暴雨條件下不同林型對(duì)坡面徑流過程的影響

呂錫芝，康玲玲，左仲國，孫 娟，倪用鑫，呂文星

（1.黃河水利科學(xué)研究院/水利部黃土高原水土流失過程與控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 鄭州 450003；2.黃河水文水資源科學(xué)研究院，河南 鄭州 450003）

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暴雨條件下不同林型對(duì)坡面徑流過程的影響

呂錫芝1，康玲玲1，左仲國1，孫 娟1，倪用鑫1，呂文星2

（1.黃河水利科學(xué)研究院/水利部黃土高原水土流失過程與控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 鄭州 450003；2.黃河水文水資源科學(xué)研究院，河南 鄭州 450003）

摘 要：為研究暴雨條件下不同林型對(duì)坡面徑流及徑流過程的影響，采用野外定位觀測(cè)與室內(nèi)試驗(yàn)相結(jié)合的方法，分析了北京山區(qū)典型小流域不同植被下坡面上的徑流及其過程特征。結(jié)果表明，不同林型對(duì)地表徑流、壤中流的影響存在差異。各徑流小區(qū)產(chǎn)流時(shí)間和滯后時(shí)間有明顯差異，其中灌木林產(chǎn)流時(shí)間明顯早于喬木林，其滯后時(shí)間也明顯小于其他3個(gè)喬木林徑流小區(qū)。4種林型下的地表徑流產(chǎn)流過程與降雨過程有明顯的相似性，說明產(chǎn)流過程主要受降雨這個(gè)起源動(dòng)力的影響，而不同林型則主要影響其發(fā)生、結(jié)束時(shí)間和產(chǎn)流量，而對(duì)整個(gè)產(chǎn)流過程曲線的影響不大。相對(duì)于降雨和地表徑流，各徑流小區(qū)的壤中流產(chǎn)流過程曲線表現(xiàn)均相對(duì)平緩，且產(chǎn)流開始時(shí)間和過程曲線明顯滯后于降雨和地表徑流的過程曲線，這主要因?yàn)橥寥赖木彌_作用所致。

關(guān)鍵詞：植被；坡面徑流；地表徑流；壤中流；徑流過程

徑流的形成與降雨（降雨量、降雨強(qiáng)度）、植被狀況（林冠截留、地被物和枯落物的持水量）以及土壤的物理性狀（土壤前期含水量、孔隙度）等因子密切相關(guān)［1-4］。降雨因子是地表徑流產(chǎn)生的第一動(dòng)因。一般來說，降雨量越大，地表徑流量越大；相同雨量情況下，降雨強(qiáng)度越大，地表徑流越易產(chǎn)生［5-7］。影響地表徑流的因子除了降雨這個(gè)最重要的因素外，主要是植被和林地土壤。植被的存在使得林地地表有效糙率提高，阻滯和延緩地面徑流，同時(shí)森林枯落物、腐爛根系、森林動(dòng)物造成的土壤孔隙以及被改良的土壤可減少地面徑流，增加入滲；枯落物和根系具有保土固土、減少固體徑流、防止水土流失的作用［8-9］。植被狀況影響地表徑流是森林實(shí)現(xiàn)涵養(yǎng)水源、保持水土、削減洪峰和洪水量、減少泥沙輸送量等生態(tài)水文功能的重要環(huán)節(jié)［10-14］。

植被建設(shè)作為北京山區(qū)水土保持的有效措施，近年來受到普遍重視。隨著植被建設(shè)力度的加大，流域產(chǎn)匯流特性發(fā)生了較大變化［15-18］。前人研究多集中在植被對(duì)徑流的影響上，而在暴雨條件下植被是如何影響徑流過程的研究較少。鑒于此，本研究采用野外定位觀測(cè)與室內(nèi)試驗(yàn)相結(jié)合的方法，利用北京山區(qū)典型小流域不同植被下標(biāo)準(zhǔn)徑流小區(qū)觀測(cè)天然降水下的坡面產(chǎn)流狀況，研究其坡面徑流及過程特征，以期為研究該區(qū)域坡面尺度植被影響水文過程的機(jī)理提供有效支撐。

1　材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地位于北京林業(yè)大學(xué)西山鷲峰林場（116°05′45″E、40°03′46″N），氣候?qū)儆谂瘻貛駶櫦撅L(fēng)型大陸性氣候，年均溫8.5～9.5℃，≥10℃有效積溫3 385～4 210℃，無霜期150 d左右，多年平均降水量600 mm，6～9月降水總量占全年降水總量的85%以上。土壤為坡積土，土層厚度60～70 cm，通氣透水性較差。林型為溫帶落葉林帶，主要喬木樹種有油松（Pinus tabulaeform）、栓皮櫟（Quercus variabilis）、側(cè)柏（Platycladus orlentalis）等，主要灌木樹種有構(gòu)樹（Broussonetia papyrifera）、荊條（Vitex negundo var.heterophylla）、孩兒拳頭（Grewia biloba）等。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

在流域內(nèi)坡面上設(shè)立灌木林、側(cè)柏林、油松林、松櫟混交林等4種林型固定樣地4塊，在固定樣地內(nèi)各設(shè)置一個(gè)天然降雨徑流場，位置設(shè)在坡面平整的坡地上。徑流場寬5 m，與等高線平行，水平投影長20 m，水平投影面積100 m2。徑流場上部及兩側(cè)設(shè)置圍埂，圍埂外側(cè)設(shè)置保護(hù)帶，寬2 m，處理和徑流場相同，下部設(shè)置集水槽，在徑流場集水槽出水口安裝地表徑流，測(cè)量系統(tǒng)的平緩導(dǎo)流槽進(jìn)行引流，確保對(duì)接嚴(yán)密無縫隙，承接全部徑流小區(qū)出水。導(dǎo)流槽下墊面平坦無凸起，導(dǎo)流槽接入分流箱，分流箱出水口與自記雨量計(jì)裝置的進(jìn)水口相連。確保分流箱旁路出水口通暢，當(dāng)發(fā)生較大的地表徑流時(shí)，多余的徑流可由此流出，地表徑流及壤中流由水箱中HOBO水位計(jì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)。徑流場基本信息見表1。

表1　徑流場基本信息

在試驗(yàn)樣地內(nèi)外各設(shè)置1個(gè)小型氣象站，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)空氣溫度（℃）、降雨量（mm）、降雨強(qiáng)度（mm/m in）、凈輻射（W/m2）、空氣相對(duì)濕度（%）、風(fēng)速（m/s）和風(fēng)向等氣象因子，數(shù)據(jù)采集頻率為1次/min。

2　結(jié)果與分析

2.1 降雨和產(chǎn)流特征

2012年7月21日，北京遭遇特大暴雨，為1954年有記錄以來的最大降雨量。除延慶外，北京90%以上的行政區(qū)域降雨量都在100 mm以上，城區(qū)平均降雨量約215 mm，有記錄的最大降雨量出現(xiàn)在房山區(qū)、為460 mm，達(dá)到特大暴雨量級(jí)。強(qiáng)降雨歷時(shí)之長歷史罕見，強(qiáng)降雨一直持續(xù)近16 h。

在試驗(yàn)地，本次降雨過程從2012年7月21日11：43開始，持續(xù)至7月22日約2：43結(jié)束，降雨過程持續(xù)15 h，總降雨量146.8 mm，最大雨強(qiáng)達(dá)1.73 mm/min，降雨過程見圖1。

該次暴雨過程4種林型徑流小區(qū)坡面徑流各組分產(chǎn)流量如圖2所示。4種林型的坡面徑流小區(qū)中，就總產(chǎn)流量來說，灌木徑流小區(qū)總產(chǎn)流量最大，為1.30 mm；其次為側(cè)柏和松櫟混交徑流小區(qū)，總產(chǎn)流量分別為0.85 mm和0.68 mm；油松徑流小區(qū)總產(chǎn)流量最小，為0.37 mm。就地表徑流來說，灌木徑流小區(qū)地表徑流量最大，為1.21 mm；其次為側(cè)柏和油松徑流小區(qū)，地表徑流量分別為0.84 mm和0.26 mm；松櫟混交林地表徑流量最小，僅0.07 mm。就壤中流來說，松櫟混交徑流小區(qū)壤中流產(chǎn)流量最大，為0.61 mm；其次為油松和灌木徑流小區(qū)，分別為0.11 mm和0.09 mm；側(cè)柏徑流小區(qū)的壤中流產(chǎn)流量最小，僅為0.01 mm。

植被減少坡面徑流主要通過林冠截留、增加土壤入滲和增加坡面蒸散發(fā)而產(chǎn)生作用。與灌木林相比，喬木林冠層對(duì)降雨的截留量更大，一般可達(dá)降雨量的20%～30%；其蒸騰作用遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于灌木林，因此其坡面蒸散發(fā)量更大；喬木樹種的根系可達(dá)土壤下50～100 cm，而灌木根系多分布在土壤表層0～20 cm，喬木樹種對(duì)增加土壤孔隙度等土壤改良作用更大，使喬木林坡面土壤入滲量遠(yuǎn)大于灌木林。此外，由于生長季雨水充沛，喬木林下也有相當(dāng)密集的灌木存在。因此，喬木林坡面產(chǎn)流量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于灌木坡面產(chǎn)流。

2.2 坡面產(chǎn)流滯后特征

坡面產(chǎn)流方式一般有超滲產(chǎn)流和蓄滿產(chǎn)流兩種方式。超滲產(chǎn)流是指由于短時(shí)間內(nèi)的高強(qiáng)度降雨、降雨量超過土壤的入滲量而產(chǎn)生的地表徑流。而蓄滿產(chǎn)流是指由于降雨量大但歷時(shí)相對(duì)較長，土壤在高降水量條件下達(dá)到飽和，而隨著降雨的延續(xù)逐漸產(chǎn)生的地表徑流，此時(shí)壤中流以及其他淺層地下水流也開始產(chǎn)生。

本次降雨降雨量大，降雨強(qiáng)度較強(qiáng)，因此坡面產(chǎn)流為超滲產(chǎn)流，但由于降雨持續(xù)時(shí)間長，再加上坡面森林植被條件好，植被密集，坡面土壤的蓄水作用在坡面產(chǎn)流過程中也起到了不容忽視的作用。由于坡面土壤入滲和植被林冠截留等水文作用的影響，坡面徑流發(fā)生時(shí)間一般要滯后于降雨發(fā)生時(shí)間，滯后時(shí)間的長短與坡面土壤理化性質(zhì)和植被狀況有關(guān)。本次降雨4種不同林型的徑流小區(qū)產(chǎn)流滯后情況如表2所示。從表2可以看出，本次暴雨條件下，各徑流小區(qū)產(chǎn)流明顯滯后于降雨過程。各徑流小區(qū)產(chǎn)流時(shí)間和滯后時(shí)間也有明顯差異。其中，灌木徑流小區(qū)于16：52開始產(chǎn)生徑流，產(chǎn)流滯后降雨5 h 9 min，其產(chǎn)流時(shí)間明顯早于其他3個(gè)喬木徑流小區(qū)，滯后時(shí)間也明顯小于其他3個(gè)喬木徑流小區(qū)。3個(gè)喬木徑流小區(qū)產(chǎn)流時(shí)間和滯后時(shí)間也有一定差異，其中側(cè)柏徑流小區(qū)產(chǎn)流較早，于17：02開始產(chǎn)流，滯后時(shí)間也短一些，為5 h 19 min；油松徑流小區(qū)于17：06分開始產(chǎn)流，滯后時(shí)間為5 h 23 min；松櫟混交徑流小區(qū)產(chǎn)流時(shí)間最晚（17：12），其滯后時(shí)間也最長、為5 h 29 min。

圖1　試驗(yàn)地降雨過程

圖2　暴雨條件下各徑流小區(qū)產(chǎn)流情況

表2　各徑流小區(qū)產(chǎn)流滯后情況

各徑流小區(qū)產(chǎn)流時(shí)間和滯后時(shí)間的差異主要由不同坡面土壤入滲和植被截留不同所致。灌木林的根系較淺，枯落物也較少，因此對(duì)土壤的改良作用較小，再加上其林冠截留量小，導(dǎo)致土壤蓄滿時(shí)間較短，因此灌木林坡面與其他3個(gè)喬木林坡面相比產(chǎn)流時(shí)間也較早，滯后時(shí)間較短；松櫟混交林坡面由于是針闊混交林，其根系和枯落物對(duì)土壤的改良作用最大，土壤理化性質(zhì)良好，再加上林冠截留作用的影響，因此其土壤蓄滿時(shí)間最長，坡面產(chǎn)流時(shí)間也最晚，滯后時(shí)間最長；側(cè)柏林由于枯落物較少，其根系分布也較淺，對(duì)土壤的改良作用有限，林冠截留量也較小，因此在3種喬木林坡面中其產(chǎn)流時(shí)間最早，滯后時(shí)間也最短；油松林冠截留量較大，但其枯落物松針角質(zhì)層含量大，較難分解，對(duì)土壤的改良作用也有限，因此其產(chǎn)流時(shí)間和滯后時(shí)間介于側(cè)柏林坡面和松櫟混交林坡面之間。

2.3 暴雨條件下地表徑流產(chǎn)流過程

同一降雨條件下不同林型坡面的地表徑流產(chǎn)流過程也有差異。本次暴雨條件下，各徑流小區(qū)坡面地表徑流產(chǎn)流過程如圖3所示。從圖3可以看出，4種林型的地表徑流產(chǎn)流過程曲線大體上表現(xiàn)一致，呈現(xiàn)出一定的層次感，說明不同林型對(duì)地表徑流的產(chǎn)流過程有一定的影響，但只是對(duì)地表徑流發(fā)生、結(jié)束時(shí)間和徑流量有明顯影響，而對(duì)整個(gè)地表徑流過程曲線并沒有太大影響，林型之間的差異只是對(duì)這個(gè)過程改變的大小而已。觀察地表徑流曲線與降雨過程曲線可以看出，地表徑流的產(chǎn)流過程與降雨過程有明顯的相似性，地表徑流的峰值與降雨量的峰值出現(xiàn)的時(shí)刻十分接近，說明地表徑流的產(chǎn)流過程主要受降雨這個(gè)起源動(dòng)力的影響，而不同林型則主要影響其發(fā)生、結(jié)束時(shí)間和產(chǎn)流量，而對(duì)整個(gè)產(chǎn)流過程曲線的影響不大。

圖3　各徑流小區(qū)坡面地表徑流產(chǎn)流過程

2.4 暴雨條件下壤中流產(chǎn)流過程

同一降雨條件下不同植被條件坡面的壤中流產(chǎn)流過程也不相同。本次暴雨條件下，各徑流小區(qū)坡面地表徑流產(chǎn)流過程如圖4所示。從圖4可以看出，相對(duì)于降雨和地表徑流，各徑流小區(qū)的壤中流產(chǎn)流過程曲線表現(xiàn)均相對(duì)平緩（圖3），且產(chǎn)流開始時(shí)間和過程曲線明顯滯后于降雨和地表徑流的過程曲線，這主要因?yàn)橥寥赖木彌_作用所致。

土壤結(jié)構(gòu)的不同影響壤中流的形成過程。就4種林型坡面來說，松櫟混交坡面的壤中流流量遠(yuǎn)大于其他3種坡面，側(cè)柏坡面的壤中流流量則最低。由于混交林的根系分泌物和枯落物十分豐富，其林下土壤有較大的有機(jī)質(zhì)含量和團(tuán)聚體含量，土壤孔隙度也相對(duì)較高，具有較好的理化性質(zhì)，土壤保水性能較好，因此松櫟混交林坡面的壤中流流量最大。而側(cè)柏林的根系分布較淺，枯落物十分稀少且較難分解，因此對(duì)土壤的改良作用較差，其土壤理化性質(zhì)較差，土壤入滲作用較小，因而壤中流含量很小。

圖4　各徑流小區(qū)坡面壤中流產(chǎn)流過程

3　結(jié)語

本試驗(yàn)結(jié)果表明，不同林型對(duì)地表徑流、壤中流的影響存在差異，4種林型的坡面徑流小區(qū)中，總產(chǎn)流量表現(xiàn)為灌木＞側(cè)柏＞松櫟混交＞油松，地表徑流量表現(xiàn)為灌木＞側(cè)柏＞油松＞松櫟混交，而壤中流量表現(xiàn)為松櫟混交＞油松＞灌木＞側(cè)柏。

由于坡面土壤入滲和植被林冠截留等水文作用的影響，坡面徑流發(fā)生時(shí)間明顯滯后于降雨發(fā)生時(shí)間，各徑流小區(qū)產(chǎn)流時(shí)間和滯后時(shí)間也有明顯差異。其中，灌木徑流小區(qū)產(chǎn)流時(shí)間明顯早于其他3個(gè)喬木徑流小區(qū)，滯后時(shí)間也明顯小于其他3個(gè)喬木徑流小區(qū)。

同一降雨條件下，4種林型的地表徑流產(chǎn)流過程線的形狀大體上表現(xiàn)一致，地表徑流的產(chǎn)流過程與降雨過程有明顯的相似性，地表徑流峰值與降雨量峰值出現(xiàn)的時(shí)刻十分接近，說明地表徑流的產(chǎn)流過程主要受降雨這個(gè)起源動(dòng)力的影響，而不同林型則主要影響其發(fā)生、結(jié)束時(shí)間和產(chǎn)流量，而對(duì)整個(gè)產(chǎn)流過程曲線的影響不大。

相對(duì)于降雨和地表徑流，各徑流小區(qū)的壤中流產(chǎn)流過程曲線表現(xiàn)均相對(duì)平緩，且產(chǎn)流開始時(shí)間和過程曲線明顯滯后于降雨和地表徑流的過程曲線，這主要是因?yàn)橥寥赖木彌_作用所致。

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（責(zé)任編輯崔建勛）

Effects of different vegetation types on slope runoff process under rainstorm condition

LYU Xi-zhi1，KANG Ling-ling1，ZUO Zhong-guo1，SUN Juan1，NI Yong-xin1，LYU Wen-xing2

（1.Yellow River Institute of Hydraulic Research/Key Laboratory of the Loess Plateau Soil Erosion and Water Loss Process and Control of Ministry of Water Resources，Zhengzhou 450003，China；2.Yellow River Institute of Hydrology and Water Resources，Zhengzhou 450003，China）

Key words：vegetation； slope runoff； surface runoff； subsurface runoff； runoff process

Abstract：In order to study the effects of different vegetation types on slope runoff and its process under rainstorm condition，we used the combination methods of field observation and laboratory test，analyzed the slope runoff characteristics under different vegetation types of typical small watershed in Beijing mountain area.The results showed that the effects of different vegetation types on surface runoff and subsurface flow were different.There were significant differences in runoff time of different runoff plots，the runoff times of shrub was significantly earlier than trees.Surface runoff processes of four vegetation types were obviously similar，which indicated that the process was mainly affected by rainfall.However，different vegetation types mainly affected its occurrence time，end time and runoff，but had small influence on the entire runoff process curve.Subsurface runoff curves of different runoff plots were relatively gentle compared with rainfall and surface runoff.And the runoff initiation time and process curve of subsurface runoff significantly lagged behind rainfall and runoff process curve，which were mainly due to the soil buffer effects.

中圖分類號(hào)：S715

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1004-874X（2016）01-0079-05

收稿日期：2015-07-21

基金項(xiàng)目：中央級(jí)公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)（HKF-2014-03，HFY-JBYW-2016-04）；水利部黃土高原水土流失過程與控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金（2015004）

作者簡介：呂錫芝（1986-），男，博士，工程師，E-mail：nihulvxizhi@163.com