元阳梯田水源区全福庄小流域降雨及径流特征李岩

彭永刚+朱兴耀

摘要：对元阳梯田水源区全福庄小流域进行了定位观测实验,收集了多年降水和径流资料,采用统计的方法分析了该地区降雨量与径流量的特征。结果表明:全福庄小流域降雨年度分布不均,年内主要集中在5~9月,以小雨最多,占总降雨场次的59.12%;研究区年径流深1429.58mm,径流量年内变化不明显,小流域一年四季常流水;降雨是产生径流的主要因素,但不是唯一因素。由小流域降雨和径流对比可知,全福庄小流域的森林植被对径流具有良好的调节功能。

关键词：梯田;小流域;降雨;径流

收稿日期：20140403

基金项目：国家自然科学基金项目(编号:41371066)资助

作者简介：李岩（1987—），男，河南周口人,回族,西南林业大学环境科学与工程学院硕士研究生。中图分类号：S157.1文献标识码：A文章编号：16749944(2014)05000104

1引言

流域是水土流失研究的基本单元,揭示流域产流特征,分析其影响因子,是森林水文学研究的重要课题。流域是由坡面与河系构成［1］,其产流与产流过程,因受多种因素影响,远较坡面产流复杂［2］。不同的降雨,不同的植被,在不同时期,不同的地区［3~6］对径流都会产生不同的影响。由于流域产流的复杂性,短期的野外观测是不能够满足研究需要的。因此,设置观测站,长时间对小流域降雨径流过程进行定点观测成为了流域产流特征研究的经典实验方法。

元阳县位于云南省南部的低纬度高海拔地区,地处哀牢山脉南段,红河中游南岸。地理位置为东经102°27′~103°13′,北纬22°49′~23°19′。元阳梯田分布在元阳县中部［7］,梯田核心区在元阳县境内面积约有1.32×104hm2,这些梯田坐落在海拔700~1900m、坡度为15°~75°间［8］的山岭沟壑之间,距今已有1300多年的历史,是中国古代梯田的杰出代表,是人类适应自然、改造自然的典范。2013年6月元阳哈尼梯田更被列入世界遗产名录,元阳梯田之所以能够千百年来经久不衰,至今可以良好运行是与其水源区独特的水文效应分不开的。本文以元阳县全福庄小流域为研究对象,在天然降雨条件下,研究其降雨和径流特征,分析径流和降雨之间的关系,为小流域水土保持建设、流域开发和治理提供理论指导。

2研究区概况

研究区设置在元阳梯田水源区全福庄小流域,距县城南沙42km,距老县城新街12km,地理位置为东经102°46′04″~102°46′39″,北纬23°05′23″~23°06′09″,小流域总面积76.87hm2。海拔高程1880~2130m,相对高差250m,属麻栗寨河二级支沟。

全福庄小流域属亚热带山地季风气候,年平均日照时数1820.8h,蒸发量1500.6mm,年平均气温16.6℃,最高气温31.5℃,最低气温-2.5℃。多雾多雨,年平均雾日181d,雨日191d。多年平均降雨量1500~2000mm,干湿季分明,每年5~9月为雨季,降雨量占全年总雨量的70%以上,且暴雨多集中于雨季。小流域内土壤主要是黄棕壤和黄壤,土层较厚,约100cm,土壤剖面完整。小流域内土地利用类型以林地为主,森林覆盖率达80%以上,植被类型为中亚热带常绿阔叶林,主要乔木种有石砾(LithocarpusmegalophyllusRehder et E.H.Wilson)、元江栲(CastanopsisorthacanthaFranch)、旱冬瓜(AlnusnepalensisD.Don)、云南臀果木(pygeumhenryi Dunn)等。主要灌木树种有臭牡丹(ClerodendrumbungeistendTsiang)、野牡丹(Melastomacandidum D.Don)、广西香花藤(AganosmaKwangsiensisTsiang)、茶(Camlliasinensis)。主要草本种有蕨菜(Pteridiumaquilinum var.Catiusculus(Desv.) Underw)、芨草(Achnatherumsplendens (Trin.) Nevski)、喜花草(EranthemumnervosumR.Br.ex.Roem.et.Schult)、莎草(Schizaeadigitata)等。

3研究方法

选取全福庄小流域2012~2013年的降雨、产流定位观测数据。

3.1降水量

在小流域内卡口站屋顶处安装JDZ05-1型自记雨量计常年连续观测降雨,每5min记录一次降雨量数据。可以通过观测结果计算每场降雨的降雨量、降雨强度、降雨过程等数据。

3.2径流量

在小流域出口引水沟道上方设立卡口站,在卡口站安装WFH-2型水位计(精度0.5mm),每5min测量一次沟道中设置的直角三角形薄壁堰的堰前水头H,采用直角三角堰经验公式［9］计算小流域径流流量。再使用统计软件计算出逐日径流量。直角三角堰流量公式为:

Q=1.33H2.465。

式中Q为过堰流量(m3/s),H为堰前水头(m)。

4结果与分析

4.1全福庄小流域降雨特征

4.1.1降雨量

经过统计分析可以发现,研究区降雨量在年际之间差别还是比较大的。2012年全年降雨量1626mm,比2013年降雨总量2038mm要低20.26%。2012年、2013年的月降雨量分布情况见图1。

图12012、2013年月降雨量分布

根据降雨量监测数据,2012年试验地共监测降雨139次,年降雨总量为1626mm,由图1可知,降雨主要集中分布在5~9月,这5个月的降雨量有1263mm,占全年降雨总量的77.68%;7月为该年的最大降雨月,降雨量达到344mm,占全年降雨总量的21.16%。2012年6月19日为该年最大降雨日,此次降雨历时3h35min,降雨量为100mm,降雨历时短,降雨强度大。

2013年试验地共监测到157次降雨,比2012年降雨次数明显增加。该年降雨总量2038mm,在常年雨季5~9月降雨总量1451mm,占全年降雨总量的71.2%之外,4月、10月和12月降雨量也较往年偏多。7月为年的最大降雨月,降雨量达到561mm,比常年同期相比较大,占全年降雨总量的27.53%。全年最大降雨日不在雨季之内,为2013年12月15日,降雨历时19h5min,降雨量99mm,降雨历时长,雨强平稳均匀。

通过对2012年和2013年降雨总量和月降雨量分析可知:研究区降雨年内分配很不均匀,起伏较大。各年月降雨量走势基本一致,雨季主要集中在5~9月。由于该试验区研究开始时间较晚,两年的降雨数据显示的特征还不太明显,等研究期进一步延长,多年的观测数据集合分析,相信降雨量分布特征会更加明显。

4.1.2降雨类型

根据24h降雨量对降雨类型进行分类［10］:0~999mm为小雨,10~2499mm为中雨,25~4999mm为大雨,>50mm为暴雨。将研究期内降雨量级统计如表1所示。

由表1统计数据可知,全福庄小流域在2012、2013年监测期间共有降雨296场,其中小雨、中雨、大雨、暴雨分别为175场、76场、37场和8场。在4种降雨类型中小雨的场次最多,占总降雨场次的5912%,随雨量级的增大,降水的场次依次减少,尤其是大雨和暴雨的场次,递减程度十分明显。而从降雨量来看中雨和大雨各占降雨总量的3354%和3234%,小雨和暴雨的降雨量相差不多,所以4种雨量等级的降雨量分布呈现两头少,中间多的态势。

表12012、2013年降雨场次和降雨类型

时间降雨量

/mm降雨

场次降雨类型场次小雨降雨量/mm场次中雨降雨量/mm场次大雨降雨量/mm场次暴雨降雨量/mm2012-1866341142682012-2002012-32332101132012-4457582372012-52561912514592671792012-631824167145539211002012-734427177969431051662012-8164148274592782012-9181169295742782012-1094119441181322012-11748494652012-1241434137合计162613988336324881655732452013-13087101202013-25375202332013-34875162322013-4131126255801262013-526419830712541092013-6230148343562541862013-75613010531016792801612013-829419103945638821112013-91021512443582013-10150147266991252013-1196692013-12166636115146199合计20381578731244741216285357总计36642961756487612293711858602

从表1还可以看出,对小流域地表径流影响较大的大雨和暴雨在2013年的场次和降雨总量都比2012年显著增加,且2013年的总雨量也比2012年增加2534%。这说明研究区正逐渐脱离2009年开始的云南全省大旱的影响,气候也在恢复湿润。

2014年5月绿色科技第5期4.2全福庄小流域径流特征

由全福庄小流域径流观测数据统计得出,2012年研究区径流总量为11004万m3,年径流深为143155mm;2013年径流总量10974万m3,年径流深142761mm。研究区年际间变化不大。将2012年和2013年各月径流量绘制如图2。

从图2中可以看出,小流域每月径流量变化不是很大,2012年径流量最大月是在8月份,为1251255m3,2013年径流量最大是在7月,为1334616m3,分别占当年径流总量的1137%和1216%。2012年径流量最小月是2月的6628065m3,2013年径流量最小月则是在6月的6979158m3,分别占当年径流总量的602%和636%。两年的径流月分布情况还显示出,旱季中后期的2~4月和雨季前期的5、6月这5个月的径流量变化极小,月径流量均在7万m3左右。从7月开始,月径流量开始明显增长,雨季结束时开始回落,一直到次年1月。

图22012、2013年月径流量分布

4.3全福庄小流域降雨和径流之间的关系

降雨是径流的主要来源,也是形成径流的首要环节。一般来说,降雨量越大,产生河川径流就越大;降雨强度越大,短期内形成洪峰的可能性就越大。

图32012年各月降雨量与径流量

根据图3和图4的研究区数据显示,研究期间的各月降雨量变化比较大,而各月径流量变化幅度不如降雨量变化大。因为降雨和径流之间的密切关系,径流量大小多随降雨量变化而变化,但并不是一一对应的。例如2012年的3~5月、7~8月和2013年的4~5月、9~10月,这些时段的降雨量是在增加但径流量反而在减少。2013年降雨总量比2012年多出2534%,但径流总量反而比2012年少。这些数据可以说明研究区小流域对径流有着良好的调节作用,径流量的大小不是仅受降雨量的影响,还有其他的影响因素。

图42013年各月降雨量与径流量

5结论与讨论

(1)研究区降雨量年际变化较大,2013年的降雨量也比2012年增加2534%。降雨年内分布不均,雨季(5~9月)降雨量占全年的70%以上,且大雨和暴雨多分布于雨季。从降雨强度来看,小雨发生的频次最高,而中雨和大雨的降雨量最多。

(2)全福庄小流域在研究期间平均年径流深142958mm,每月径流量变化不大,不论雨季还是旱季常年有径流产生。降雨量变化和径流量变化并非一一对应,2013年降雨量比2012年明显增加,而径流量反而比2012年少,也就说明研究区径流量和降雨量的相关性不明显。

由以上结论可知,研究区的径流量大小不是只受降雨量单一因素影响,还与土地利用类型、植被、土壤等有很大关系。全福庄小流域近年开展退耕还林还草工作以后,天然林恢复很快,研究区内大片的水源涵养林对降雨有拦蓄作用,对径流有吸收作用,其作为“天然水库”对小流域径流有较好的调节作用。今后还可通过对研究区不同植被、土壤的研究,更加全面的分析小流域降雨径流特征。

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