元陽梯田水源區全福莊小流域降雨及徑流特征李巖

彭永剛+朱興耀

摘要：對元陽梯田水源區全福莊小流域進行了定位觀測實驗,收集了多年降水和徑流資料,采用統計的方法分析了該地區降雨量與徑流量的特征。結果表明:全福莊小流域降雨年度分布不均,年內主要集中在5~9月,以小雨最多,占總降雨場次的59.12%;研究區年徑流深1429.58mm,徑流量年內變化不明顯,小流域一年四季常流水;降雨是產生徑流的主要因素,但不是唯一因素。由小流域降雨和徑流對比可知,全福莊小流域的森林植被對徑流具有良好的調節功能。

關鍵詞：梯田;小流域;降雨;徑流

收稿日期：20140403

基金項目：國家自然科學基金項目(編號:41371066)資助

作者簡介：李巖（1987—），男，河南周口人,回族,西南林業大學環境科學與工程學院碩士研究生。中圖分類號：S157.1文獻標識碼：A文章編號：16749944(2014)05000104

1引言

流域是水土流失研究的基本單元,揭示流域產流特征,分析其影響因子,是森林水文學研究的重要課題。流域是由坡面與河系構成［1］,其產流與產流過程,因受多種因素影響,遠較坡面產流復雜［2］。不同的降雨,不同的植被,在不同時期,不同的地區［3~6］對徑流都會產生不同的影響。由于流域產流的復雜性,短期的野外觀測是不能夠滿足研究需要的。因此,設置觀測站,長時間對小流域降雨徑流過程進行定點觀測成為了流域產流特征研究的經典實驗方法。

元陽縣位于云南省南部的低緯度高海拔地區,地處哀牢山脈南段,紅河中游南岸。地理位置為東經102°27′~103°13′,北緯22°49′~23°19′。元陽梯田分布在元陽縣中部［7］,梯田核心區在元陽縣境內面積約有1.32×104hm2,這些梯田坐落在海拔700~1900m、坡度為15°~75°間［8］的山嶺溝壑之間,距今已有1300多年的歷史,是中國古代梯田的杰出代表,是人類適應自然、改造自然的典范。2013年6月元陽哈尼梯田更被列入世界遺產名錄,元陽梯田之所以能夠千百年來經久不衰,至今可以良好運行是與其水源區獨特的水文效應分不開的。本文以元陽縣全福莊小流域為研究對象,在天然降雨條件下,研究其降雨和徑流特征,分析徑流和降雨之間的關系,為小流域水土保持建設、流域開發和治理提供理論指導。

2研究區概況

研究區設置在元陽梯田水源區全福莊小流域,距縣城南沙42km,距老縣城新街12km,地理位置為東經102°46′04″~102°46′39″,北緯23°05′23″~23°06′09″,小流域總面積76.87hm2。海拔高程1880~2130m,相對高差250m,屬麻栗寨河二級支溝。

全福莊小流域屬亞熱帶山地季風氣候,年平均日照時數1820.8h,蒸發量1500.6mm,年平均氣溫16.6℃,最高氣溫31.5℃,最低氣溫-2.5℃。多霧多雨,年平均霧日181d,雨日191d。多年平均降雨量1500~2000mm,干濕季分明,每年5~9月為雨季,降雨量占全年總雨量的70%以上,且暴雨多集中于雨季。小流域內土壤主要是黃棕壤和黃壤,土層較厚,約100cm,土壤剖面完整。小流域內土地利用類型以林地為主,森林覆蓋率達80%以上,植被類型為中亞熱帶常綠闊葉林,主要喬木種有石礫(LithocarpusmegalophyllusRehder et E.H.Wilson)、元江栲(CastanopsisorthacanthaFranch)、旱冬瓜(AlnusnepalensisD.Don)、云南臀果木(pygeumhenryi Dunn)等。主要灌木樹種有臭牡丹(ClerodendrumbungeistendTsiang)、野牡丹(Melastomacandidum D.Don)、廣西香花藤(AganosmaKwangsiensisTsiang)、茶(Camlliasinensis)。主要草本種有蕨菜(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

選取全福莊小流域2012~2013年的降雨、產流定位觀測數據。

3.1降水量

在小流域內卡口站屋頂處安裝JDZ05-1型自記雨量計常年連續觀測降雨,每5min記錄一次降雨量數據。可以通過觀測結果計算每場降雨的降雨量、降雨強度、降雨過程等數據。

3.2徑流量

在小流域出口引水溝道上方設立卡口站,在卡口站安裝WFH-2型水位計(精度0.5mm),每5min測量一次溝道中設置的直角三角形薄壁堰的堰前水頭H,采用直角三角堰經驗公式［9］計算小流域徑流流量。再使用統計軟件計算出逐日徑流量。直角三角堰流量公式為:

Q=1.33H2.465。

式中Q為過堰流量(m3/s),H為堰前水頭(m)。

4結果與分析

4.1全福莊小流域降雨特征

4.1.1降雨量

經過統計分析可以發現,研究區降雨量在年際之間差別還是比較大的。2012年全年降雨量1626mm,比2013年降雨總量2038mm要低20.26%。2012年、2013年的月降雨量分布情況見圖1。

圖12012、2013年月降雨量分布

根據降雨量監測數據,2012年試驗地共監測降雨139次,年降雨總量為1626mm,由圖1可知,降雨主要集中分布在5~9月,這5個月的降雨量有1263mm,占全年降雨總量的77.68%;7月為該年的最大降雨月,降雨量達到344mm,占全年降雨總量的21.16%。2012年6月19日為該年最大降雨日,此次降雨歷時3h35min,降雨量為100mm,降雨歷時短,降雨強度大。

2013年試驗地共監測到157次降雨,比2012年降雨次數明顯增加。該年降雨總量2038mm,在常年雨季5~9月降雨總量1451mm,占全年降雨總量的71.2%之外,4月、10月和12月降雨量也較往年偏多。7月為年的最大降雨月,降雨量達到561mm,比常年同期相比較大,占全年降雨總量的27.53%。全年最大降雨日不在雨季之內,為2013年12月15日,降雨歷時19h5min,降雨量99mm,降雨歷時長,雨強平穩均勻。

通過對2012年和2013年降雨總量和月降雨量分析可知:研究區降雨年內分配很不均勻,起伏較大。各年月降雨量走勢基本一致,雨季主要集中在5~9月。由于該試驗區研究開始時間較晚,兩年的降雨數據顯示的特征還不太明顯,等研究期進一步延長,多年的觀測數據集合分析,相信降雨量分布特征會更加明顯。

4.1.2降雨類型

根據24h降雨量對降雨類型進行分類［10］:0~999mm為小雨,10~2499mm為中雨,25~4999mm為大雨,>50mm為暴雨。將研究期內降雨量級統計如表1所示。

由表1統計數據可知,全福莊小流域在2012、2013年監測期間共有降雨296場,其中小雨、中雨、大雨、暴雨分別為175場、76場、37場和8場。在4種降雨類型中小雨的場次最多,占總降雨場次的5912%,隨雨量級的增大,降水的場次依次減少,尤其是大雨和暴雨的場次,遞減程度十分明顯。而從降雨量來看中雨和大雨各占降雨總量的3354%和3234%,小雨和暴雨的降雨量相差不多,所以4種雨量等級的降雨量分布呈現兩頭少,中間多的態勢。

表12012、2013年降雨場次和降雨類型

時間降雨量

/mm降雨

場次降雨類型場次小雨降雨量/mm場次中雨降雨量/mm場次大雨降雨量/mm場次暴雨降雨量/mm2012-1866341142682012-2002012-32332101132012-4457582372012-52561912514592671792012-631824167145539211002012-734427177969431051662012-8164148274592782012-9181169295742782012-1094119441181322012-11748494652012-1241434137合計162613988336324881655732452013-13087101202013-25375202332013-34875162322013-4131126255801262013-526419830712541092013-6230148343562541862013-75613010531016792801612013-829419103945638821112013-91021512443582013-10150147266991252013-1196692013-12166636115146199合計20381578731244741216285357總計36642961756487612293711858602

從表1還可以看出,對小流域地表徑流影響較大的大雨和暴雨在2013年的場次和降雨總量都比2012年顯著增加,且2013年的總雨量也比2012年增加2534%。這說明研究區正逐漸脫離2009年開始的云南全省大旱的影響,氣候也在恢復濕潤。

2014年5月綠色科技第5期4.2全福莊小流域徑流特征

由全福莊小流域徑流觀測數據統計得出,2012年研究區徑流總量為11004萬m3,年徑流深為143155mm;2013年徑流總量10974萬m3,年徑流深142761mm。研究區年際間變化不大。將2012年和2013年各月徑流量繪制如圖2。

從圖2中可以看出,小流域每月徑流量變化不是很大,2012年徑流量最大月是在8月份,為1251255m3,2013年徑流量最大是在7月,為1334616m3,分別占當年徑流總量的1137%和1216%。2012年徑流量最小月是2月的6628065m3,2013年徑流量最小月則是在6月的6979158m3,分別占當年徑流總量的602%和636%。兩年的徑流月分布情況還顯示出,旱季中后期的2~4月和雨季前期的5、6月這5個月的徑流量變化極小,月徑流量均在7萬m3左右。從7月開始,月徑流量開始明顯增長,雨季結束時開始回落,一直到次年1月。

圖22012、2013年月徑流量分布

4.3全福莊小流域降雨和徑流之間的關系

降雨是徑流的主要來源,也是形成徑流的首要環節。一般來說,降雨量越大,產生河川徑流就越大;降雨強度越大,短期內形成洪峰的可能性就越大。

圖32012年各月降雨量與徑流量

根據圖3和圖4的研究區數據顯示,研究期間的各月降雨量變化比較大,而各月徑流量變化幅度不如降雨量變化大。因為降雨和徑流之間的密切關系,徑流量大小多隨降雨量變化而變化,但并不是一一對應的。例如2012年的3~5月、7~8月和2013年的4~5月、9~10月,這些時段的降雨量是在增加但徑流量反而在減少。2013年降雨總量比2012年多出2534%,但徑流總量反而比2012年少。這些數據可以說明研究區小流域對徑流有著良好的調節作用,徑流量的大小不是僅受降雨量的影響,還有其他的影響因素。

圖42013年各月降雨量與徑流量

5結論與討論

(1)研究區降雨量年際變化較大,2013年的降雨量也比2012年增加2534%。降雨年內分布不均,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。從降雨強度來看,小雨發生的頻次最高,而中雨和大雨的降雨量最多。

(2)全福莊小流域在研究期間平均年徑流深142958mm,每月徑流量變化不大,不論雨季還是旱季常年有徑流產生。降雨量變化和徑流量變化并非一一對應,2013年降雨量比2012年明顯增加,而徑流量反而比2012年少,也就說明研究區徑流量和降雨量的相關性不明顯。

由以上結論可知,研究區的徑流量大小不是只受降雨量單一因素影響,還與土地利用類型、植被、土壤等有很大關系。全福莊小流域近年開展退耕還林還草工作以后,天然林恢復很快,研究區內大片的水源涵養林對降雨有攔蓄作用,對徑流有吸收作用,其作為“天然水庫”對小流域徑流有較好的調節作用。今后還可通過對研究區不同植被、土壤的研究,更加全面的分析小流域降雨徑流特征。

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