坡面尺度不同雨型條件下地表徑流產(chǎn)流過程分析

茹 豪

(山西省林業(yè)科學(xué)研究院，山西 太原 030012)

水資源是黃土高原地區(qū)進(jìn)行植被恢復(fù)與重建的基礎(chǔ)與根本保障[1,2]。黃土高原受副熱帶高壓的影響，夏秋季節(jié)降水豐富。夏季降雨量最多，占全年降水量的42%～68%(6月～8月)，秋季降水量占全年降水量的16%～36%(9月～11月)。黃土高原夏秋季節(jié)的降雨往往具有降雨量大、降雨強(qiáng)度高、侵蝕力強(qiáng)等特點(diǎn)，造成嚴(yán)重的水土流失。土壤侵蝕模數(shù)為5 000 t/(km2·a)～100 000 t/(km2·a)，有的地區(qū)甚至達(dá)到了20 000 t/(km2·a)，大量水資源也因此遭到嚴(yán)重?fù)p失[5,6]。黃土高原水土流失的主要來源是坡面產(chǎn)流[7-9]，坡面產(chǎn)流主要受降雨特征、地形特征和植被特征等因素共同影響。降雨量、降雨強(qiáng)度與降雨歷時(shí)是影響坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙的直接因素[10,11]。

在黃土高原地區(qū)，降雨主要為對(duì)流雨和鋒面雨。對(duì)流雨雨量大、歷時(shí)短，地表徑流多為超滲產(chǎn)流，對(duì)土壤侵蝕嚴(yán)重。鋒面雨具有降雨水平范圍大、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)的特點(diǎn)，但是降雨強(qiáng)度比較小。因此，鋒面雨對(duì)地表的沖刷力相對(duì)于對(duì)流雨要小很多，而對(duì)地表的滲透程度要大很多。在黃土高原地區(qū)，長(zhǎng)時(shí)間的鋒面雨會(huì)促使河流泥沙含量大幅增加。因此，研究黃土高原地區(qū)不同雨型條件下地表徑流產(chǎn)流過程及不同植被配置對(duì)地表徑流的影響，對(duì)控制該地區(qū)水土流失、提高水土保持與水源涵養(yǎng)能力具有十分重要的意義。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于山西省吉縣蔡家川流域，地理坐標(biāo)110°39′45″～110°47′45″E，36°14′27″～36°18′23″N，海拔950 m～1 370 m，屬黃土殘塬溝壑區(qū)。年均降水量576 mm，6月至9月降水量占全年降水量的70%左右，年均水面蒸發(fā)量1 733 mm.年平均氣溫10 ℃，≥10 ℃積溫3 358 ℃，絕對(duì)最高氣溫38.1 ℃，絕對(duì)最低氣溫-20.4 ℃.光照充足，平均日照時(shí)間為2 565.8 h，無霜期平均為172 d.流域大體為自西向東走向，長(zhǎng)約14 km，面積39 km2.土壤為褐土，黃土母質(zhì)，質(zhì)地均一，森林覆蓋率79%.上游主要為遼東櫟(QuercusliaotungensisKoidz.)、山楊(Populusdavidiana)、黑樺(Betuladahurica)、丁香(Syringaoblate)等組成的天然次生林，中游為刺槐(Robiniapseudoacacia)、油松(Pinustabulaeformis)、側(cè)柏(Platycladusorientalis)組成的人工林，下游為荒草地和農(nóng)地。

2 研究方法

選擇油松林、刺槐林、荒草地3個(gè)地類作為試驗(yàn)地進(jìn)行地表徑流觀測(cè)，試驗(yàn)地基本情況見表1.

表1 試驗(yàn)區(qū)基本情況

2011年4月，在每個(gè)試驗(yàn)林地外的空曠地區(qū)放置1個(gè)HOBO自計(jì)式翻斗雨量筒(RG3-M型，測(cè)量精度0.01 mm，Onset公司，美國(guó))，測(cè)定林外降雨量。

每個(gè)樣地內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)徑流小區(qū)的面積為5 m×20 m，在徑流小區(qū)下部安裝九孔分水堰箱，堰箱內(nèi)使用HOBO壓力式自計(jì)水位計(jì)(Onset公司，美國(guó))記錄水位變化，記錄間隔10 min，由堰箱口流出的徑流保存在蓄水池內(nèi)。同時(shí)在堰箱外部放置一支HOBO壓力計(jì)測(cè)量徑流小區(qū)的大氣壓強(qiáng)。待每場(chǎng)降雨坡面匯水過程完成后，通過測(cè)量蓄水池內(nèi)的水量得到地表徑流總量，利用該值對(duì)由壓力水位計(jì)計(jì)算得到的徑流總量進(jìn)行校正。每次測(cè)量后將蓄水池清理干凈，以防影響下一場(chǎng)降雨的徑流數(shù)據(jù)。

式中：Δh——堰箱的水位變化量，m；

Pm-Pn——降雨前后HOBO監(jiān)測(cè)到的壓力(水壓與氣壓之和)之差，kPa；

Pa——徑流小區(qū)大氣壓，kPa；

ρ——水的密度，1 000 kg/m3(4 ℃時(shí))；

g——重力加速度，9.8 m/s2.

按照降雨量、降雨歷時(shí)、10 min最大雨量、30 min最大雨量、60 min最大雨量等指標(biāo)，將黃土區(qū)的降雨分為短時(shí)局地雷暴雨(對(duì)流雨)、鋒面性雷暴雨和長(zhǎng)歷時(shí)鋒面降雨3種。筆者依據(jù)以上指標(biāo)選取典型的3類降雨，分析了這3類降雨條件下不同地類坡面地表徑流產(chǎn)流過程。

3 結(jié)果與分析

對(duì)流雨是冷暖氣流呈上下對(duì)流運(yùn)動(dòng)而形成的降雨，常出現(xiàn)于夏季午后。對(duì)流雨形成的雨滴具有大而重的特點(diǎn)，往往傾盆急降，并伴有雷電，表現(xiàn)為強(qiáng)烈的陣雨或暴雨。對(duì)流雨雨量大、歷時(shí)短，地表徑流多為超滲產(chǎn)流，土壤侵蝕嚴(yán)重。

兩種性質(zhì)不同的氣流相遇，它們中間的交界面叫鋒面。鋒面活動(dòng)時(shí)暖濕氣流上升，上升過程中由于氣溫不斷降低，水汽就會(huì)冷卻凝結(jié)形成降雨，這種降雨稱鋒面雨。鋒面雨具有降雨水平范圍大、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)的特點(diǎn)，但是降雨強(qiáng)度比較小。因此，鋒面雨對(duì)地表的沖刷力相對(duì)于對(duì)流雨要小很多，而對(duì)地表的滲透程度要大很多。在黃土高原地區(qū)，長(zhǎng)歷時(shí)的鋒面雨會(huì)促使河流泥沙含量大幅增加。

3.1 短時(shí)局地雷暴雨條件下地表徑流產(chǎn)流過程

選取2011年8月16日的降雨(16:24～17:42，歷時(shí)78 min)作為研究對(duì)象，對(duì)刺槐林地、油松林地與荒草地3種地類地表徑流數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到短時(shí)局地雷暴雨條件下地表徑流產(chǎn)流過程特征，見表2，圖1.

表2 短時(shí)局地雷暴雨條件下降雨徑流特征值

圖1 短時(shí)局地雷暴雨條件下地表徑流產(chǎn)流過程

在2011年8月16日的短時(shí)局地雷暴雨過程中，徑流產(chǎn)生條件為降雨強(qiáng)度和降雨量均達(dá)到一定程度。其中，降雨強(qiáng)度的作用較降雨量大。從表2和圖1可以看出，3種地類地表徑流產(chǎn)流過程相似，產(chǎn)流時(shí)降雨量累積值均為6.38 mm，產(chǎn)流時(shí)降雨強(qiáng)度均為8.8 mm/10 min，產(chǎn)流時(shí)較降雨開始時(shí)間滯后20 min.隨著降雨累積量的增大，產(chǎn)流逐漸增大，到達(dá)洪峰時(shí)，降雨量累積值為39.17 mm.荒草地最先到達(dá)洪峰，徑流量為0.92 mm；其次為油松林，徑流量為0.71 mm；最后為刺槐林，徑流量為0.43 mm.但3者到達(dá)洪峰時(shí)的時(shí)間相差不大。地表徑流的洪峰較雨峰滯后18 min，隨后徑流量呈逐漸下降的趨勢(shì)?；牟莸氐乇韽搅飨陆邓俣茸羁?，其次為油松林，最后為刺槐林，這與不同地類地表覆被物不同有關(guān)。刺槐林地表面草本及枯落物的涵水能力最強(qiáng)，其次為油松林地，荒草地最差。在此雨型下，刺槐林和油松林地表徑流持續(xù)時(shí)間為90 min，荒草地地表徑流持續(xù)時(shí)間為80 min.

雖然3種地類地表徑流產(chǎn)流過程相似，但是產(chǎn)流量差異很大。由表2可以看出，在短時(shí)局地雷暴雨條件下，刺槐林地、油松林地和荒草地的徑流深大小依次為：荒草地(3.06 mm)>油松林地(2.54 mm)>刺槐林地(1.44 mm)，徑流系數(shù)大小依次為：荒草地(6.78%)>油松林地(5.61%)>刺槐林地(3.19%)。

因此，在短時(shí)局地雷暴雨條件下，不同地類的地表徑流產(chǎn)流過程相似，但是徑流深和徑流系數(shù)不同。這是因?yàn)樵诙虤v時(shí)強(qiáng)降雨條件下，植物截留量、雨期蒸發(fā)量和填洼量較小，大部分降雨穿過林木冠層落到地面，此時(shí)降雨量超過土壤的下滲能力，多余的降雨形成超滲產(chǎn)流。因此，降雨時(shí)間較短、降雨量較大，是造成這3種地類產(chǎn)流時(shí)降雨量、降雨強(qiáng)度、產(chǎn)流時(shí)間、洪峰滯后雨峰時(shí)間和徑流持續(xù)時(shí)間等地表徑流產(chǎn)流條件及產(chǎn)流過程特征相近的根本原因。

3.2 鋒面性雷暴雨條件下典型地類產(chǎn)流過程

選取2011年7月30日的降雨(2:35～18:46，歷時(shí)971 min)作為研究對(duì)象，對(duì)3種地類地表徑流數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到鋒面性雷暴雨條件下地表徑流產(chǎn)流過程特征，見第4頁(yè)表3,圖2.

在2011年7月30日的鋒面性雷暴雨過程中，降雨歷時(shí)長(zhǎng)，降雨量大，徑流產(chǎn)生條件亦為降雨強(qiáng)度和降雨量均達(dá)到一定程度。其中，降雨量的作用較降雨強(qiáng)度大。從表3和圖2可以看出，3種地類地表徑流產(chǎn)流過程大致相似，均隨著降雨量的增加產(chǎn)生了2次較大洪峰。刺槐林地、油松林地和荒草地的地表徑流產(chǎn)流過程存在一定差異，產(chǎn)流時(shí)降雨量累積值分別為6.60 mm,5.72 mm,4.84 mm，產(chǎn)流時(shí)降雨強(qiáng)度均為3.08 mm/10 min，產(chǎn)流啟動(dòng)時(shí)間較降雨開始時(shí)間分別滯后60 min,50 min,40 min.隨著降雨累積量不斷增大，各地類徑流量也不斷增大。油松林地與荒草地第1次到達(dá)洪峰時(shí)間相近，刺槐林地到達(dá)洪峰時(shí)間較油松林地與荒草地推后80 min，洪峰時(shí)地表徑流量分別為0.025 mm,0.029 mm,0.039 mm.由于降雨減弱，各地類地表徑流量呈逐漸下降趨勢(shì)，第1次地表徑流洪峰較雨峰分別滯后360 min，280 min，280 min.在降雨中期出現(xiàn)一次較大子雷暴雨降雨過程，因此，地表徑流出現(xiàn)第2次洪峰，刺槐林地、油松林地和荒草地地表徑流分別為0.027 mm，0.034 mm，0.044 mm.由于前期各地類土壤表層水分已接近飽和，因此，各地類第2次洪峰出現(xiàn)時(shí)間幾乎相同，此次洪峰較雨峰分別滯后880 min,890 min,880 min.降雨雖然停止，但是地表徑流仍在產(chǎn)生，各地類地表徑流呈現(xiàn)逐漸消退趨勢(shì)?；牟莸氐乇韽搅飨陆邓俣茸羁?，其次為油松林，最后為刺槐林，與短時(shí)局地雷暴雨條件下徑流消退特征一致。徑流持續(xù)時(shí)間分別為1 730 min，1 790 min，1 690 min.

表3 鋒面性雷暴雨條件下降雨徑流特征值

圖2 鋒面性雷暴雨條件下地表徑流產(chǎn)流過程

3種地類產(chǎn)流量也不同，刺槐林地、油松林地和荒草地的徑流深大小依次為：荒草地(4.06 mm)>油松林地(3.32 mm)>刺槐林地(2.44 mm)，徑流系數(shù)大小依次為：荒草地(4.94%)>油松林地(4.05%)>刺槐林地(2.98%)。

因此，在鋒面性雷暴雨條件下，不同地類的地表徑流產(chǎn)流過程、徑流深和徑流系數(shù)均不同。這是因?yàn)樵阡h面性雷暴雨條件下，降雨歷時(shí)長(zhǎng)，降雨量大，并且期間夾有若干場(chǎng)子雷暴雨，當(dāng)降雨量累積到一定程度時(shí)，降雨強(qiáng)度在較低水平便可啟動(dòng)徑流。在3種地類中，產(chǎn)流前的降雨累積值、啟動(dòng)滯后時(shí)間、洪峰較雨峰滯后時(shí)間、徑流持續(xù)時(shí)間以及徑流深和徑流系數(shù)不同，均與不同地類的林分結(jié)構(gòu)、地表覆被情況、枯枝落葉層厚度、土壤質(zhì)地有關(guān)。由于刺槐林具有較好的喬灌草林分結(jié)構(gòu)，因此，在攔蓄徑流、減弱徑流侵蝕方面優(yōu)于油松林地和荒草地。

3.3 長(zhǎng)歷時(shí)鋒面降雨條件下典型地類產(chǎn)流過程

選取2011年9月18日的降雨(18日13:34～19日2:29，歷時(shí)775 min)作為研究對(duì)象，對(duì)3種地類地表徑流數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到長(zhǎng)歷時(shí)鋒面降雨條件下地表徑流產(chǎn)流過程特征，見表4，第5頁(yè)圖3.

表4 長(zhǎng)歷時(shí)鋒面降雨條件下降雨徑流特征值

此次降雨歷時(shí)長(zhǎng)、降雨量小，因此降雨強(qiáng)度較小。徑流產(chǎn)生的條件由降雨強(qiáng)度和降雨量共同決定轉(zhuǎn)變?yōu)榻涤陱?qiáng)度無影響、降雨量達(dá)到一定值時(shí)啟動(dòng)，降雨量累積值是關(guān)鍵因子。從表4和圖3可以看出，在2011年9月18日的長(zhǎng)歷時(shí)鋒面降雨過程中，刺槐林地、油松林地和荒草地的地表徑流產(chǎn)流過程不同，產(chǎn)流時(shí)降雨量累積值分別為14.74 mm，13.2 mm，9.68 mm，產(chǎn)流時(shí)降雨強(qiáng)度不顯著，產(chǎn)流時(shí)較降雨開始時(shí)間分別滯后340 min，320 min，290 min.隨著降雨量增多，地表徑流出現(xiàn)2次明顯的洪峰。第1次洪峰時(shí)，荒草地地表徑流最先達(dá)到洪峰，其次為油松林地，最后為刺槐林地，且徑流量大小順序?yàn)椋夯牟莸?油松林地>刺槐林地，地表徑流的洪峰較雨峰分別滯后200 min，100 min，80 min.隨著降雨量持續(xù)增加，徑流量也隨之增長(zhǎng)，進(jìn)而出現(xiàn)第2次洪峰，到達(dá)洪峰的先后順序與第1次洪峰相同，但徑流量不同，荒草地的徑流量顯著高于油松林地和刺槐林地。這是因?yàn)橛退闪值嘏c刺槐林地地被物的涵水能力顯著優(yōu)于荒草地，刺槐林地徑流量略高于油松林地，但相差不大。在前期降雨過程中，二者地被物涵水量已飽和，對(duì)多余的降雨不再有攔蓄作用，多余的林內(nèi)降雨均形成地表徑流。第2次洪峰時(shí)，荒草地、油松林地和刺槐林地地表徑流的洪峰較雨峰分別滯后170 min，170 min，150 min.3種地類徑流持續(xù)時(shí)間分別為770 min，760 min，750 min.

圖3 長(zhǎng)歷時(shí)鋒面降雨條件下地表徑流產(chǎn)流過程

由表4可以看出，3種地類的產(chǎn)流量也不同，刺槐林地、油松林地和荒草地的徑流深大小依次為：荒草地(1.31 mm)>油松林地(1.08 mm)>刺槐林地(0.98 mm)，徑流系數(shù)大小依次為：荒草地(4.22%)>油松林地(3.47%)>刺槐林地(3.17%)。

因此，在長(zhǎng)歷時(shí)鋒面降雨條件下，不同地類的地表徑流產(chǎn)流過程、徑流深和徑流系數(shù)也不同。這是因?yàn)樵陂L(zhǎng)歷時(shí)鋒面降雨條件下，降雨量大、降雨歷時(shí)長(zhǎng)，但降雨強(qiáng)度不高。與短時(shí)局地雷暴雨、鋒面性雷暴雨相比，坡面產(chǎn)流時(shí)需要的降雨累積值相對(duì)較高。在這種情況下，降雨強(qiáng)度不作為啟動(dòng)徑流的必要條件，而前期的降雨累積值則是產(chǎn)流的必要條件。產(chǎn)流前的降雨累積值、啟動(dòng)滯后時(shí)間、洪峰較雨峰滯后時(shí)間、徑流持續(xù)時(shí)間以及徑流深和徑流系數(shù)的不同與長(zhǎng)歷時(shí)鋒面降雨研究結(jié)果相同，均與不同地類的林分結(jié)構(gòu)、地表覆被情況、枯枝落葉層厚度、土壤質(zhì)地有關(guān)。

4 結(jié)論與討論

1) 從降雨—徑流變化的總體情況看，短時(shí)局地雷暴雨具有降雨歷時(shí)短、降雨強(qiáng)度大、產(chǎn)流時(shí)間短、徑流持續(xù)時(shí)間短等特點(diǎn)。鋒面性雷暴雨具有降雨量大、降雨歷時(shí)長(zhǎng)、產(chǎn)流時(shí)間較短、徑流持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)等特點(diǎn)。長(zhǎng)歷時(shí)鋒面降雨具有雨量大、降雨歷時(shí)長(zhǎng)、降雨強(qiáng)度大、產(chǎn)流時(shí)間較長(zhǎng)、徑流持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)等特點(diǎn)。具體特征值見表5.在短時(shí)局地雷暴雨過程中，產(chǎn)流的關(guān)鍵條件是降雨強(qiáng)度需要達(dá)到一定水平。鋒面性雷暴雨過程中，降雨強(qiáng)度和降雨量均對(duì)產(chǎn)流有影響，但是降雨量的作用比降雨強(qiáng)度大。而在長(zhǎng)歷時(shí)鋒面降雨過程中，產(chǎn)流的關(guān)鍵條件是啟動(dòng)前降雨累積量需要達(dá)到一定水平。

表5 不同降雨條件下地表徑流產(chǎn)流特征值

2) 在不同雨型條件下，荒草地的徑流量、徑流深和徑流系數(shù)均大于刺槐林地和油松林地。在降雨特征相同、地形相似的情況下，影響不同地類徑流特征的主要因素是林分結(jié)構(gòu)。林下灌木層和草本層能夠有效攔蓄一部分降雨，穿過林隙到達(dá)地表的降雨量減少，可有效減少地表徑流，防治水土流失。此外，地表覆被物對(duì)地表徑流的攔截作用也不同。刺槐林地表覆被物不僅有草本植物，還有枯落物層及土壤表層豐富的毛細(xì)根。這種闊葉類枯落物經(jīng)過長(zhǎng)期分解，未分解層、半分解層、腐殖質(zhì)層等均具有較好的涵水功能，能有效攔蓄降水，減少地表徑流。油松人工林林齡短，林下無灌木層與草本層，且針葉林枯落物較刺槐林少。因此，在各類雨型條件下，油松人工林對(duì)降雨的攔蓄作用較刺槐林差，地表徑流較刺槐林大。