晋西黄土区不同空间尺度径流影响因子的辨析

王晓燕，毕华兴，高路博，常译方，许华森

(北京林业大学 水土保持学院，水土保持与荒漠化防治教育部重点实验室，北京 100083)

径流受到降水与下垫面因素的综合影响。降水因素包括降水强度、降水强度的时间变化、降水历时、降水量以及降水在流域上的分布等[1-2]；下垫面因素主要包括地形、植被、地被物、土壤等。这些因素的综合作用影响了流域内水分的水平和垂直运动并控制了流域径流的形成。

关于各因子对径流的影响，前人已做了大量的研究。在降雨与径流关系的研究中存在不同观点，有研究认为径流量与降雨量呈显著相关，与降雨强度相关性不显著[3-4]；有研究表明，径流量与降雨量关系不明显，与降雨强度关系明显[5]；也有研究认为，径流量与降雨量和降雨强度均显著相关[6-8]；还有报道指出，降雨量和径流量的相关性与降雨量的大小有关[9]。在下垫面因素和径流关系的研究中同样存在很多争议。关于森林植被对径流的影响主要有3种不同的观点[10-11]：① 森林对流域产水量影响不显著[12]；② 森林可增加流域产水量[12-13]；③ 森林可减少流域产水量[14-17]。在地形因子与径流关系的研究中，赵文武等[18]对陕北黄土丘陵沟壑区地形因子与水土流失的相关性分析表明，集水面积、坡降影响产流，而沟壑密度为非主要影响因子；吴军等[19]利用SWAT模型分析了径流对地形参数变化的响应，得出径流量与河道总长存在着很强的相关性；方海燕等[20]认为，坡面长度越长，径流入渗的可能性就越大，产流越小。以上研究分析了各因子与径流之间的相关关系，且研究结果相差较大，其主要原因在于降雨和下垫面因子对径流影响的复杂性和尺度依赖性。因此，研究不同尺度下径流及其影响因子的关系是把握其内在规律的根本途径。在坡面尺度，余新晓等[21]研究了地形和植被因素对晋西黄土区坡面径流的主要影响。李香云等[22]在考虑降雨、植被和土壤因子的条件下，分析了缙云山楠竹林地径流的主要影响因子。在流域尺度，陈建军等[23]分析了气候变化和人类活动对孤山川流域次洪径流量的影响。上述研究虽取得了一定成果，但均存在考虑的影响因子不够全面，及研究的空间尺度单一问题。因此需要综合考虑降雨、地形、植被和土壤因子对径流的影响，才能找出不同空间尺度下影响径流的主导因子。

小流域是水土流失治理的基本单元，坡面径流是流域径流的基本单元，同时也是流域洪水的重要组成部分[24]。晋西黄土区生态环境恶劣，年降雨量小且年内分布不均，短历时局地雷暴降雨场次较多，土壤疏松，是我国水土流失最为严重的区域之一。为此，本研究在晋西黄土区选择坡面和小流域2个尺度来分析径流及其影响因子的关系，以期为该区的生态建设和水土流失治理提供理论依据，同时也为水文尺度转换奠定基础。

1 研究区概况

研究区蔡家川及其嵌套流域位于黄土高原东南部，东经110°39′45″～110°47′45″，北纬36°14′27″～36°18′23″，属于山西省吉县。该区属温带大陆性气候，年均降水量575.9 mm，降水量年内分布不均匀，6-9月降水量约占年降水量的70%，降雨最大月份出现在7、8月份。年均温10.3 ℃，全年日照时数2 564.1 h，年均水面蒸发量1 732.9 mm。土壤以褐土为主。流域中上游主要是由山杨(Populusdavidiana)、白桦(Betulaplatyphylla)、辽东栎(Quercuswutaishanica)、丁香(Syzygiumaromaticum)、虎榛子(Ostryopsisdavidiana)等组成的天然次生林，中游是由刺槐(Robiniapseudoacacia)、油松(Pinustabulaeformis)、侧柏(Platycladusorientalis)等树种组成的人工林，下游为农地和荒草坡。蔡家川及其嵌套流域的基本情况见表1和图1。

7个坡面径流小区均布设在3号北坡流域之内。各径流小区的基本情况见表2，其土壤类型均为褐土性土。

2 研究方法

为了揭示不同空间尺度下降雨、地形、土壤和植被因子对径流的影响，本研究选择坡面和小流域2个尺度，应用SPSS统计分析软件和灰度关联方法对不同空间尺度下径流的影响因子进行研究。

2.1 降雨的测定

降雨量及降雨过程由常年布设在该流域空旷地面上的8个翻斗式自计雨量计观测得到。

2.2 坡面径流的测定

采用面积为20 m×5 m的标准径流小区，长期定位观测。每个径流小区底部出水口布设三角形薄壁堰监测径流小区场暴雨径流量。

图1 蔡家川及其嵌套流域分布图2号蔡家川主沟流域是包括3～6号量水堰所控制流域在内的2号量水堰控制的整个流域

表 1 蔡家川及其嵌套流域的基本情况

表 2 北坡流域7个坡面径流小区的基本情况

2.3 坡面雨前土壤含水量及郁闭度的测定

坡面雨前土壤含水量在降雨前采用烘干法测定，在每个样地设3个取样点，分6层(0 cm

坡面径流小区的郁闭度在降雨开始前与土壤含水量同时测定。

2.4 流域径流的测定

在蔡家川及其嵌套流域的出水口修建了复合型测流堰，并在各个复合型测流堰布设了自计水位计(超声波水位计)，每5 min测定1次水位，同时利用长期自计水位计(日产水研62型)进行校正。

2.5 流域地形和植被数据的处理

流域地形指数(流域面积、流域长度、流域宽度、形状系数、沟壑密度和沟道比降)是利用ARCGIS9.3对流域DEM图进行基本地形数据的提取，然后根据其定义计算得到[25]，结果见表1。流域的植被数据指森林覆被率，可以利用流域2006年的土地利用图在ARCGIS9.3中提取得到，结果见表1。

3 结果与分析

3.1 径流及其影响因子的相关性分析

为了分析不同空间尺度下各影响因子与径流之间的相关关系，本研究利用SPSS统计分析软件中的双变量相关分析(Bivariate correlations)方法，对北坡流域坡面尺度7个坡面径流小区2002-2012年6-8月的11场降雨(表3)的77个径流量数据(图2)，以及流域尺度蔡家川及其嵌套流域2004-2005年6-8月的20场降雨(表4)的140个径流量数据(图3)与其各自影响因子进行相关性分析(在2004-2006年期间，流域内没有发生较大的人为干扰，且流域内的林木均为成熟林，因此，在研究期间森林覆被率不变)。结果表明，在不同的空间尺度下，降雨量和降雨强度均与径流量呈正相关，植被因子(郁闭度和森林覆被率)与径流量呈负相关；在坡面尺度，雨前土壤含水量和坡度均与径流量呈正相关；在流域尺度，流域面积和形状系数与径流量呈负相关，沟道比降与径流量呈正相关。从分析结果可以看出，用任何单一因子来预测径流均不能得出良好的预测结果，这主要是因为径流是降雨、地形地貌、植被和土壤等因子综合影响的结果，其中某一因子对径流的影响由于其他因子的存在而不显著。为了进一步研究不同空间尺度下各影响因子对径流影响的重要性，本研究进一步用灰度关联方法来分析不同空间尺度下径流的主导影响因子。

表 3 北坡流域7个坡面径流小区2002-2012年6-8月11场降雨的特征值

表 4 蔡家川流域2004-2005年6-8月20场降雨的特征值

图2 11场降雨条件下北坡流域7个坡面径流小区的径流量

图3 20场降雨条件下蔡家川及其嵌套流域的径流量

3.2 坡面尺度下影响径流的主导因子

如前所述，径流是降雨和下垫面因素综合影响的结果，为了研究坡面尺度下径流的主要影响因子，本研究在参考前人研究[3-7,18,20-22]的基础上，选择降雨量、降雨强度、坡度、雨前土壤含水量和郁闭度5个因子，根据11场降雨数据，采用灰度关联方法分析北坡流域坡面径流的主要影响因子，得到坡面径流影响因子的灰度关联度值及其对径流影响的权重值，结果见表5。

因子的灰度关联度值越大，说明比较因子对坡面径流的影响越大。由表5可以看出，对坡面径流影响最大的因子为降雨强度，权重为21.84%；其次为郁闭度、雨前土壤含水量和降雨量；对坡面径流影响最小的因子为坡度，权重为16.39%。说明在坡面尺度，降雨强度对径流的影响大于降雨量。

从上述分析结果可以看出，研究区降雨强度是决定产流的最主要因素，也验证了研究区的坡面径流主要以超渗产流为主，即当降雨强度大于土壤入渗速率时即可产生地表径流。

有研究发现，结皮能显著减小土壤入渗，提高产流能力[26-27]。森林覆盖条件下由于林冠对降雨的截留和地被物对地表土壤的覆盖，减小了土壤结皮的形成，从而推迟了产流时间，并减小了产流量。同时，由于森林植被对土壤结构的改变，增加了土壤孔隙度，提高了土壤的入渗速率，也对推迟产流时间发挥了一定的促进作用，从而降低了产流量。

雨前土壤含水量对径流的作用主要表现在促进径流的形成上。雨前土壤含水量越高，径流形成的越早，径流量也越大。

坡面尺度上，由于汇流时间短，在产流形成之后，于很短的时间内径流就能到达径流小区底部，因此，对产流过程影响较大的降雨强度、郁闭度和雨前土壤含水量是坡面径流的主要影响因子。

表 5 北坡流域坡面径流各影响因子的灰度关联度值

3.3 小流域尺度下影响径流的主导因子

在小流域尺度，土壤含水量受到气象、地形、土壤和植被等因子的综合影响。本研究区土壤类型单一，为褐土性土，且小流域的雨前土壤含水量难以获取，因此在流域尺度上不考虑土壤及其水分因子。人类活动对蔡家川各嵌套小流域的影响不同，其对研究区小流域的影响主要体现在各小流域间的沟道工程和经营模式的不同，鉴于人类活动对流域径流的影响方式较多，且较难量化，因此本研究选择易于量化的森林覆被率作为人类活动对小流域径流影响的量化指标，并根据赵文武等[18]的研究结果，选择流域面积、形状系数和沟道比降代表地形因子，综合考虑降雨量、降雨强度、森林覆被率和地形因子(流域面积、形状系数和沟道比降)对径流的影响。基于研究区2004-2005年的20场降雨径流数据,分析小流域尺度径流的主要影响因子，得到影响小流域径流的各因子的灰度关联度值及其对小流域径流影响的权重值，结果见表6。由表6可以看出，在小流域尺度，对径流影响最大的是降雨量和流域面积，其次为形状系数、降雨强度，森林覆被率和沟道比降对径流的影响最小。在降雨对径流的影响中，降雨量对径流的影响大于降雨强度，其权重分别为18.11%和17.57%。

径流的形成是降雨后先出现坡面产流，经过坡面和河网汇流后，最后到达流域出水口。在坡面尺度，由于汇流时间太短，所以径流量主要由引起产流变化的因子来决定。在流域尺度，产生地表径流后要经过较长时间的汇流才能达到流域总出水口，因此流域径流量主要由引起汇流变化的因子来决定。

在汇流过程中，随着汇流面积的增大和汇流时间的延长，增加了土壤入渗时间，导致土壤入渗量增大；并且随着汇流时间的延长，汇聚的径流量增加，导致水流能量增加，水流能量增加到一定强度后，与降雨强度相比降雨量对径流的影响有所增强，且随着流域面积的继续增大，降雨量对径流的影响越大，降雨强度对径流的影响越小。

流域面积是决定汇流时间的主要因子，流域面积越大，汇流时间越长，土壤入渗量越大，到达流域总出水口的径流量越小。蔡强国等[28]认为，在次降雨过程中，土壤结皮的发育经历“形成-破坏-再形成”的变化。因此，在更大尺度的流域，流域面积对径流的影响在土壤结皮经历“形成-破坏-再形成”后将有所减小。

森林对汇流过程的影响主要表现在森林植被对地表的覆盖，增加了地表粗糙度，延长了汇流时间，增加了入渗量。汇流主要由下垫面因子所决定，植被因子引起的下垫面变化对径流的影响随着观测尺度的增大被弱化，下垫面变化主要由地形因子所决定。因此，在汇流过程中，地形因子对径流的影响大于植被因子。

表 6 蔡家川及其嵌套流域径流影响因子的灰度关联度值

4 结论与讨论

本研究通过对晋西黄土区坡面和小流域尺度影响径流的主导因子灰度关联度分析，可以得到以下结论。

(1)在不同的空间尺度降雨对径流的影响规律不尽相同。在坡面尺度，降雨强度对径流的影响大于降雨量；在流域尺度，降雨量对径流的影响大于降雨强度。方海燕等[20]对黄土丘陵沟壑区坡面产流影响因素的研究表明，在所有降雨特征值与径流系数的相关性中，降雨强度与径流系数的相关系数最大。贺康宁等[5]在坡面径流规律的研究中也得出与本研究相同的结论。

(2)在不同的空间尺度,降雨和植被对径流的共同作用规律不尽相同。在坡面尺度，植被对径流的影响大于降雨量；在小流域尺度，植被对径流的影响小于降雨量。陈建军等[23]对孤山川流域次洪径流量的影响因子的研究表明，表征气候变化的降雨量对径流的影响远远大于表征人类活动的植被因子。宫渊波等[29]认为，植被因素对较小面积的小流域具有较强的拦截降水作用，但随着小流域面积的增大及土地类型的复杂化，这种作用会逐渐减弱。

(3)在坡面和小流域尺度,表征坡度的地形因子对径流的影响均较小，流域面积和形状系数在小流域尺度对径流的影响较大。余新晓等[21]在与本研究相同的区域内，研究了地形和植被因素对坡面径流的影响，结果显示郁闭度对坡面径流的影响作用较大，坡度的影响最小，与本研究结果一致。流域面积和形状系数通过影响坡地汇流时间而对径流产生主要影响，随着坡长的增加产流减小。方海燕等[20]认为，坡面长度越长，径流入渗的可能性就越大，从而会导致产流减小。赵文武等[18]在陕北黄土丘陵沟壑区地形因子对流域径流影响的分析中发现，集水面积是影响产流的主要影响因子，与本研究结果相符。

(4)本研究综合考虑降雨、地形、植被和土壤因子对径流的影响，分析了各因子在不同空间尺度对径流的影响。结果表明：在坡面尺度，降雨强度和郁闭度是径流的主要影响因子；在小流域尺度，流域面积和降雨量是径流的主要影响因子。该结果为水文尺度转换这一国际难题的深入研究奠定了理论基础。

(5)通过分析不同空间尺度下森林植被因子对径流的影响，可为晋西黄土区水资源安全以及区域林业可持续发展的宏观战略决策提供理论依据和数据支撑。

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