北京山區植被恢復建設對流域徑流量影響研究

趙 陽，曹文洪，王向東，涂志華，張曉明*，朱畢生，成 晨，劉 冰（1.中國水利水電科學研究院，流域水循環模擬與調控國家重點實驗室，北京 100048；2.水利部水土保持生態工程技術研究中心，北京100048；.遼寧石油化工大學，遼寧 撫順 11001）

北京山區植被恢復建設對流域徑流量影響研究

趙 陽1，2，曹文洪1，2，王向東1，2，涂志華3，張曉明1，2*，朱畢生1，2，成 晨1，2，劉 冰1，2（1.中國水利水電科學研究院，流域水循環模擬與調控國家重點實驗室，北京 100048；2.水利部水土保持生態工程技術研究中心，北京100048；3.遼寧石油化工大學，遼寧 撫順 113001）

植被恢復是山區保持水土資源、恢復生態環境的關鍵措施.為探究植被恢復對流域產水量的影響，以密云水庫集水區紅門川森林流域為研究對象，采用Mann-Kendall非參數趨勢檢驗、基于分離評判原理的水文分析法、Zhang（2001）模型等方法，定量分析了1989－2009年間北京山區氣候及森林變化對流域徑流量的影響.研究結果表明:紅門川流域年降水及產流性降水量在研究時段內均呈波動下降趨勢（P＞0.05）；流域年徑流呈顯著性減少趨勢，且年徑流量在1998 年前后發生減少突變（P＜0.01）；氣候變化對紅門川流域徑流減少貢獻率為43%，植被恢復建設導致的森林數量及質量變化對流域徑流減少貢獻率為18.6%，其他人類活動影響貢獻率為38.4%.綜合比較得知，與植被恢復建設相比，降水減少對山區產水量減少影響更大.研究結果可為北京山區森林流域水土資源規劃及管理提供參考.

森林流域；生態環境；徑流演變；造林工程；經驗模型；貢獻率

土地是人類賴以生存和發展的物質基礎［1］，土地覆被變化作為區域環境變化的重要組成部分是引發地表各種物理過程變化的主因［2］.近年來，隨著 “三北防護林防護工程”、“環北京地區防沙治沙工程”等系列重大林業生態工程的開展，我國北方山區森林植被建設效果顯著，以北京市為例，森林覆被率由1980年的12.8%提高至2013年的40%，增幅27.2%［3］.然而，在植被恢復建設取得階段性成果的同時，山區集水區來水量急劇減少，造成下游水資源日趨緊張，水危機凸顯等問題日益嚴重［4］.以官廳水庫為例，在降水量相當的情況下，1985～ 1995年間上游年均來水量僅為1955～1985年間年均來水量的1/4［4］，山區來水量的急劇減少是氣候波動變化所致還是人類活動下的土地覆被變化導致？森林作為山區主要土地利用類型，其大幅變化對山區產水量有何影響？如何量化表達？這些已成為北方山區流域水-土-植被資源可持續發展中亟待解決的焦點問題.

流域徑流資源作為保障區域社會經濟可持續發展的重要物質基礎，其在“自然-人為”耦合驅動下的變化趨勢及其驅動機制是當前生態水文學研究的熱點［5］，而如何定量區分氣候變化與植被恢復建設對流域水文循環過程和水量變化的影響是難點.近年來，諸多學者采用配對流域法、室內模擬、數理統計法、水文模型模擬等方法就氣候變化背景下的流域徑流響應規律開展了大量研究［6-11］.一致認為:1）配對流域法是開展土地覆被變化對流域產水量影響研究的最佳方法，但實驗周期長、投資大、配對流域缺乏等因素極大限制了該方法的普適性［12］；2）室內模擬法較配對流域法，成本低，實驗周期短，但室內條件難以代表野外實際情形，實驗結果可信度有所降低；3）數理統計法要以長序列數據為基礎，但長序列流域水文數據不易得到，且該方法缺乏一定的物理基礎，計算結果精度難以保證；4）水文模型結構復雜，模型參數眾多，但諸多參數缺乏物理意義，參數率定對流域實測水文氣象數據依賴性大，主觀性較強，且現有科研條件及觀測數據精度難以滿足模型需要，致使模型適用范圍受限，難以廣泛應用［10］.為此，本研究采用基于Budyko 假設的水文經驗模型模擬法就植被恢復建設對流域徑流影響開展研究，旨在為北京山區植被恢復建設提供科技支撐.該模型公式物理意義明確，已在全球多個流域得到驗證，并且計算過程簡單，能夠定量區分不同環境要素變化對流域水文要素的影響，滿足研究需要.

1 研究區概況

紅門川流域（E 117°2′～117°16′， N 40°20′～40°28′），行政隸屬于北京市密云縣，流域面積128km2.流域地處燕山山脈，海拔140～1200m，屬半干旱向半濕潤過渡的大陸性季風氣候區.流域多年平均氣溫為11.5℃，平均降水量491mm，平均水面蒸發量1360mm.流域地貌類型復雜，主要包含丘陵、低山以及中山（800m～ 1200m）等，流域地質主要由花崗巖和碳酸巖等基巖組成.流域土壤類型主要包括褐土和山地棕壤，土壤層厚度在18～55cm之間.流域森林植被類型較為豐富，代表樹種主要有側柏（Platycladus orientalis）、油松（Pinus tabuliformis）、山楊（Populus davidiana）、刺槐（Robinia pseudoacacia）、蒙古櫟（Quercus mongolica）和栓皮櫟（Quercus variabilis）等，還有一些荊條（Vitex negundovar. heterophylla）等灌叢生長.此外，經調查并查閱密云縣年鑒，紅門川流域中上游并無大中型水利工程，僅有少量小型水土保持工程措施在流域溝底零星分布.

2 數據來源與研究方法

2.1 數據來源

基于紅門川流域1990、1995、2000、2005和2010年5期30m分辨率Landsat TM遙感影像數據，以1∶10000地形圖為基圖，運用Erdas Imagine 9.2遙感圖像處理軟件［13］，選擇高斯-克里格投影，采用二次多項式糾正方法對流域5期圖像進行幾何校正（誤差不超過0.5個像元）和區域裁剪.結合中國科學院資源環境科學數據中心提供的1987年、2000年和2008年全國1:100000土地利用數據以及北京市森林資源二類調查數據（1999，2004）進行影像解譯，建立5期土地利用數據庫.參考2001年《中國土地分類系統》［14］、研究區實地野外調查資料，將流域土地利用類型劃分為5類:林地（考慮到水源涵養功能差異，又進一步劃分為:針葉林、闊葉林、混交林及灌木林等）、農田、水域、草地和建設用地.

流域降水、徑流等水文氣象數據來自流域出口水庫控制站實測數據及中華人民共和國水文年鑒《海河流域水文資料》第2冊［15］，數據年限為1989～2009年.

2.2 研究方法

2.2.1 Mann-Kendall 非參數趨勢檢驗Mann-Kendall非參數趨勢檢驗法［16］主要用于檢驗氣候和水文時間序列數據的變化趨勢，因其不受數據分布特征、異常值的干擾以及檢測能力強等優點而廣泛應用［17］.

2.2.2 Sen斜率估算法［18］水文氣象要素一旦通過上述方法確定數據存在趨勢，可以計算其斜率來估計數據序列時段內變化速率.Sen指出如果對于某一特定時間序列變量數據Y=｛y1，y2，y3，……yn｝存在線性趨勢，那么其單位時間段內的增加或下降趨勢可用下式來表達:

式中:F（t）為時間序列變量在t時刻的取值；Q為斜率；B為截距常數；為求得斜率Q的估算值，應首先計算時間序列中每對數據的斜率值Qi:

式中:xj和xk分別為時間j和k時的值，在時間序列Q中，共計可得到n個斜率估計值Qi，將n個Qi值按大小排列，中值Qm即為斜率估計值，如果n為偶數，則斜率可表達為:

如果n為奇數，則斜率km可表達為:

為了驗證假設的真實性，常用非參數檢驗法來計算Qm的95%和99%的置信區間，如果置信間上下限的Q值不包含0，則被檢測變量時間序列不存在變化趨勢的零假設被否定，因此，可以推斷存在變化趨勢.

2.2.3 基于分離評判原理的水文分析法 流域徑流量年際變化受降水及下墊面等因素影響，在天然狀態下，降水與徑流之間具有統計相關關系［19］，即在某一特定流域，如果流域下墊面條件不變，那在一定降水量條件下流域所產生的徑流量應是一定的，但如果流域下墊面發生變化，相同降水條件下流域徑流產生量則不同.對流域年徑流與年降水量的累積曲線變化趨勢確定突變點，以突變點為界將流域徑流分為天然時期即基準期和人類活動顯著影響期即變化期.然后利用基準期的流域實測降水、徑流資料，通過多元回歸分析，建立流域年降水與年徑流關系在基準期的回歸方程:

基準期與變化期的年徑流量變化值ΔQ可由以下公式進行計算:

2.2.4 多年平均水量平衡模型 多年平均水量平衡模型［20］假定流域年徑流量（Y， mm）為流域輸入項降水量（P， mm）與流域輸出項實際年蒸散發（AET， mm）的差值，公式可表達為:

式中:ΔS為流域土壤蓄水量變化，當研究時間序列大于10年時，ΔS≈0；實際蒸散發（AET）則采用Zhang［21］提供的根據全球不同氣候區域250個流域水文數據驗證的實際平均年蒸散發（AET）公式計算:

式中:PET為潛在年蒸散發量，mm；w可表征不同植被類型對土壤水的可利用程度，Zhang［21］根據全球250個流域水文及土地利用資料確定林地w為2.0，建設用地或水域w為0.結合本研究團隊前期在潮白河流域的研究及應用成果，林地用水系數w值調整為2.8［22］.

針對多種土地利用類型組成的流域，流域實際年均蒸散發計算公式表達為:

式中:fi為不同土地覆被類型（林地、草地、農田、水域等）所占流域面積比例.

3 結果與分析

3.1 降水年際變化特征及趨勢檢驗

圖1表明紅門川流域年降水量在研究時段內呈波動下降趨勢（CV=0.26）.結合Mann-Kendall非參數趨勢檢驗可知，Z=-0.09＜Z0.05= 1.96，說明年降水量在研究時段內減少趨勢不顯著.結合Sen斜率估計可知，紅門川流域年降水擬合直線斜率Qm=-0.31，進一步說明紅門川流域年降水呈減少趨勢.

圖1 降水量年際變化Fig.1 Variation of annual precipitation

圖2 年降水量趨勢檢驗Fig.2 Trend test of annual precipitation

表1 降水量趨勢檢驗統計Table 1 Statistical analysis of the precipitation trend

3.2 產流性降水變化及趨勢檢驗

降水、徑流是導致土壤侵蝕的主要動力，但只有部分降水可以發生徑流，這部分降水定義為產流性降水.結合本研究團隊鷲峰森林生態系統定位觀測站森林水量平衡場2011～2013年產流觀測結果［23］，以25.8mm/日作為北京山區森林坡面產流性降水的日雨量標準，統計了紅門川流域產流性降水的年際變化規律（圖3，圖4）.

由圖3知，紅門川流域產流性降水量在1989～2009年間呈減少趨勢，且年際間變化差異較大（CV=0.56），多年平均產流性降水為223.09mm，占流域降水量的43.37%.結合Mann-Kendall非參數趨勢檢驗和Sen斜率估計可知，Z=-1.30，Qm=-4.94，說明紅門川流域年產流性降水以每年-4.94mm的速率在減少，但減少趨勢不顯著.

圖3 產流性降水年際變化規律Fig.3 Variation of runoff generating rainfall depth

圖4 產流性降水量變化趨勢檢驗Fig.4 Trend test of runoff generating rainfall depth

表2 產流性降水量趨勢檢驗統計Table 2 Statistical trend analysis of runoff generating rainfall depth

3.3 徑流年際變化及突變點分析

紅門川流域1989～2009年間流域年徑流呈下降趨勢（圖5），結合Mann-Kendall非參數趨勢檢驗及Sen 斜率估計可知，Z=-2.08，Qm=-7.47，說明紅門川流域年徑流減少趨勢在95%置信區間內顯著，且以每年-7.47mm的速率在減少.

圖5 紅門川流域1989～2009徑流年際變化Fig.5 Changes in annual runoff from 1989～2009

由圖7知，紅門川流域年徑流率在1998年發生減少突變.1989～1997年較1998～2009年流域年徑流深減少123.24mm，減少比例為65.80%.結合獨立樣本T檢驗可知，徑流率突變點前后流域徑流深在95%置信區間內達到顯著差異水平（t=3.268，df=19，P=0.004＜0.01），說明流域徑流深在1998年發生突變.據此，將紅門川流域年徑流深時間序列劃分為兩個階段，即1989～1997年自然階段；1998～2009年人類活動顯著影響階段.

圖6 1989～2009年的年徑流趨勢檢驗Fig.6 Trend test of annual runoff within 1989～2009

表3 1989～2009年年徑流趨勢檢驗統計Table 3 Statistical trend test of annual runoff within 1989～2009

圖7 年徑流率累積曲線Fig.7 Accumulative curve of annual runoff rate

表4 實變前后流域徑流深差異統計值Table 4 Statistics of the runoff depth before and after the infection

表5 突變前后流域徑流深差異T檢驗Table 5 T-test for the runoff depth before and after the infection

3.4 流域的土地覆被變化特征

由表6可知，紅門川流域以林地為景觀基質，研究時段內林地平均占流域總面積的87.95%. 1990～2010年間林地面積減少172.21hm2，主要表現為:灌木林面積減少67.72%；混交林、闊葉林和針葉林分別增幅20.06%、6.49%和9.71%.建設用地、農田面積均總體呈現出較為明顯的增加趨勢.其中，建設用地面積1990～2010年間增幅25.99%，農田面積增幅22.78%，草地面積減少41.57%.受降水年際間波動影響以及人類活動下的土地覆被變化影響，水域面積呈現出“減少-增加-減少”的變化趨勢，多年間水域面積減幅51.37%.

表6 紅門川流域1990～2010年土地利用動態變化（hm2）Table 6 Land use change in Hongmenchuan watershed during the period of 1990～2010 （hm2）

3.5 氣候和人類活動變化對徑流量的影響

采用基于分離評判原理的水文分析法，分離氣候和人類活動對流域徑流的影響，根據3.3節流域年徑流減少突變分析結果，將1989～1997年作為基準期，1998～2009年為人類活動影響顯著增強的變化期，計算了氣候變化和人類活動對流域徑流量的影響.由表7知，紅門川流域氣候變化對流域徑流變化影響貢獻率為43%，而人類活動影響貢獻率占到57%.考慮到紅門川流域并無大型水利水保工程措施存在，則土地利用變化是紅門川流域人類活動的主要表現方式.故認為人類活動所引發的土地利用變化是造成流域徑流減少的主要原因.

表7 紅門川流域氣候和土地利用變化對徑流變化的影響貢獻率Table 7 Contribution of the effect of climate change and land-use changes on runoff

3.6 植被恢復建設對流域徑流量的影響

近年來，流域林地數量及質量發生深刻變化，流域植被恢復建設必然會對流域產水量造成重要影響.采用皆伐原理，將不同土地利用時期的林地用水系數w值均調為0（即將林地轉變為建設用地或水域），保持其他土地利用類型w值不變，計算不同土地利用時期林地皆伐后的流域平均徑流深.由表8知，人類活動顯著影響階段森林皆伐后流域增加徑流深較自然階段增加22.91mm，占兩個時段徑流差（123.24mm）的18.6%.

4 討論

影響流域徑流減少的因素是多方面的，辨識流域徑流突變減少原因對于闡述流域徑流變異規律及預測其未來發展趨勢具有重要意義.紅門川流域內并無大中型水利工程存在，僅在溝底零星分布少量谷坊等小型水土保持工程措施，較降水量、土地覆被等環境要素變化而言對流域產匯流影響較小，本研究未做深入討論.綜合比較得出，氣候變化對流域徑流減少影響貢獻率為43%，森林變化貢獻率為18.6%，其他人類活動貢獻率為38.4%.與氣候變化相比，流域森林變化對流域徑流影響較小.采用歸一化方法分析流域徑流對氣候及森林變化的響應規律（圖8）可知，徑流與降水變化趨勢相對一致，與森林數量變化趨勢差異較大，進一步說明，與森林數量變化相比，徑流對降水等氣候要素變化更為敏感.

結合研究結果知，森林對流域徑流減少表現出正影響，森林作為紅門川流域主要的土地利用類型，年蒸騰耗水量占總耗水量的比例達44.2%［24］，耗水較為嚴重.據此，業務管理部門在流域水源涵養林體系規劃中，應在兼顧森林生態效益同時，切忌盲目大面積造林，應根據流域水分承載力，提出與流域內水土資源可持續利用相匹配的森林適宜覆蓋率，以最大程度的發揮森林生態、經濟及社會效益.

5 結論

5.1 在“自然-人為”耦合驅動下，流域徑流量呈顯著減少趨勢（P＜0.05），在1998年發生突變減少，由1989～1997年段的187.29mm下降到1998～2009年段的64.05mm，減少83.85%.

5.2 人類活動變化對紅門川流域研究時段內徑流突變減少貢獻率比氣候變化影響貢獻率大14%.以森林變化為特征的植被恢復建設對流域徑流減少有正影響，但貢獻率僅為18.6%.

5.3 以降水減少為主要特征的氣候變化是紅門川流域1989～2009年年徑流量減少的主因，山區植被恢復建設對流域徑流減少貢獻率較小.

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Effect of vegetation rehabilitation and construction on runoff of watershed in Beijing Mountain Area.

ZHAO Yang1，2， CAO Wen-hong1，2，WANG Xiang-dong1，2，TU Zhi-hua3， ZHANG Xiao-ming1，2*， ZHU Bi-sheng1，2， CHENG Chen1，2， LIU Bing1，2（1.State Key Laboratory of Simulation and Regulation of Water Cycle in River Basin， China institute of water resources and hydropower Research， Beijing 100048， China；2.Research Center on Soil and Water Conservation of the Ministry of Water Resources， Beijing 100048， China；3.Liaoning Shihua University， Fushun 113001， China）. China Environmental Science， 2015，35（12）：3771～3778

Vegetation rehabilitation is the key measures for maintaining the soil and water resources and restoring the ecological environment in mountain areas. To explore the impact of vegetation rehabilitation on annual runoff，Hongmenchuan watershed located in Miyun Reservoir of Beijing was selected as research object. Mann-Kendal Test，Hydrological analysis based on separation evaluation method， and Zhang （2001） model were applied to quantify the respective contribution of climatic change and forest change to annual runoff of the area from 1989 to 2009. The results indicated that the mean annual precipitation and of Hongmenchuan watershed showed a fluctuant decreasing but not remarkable trend from 1989 to 2009， while the runoff showed a significant decreasing trend. Combined with the results of cumulative runoff rate curve and independent sample t-test， the annual runoff had a significant decreasing trend with the change point occurred in 1998. Human activities were the strongest contributor to the reduction in mean annual streamflow of Hongmenchuan watershed， and the contribution rate reached 57%， while the remaining caused by climatic variations. Different types of human activities on the reduction in annual streamflow were quite different， for instance， the contribution rates of vegetation rehabilitation and construction on runoff was about 25.34%. In summary， compared with vegetation restoration， reduction in precipitation has a greater impact on the water yield. The results provide a theoretical reference for basin water resources management and land-use planning in Beijing Mountain areas.

forest watershed；ecological environment；runoff evolution；afforestation；empirical model；contribution rate

S73，F301.24

A

1000-6923（2015）12-3771-08

趙 陽（1986-），男，河北棗強人，工程師，博士，主要從事水土保持， 流域生態水文過程與模擬研究.發表論文50余篇.

2015-05-11

國家自然科學基金項目（41501041，51379008）；流域水循環模擬與調控國家重點實驗室自主研究課題（2014QN04）

* 責任作者， 高級工程師， zxmwq@126.com