那曲流域草地覆盖变化对降雨产流过程的影响

2019-12-03严登明翁白莎宋新山杨裕恒严登华

水资源保护 2019年6期

严登明，翁白莎，宋新山，马骏，杨裕恒，严登华

(1.东华大学环境科学与工程学院，上海 201620； 2.中国水利水电科学研究院水资源研究所，北京 100038；3.河北工程大学水利水电学院，河北邯郸 056000)

在全球气候变暖的背景下，极端水文事件发生的风险明显加大，特别是干旱和洪涝等极端水文事件严重影响了水循环演变过程[1-6]。降雨产流是水循环演变的主要组成部分，分析降雨产流的控制因素是研究流域对降雨产流响应的关键。当前研究集中于高寒地区水文循环过程，如对降水、气温、地温、土壤水分与径流的响应关系的探讨。李太兵等[7]认为多年冻土区的降水大多冻结在土壤中，用于补充土壤水分不足，而不直接产生径流。土壤水分对降水的响应明显存在较长的滞后现象，较高的植被覆盖度在一定程度上促进降水入渗[8]。一些相关的研究对高寒地区生态系统的水文循环和生态过程特点做了系统的阐述[9-10]，对高寒地区那曲三水转换机理和水资源调控的研究表明了那曲流域水循环的变化会对高原生态环境产生重大影响[11-12]。

草地是陆生生态的主要构成要素之一，是大气、水分和土壤的重要联结纽带，同时也是影响区域产汇流的关键因素。研究表明，坡地的主要产流方式非地表径流，而是以壤中流为主[13-14]，即使降水较多的区域其地表径流的产流量也存在空间异质性[15]。植被冠层截留、植被蒸散发能够引起区域水分变化，植被根系能够改变土壤结构、改善土壤透水性进而影响壤中流的变化[16-17]。因此，区域植被变化能够直接或间接引起近地表的蒸散发、截留、填洼、下渗等水文要素的变化，从而导致区域产汇流的变化。同时，植被还能够改变地表糙率等坡面流水力学特性、拦截地表蓄水量、改变坡面产汇流路径等，从而提高地表土壤的抗蚀性和抗冲性[18-21]。通常，植被覆盖度相对较低的地区，其坡面产流量与产流系数均大于植被覆盖度相对较高的地区，因而，高寒地区的植被在拦蓄降水、增加入渗、减少产流、控制土壤侵蚀等方面均有显著的效果[22-23]。

目前，对高寒地区坡面产流的研究主要集中于冰雪冻土的冻融过程，而在植被影响坡面产流过程方面还缺乏系统的研究。由于高寒地区水循环系统的特殊性，关于高寒地区草地演变影响的各种降水截留、产汇流和蒸散发等生态水循环过程的研究尚不完善，因此，开展此方面的研究有利于清楚认识高寒地区草地演变对坡面产流过程的影响机制，为坡面产流调控提供理论依据。

1 研究区概况

那曲流域是典型的高寒区域，地处青藏高原上西藏自治区北部的藏北高原，流域地理坐标为东经91°8′～92°1′、北纬30°48′～32°44′，流域面积约16 967.4 km2，属于高原亚寒带季风半湿润气候。流域具有太阳辐射强、平均气温低、日温差大、空气稀薄干燥等特点。

2 试验方法

2.1 试验装置与材料

试验采用10个自行设计的土槽(长200 cm、宽50 cm、高40 cm)模拟降雨产流过程。土槽可以自由调节坡度，用于模拟地表坡度。同时在槽内安装高度为10 cm的薄铁片，防止雨滴溅入槽内和水土流失。试验装置见图1。为了观察降水过程中的地表径流和壤中流，在土槽出口的纵断面上用铁百叶窗包裹，在百叶窗内铺设一层纱网，防止降水过程中土壤渗漏。在土槽的上端和底部安装导流装置，观察表层和土壤中的产流过程。

图1 试验装置

为了模拟那曲流域土壤植被条件，试验土壤从那曲流域采集，采集深度范围为0～40 cm。采用原状土回填的方式进行室内试验，土壤填装后，在表层以不同行距种入那曲流域草种——披碱草，浇水使草种发芽。在草生长1～2个月后用方格法测定草地覆盖度，草地覆盖度范围控制在0%～80%之间。一切准备就绪后，在中国水利水电科学研究院延庆实验基地的降雨大厅开展室内人工降雨模拟实验。

2.2 试验方案

设置不同坡度和雨强等情景进行降雨试验。坡度通过土槽的液压装置进行调节，共设置3个坡度(1°、5°、10°)。根据那曲流域当地的降雨特征设置相应的降雨强度，在降雨大厅中，通过降雨系统设定两个降雨强度：0.5 mm/min和1 mm/min。试验设计情景见表1。

表1 不同设计情景

2.3 径流量测定

试验全程监测降雨、径流形成以及对应产流过程，记录地表径流、壤中流开始产流的时间。从土槽装置开始产流起，每隔5 min对径流量进行一次采样，待产流趋于稳定后，停止降雨。其退水过程的径流样每隔10 min采集一次。

3 试验结果与分析

3.1 草地覆盖度对地表径流的影响

3.1.1地表径流开始产流时间

不同草地覆盖度下地表径流开始产流时间见图2。总体上看，在不同情景下，随着草地覆盖度的增加，开始产流的时间渐渐延长。雨强为0.5 mm/min和1 mm/min时，草地覆盖度每增加20%，开始产流时间各延长16.51%和23.19%。当草地覆盖度大于60%时，各情景下的草地覆盖度对开始产流时间不再有明显影响。随着坡度的增加，开始产流时间呈加快趋势。相比情景1，情景2和情景3地表径流开始产流时间分别加快47.04%和62%；相比情景4，情景5和情景6开始产流时间分别加快48.42%和66.73%。

图2 不同草地覆盖度下地表径流开始产流时间

3.1.2地表径流过程

不同草地覆盖度下地表径流特征见图3，地表径流整体上呈现出“快速增长-趋于平稳”的态势。

在情景1～ 3中，地表径流达到稳定产流速率的时间随着草地覆盖度的增加而延长，分别在降雨80 min、60 min和60 min后达到稳定速率，其中，裸地最早达到稳定速率，草地覆盖度为80%呈现出的最低地表径流速率分别为0.35 mm/min、0.39 mm/min和0.36 mm/min。随着坡度的增加，不同草地覆盖下地表径流平均速率呈现出增加的趋势，坡度为1°、5°和10°下地表径流平均速率分别为0.25 mm/min、0.29 mm/min和0.33 mm/min。

不同草地覆盖度下地表径流累积产流量见图4。整体上看，地表径流累积产流量随着草地覆盖度增加而减少。从情景1到情景3，草地覆盖度每增加20%，地表径流累积产流量分别平均减少6.42%、3.66%和3.86%。随着坡度的增加，不同草地覆盖度下地表径流累积产流量呈现增大趋势。坡度为1°、5°和10°时，不同草地盖度下累积径流总量分别为118.66 mm、142.31 mm和144.90 mm。

在情景4～ 6中，地表径流达到稳定产流速率的时间随着草地覆盖度的增加而延长，分别在降雨60 min、60 min和50 min后达到稳定速率。其中，裸地最早达到稳定速率，草地覆盖度为80%呈现出的最低地表径流速率分别为0.79 mm/min、0.81 mm/min和0.87 mm/min。随着坡度的增加，不同草地覆盖下地表径流平均速率呈现出增加的趋势，坡度为1°、5°和10°下地表径流平均速率分别为0.82 mm/min、0.85 mm/min和0.91 mm/min。

(a)情景1

(b)情景2

(c)情景3

(d)情景4

(e)情景5

(f)情景6

图3 不同草地覆盖度下地表径流速率

(a)情景1

(b)情景2

(c)情景3

(d)情景4

(e)情景5

(f)情景6

图4 不同草地覆盖度下地表径流累积产流量

整体上看，情景4、情景5和情景6的地表径流累积产流量随着草地覆盖度增加而减少。从情景4到情景6，草地覆盖度每增加20%，地表径流累积量分别平均减小6.71%、4.15%和3.30%。随着坡度的增加，不同草地覆盖度下累积径流总量呈现增加趋势。坡度为1°、5°和10°时，不同草地覆盖度下地表径流累积量分别为326.89 mm、358.56 mm和395.63 mm。

3.2 草地覆盖度对壤中流的影响

3.2.1壤中流开始产流时间

降雨过程中，一部分降水通过地表径流流走，另一部分随着下渗进入土壤后产生壤中流。不同情景下壤中流开始产流时间见图5，总体上看，壤中流开始产流时间随着草地覆盖度的增加而增加。雨强为0.5 mm/min和1 mm/min时，草地覆盖度每增加20%，开始产流时间分别增加9.63%和17.08%。在不同草地覆盖度下，壤中流开始产流时间随着坡度的增加而减少。随着坡度的增加，开始产流时间呈减少趋势。相比情景1，情景2和情景3壤中流开始产流时间分别减少60.8%和74.06%；相比情景4，情景5和情景6壤中流开始产流时间减少的并不明显。

图5 不同草地覆盖度不同情景下壤中流开始产流时间

3.2.2对壤中流过程的影响

不同草地覆盖度下壤中流特征如图6所示，壤中流整体上呈现出“缓慢增长--趋于平稳”的态势。从情景1到情景3中，壤中流达到稳定产流速率的时间随着草地覆盖度的增加而延长。其中，裸地呈现最低稳定速率，草地覆盖度为80%呈现出最高壤中流速率分别为0.274 mm/min、0.275 mm/min和0.284 mm/min。随着坡度的增大，不同草地覆盖度下壤中流平均速率呈现出增大的趋势，坡度为1°、5°和10°下壤中流平均速率分别为0.152 mm/min、0.154 mm/min和0.157 mm/min。

不同草地覆盖度下地表径流累积产流量见图7，整体上看，壤中流累积产流量随着草地覆盖度增加而增大。从情景1到情景3，草地覆盖度每增加20%，壤中流累积产流量分别平均增加6.55%、8.28%和7.27%。随着坡度的增大，不同草地覆盖度下壤中流累积产流量呈减小趋势。坡度为1°、5°和10°时，不同草地覆盖度下壤中流累积产流量分别为113.85 mm、109.03 mm和93.30 mm。

从情景4到情景6中，壤中流达到稳定产流速率的时间随着草地覆盖度的增加而延长。其中，裸地最早达到稳定速率，草地覆盖度为80%呈现出稳定壤中流速率分别为0.341 mm/min、0.384 mm/min和0.357 mm/min。随着坡度的增加，不同草地覆盖度下地表径流平均速率呈现出增加的趋势，坡度为1°、5°和10°下地表径流平均速率分别为 0.249 mm/min、0.256 mm/min和0.267 mm/min。

(a)情景1

(b)情景2

(c)情景3

(d)情景4

(e)情景5

(f)情景6

图6 不同草地覆盖度下壤中流速率

(a)情景1

(b)情景2

(c)情景3

(d)情景4

(e)情景5

(f)情景6

图7 不同草地覆盖度下壤中流累积产流量

整体上看，情景4、情景5和情景6的壤中流累积产流量随着草地覆盖度增加而增加。从情景4到情景6，草地覆盖度每增加20%，壤中流累积产流量分别平均增加5.30%、6.84%和5.74%。随着坡度的增加，不同草地覆盖度下壤中流累积产流量呈减少趋势。坡度为1°、5°和10°时，不同草地覆盖度下壤中流累积产流量分别为179.94 mm、163.70 mm和149.53 mm。

3.3 产流量影响因素分析

一般采用生产函数描述生产过程中投入的生产要素与最大输出之间可能存在的依赖关系。柯布-道格拉斯生产函数(Cobb-Douglas Function，C-D生产函数)通过引入技术资源因素对生产函数一般形式进行改进，主要用来预测国家或者地区的工业系统或大企业的生产，是分析发展生产途径的一种经济数学函数模型。C-D生产函数模型也被应用于水文学领域，用于拟合水文参数之间的关系。本文采用该模型模拟径流与影响因子之间的函数关系，其中各因素的指数的正负表示该因子与产流呈正相关或者负相关关系，其指数的绝对值表示各因素对产流贡献的大小。通过模型模拟出地表径流和壤中流与影响因子的函数关系式分别为

Q1=0.471I1.412S0.232V-0.085(r2=0.842)

(1)

Q2=0.586I1.473S-0.187V0.076(r2=0.878)

(2)

式中：Q1为地表径流量；Q2为壤中流流量；I为降雨强度；S为坡度；V为草地覆盖度。

3.3.1影响地表产流的因素

从式(1)可以看出，雨强、坡度与地表产流呈正相关关系，草地覆盖度与地表产流呈负相关关系。从贡献值来看，雨强最大，坡度次之，草地覆盖度最小。雨强是影响产流量的最主要因素，雨强越大，越能快速形成产流。坡度越大，地表产流的侧向运移速率会加快，从而增加产流[24-26]。草地覆盖面积越大，其对坡面流的延滞作用越显著，地表产流量越少。草地覆盖度与土壤入渗、地表产流机制有着明显的相关性，是影响地表产流的重要因素。研究表明，草地覆盖可以使雨滴降落能量有效降低，并使降雨再分配，增加土壤入渗并减少地表产流[27-29]。

3.3.2影响壤中流产流的因素

从式(2)可以看出，雨强、草地覆盖度与壤中流呈正相关关系，坡度与壤中流呈现负相关关系。从贡献值来看，仍是雨强最大，坡度次之，草地覆盖度最小。随着草地覆盖度的增加，根系密度变大，为壤中流的发育提供了有利条件，故草地覆盖度越大，壤中流越大。坡度的增大，导致地表产流增加，下渗到土壤中的降水减少，从而壤中流减少。草地覆盖度也是影响壤中流的一个重要因素。通过草地根系可改变土壤中的径流通道，从而影响壤中流的产流量。