黄土高原沟壑区森林和草地小流域水文行为的比较研究_地理论文

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提 要 分析了黄土高原沟壑区森林小流域和自然草地小流域的水文效应，并利用实测资料和模型计算结果比较了两流域的水循环特点，结果发现在郁闭度相同的情况下，森林小流域较自然草地小流域有较小的径流量、较大的蒸散量和较低的 3m 土层平均含水量，也就是说森林的覆盖增强了水分小循环，削弱了水文大循环，并导致土壤含水量降低。同时也发现森林的上述水文效应仅当其郁闭度达到一定程度时才能表现出来。通过比较两类生态系统植物生长的土壤水分环境条件和水分利用率，认为黄土高原沟壑区在大力发展林业时应以沟谷为主。关键词 水文行为 小流域 黄土高原分 类 中图法 S715

森林作为流域下垫面条件的一个重要因素，对水循环产生多方面的影响。森林的水文研究已取得了众多的进展，但是也存在不少问题。例如，黄土高原森林的水文效应就是一个颇有争议的话题[1～5]，其中林冠截留、森林对水质的净化作用，争论各方的见解是一致的，但是有关森林对降雨和流域径流的影响，各方观点很不一致，且均建立在试验观测资料的基础之上。争论的焦点在于：一方认为森林不会增加区域降雨量，另一方认为森林可增加降雨；一方认为森林可增加降雨入渗，减少地表径流，增大地下径流，而另一方认为森林可增加降雨入渗，减少地表径流，但不会增大地下径流。我们根据研究工作的需要，借助随机水文学方法和水量转化、水量平衡原理，研究了森林小流域的水量转化关系，分析了森林在增加降雨入渗、减少地表径流中的作用，讨论森林覆盖及其郁闭度的变化对小流域水分环境的影响，并与荒坡草地小流域进行对比分析。1 小流域的自然概况

森林小流域和荒坡草地小流域是甘肃省西峰市境内南小河沟流域的两条支沟，集水区面积分别为 0.87km2 和 1.15km2，集水区长度分别为 1.5km 和 1.6km，沟道比降分别为 8.46% 和 8.93%。流域地貌分 3 种类型：塬面、梁峁坡和沟谷。塬面地形平坦，坡度在 5°以下；梁峁坡为连接塬面的缓坡带，坡度一般在 10～20°之间；梁峁坡以下为沟谷，其形状呈“V”字形，坡度一般在 25°以上。流域年平均气温 9.3℃，陆地Φ20 型蒸发皿观测多年平均蒸发量为 1 503.5mm，年平均降雨量为 556.5mm，其中 6～9 月降雨量占全年降雨量的 67.3%。黄土是两流域主要覆盖性土壤，粘土含量甚微，土质松软。植被盖度均在 60% 以上，其中人工林已生长了 40 余年。2 研究方法和模型介绍

影响小流域水量转化的因素是多方面的，概括起来可分为：气候变化，例如温度和降水的改变；工程措施，例如修水平梯田、淤地坝和涝池等；生态措施，例如农林草业调整、中低产田改造和生产力水平提高等。但是本文讨论的主要是林地和草地小流域的水文效应，不涉及气候因素，包括降雨的年际变化。然而，降雨是水量转化的主要输入项，是推动系统循环的源动力，如何正确处理降雨事件，一方面决定了研究结果的准确性；另一方面也决定了研究工作的繁易程度和结论的合理性。为此，在技术处理上，我们分两步进行。首先利用 GIS 将小流域网格化，分为不同的水文—生态子单元，考虑等高线和坡形等要素；然后利用概率统计理论建立降雨事件各特征参数的概率分布函数，这些特征参数可以反映特定区域的降雨事件。在此基础上再利用水量转化、水分平衡原理，分别建立各子单元的蒸散速率、入渗速率和产流速率等要素的概率分布函数和数学模型，并引入一些反映土壤、植被性质的特征参数。忽略各子单元间的水量交换，子单元内下垫面条件视为均匀，而整个小流域水量转化关系经各子单元复合而成，这种方法得出的小流域或者子单元水量转化的定量关系可反映特定地区一定下垫面条件的一般特征。2.1 降雨特征参数的概率分布密度函数 反映黄土高原沟壑区降雨特征的四参数——降雨历时 (tr)、降雨强度 (i)、降雨时间间隔 (tb) 和一次降雨深 (h) 的概率分布密度函数如表 1 所示。在统计过程中，考虑该区年内降雨分布特点，将全年分为 16 个降雨时段，其中 11～3 月为一时段，4、5 月各为一时段，6～9 月各旬为一时段，10 月为一时段。统计结果与 1951～1996 年的实测平均值相比，各时段平均误差为 2.6mm，这说明该处理方法可行。表 1 四参数的概率分布密度函数 Table1 The probability density functions of four independent climatic variables


参数类型函数表达式数学期望方差统计年限降雨历时 (tr)ftr(tr)=δe-δtrmtr=δ-1σ2tr=δ-21954～1980降雨强度 (i)fi(i)=αe-aimi=α-1σ2i=α-21954～1980降雨时间间隔 (tb)ftb(tb)=βe-βtbmtb=β-1σ2tb=β-21954～1980一次降雨深 (h)fh(h)=λ（λh)k-1e-λh/Γ(k)mh=k/λσ2h=k/λ-21954～19802.2 黄土高原沟壑区小流域水量转化的特点

由于黄土高原沟壑区独特的地貌形态，小流域水量转化表现出如下特点：①河川径流对地下水无侧向补给，地下水的唯一补给来源只能是大气降雨的垂直渗入；②地下水不直接参与土壤水分的垂直循环；③土壤水分在长期循环过程中，在垂直剖面形成了地表活动层和土壤含水量相对稳定层两个层次；④降雨、产流有明显的季节性；⑤地形复杂，下垫面空间变异性大，小气候条件对水量转化的影响较大。2.3 水文—生态子单元水量转化的模型结构 小流域内任一子单元瞬态水量转化关系和概化后的水量转化关系如图 1 所示，图中各符号的意义如下：i(t) 是降雨强度，E[hj]是一次降雨深的数学期望；et(t) 是总蒸散速率，E[Etj]是总蒸散量的数学期望；es(t) 是棵间土壤蒸发速率，E[Esj]是蒸发量的数学期望；ev(t) 是植物蒸腾速率，E[Evj]是蒸腾量的数学期望；v(t) 是植被截流、地表蓄水速率，E[Erj]是截流量和蓄水量的数学期望；rs(t) 是地表产流速率，E[Rsj]是子单元产流量的数学期望；rg(t) 是指径流量中的部分雨量由裂隙对地下水的补给速率，E[Rgj]是补给量的数学期望；rsv(t) 是地表径流对河川径流的补给速率，E[Rsvj]是一次降雨地表径流的总补给量的数学期望；fi(t) 是土壤入渗速率，E[Fij]是一次降雨入渗量的数学期望；u(t) 是活动层向相对稳定层的入渗补给速率，ω(t) 是稳定层土壤水分在水势梯度的作用下克服重力向活动层的补给速率，二者之和的数学期望近似为零；rgv(t) 是地下径流速率（泉水涌流），E 是[Rgvj]地下径流量的数学期望；θ0(t) 是活动层土壤初始含水量，θg(t) 是相对稳定层的土壤含水量。图 1 任一时段 j 次降雨事件子单元水量转化的瞬态（a）和概化（b）模型 Fig.1 Instantaneous water amount transformation(a) and statistical dynamic(b) model during a rainy event

因篇幅所限，以上各式的数学推导和计算方法略，详细材料见黄明斌博士毕业论文①。对任一时段而言，以上各式分别乘以各时段的降雨频数则变为时段水量转化关系；而各时段相加，则成为全年水量转化模型。在进行全年水量平衡运算时，各时段初的土壤含水量将根据水量转化关系逐时段确定，并且满足第一时段初的土壤平均含水量等于最后时段末的土壤平均含水量。这样活动层多年平均水量平衡方程：PA=RSA+ETA＋ΔSSA+UTA+WTA (1)的数学期望E[PA]=E[RSA]+E[ETA] (2)式中，PA 是年总降雨量；RSA 是年总径流量；ETA 是年总蒸散量；ΔSSA 是年总土壤水分改变量；UTA＋WTA 是活动层与相对稳定层之间的年总水分交换量；E 代表数学期望值，而且有 E[ΔSSA]=0，E[UTA]＋E[WTA]=0。3 结果与讨论3.1 不同地形部位水文—生态子单元水分小循环特点

地形不仅影响降雨量和土壤入渗速率，而且改变小气候，如地表温度、日照时数、风速等因素。小气候的变化将导致土壤蒸发速率和植物蒸腾速率的改变，上述因素的累加将影响单元水分循环。在研究不同部位子单元水分小循环的特点时，我们考虑了地形对土壤入渗速率的影响和对潜在蒸发速率的影响两个主要因素，忽略了不同部位间降雨再分布的差异。不同部位林、草子单元水分小循环各组分的定量关系分别如表 2 所示。表 2 地形对林草子单元水分小循环的影响（年最大郁闭度 60%） Table2 The influence of topography on water vertical circulation for ecological units of forest and grassland（annual maximum cover degree 60%）

林地自然草地地形部位塬面坡地沟谷塬面坡地沟谷E[PA](mm)565.3565.3565.3565.3565.3565.3E[EP](mm)914.0882.0824.0914.0882.0824.0E[RSA](mm)00.65.92.47.616.7E[EVA](mm)288.4285.8281.1256.0251.7242.5E[ESA](mm)136.1

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