坡面尺度不同雨型条件下地表径流产流过程分析

茹 豪

(山西省林业科学研究院，山西 太原 030012)

水资源是黄土高原地区进行植被恢复与重建的基础与根本保障[1,2]。黄土高原受副热带高压的影响，夏秋季节降水丰富。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)。黄土高原夏秋季节的降雨往往具有降雨量大、降雨强度高、侵蚀力强等特点，造成严重的水土流失。土壤侵蚀模数为5 000 t/(km2·a)～100 000 t/(km2·a)，有的地区甚至达到了20 000 t/(km2·a)，大量水资源也因此遭到严重损失[5,6]。黄土高原水土流失的主要来源是坡面产流[7-9]，坡面产流主要受降雨特征、地形特征和植被特征等因素共同影响。降雨量、降雨强度与降雨历时是影响坡面产流产沙的直接因素[10,11]。

在黄土高原地区，降雨主要为对流雨和锋面雨。对流雨雨量大、历时短，地表径流多为超渗产流，对土壤侵蚀严重。锋面雨具有降雨水平范围大、持续时间长的特点，但是降雨强度比较小。因此，锋面雨对地表的冲刷力相对于对流雨要小很多，而对地表的渗透程度要大很多。在黄土高原地区，长时间的锋面雨会促使河流泥沙含量大幅增加。因此，研究黄土高原地区不同雨型条件下地表径流产流过程及不同植被配置对地表径流的影响，对控制该地区水土流失、提高水土保持与水源涵养能力具有十分重要的意义。

1 研究区概况

研究区位于山西省吉县蔡家川流域，地理坐标110°39′45″～110°47′45″E，36°14′27″～36°18′23″N，海拔950 m～1 370 m，属黄土残塬沟壑区。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，年均水面蒸发量1 733 mm.年平均气温10 ℃，≥10 ℃积温3 358 ℃，绝对最高气温38.1 ℃，绝对最低气温-20.4 ℃.光照充足，平均日照时间为2 565.8 h，无霜期平均为172 d.流域大体为自西向东走向，长约14 km，面积39 km2.土壤为褐土，黄土母质，质地均一，森林覆盖率79%.上游主要为辽东栎(QuercusliaotungensisKoidz.)、山杨(Populusdavidiana)、黑桦(Betuladahurica)、丁香(Syringaoblate)等组成的天然次生林，中游为刺槐(Robiniapseudoacacia)、油松(Pinustabulaeformis)、侧柏(Platycladusorientalis)组成的人工林，下游为荒草地和农地。

2 研究方法

选择油松林、刺槐林、荒草地3个地类作为试验地进行地表径流观测，试验地基本情况见表1.

表1 试验区基本情况

2011年4月，在每个试验林地外的空旷地区放置1个HOBO自计式翻斗雨量筒(RG3-M型，测量精度0.01 mm，Onset公司，美国)，测定林外降雨量。

每个样地内标准径流小区的面积为5 m×20 m，在径流小区下部安装九孔分水堰箱，堰箱内使用HOBO压力式自计水位计(Onset公司，美国)记录水位变化，记录间隔10 min，由堰箱口流出的径流保存在蓄水池内。同时在堰箱外部放置一支HOBO压力计测量径流小区的大气压强。待每场降雨坡面汇水过程完成后，通过测量蓄水池内的水量得到地表径流总量，利用该值对由压力水位计计算得到的径流总量进行校正。每次测量后将蓄水池清理干净，以防影响下一场降雨的径流数据。

式中：Δh——堰箱的水位变化量，m；

Pm-Pn——降雨前后HOBO监测到的压力(水压与气压之和)之差，kPa；

Pa——径流小区大气压，kPa；

ρ——水的密度，1 000 kg/m3(4 ℃时)；

g——重力加速度，9.8 m/s2.

按照降雨量、降雨历时、10 min最大雨量、30 min最大雨量、60 min最大雨量等指标，将黄土区的降雨分为短时局地雷暴雨(对流雨)、锋面性雷暴雨和长历时锋面降雨3种。笔者依据以上指标选取典型的3类降雨，分析了这3类降雨条件下不同地类坡面地表径流产流过程。

3 结果与分析

对流雨是冷暖气流呈上下对流运动而形成的降雨，常出现于夏季午后。对流雨形成的雨滴具有大而重的特点，往往倾盆急降，并伴有雷电，表现为强烈的阵雨或暴雨。对流雨雨量大、历时短，地表径流多为超渗产流，土壤侵蚀严重。

两种性质不同的气流相遇，它们中间的交界面叫锋面。锋面活动时暖湿气流上升，上升过程中由于气温不断降低，水汽就会冷却凝结形成降雨，这种降雨称锋面雨。锋面雨具有降雨水平范围大、持续时间长的特点，但是降雨强度比较小。因此，锋面雨对地表的冲刷力相对于对流雨要小很多，而对地表的渗透程度要大很多。在黄土高原地区，长历时的锋面雨会促使河流泥沙含量大幅增加。

3.1 短时局地雷暴雨条件下地表径流产流过程

选取2011年8月16日的降雨(16:24～17:42，历时78 min)作为研究对象，对刺槐林地、油松林地与荒草地3种地类地表径流数据进行分析，得到短时局地雷暴雨条件下地表径流产流过程特征，见表2，图1.

表2 短时局地雷暴雨条件下降雨径流特征值

图1 短时局地雷暴雨条件下地表径流产流过程

在2011年8月16日的短时局地雷暴雨过程中，径流产生条件为降雨强度和降雨量均达到一定程度。其中，降雨强度的作用较降雨量大。从表2和图1可以看出，3种地类地表径流产流过程相似，产流时降雨量累积值均为6.38 mm，产流时降雨强度均为8.8 mm/10 min，产流时较降雨开始时间滞后20 min.随着降雨累积量的增大，产流逐渐增大，到达洪峰时，降雨量累积值为39.17 mm.荒草地最先到达洪峰，径流量为0.92 mm；其次为油松林，径流量为0.71 mm；最后为刺槐林，径流量为0.43 mm.但3者到达洪峰时的时间相差不大。地表径流的洪峰较雨峰滞后18 min，随后径流量呈逐渐下降的趋势。荒草地地表径流下降速度最快，其次为油松林，最后为刺槐林，这与不同地类地表覆被物不同有关。刺槐林地表面草本及枯落物的涵水能力最强，其次为油松林地，荒草地最差。在此雨型下，刺槐林和油松林地表径流持续时间为90 min，荒草地地表径流持续时间为80 min.

虽然3种地类地表径流产流过程相似，但是产流量差异很大。由表2可以看出，在短时局地雷暴雨条件下，刺槐林地、油松林地和荒草地的径流深大小依次为：荒草地(3.06 mm)>油松林地(2.54 mm)>刺槐林地(1.44 mm)，径流系数大小依次为：荒草地(6.78%)>油松林地(5.61%)>刺槐林地(3.19%)。

因此，在短时局地雷暴雨条件下，不同地类的地表径流产流过程相似，但是径流深和径流系数不同。这是因为在短历时强降雨条件下，植物截留量、雨期蒸发量和填洼量较小，大部分降雨穿过林木冠层落到地面，此时降雨量超过土壤的下渗能力，多余的降雨形成超渗产流。因此，降雨时间较短、降雨量较大，是造成这3种地类产流时降雨量、降雨强度、产流时间、洪峰滞后雨峰时间和径流持续时间等地表径流产流条件及产流过程特征相近的根本原因。

3.2 锋面性雷暴雨条件下典型地类产流过程

选取2011年7月30日的降雨(2:35～18:46，历时971 min)作为研究对象，对3种地类地表径流数据进行分析，得到锋面性雷暴雨条件下地表径流产流过程特征，见第4页表3,图2.

在2011年7月30日的锋面性雷暴雨过程中，降雨历时长，降雨量大，径流产生条件亦为降雨强度和降雨量均达到一定程度。其中，降雨量的作用较降雨强度大。从表3和图2可以看出，3种地类地表径流产流过程大致相似，均随着降雨量的增加产生了2次较大洪峰。刺槐林地、油松林地和荒草地的地表径流产流过程存在一定差异，产流时降雨量累积值分别为6.60 mm,5.72 mm,4.84 mm，产流时降雨强度均为3.08 mm/10 min，产流启动时间较降雨开始时间分别滞后60 min,50 min,40 min.随着降雨累积量不断增大，各地类径流量也不断增大。油松林地与荒草地第1次到达洪峰时间相近，刺槐林地到达洪峰时间较油松林地与荒草地推后80 min，洪峰时地表径流量分别为0.025 mm,0.029 mm,0.039 mm.由于降雨减弱，各地类地表径流量呈逐渐下降趋势，第1次地表径流洪峰较雨峰分别滞后360 min，280 min，280 min.在降雨中期出现一次较大子雷暴雨降雨过程，因此，地表径流出现第2次洪峰，刺槐林地、油松林地和荒草地地表径流分别为0.027 mm，0.034 mm，0.044 mm.由于前期各地类土壤表层水分已接近饱和，因此，各地类第2次洪峰出现时间几乎相同，此次洪峰较雨峰分别滞后880 min,890 min,880 min.降雨虽然停止，但是地表径流仍在产生，各地类地表径流呈现逐渐消退趋势。荒草地地表径流下降速度最快，其次为油松林，最后为刺槐林，与短时局地雷暴雨条件下径流消退特征一致。径流持续时间分别为1 730 min，1 790 min，1 690 min.

表3 锋面性雷暴雨条件下降雨径流特征值

图2 锋面性雷暴雨条件下地表径流产流过程

3种地类产流量也不同，刺槐林地、油松林地和荒草地的径流深大小依次为：荒草地(4.06 mm)>油松林地(3.32 mm)>刺槐林地(2.44 mm)，径流系数大小依次为：荒草地(4.94%)>油松林地(4.05%)>刺槐林地(2.98%)。

因此，在锋面性雷暴雨条件下，不同地类的地表径流产流过程、径流深和径流系数均不同。这是因为在锋面性雷暴雨条件下，降雨历时长，降雨量大，并且期间夹有若干场子雷暴雨，当降雨量累积到一定程度时，降雨强度在较低水平便可启动径流。在3种地类中，产流前的降雨累积值、启动滞后时间、洪峰较雨峰滞后时间、径流持续时间以及径流深和径流系数不同，均与不同地类的林分结构、地表覆被情况、枯枝落叶层厚度、土壤质地有关。由于刺槐林具有较好的乔灌草林分结构，因此，在拦蓄径流、减弱径流侵蚀方面优于油松林地和荒草地。

3.3 长历时锋面降雨条件下典型地类产流过程

选取2011年9月18日的降雨(18日13:34～19日2:29，历时775 min)作为研究对象，对3种地类地表径流数据进行分析，得到长历时锋面降雨条件下地表径流产流过程特征，见表4，第5页图3.

表4 长历时锋面降雨条件下降雨径流特征值

此次降雨历时长、降雨量小，因此降雨强度较小。径流产生的条件由降雨强度和降雨量共同决定转变为降雨强度无影响、降雨量达到一定值时启动，降雨量累积值是关键因子。从表4和图3可以看出，在2011年9月18日的长历时锋面降雨过程中，刺槐林地、油松林地和荒草地的地表径流产流过程不同，产流时降雨量累积值分别为14.74 mm，13.2 mm，9.68 mm，产流时降雨强度不显著，产流时较降雨开始时间分别滞后340 min，320 min，290 min.随着降雨量增多，地表径流出现2次明显的洪峰。第1次洪峰时，荒草地地表径流最先达到洪峰，其次为油松林地，最后为刺槐林地，且径流量大小顺序为：荒草地>油松林地>刺槐林地，地表径流的洪峰较雨峰分别滞后200 min，100 min，80 min.随着降雨量持续增加，径流量也随之增长，进而出现第2次洪峰，到达洪峰的先后顺序与第1次洪峰相同，但径流量不同，荒草地的径流量显著高于油松林地和刺槐林地。这是因为油松林地与刺槐林地地被物的涵水能力显著优于荒草地，刺槐林地径流量略高于油松林地，但相差不大。在前期降雨过程中，二者地被物涵水量已饱和，对多余的降雨不再有拦蓄作用，多余的林内降雨均形成地表径流。第2次洪峰时，荒草地、油松林地和刺槐林地地表径流的洪峰较雨峰分别滞后170 min，170 min，150 min.3种地类径流持续时间分别为770 min，760 min，750 min.

图3 长历时锋面降雨条件下地表径流产流过程

由表4可以看出，3种地类的产流量也不同，刺槐林地、油松林地和荒草地的径流深大小依次为：荒草地(1.31 mm)>油松林地(1.08 mm)>刺槐林地(0.98 mm)，径流系数大小依次为：荒草地(4.22%)>油松林地(3.47%)>刺槐林地(3.17%)。

因此，在长历时锋面降雨条件下，不同地类的地表径流产流过程、径流深和径流系数也不同。这是因为在长历时锋面降雨条件下，降雨量大、降雨历时长，但降雨强度不高。与短时局地雷暴雨、锋面性雷暴雨相比，坡面产流时需要的降雨累积值相对较高。在这种情况下，降雨强度不作为启动径流的必要条件，而前期的降雨累积值则是产流的必要条件。产流前的降雨累积值、启动滞后时间、洪峰较雨峰滞后时间、径流持续时间以及径流深和径流系数的不同与长历时锋面降雨研究结果相同，均与不同地类的林分结构、地表覆被情况、枯枝落叶层厚度、土壤质地有关。

4 结论与讨论

1) 从降雨—径流变化的总体情况看，短时局地雷暴雨具有降雨历时短、降雨强度大、产流时间短、径流持续时间短等特点。锋面性雷暴雨具有降雨量大、降雨历时长、产流时间较短、径流持续时间长等特点。长历时锋面降雨具有雨量大、降雨历时长、降雨强度大、产流时间较长、径流持续时间长等特点。具体特征值见表5.在短时局地雷暴雨过程中，产流的关键条件是降雨强度需要达到一定水平。锋面性雷暴雨过程中，降雨强度和降雨量均对产流有影响，但是降雨量的作用比降雨强度大。而在长历时锋面降雨过程中，产流的关键条件是启动前降雨累积量需要达到一定水平。

表5 不同降雨条件下地表径流产流特征值

2) 在不同雨型条件下，荒草地的径流量、径流深和径流系数均大于刺槐林地和油松林地。在降雨特征相同、地形相似的情况下，影响不同地类径流特征的主要因素是林分结构。林下灌木层和草本层能够有效拦蓄一部分降雨，穿过林隙到达地表的降雨量减少，可有效减少地表径流，防治水土流失。此外，地表覆被物对地表径流的拦截作用也不同。刺槐林地表覆被物不仅有草本植物，还有枯落物层及土壤表层丰富的毛细根。这种阔叶类枯落物经过长期分解，未分解层、半分解层、腐殖质层等均具有较好的涵水功能，能有效拦蓄降水，减少地表径流。油松人工林林龄短，林下无灌木层与草本层，且针叶林枯落物较刺槐林少。因此，在各类雨型条件下，油松人工林对降雨的拦蓄作用较刺槐林差，地表径流较刺槐林大。