清江上游流域森林植被變化對(duì)水文特性的影響研究

王平章，張寶林（湖北省恩施州水文水資源勘測(cè)局，445000，恩施）

清江上游流域森林植被變化對(duì)水文特性的影響研究

王平章，張寶林
（湖北省恩施州水文水資源勘測(cè)局，445000，恩施）

以清江上游流域?yàn)檠芯繉?duì)象，通過(guò)收集流域上游植被資料、實(shí)測(cè)水文資料，采用對(duì)比分析法研究清江上游流域植被變化對(duì)流域產(chǎn)流、產(chǎn)沙、徑流過(guò)程及蒸發(fā)等水文特性的影響，最終得出結(jié)論：隨著流域森林植被覆蓋率的提高，流域產(chǎn)沙量減少，陸面蒸發(fā)增大，產(chǎn)水量減少，地下徑流比重增加，河流雨峰模數(shù)降低，洪水退水歷時(shí)延長(zhǎng)。關(guān)鍵詞：植被變化；水文特征；影響；清江

森林植被具有水土保持、涵養(yǎng)水源、調(diào)節(jié)徑流、改善水質(zhì)、保護(hù)水生態(tài)和水環(huán)境的作用,國(guó)內(nèi)外有關(guān)森林植被與水文效應(yīng)的影響研究總體認(rèn)為，由于氣候、地質(zhì)條件、土壤結(jié)構(gòu)與地形因素、森林植被結(jié)構(gòu)的綜合影響，不同地區(qū)森林植被變化呈現(xiàn)不同的水文影響效應(yīng)。因此在特定區(qū)域開(kāi)展流域植被覆蓋變化對(duì)水文特性的影響規(guī)律研究，對(duì)探索區(qū)域水文演變規(guī)律及生態(tài)環(huán)境影響效應(yīng)、指導(dǎo)生態(tài)環(huán)境修復(fù)、推進(jìn)地方生態(tài)環(huán)境改善和經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展具有重要的指導(dǎo)意義。

關(guān)于森林植被對(duì)水文效應(yīng)影響的研究起步較早，國(guó)際上主要集中在20世紀(jì)60—80年代，但目前仍沒(méi)有一種成熟的理論研究方法，采用的研究方法主要是對(duì)比流域試驗(yàn)法與流域自身對(duì)比法。本文收集研究流域水文、植被資料，采用流域自身對(duì)比法，研究流域下墊面植被因素變化對(duì)流域產(chǎn)流、產(chǎn)沙量和洪水過(guò)程等水文特性的影響。由于水文特性是降雨、氣候、流域下墊面等因素綜合的水文體現(xiàn)，對(duì)于一個(gè)天然流域，降雨、氣候因素是隨機(jī)變化的，下墊面因素是連續(xù)漸變的，為盡可能降低隨機(jī)變化因子的影響，體現(xiàn)連續(xù)漸變因子作用，本次研究采用分時(shí)期研究因子平均變化值對(duì)比分析，探索流域森林植被覆蓋率變化對(duì)水文要素的影響。

一、清江上游流域森林植被變化

清江是長(zhǎng)江一級(jí)支流，發(fā)源于湖北省利川市齊岳山龍洞溝，于枝城市匯入長(zhǎng)江，流域面積17 000 km2，屬于典型的山區(qū)性河流。清江干流恩施水文站以上為上游，上游流域面積為2 928 km2。

據(jù)2007年湖北省林業(yè)勘察設(shè)計(jì)院 《恩施州森林資源狀況的報(bào)告》及后期當(dāng)?shù)亓謽I(yè)部門(mén)的相關(guān)森林資源狀況調(diào)查資料，自新中國(guó)成立以來(lái)清江流域恩施州境內(nèi)森林植被種類(lèi)及結(jié)構(gòu)基本無(wú)變化，但不同時(shí)期森林植被覆蓋率變化較大。20世紀(jì)50年代前期,生產(chǎn)力相對(duì)落后,區(qū)域人口稀少，工農(nóng)業(yè)發(fā)展遲緩,人類(lèi)對(duì)自然破壞程度小，清江流域恩施境內(nèi)森林覆蓋率較高，生態(tài)環(huán)境相對(duì)較好，處于原生態(tài)時(shí)期，森林覆蓋率達(dá)到 68%。1958年開(kāi)始全國(guó)工業(yè)“大躍進(jìn)”，伐木煉鋼，森林植被遭到嚴(yán)重破壞，森林覆蓋率逐年減小。據(jù)林業(yè)部門(mén)統(tǒng)計(jì)，到1978年清江流域恩施州境內(nèi)森林覆蓋率僅為32.72%。1978年后，國(guó)家先后實(shí)施了長(zhǎng)江防護(hù)林保護(hù)、天然林保護(hù)和退耕還林工程，開(kāi)展植樹(shù)造林、退耕還林、生態(tài)農(nóng)村建設(shè)等措施，流域生態(tài)植被得以有效恢復(fù)，森林覆蓋率逐步提高。1985年清江流域恩施境內(nèi)森林覆蓋率恢復(fù)到40.5%，1999年為58.8%，2005年上升到60.3%，2010年達(dá)到65.7%。清江流域恩施境內(nèi)森林覆蓋率演變過(guò)程見(jiàn)圖1。

二、流域森林植被對(duì)河流泥沙的影響

山區(qū)流域河流泥沙主要是由于降水形成的地面徑流侵蝕流域地表，造成水土流失，雨水?dāng)y帶大量泥沙直下江河而形成。流域地表的侵蝕程度與土壤、氣候、植被、地形地貌及人類(lèi)活動(dòng)等因素有關(guān)，流域地表?xiàng)l件是影響河流泥沙的重要因素。本文收集了49年（1958—2006年）清江上游控制站恩施水文站不受水利工程影響的實(shí)測(cè)懸移質(zhì)泥沙資料，采用時(shí)段平均分析每時(shí)段河流泥沙情況，按每10年為一個(gè)時(shí)段對(duì)清江河流懸移質(zhì)泥沙演變進(jìn)行定性分析，對(duì)照流域森林植被覆蓋率變化分析結(jié)果（見(jiàn)表1）可見(jiàn)，森林植被覆蓋率與河流泥沙因子相應(yīng)關(guān)系密切，森林植被覆蓋率越高，流域侵蝕模數(shù)、平均含沙量、單位降雨量產(chǎn)沙量越小。侵蝕模數(shù)、河流含沙量是反映流域水土流失的重要指標(biāo)，其值越小，水土流失越輕微，說(shuō)明提高森林植被覆蓋率對(duì)減少流域水土流失作用明顯，通過(guò)對(duì)20世紀(jì)80年代后期分析，清江上游流域森林植被覆蓋率每提高10%，多年平均含沙量降低0.285 kg/m3，相當(dāng)于平均每年減少水土流失75萬(wàn)t。

圖1 清江上游流域森林植被覆蓋率變化過(guò)程

三、流域森林植被對(duì)蒸發(fā)的影響

對(duì)于山區(qū)性河流，在無(wú)大型水庫(kù)工程的情況下，流域蒸發(fā)主要是陸面蒸發(fā)，表現(xiàn)形式為土壤蒸發(fā)與植物蒸發(fā)，因此流域植被條件是影響流域蒸發(fā)的重要因素。相關(guān)學(xué)者研究認(rèn)為：植物的蒸發(fā)能力取決于植物的葉面指數(shù)、根系深度及反射率等因素，因此不同區(qū)域森林植被的變化對(duì)流域蒸發(fā)的影響結(jié)果不一樣，但流域蒸發(fā)量還取決于氣候條件，因此蒸發(fā)量不能準(zhǔn)確反應(yīng)流域蒸發(fā)能力，但流域蒸發(fā)量與水面蒸發(fā)量的比值可真實(shí)反應(yīng)流域蒸發(fā)能力，流域蒸發(fā)能力越強(qiáng)，流域蒸發(fā)量就越接近水面蒸發(fā)量。通過(guò)對(duì)清江流域上游實(shí)測(cè)徑流、降水、蒸發(fā)資料分析，隨著森林植被率提高，植物的總體蒸騰作用增強(qiáng)，流域陸面蒸發(fā)越接近水面蒸發(fā)量，流域蒸發(fā)能力增大，分析成果見(jiàn)表2。

表1 清江上游森林覆蓋率對(duì)河流泥沙影響分析

表2 清江上游森林覆蓋率對(duì)流域蒸發(fā)影響分析

四、流域森林植被對(duì)徑流的影響

1.徑流量

森林植被作為重要的水文下墊面條件，直接影響流域徑流的產(chǎn)匯流過(guò)程，但研究森林變化的徑流效應(yīng)影響是一個(gè)非常復(fù)雜的過(guò)程，目前總的研究結(jié)論是，不同區(qū)域的不同植物類(lèi)型、結(jié)構(gòu)體現(xiàn)不同的效應(yīng)。本次對(duì)清江上游流域?qū)崪y(cè)徑流、降雨量資料分析，結(jié)果（見(jiàn)表3）表明，清江上游流域森林植被變化對(duì)徑流影響效應(yīng)表現(xiàn)為：森林覆蓋率提高，流域徑流系數(shù)、產(chǎn)水能力降低。通過(guò)分析可知，流域森林覆蓋率每增加10%，徑流系數(shù)降低0.01左右，清江上游多年降雨量為1 554.3 mm，多年平均徑流量為26.3億m3，相應(yīng)減少產(chǎn)水量0.45億m3，相對(duì)減少1.7%左右。

2.徑流過(guò)程

徑流過(guò)程受降雨強(qiáng)度、過(guò)程、分布及下墊面因素等多因素影響，因此進(jìn)行下墊面單因子的影響分析較為困難，為分析森林覆蓋率對(duì)徑流過(guò)程的影響，本次采用分時(shí)期綜合退水曲線(xiàn)下包線(xiàn)法，通過(guò)分析三個(gè)典型時(shí)期（1965—1970年、1985—1990年、1995—2000年）的年最大洪水過(guò)程可見(jiàn)：隨著森林覆蓋率的提高，洪水退水過(guò)程變緩，退水時(shí)間變長(zhǎng)（見(jiàn)圖2）。

同時(shí)通過(guò)對(duì)各時(shí)期24小時(shí)平均降雨量與產(chǎn)峰量之比 （即雨峰模數(shù)）進(jìn)行分析，結(jié)果表明隨著森林覆蓋率的提高，雨峰模數(shù)變小，說(shuō)明森林覆蓋率變化對(duì)徑流過(guò)程影響作用明顯（見(jiàn)表4）。因此，森林覆蓋率的提高對(duì)水資源的利用和有效降低洪水災(zāi)害具有重要作用。

表3 清江上游森林覆蓋率對(duì)徑流影響分析

表4 各時(shí)期雨峰模數(shù)分析

五、結(jié) 論

森林植被是流域重要下墊面因素，其覆蓋率的變化直接影響流域的水文特性，通過(guò)分析清江上游流域森林植被變化對(duì)水文特性的影響，得出以下幾個(gè)方面認(rèn)識(shí)。

圖2 恩施水文站各時(shí)期綜合退水曲線(xiàn)

一是森林植被覆蓋率的提高能有效增強(qiáng)對(duì)流域下墊面的防護(hù)，對(duì)減少水土流失、降低河流泥沙含量、涵養(yǎng)土壤具有明顯作用。

二是森林植被變化后，流域蒸發(fā)結(jié)構(gòu)隨之變化。森林植被覆蓋率提高，流域蒸發(fā)能力明顯增強(qiáng)，可有效改善區(qū)域氣候條件。

三是隨著森林植被覆蓋率提高，植物截流、蒸騰作用增強(qiáng)，徑流系數(shù)、產(chǎn)水能力降低。流域森林覆蓋率每增加10%，蒸發(fā)量增加10 mm左右，徑流深減少10 mm左右。

四是森林植被覆蓋率的變化直接影響流域坡面匯流過(guò)程。分析表明，流域森林植被覆蓋率提高后，河道洪水退水過(guò)程變長(zhǎng)變緩，雨峰模數(shù)變小，洪峰降低?？梢?jiàn)森林植被的改善對(duì)水資源有效利用和降低洪水災(zāi)害具有重要作用。

[1]劉世榮，等.中國(guó)森林生態(tài)系統(tǒng)水文生態(tài)功能規(guī)律[M].北京：中國(guó)林業(yè)出版社，1991.

[2]石培華，李文華.森林植被變化對(duì)水文過(guò)程和徑流的影響效應(yīng)[J].自然資源學(xué)報(bào)，2001（5）.

[3]談建文，李萬(wàn)德.恩施州森林資源調(diào)查報(bào)告[J].湖北生態(tài)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2009（2）.

[4]劉世榮，等.長(zhǎng)江上游森林植被水文功能研究[J].自然資源學(xué)報(bào)，2001（5）.

責(zé)任編輯 董明銳

Change of forest cover and its impact on hydrological characteristics in upstream of Qingjiang River

//Wang Pingzhang,Zhang Baolin

With method of comparative analysis,the impact of vegetation change in the upstream of Qingjiang River on runoff generation,sediment yield,runoff process and evaporation are examined,according to the collected and measured hydrological data from the Qingjiang River.The results show a reduction of sediment yield,expansion of land surface evaporation,less runoff generation,high proportion of underground runoff,low rain peak modulus of river and long duration of water falling along with growing of forest vegetation in the river basin.

change of forest cover;hydrological characteristics;impact analysis;Qingjiang River

P33

B

1000-1123（2016）17-0042-03

2016-08-08

王平章,高級(jí)工程師。