坡面尺度不同雨型條件下地表徑流產流過程分析

茹 豪

(山西省林業科學研究院，山西 太原 030012)

水資源是黃土高原地區進行植被恢復與重建的基礎與根本保障[1,2]。黃土高原受副熱帶高壓的影響，夏秋季節降水豐富。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)。黃土高原夏秋季節的降雨往往具有降雨量大、降雨強度高、侵蝕力強等特點，造成嚴重的水土流失。土壤侵蝕模數為5 000 t/(km2·a)～100 000 t/(km2·a)，有的地區甚至達到了20 000 t/(km2·a)，大量水資源也因此遭到嚴重損失[5,6]。黃土高原水土流失的主要來源是坡面產流[7-9]，坡面產流主要受降雨特征、地形特征和植被特征等因素共同影響。降雨量、降雨強度與降雨歷時是影響坡面產流產沙的直接因素[10,11]。

在黃土高原地區，降雨主要為對流雨和鋒面雨。對流雨雨量大、歷時短，地表徑流多為超滲產流，對土壤侵蝕嚴重。鋒面雨具有降雨水平范圍大、持續時間長的特點，但是降雨強度比較小。因此，鋒面雨對地表的沖刷力相對于對流雨要小很多，而對地表的滲透程度要大很多。在黃土高原地區，長時間的鋒面雨會促使河流泥沙含量大幅增加。因此，研究黃土高原地區不同雨型條件下地表徑流產流過程及不同植被配置對地表徑流的影響，對控制該地區水土流失、提高水土保持與水源涵養能力具有十分重要的意義。

1 研究區概況

研究區位于山西省吉縣蔡家川流域，地理坐標110°39′45″～110°47′45″E，36°14′27″～36°18′23″N，海拔950 m～1 370 m，屬黃土殘塬溝壑區。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，年均水面蒸發量1 733 mm.年平均氣溫10 ℃，≥10 ℃積溫3 358 ℃，絕對最高氣溫38.1 ℃，絕對最低氣溫-20.4 ℃.光照充足，平均日照時間為2 565.8 h，無霜期平均為172 d.流域大體為自西向東走向，長約14 km，面積39 km2.土壤為褐土，黃土母質，質地均一，森林覆蓋率79%.上游主要為遼東櫟(QuercusliaotungensisKoidz.)、山楊(Populusdavidiana)、黑樺(Betuladahurica)、丁香(Syringaoblate)等組成的天然次生林，中游為刺槐(Robiniapseudoacacia)、油松(Pinustabulaeformis)、側柏(Platycladusorientalis)組成的人工林，下游為荒草地和農地。

2 研究方法

選擇油松林、刺槐林、荒草地3個地類作為試驗地進行地表徑流觀測，試驗地基本情況見表1.

表1 試驗區基本情況

2011年4月，在每個試驗林地外的空曠地區放置1個HOBO自計式翻斗雨量筒(RG3-M型，測量精度0.01 mm，Onset公司，美國)，測定林外降雨量。

每個樣地內標準徑流小區的面積為5 m×20 m，在徑流小區下部安裝九孔分水堰箱，堰箱內使用HOBO壓力式自計水位計(Onset公司，美國)記錄水位變化，記錄間隔10 min，由堰箱口流出的徑流保存在蓄水池內。同時在堰箱外部放置一支HOBO壓力計測量徑流小區的大氣壓強。待每場降雨坡面匯水過程完成后，通過測量蓄水池內的水量得到地表徑流總量，利用該值對由壓力水位計計算得到的徑流總量進行校正。每次測量后將蓄水池清理干凈，以防影響下一場降雨的徑流數據。

式中：Δh——堰箱的水位變化量，m；

Pm-Pn——降雨前后HOBO監測到的壓力(水壓與氣壓之和)之差，kPa；

Pa——徑流小區大氣壓，kPa；

ρ——水的密度，1 000 kg/m3(4 ℃時)；

g——重力加速度，9.8 m/s2.

按照降雨量、降雨歷時、10 min最大雨量、30 min最大雨量、60 min最大雨量等指標，將黃土區的降雨分為短時局地雷暴雨(對流雨)、鋒面性雷暴雨和長歷時鋒面降雨3種。筆者依據以上指標選取典型的3類降雨，分析了這3類降雨條件下不同地類坡面地表徑流產流過程。

3 結果與分析

對流雨是冷暖氣流呈上下對流運動而形成的降雨，常出現于夏季午后。對流雨形成的雨滴具有大而重的特點，往往傾盆急降，并伴有雷電，表現為強烈的陣雨或暴雨。對流雨雨量大、歷時短，地表徑流多為超滲產流，土壤侵蝕嚴重。

兩種性質不同的氣流相遇，它們中間的交界面叫鋒面。鋒面活動時暖濕氣流上升，上升過程中由于氣溫不斷降低，水汽就會冷卻凝結形成降雨，這種降雨稱鋒面雨。鋒面雨具有降雨水平范圍大、持續時間長的特點，但是降雨強度比較小。因此，鋒面雨對地表的沖刷力相對于對流雨要小很多，而對地表的滲透程度要大很多。在黃土高原地區，長歷時的鋒面雨會促使河流泥沙含量大幅增加。

3.1 短時局地雷暴雨條件下地表徑流產流過程

選取2011年8月16日的降雨(16:24～17:42，歷時78 min)作為研究對象，對刺槐林地、油松林地與荒草地3種地類地表徑流數據進行分析，得到短時局地雷暴雨條件下地表徑流產流過程特征，見表2，圖1.

表2 短時局地雷暴雨條件下降雨徑流特征值

圖1 短時局地雷暴雨條件下地表徑流產流過程

在2011年8月16日的短時局地雷暴雨過程中，徑流產生條件為降雨強度和降雨量均達到一定程度。其中，降雨強度的作用較降雨量大。從表2和圖1可以看出，3種地類地表徑流產流過程相似，產流時降雨量累積值均為6.38 mm，產流時降雨強度均為8.8 mm/10 min，產流時較降雨開始時間滯后20 min.隨著降雨累積量的增大，產流逐漸增大，到達洪峰時，降雨量累積值為39.17 mm.荒草地最先到達洪峰，徑流量為0.92 mm；其次為油松林，徑流量為0.71 mm；最后為刺槐林，徑流量為0.43 mm.但3者到達洪峰時的時間相差不大。地表徑流的洪峰較雨峰滯后18 min，隨后徑流量呈逐漸下降的趨勢。荒草地地表徑流下降速度最快，其次為油松林，最后為刺槐林，這與不同地類地表覆被物不同有關。刺槐林地表面草本及枯落物的涵水能力最強，其次為油松林地，荒草地最差。在此雨型下，刺槐林和油松林地表徑流持續時間為90 min，荒草地地表徑流持續時間為80 min.

雖然3種地類地表徑流產流過程相似，但是產流量差異很大。由表2可以看出，在短時局地雷暴雨條件下，刺槐林地、油松林地和荒草地的徑流深大小依次為：荒草地(3.06 mm)>油松林地(2.54 mm)>刺槐林地(1.44 mm)，徑流系數大小依次為：荒草地(6.78%)>油松林地(5.61%)>刺槐林地(3.19%)。

因此，在短時局地雷暴雨條件下，不同地類的地表徑流產流過程相似，但是徑流深和徑流系數不同。這是因為在短歷時強降雨條件下，植物截留量、雨期蒸發量和填洼量較小，大部分降雨穿過林木冠層落到地面，此時降雨量超過土壤的下滲能力，多余的降雨形成超滲產流。因此，降雨時間較短、降雨量較大，是造成這3種地類產流時降雨量、降雨強度、產流時間、洪峰滯后雨峰時間和徑流持續時間等地表徑流產流條件及產流過程特征相近的根本原因。

3.2 鋒面性雷暴雨條件下典型地類產流過程

選取2011年7月30日的降雨(2:35～18:46，歷時971 min)作為研究對象，對3種地類地表徑流數據進行分析，得到鋒面性雷暴雨條件下地表徑流產流過程特征，見第4頁表3,圖2.

在2011年7月30日的鋒面性雷暴雨過程中，降雨歷時長，降雨量大，徑流產生條件亦為降雨強度和降雨量均達到一定程度。其中，降雨量的作用較降雨強度大。從表3和圖2可以看出，3種地類地表徑流產流過程大致相似，均隨著降雨量的增加產生了2次較大洪峰。刺槐林地、油松林地和荒草地的地表徑流產流過程存在一定差異，產流時降雨量累積值分別為6.60 mm,5.72 mm,4.84 mm，產流時降雨強度均為3.08 mm/10 min，產流啟動時間較降雨開始時間分別滯后60 min,50 min,40 min.隨著降雨累積量不斷增大，各地類徑流量也不斷增大。油松林地與荒草地第1次到達洪峰時間相近，刺槐林地到達洪峰時間較油松林地與荒草地推后80 min，洪峰時地表徑流量分別為0.025 mm,0.029 mm,0.039 mm.由于降雨減弱，各地類地表徑流量呈逐漸下降趨勢，第1次地表徑流洪峰較雨峰分別滯后360 min，280 min，280 min.在降雨中期出現一次較大子雷暴雨降雨過程，因此，地表徑流出現第2次洪峰，刺槐林地、油松林地和荒草地地表徑流分別為0.027 mm，0.034 mm，0.044 mm.由于前期各地類土壤表層水分已接近飽和，因此，各地類第2次洪峰出現時間幾乎相同，此次洪峰較雨峰分別滯后880 min,890 min,880 min.降雨雖然停止，但是地表徑流仍在產生，各地類地表徑流呈現逐漸消退趨勢。荒草地地表徑流下降速度最快，其次為油松林，最后為刺槐林，與短時局地雷暴雨條件下徑流消退特征一致。徑流持續時間分別為1 730 min，1 790 min，1 690 min.

表3 鋒面性雷暴雨條件下降雨徑流特征值

圖2 鋒面性雷暴雨條件下地表徑流產流過程

3種地類產流量也不同，刺槐林地、油松林地和荒草地的徑流深大小依次為：荒草地(4.06 mm)>油松林地(3.32 mm)>刺槐林地(2.44 mm)，徑流系數大小依次為：荒草地(4.94%)>油松林地(4.05%)>刺槐林地(2.98%)。

因此，在鋒面性雷暴雨條件下，不同地類的地表徑流產流過程、徑流深和徑流系數均不同。這是因為在鋒面性雷暴雨條件下，降雨歷時長，降雨量大，并且期間夾有若干場子雷暴雨，當降雨量累積到一定程度時，降雨強度在較低水平便可啟動徑流。在3種地類中，產流前的降雨累積值、啟動滯后時間、洪峰較雨峰滯后時間、徑流持續時間以及徑流深和徑流系數不同，均與不同地類的林分結構、地表覆被情況、枯枝落葉層厚度、土壤質地有關。由于刺槐林具有較好的喬灌草林分結構，因此，在攔蓄徑流、減弱徑流侵蝕方面優于油松林地和荒草地。

3.3 長歷時鋒面降雨條件下典型地類產流過程

選取2011年9月18日的降雨(18日13:34～19日2:29，歷時775 min)作為研究對象，對3種地類地表徑流數據進行分析，得到長歷時鋒面降雨條件下地表徑流產流過程特征，見表4，第5頁圖3.

表4 長歷時鋒面降雨條件下降雨徑流特征值

此次降雨歷時長、降雨量小，因此降雨強度較小。徑流產生的條件由降雨強度和降雨量共同決定轉變為降雨強度無影響、降雨量達到一定值時啟動，降雨量累積值是關鍵因子。從表4和圖3可以看出，在2011年9月18日的長歷時鋒面降雨過程中，刺槐林地、油松林地和荒草地的地表徑流產流過程不同，產流時降雨量累積值分別為14.74 mm，13.2 mm，9.68 mm，產流時降雨強度不顯著，產流時較降雨開始時間分別滯后340 min，320 min，290 min.隨著降雨量增多，地表徑流出現2次明顯的洪峰。第1次洪峰時，荒草地地表徑流最先達到洪峰，其次為油松林地，最后為刺槐林地，且徑流量大小順序為：荒草地>油松林地>刺槐林地，地表徑流的洪峰較雨峰分別滯后200 min，100 min，80 min.隨著降雨量持續增加，徑流量也隨之增長，進而出現第2次洪峰，到達洪峰的先后順序與第1次洪峰相同，但徑流量不同，荒草地的徑流量顯著高于油松林地和刺槐林地。這是因為油松林地與刺槐林地地被物的涵水能力顯著優于荒草地，刺槐林地徑流量略高于油松林地，但相差不大。在前期降雨過程中，二者地被物涵水量已飽和，對多余的降雨不再有攔蓄作用，多余的林內降雨均形成地表徑流。第2次洪峰時，荒草地、油松林地和刺槐林地地表徑流的洪峰較雨峰分別滯后170 min，170 min，150 min.3種地類徑流持續時間分別為770 min，760 min，750 min.

圖3 長歷時鋒面降雨條件下地表徑流產流過程

由表4可以看出，3種地類的產流量也不同，刺槐林地、油松林地和荒草地的徑流深大小依次為：荒草地(1.31 mm)>油松林地(1.08 mm)>刺槐林地(0.98 mm)，徑流系數大小依次為：荒草地(4.22%)>油松林地(3.47%)>刺槐林地(3.17%)。

因此，在長歷時鋒面降雨條件下，不同地類的地表徑流產流過程、徑流深和徑流系數也不同。這是因為在長歷時鋒面降雨條件下，降雨量大、降雨歷時長，但降雨強度不高。與短時局地雷暴雨、鋒面性雷暴雨相比，坡面產流時需要的降雨累積值相對較高。在這種情況下，降雨強度不作為啟動徑流的必要條件，而前期的降雨累積值則是產流的必要條件。產流前的降雨累積值、啟動滯后時間、洪峰較雨峰滯后時間、徑流持續時間以及徑流深和徑流系數的不同與長歷時鋒面降雨研究結果相同，均與不同地類的林分結構、地表覆被情況、枯枝落葉層厚度、土壤質地有關。

4 結論與討論

1) 從降雨—徑流變化的總體情況看，短時局地雷暴雨具有降雨歷時短、降雨強度大、產流時間短、徑流持續時間短等特點。鋒面性雷暴雨具有降雨量大、降雨歷時長、產流時間較短、徑流持續時間長等特點。長歷時鋒面降雨具有雨量大、降雨歷時長、降雨強度大、產流時間較長、徑流持續時間長等特點。具體特征值見表5.在短時局地雷暴雨過程中，產流的關鍵條件是降雨強度需要達到一定水平。鋒面性雷暴雨過程中，降雨強度和降雨量均對產流有影響，但是降雨量的作用比降雨強度大。而在長歷時鋒面降雨過程中，產流的關鍵條件是啟動前降雨累積量需要達到一定水平。

表5 不同降雨條件下地表徑流產流特征值

2) 在不同雨型條件下，荒草地的徑流量、徑流深和徑流系數均大于刺槐林地和油松林地。在降雨特征相同、地形相似的情況下，影響不同地類徑流特征的主要因素是林分結構。林下灌木層和草本層能夠有效攔蓄一部分降雨，穿過林隙到達地表的降雨量減少，可有效減少地表徑流，防治水土流失。此外，地表覆被物對地表徑流的攔截作用也不同。刺槐林地表覆被物不僅有草本植物，還有枯落物層及土壤表層豐富的毛細根。這種闊葉類枯落物經過長期分解，未分解層、半分解層、腐殖質層等均具有較好的涵水功能，能有效攔蓄降水，減少地表徑流。油松人工林林齡短，林下無灌木層與草本層，且針葉林枯落物較刺槐林少。因此，在各類雨型條件下，油松人工林對降雨的攔蓄作用較刺槐林差，地表徑流較刺槐林大。