暴雨条件下不同林型对坡面径流过程的影响

吕锡芝，康玲玲，左仲国，孙 娟，倪用鑫，吕文星

（1.黄河水利科学研究院/水利部黄土高原水土流失过程与控制重点实验室，河南 郑州 450003；2.黄河水文水资源科学研究院，河南 郑州 450003）



暴雨条件下不同林型对坡面径流过程的影响

吕锡芝1，康玲玲1，左仲国1，孙 娟1，倪用鑫1，吕文星2

（1.黄河水利科学研究院/水利部黄土高原水土流失过程与控制重点实验室，河南 郑州 450003；2.黄河水文水资源科学研究院，河南 郑州 450003）

摘 要：为研究暴雨条件下不同林型对坡面径流及径流过程的影响，采用野外定位观测与室内试验相结合的方法，分析了北京山区典型小流域不同植被下坡面上的径流及其过程特征。结果表明，不同林型对地表径流、壤中流的影响存在差异。各径流小区产流时间和滞后时间有明显差异，其中灌木林产流时间明显早于乔木林，其滞后时间也明显小于其他3个乔木林径流小区。4种林型下的地表径流产流过程与降雨过程有明显的相似性，说明产流过程主要受降雨这个起源动力的影响，而不同林型则主要影响其发生、结束时间和产流量，而对整个产流过程曲线的影响不大。相对于降雨和地表径流，各径流小区的壤中流产流过程曲线表现均相对平缓，且产流开始时间和过程曲线明显滞后于降雨和地表径流的过程曲线，这主要因为土壤的缓冲作用所致。

关键词：植被；坡面径流；地表径流；壤中流；径流过程

径流的形成与降雨（降雨量、降雨强度）、植被状况（林冠截留、地被物和枯落物的持水量）以及土壤的物理性状（土壤前期含水量、孔隙度）等因子密切相关［1-4］。降雨因子是地表径流产生的第一动因。一般来说，降雨量越大，地表径流量越大；相同雨量情况下，降雨强度越大，地表径流越易产生［5-7］。影响地表径流的因子除了降雨这个最重要的因素外，主要是植被和林地土壤。植被的存在使得林地地表有效糙率提高，阻滞和延缓地面径流，同时森林枯落物、腐烂根系、森林动物造成的土壤孔隙以及被改良的土壤可减少地面径流，增加入渗；枯落物和根系具有保土固土、减少固体径流、防止水土流失的作用［8-9］。植被状况影响地表径流是森林实现涵养水源、保持水土、削减洪峰和洪水量、减少泥沙输送量等生态水文功能的重要环节［10-14］。

植被建设作为北京山区水土保持的有效措施，近年来受到普遍重视。随着植被建设力度的加大，流域产汇流特性发生了较大变化［15-18］。前人研究多集中在植被对径流的影响上，而在暴雨条件下植被是如何影响径流过程的研究较少。鉴于此，本研究采用野外定位观测与室内试验相结合的方法，利用北京山区典型小流域不同植被下标准径流小区观测天然降水下的坡面产流状况，研究其坡面径流及过程特征，以期为研究该区域坡面尺度植被影响水文过程的机理提供有效支撑。

1　材料与方法

1.1 试验地概况

试验地位于北京林业大学西山鹫峰林场（116°05′45″E、40°03′46″N），气候属于暖温带湿润季风型大陆性气候，年均温8.5～9.5℃，≥10℃有效积温3 385～4 210℃，无霜期150 d左右，多年平均降水量600 mm，6～9月降水总量占全年降水总量的85%以上。土壤为坡积土，土层厚度60～70 cm，通气透水性较差。林型为温带落叶林带，主要乔木树种有油松（Pinus tabulaeform）、栓皮栎（Quercus variabilis）、侧柏（Platycladus orlentalis）等，主要灌木树种有构树（Broussonetia papyrifera）、荆条（Vitex negundo var.heterophylla）、孩儿拳头（Grewia biloba）等。

1.2 试验设计

在流域内坡面上设立灌木林、侧柏林、油松林、松栎混交林等4种林型固定样地4块，在固定样地内各设置一个天然降雨径流场，位置设在坡面平整的坡地上。径流场宽5 m，与等高线平行，水平投影长20 m，水平投影面积100 m2。径流场上部及两侧设置围埂，围埂外侧设置保护带，宽2 m，处理和径流场相同，下部设置集水槽，在径流场集水槽出水口安装地表径流，测量系统的平缓导流槽进行引流，确保对接严密无缝隙，承接全部径流小区出水。导流槽下垫面平坦无凸起，导流槽接入分流箱，分流箱出水口与自记雨量计装置的进水口相连。确保分流箱旁路出水口通畅，当发生较大的地表径流时，多余的径流可由此流出，地表径流及壤中流由水箱中HOBO水位计自动监测。径流场基本信息见表1。

表1　径流场基本信息

在试验样地内外各设置1个小型气象站，实时监测空气温度（℃）、降雨量（mm）、降雨强度（mm/m in）、净辐射（W/m2）、空气相对湿度（%）、风速（m/s）和风向等气象因子，数据采集频率为1次/min。

2　结果与分析

2.1 降雨和产流特征

2012年7月21日，北京遭遇特大暴雨，为1954年有记录以来的最大降雨量。除延庆外，北京90%以上的行政区域降雨量都在100 mm以上，城区平均降雨量约215 mm，有记录的最大降雨量出现在房山区、为460 mm，达到特大暴雨量级。强降雨历时之长历史罕见，强降雨一直持续近16 h。

在试验地，本次降雨过程从2012年7月21日11：43开始，持续至7月22日约2：43结束，降雨过程持续15 h，总降雨量146.8 mm，最大雨强达1.73 mm/min，降雨过程见图1。

该次暴雨过程4种林型径流小区坡面径流各组分产流量如图2所示。4种林型的坡面径流小区中，就总产流量来说，灌木径流小区总产流量最大，为1.30 mm；其次为侧柏和松栎混交径流小区，总产流量分别为0.85 mm和0.68 mm；油松径流小区总产流量最小，为0.37 mm。就地表径流来说，灌木径流小区地表径流量最大，为1.21 mm；其次为侧柏和油松径流小区，地表径流量分别为0.84 mm和0.26 mm；松栎混交林地表径流量最小，仅0.07 mm。就壤中流来说，松栎混交径流小区壤中流产流量最大，为0.61 mm；其次为油松和灌木径流小区，分别为0.11 mm和0.09 mm；侧柏径流小区的壤中流产流量最小，仅为0.01 mm。

植被减少坡面径流主要通过林冠截留、增加土壤入渗和增加坡面蒸散发而产生作用。与灌木林相比，乔木林冠层对降雨的截留量更大，一般可达降雨量的20%～30%；其蒸腾作用远远大于灌木林，因此其坡面蒸散发量更大；乔木树种的根系可达土壤下50～100 cm，而灌木根系多分布在土壤表层0～20 cm，乔木树种对增加土壤孔隙度等土壤改良作用更大，使乔木林坡面土壤入渗量远大于灌木林。此外，由于生长季雨水充沛，乔木林下也有相当密集的灌木存在。因此，乔木林坡面产流量远远小于灌木坡面产流。

2.2 坡面产流滞后特征

坡面产流方式一般有超渗产流和蓄满产流两种方式。超渗产流是指由于短时间内的高强度降雨、降雨量超过土壤的入渗量而产生的地表径流。而蓄满产流是指由于降雨量大但历时相对较长，土壤在高降水量条件下达到饱和，而随着降雨的延续逐渐产生的地表径流，此时壤中流以及其他浅层地下水流也开始产生。

本次降雨降雨量大，降雨强度较强，因此坡面产流为超渗产流，但由于降雨持续时间长，再加上坡面森林植被条件好，植被密集，坡面土壤的蓄水作用在坡面产流过程中也起到了不容忽视的作用。由于坡面土壤入渗和植被林冠截留等水文作用的影响，坡面径流发生时间一般要滞后于降雨发生时间，滞后时间的长短与坡面土壤理化性质和植被状况有关。本次降雨4种不同林型的径流小区产流滞后情况如表2所示。从表2可以看出，本次暴雨条件下，各径流小区产流明显滞后于降雨过程。各径流小区产流时间和滞后时间也有明显差异。其中，灌木径流小区于16：52开始产生径流，产流滞后降雨5 h 9 min，其产流时间明显早于其他3个乔木径流小区，滞后时间也明显小于其他3个乔木径流小区。3个乔木径流小区产流时间和滞后时间也有一定差异，其中侧柏径流小区产流较早，于17：02开始产流，滞后时间也短一些，为5 h 19 min；油松径流小区于17：06分开始产流，滞后时间为5 h 23 min；松栎混交径流小区产流时间最晚（17：12），其滞后时间也最长、为5 h 29 min。

图1　试验地降雨过程

图2　暴雨条件下各径流小区产流情况

表2　各径流小区产流滞后情况

各径流小区产流时间和滞后时间的差异主要由不同坡面土壤入渗和植被截留不同所致。灌木林的根系较浅，枯落物也较少，因此对土壤的改良作用较小，再加上其林冠截留量小，导致土壤蓄满时间较短，因此灌木林坡面与其他3个乔木林坡面相比产流时间也较早，滞后时间较短；松栎混交林坡面由于是针阔混交林，其根系和枯落物对土壤的改良作用最大，土壤理化性质良好，再加上林冠截留作用的影响，因此其土壤蓄满时间最长，坡面产流时间也最晚，滞后时间最长；侧柏林由于枯落物较少，其根系分布也较浅，对土壤的改良作用有限，林冠截留量也较小，因此在3种乔木林坡面中其产流时间最早，滞后时间也最短；油松林冠截留量较大，但其枯落物松针角质层含量大，较难分解，对土壤的改良作用也有限，因此其产流时间和滞后时间介于侧柏林坡面和松栎混交林坡面之间。

2.3 暴雨条件下地表径流产流过程

同一降雨条件下不同林型坡面的地表径流产流过程也有差异。本次暴雨条件下，各径流小区坡面地表径流产流过程如图3所示。从图3可以看出，4种林型的地表径流产流过程曲线大体上表现一致，呈现出一定的层次感，说明不同林型对地表径流的产流过程有一定的影响，但只是对地表径流发生、结束时间和径流量有明显影响，而对整个地表径流过程曲线并没有太大影响，林型之间的差异只是对这个过程改变的大小而已。观察地表径流曲线与降雨过程曲线可以看出，地表径流的产流过程与降雨过程有明显的相似性，地表径流的峰值与降雨量的峰值出现的时刻十分接近，说明地表径流的产流过程主要受降雨这个起源动力的影响，而不同林型则主要影响其发生、结束时间和产流量，而对整个产流过程曲线的影响不大。

图3　各径流小区坡面地表径流产流过程

2.4 暴雨条件下壤中流产流过程

同一降雨条件下不同植被条件坡面的壤中流产流过程也不相同。本次暴雨条件下，各径流小区坡面地表径流产流过程如图4所示。从图4可以看出，相对于降雨和地表径流，各径流小区的壤中流产流过程曲线表现均相对平缓（图3），且产流开始时间和过程曲线明显滞后于降雨和地表径流的过程曲线，这主要因为土壤的缓冲作用所致。

土壤结构的不同影响壤中流的形成过程。就4种林型坡面来说，松栎混交坡面的壤中流流量远大于其他3种坡面，侧柏坡面的壤中流流量则最低。由于混交林的根系分泌物和枯落物十分丰富，其林下土壤有较大的有机质含量和团聚体含量，土壤孔隙度也相对较高，具有较好的理化性质，土壤保水性能较好，因此松栎混交林坡面的壤中流流量最大。而侧柏林的根系分布较浅，枯落物十分稀少且较难分解，因此对土壤的改良作用较差，其土壤理化性质较差，土壤入渗作用较小，因而壤中流含量很小。

图4　各径流小区坡面壤中流产流过程

3　结语

本试验结果表明，不同林型对地表径流、壤中流的影响存在差异，4种林型的坡面径流小区中，总产流量表现为灌木＞侧柏＞松栎混交＞油松，地表径流量表现为灌木＞侧柏＞油松＞松栎混交，而壤中流量表现为松栎混交＞油松＞灌木＞侧柏。

由于坡面土壤入渗和植被林冠截留等水文作用的影响，坡面径流发生时间明显滞后于降雨发生时间，各径流小区产流时间和滞后时间也有明显差异。其中，灌木径流小区产流时间明显早于其他3个乔木径流小区，滞后时间也明显小于其他3个乔木径流小区。

同一降雨条件下，4种林型的地表径流产流过程线的形状大体上表现一致，地表径流的产流过程与降雨过程有明显的相似性，地表径流峰值与降雨量峰值出现的时刻十分接近，说明地表径流的产流过程主要受降雨这个起源动力的影响，而不同林型则主要影响其发生、结束时间和产流量，而对整个产流过程曲线的影响不大。

相对于降雨和地表径流，各径流小区的壤中流产流过程曲线表现均相对平缓，且产流开始时间和过程曲线明显滞后于降雨和地表径流的过程曲线，这主要是因为土壤的缓冲作用所致。

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（责任编辑崔建勋）

Effects of different vegetation types on slope runoff process under rainstorm condition

LYU Xi-zhi1，KANG Ling-ling1，ZUO Zhong-guo1，SUN Juan1，NI Yong-xin1，LYU Wen-xing2

（1.Yellow River Institute of Hydraulic Research/Key Laboratory of the Loess Plateau Soil Erosion and Water Loss Process and Control of Ministry of Water Resources，Zhengzhou 450003，China；2.Yellow River Institute of Hydrology and Water Resources，Zhengzhou 450003，China）

Key words：vegetation； slope runoff； surface runoff； subsurface runoff； runoff process

Abstract：In order to study the effects of different vegetation types on slope runoff and its process under rainstorm condition，we used the combination methods of field observation and laboratory test，analyzed the slope runoff characteristics under different vegetation types of typical small watershed in Beijing mountain area.The results showed that the effects of different vegetation types on surface runoff and subsurface flow were different.There were significant differences in runoff time of different runoff plots，the runoff times of shrub was significantly earlier than trees.Surface runoff processes of four vegetation types were obviously similar，which indicated that the process was mainly affected by rainfall.However，different vegetation types mainly affected its occurrence time，end time and runoff，but had small influence on the entire runoff process curve.Subsurface runoff curves of different runoff plots were relatively gentle compared with rainfall and surface runoff.And the runoff initiation time and process curve of subsurface runoff significantly lagged behind rainfall and runoff process curve，which were mainly due to the soil buffer effects.

中图分类号：S715

文献标识码：A

文章编号：1004-874X（2016）01-0079-05

收稿日期：2015-07-21

基金项目：中央级公益性科研院所基本科研业务费专项（HKF-2014-03，HFY-JBYW-2016-04）；水利部黄土高原水土流失过程与控制重点实验室开放基金（2015004）

作者简介：吕锡芝（1986-），男，博士，工程师，E-mail：nihulvxizhi@163.com