有對流域土壤理化性質(zhì)進行測定分析，土壤性質(zhì)的不同會影響土壤入滲、土壤蒸發(fā)和壤中流等土壤水分運動［20］。根據(jù)程根偉［21］等人的研究分析發(fā)現(xiàn)林地土壤具有較大的孔隙度，尤其是非毛管孔隙度大，因此相對于其他土地利用類型的土壤，森林土壤的入滲率較高、入滲量大。不同土壤層對土壤含水量也有較大影響，如劉小林［22］等人的研究表明，0～10cm土層與其他土層土壤含水率相比差異較大，這可能與表層枯落物層厚度大有關(guān)，和該研究區(qū)域10～20cm土層容重較大、孔隙度較小有較大的關(guān)系。

對于毛竹林林分的考慮不周全，不同的林分特征對降雨徑流過程的影響主要是林冠層截留量和植物的蒸騰作用。森林生態(tài)系統(tǒng)的水文循環(huán)主要受林木冠層對降雨過程的影響［23］，這又分為穿透雨和林冠截留這兩部分，根據(jù)降落形式細化，穿透雨為經(jīng)過林木冠層截留后的滴落水和穿過林木縫隙直接到達林地表面的穿透水［24］，這些都與林分類型、林齡、林冠郁閉度、葉面積指數(shù)密切相關(guān)；同時不同林齡林地水分含蓄功能也存在差異，根據(jù)徐小牛［25］等人的研究發(fā)現(xiàn)，在亞熱帶存在由于人為干擾的林分自然恢復，在植被恢復過程中，林地土壤初滲速率和穩(wěn)滲速率顯著提升，并且隨著林齡的增加，林地土壤的總蓄水量和有效需水量逐漸增加。因此在研究降雨徑流水分循環(huán)時，應該著重考慮林分的林齡效果。

在降雨量的分析過程中，應該按降雨強度、雨量大小劃分區(qū)間；對于產(chǎn)損的分析，應適當綜合氣象因子如太陽福射、空氣水汽壓虧缺、溫度、濕度、風速等和植被因子如氣孔導度、葉片溫度、葉面積指數(shù)、蒸騰速率等綜合考慮。對于SCS模型的應用，最好提前對模型的參數(shù)進行率定。

在今后的研究中應該加入土地類型劃分，確定流域的潛在蓄水能力，精確流域的CN值，提升降雨徑流分析的精度，加入林冠層，林分類型林齡研究，綜合考慮氣候因子，深入研究SCS模型的影響因素，對模型進行改進，提高SCS模型在該地區(qū)的使用精度，有利于模型的應用。

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