子午嶺典型森林流域年徑流變化分析

子午嶺典型森林流域年徑流變化分析

1截流作用的作用然而，研究結(jié)果顯示了洛杉磯高原森林植被在蓄水、減少地表徑流和捕捉沉積物方面的作用，并對(duì)洛杉磯高原森林植被的影響。特別是洛杉磯高原森林植被能否將雨季蓄水轉(zhuǎn)為地下徑流，以及是否可以通過均勻的河流流域來促進(jìn)河流湖泊的建立。孫長忠等人認(rèn)為，森林蓄水能力是轉(zhuǎn)化為地下水的原因，但蓄水能力可以增加。黃明斌等人認(rèn)為，從森林流域年流量小、旱季仍有部分流量，黃明斌等人認(rèn)為，洛杉磯高原森林植被具有良好的防洪和旱季超載的特點(diǎn)。在黃土半干旱半濕潤地區(qū)，土層較深，植被蒸發(fā)和消耗的水相對(duì)較強(qiáng)，林地往往形成較大的水分差，因此入滲量只能是頂部土層的1.3m。如果土壤被土壤吸收，它們將在非生長季節(jié)沿著水勢梯度移動(dòng)，但它們不能轉(zhuǎn)化為地下流。因此，林內(nèi)總流量下降，一些蓄水雨水不能轉(zhuǎn)化為地下流。然而，在流域的小氣候條件下，黃土高原植被是否能夠緩解流域干旱期河流流量的矛盾，以及是否可以增加流域的下游流量。然而，關(guān)于流域規(guī)模，不能忽視流域規(guī)模。這項(xiàng)工作的目的是選擇位于洛杉磯高原內(nèi)部的羅水川森林流域和附近非林區(qū)的浦河和川東盆地。通過對(duì)兩種流域年流量變化的比較分析，揭示了流域規(guī)模內(nèi)森林植被對(duì)河流流量的調(diào)整作用，為洛杉磯高原植被重建和流域水環(huán)境發(fā)展提供了科學(xué)合理的調(diào)查。2研究領(lǐng)域和方法2.1植被對(duì)河溪河流的影響研究流域位于黃土高原腹地的子午嶺林區(qū)和非林區(qū).該區(qū)是陜甘兩省交界的一條和緩起伏的斷塊地形,是黃土高原現(xiàn)存較少的、保存較完整的天然次生林區(qū).現(xiàn)有森林面積8.33×105hm2,由于人口增長和其它社會(huì)原因,森林植被不斷經(jīng)歷破壞-恢復(fù)-再破壞的過程,對(duì)區(qū)域生態(tài)環(huán)境和植被演替造成明顯影響.根據(jù)資料積累情況,選擇了植被保存較好的葫蘆河流域和合水川流域與植被較差的東川流域和蒲河流域進(jìn)行對(duì)比分析,以揭示森林植被對(duì)河川徑流的影響.2.2天然次生林和混交林上述四大流域的地理位置見圖1,各流域植被情況采用航片資料進(jìn)行調(diào)查分析所得.非林區(qū)東川流域面積528km2,流域左側(cè)分水嶺附近有51.7km2左右的林地,有林面積僅占流域總面積的9.79%;蒲河流域面積3522km2,流域內(nèi)基本沒有林地,僅在宅旁、路旁及一些臺(tái)地有人工種植的零星樹木及一些禾本科植物和草本植物,屬于非林區(qū).林區(qū)合水川流域系馬蓮河右岸的一條支流,流域面積807km2,區(qū)內(nèi)為喬灌木混交的天然次生林,面積410.25km2,占流域總面積的50.84%,喬灌木郁閉度平均60%以上,另有覆蓋度大約50%的殘林區(qū)面積約233.75km2,無林區(qū)面積163km2,溝底有散生的灌木叢分布,牧草生長良好;葫蘆河流域面積4715km2,基本被森林覆蓋,有覆蓋度大約50%的殘林區(qū)200km2,流域內(nèi)水土流失小.各流域的徑流資料分別采用蒲河巴家嘴水文站(1952～1987年)、東川悅樂水文站(1959～1987年)、合水川板橋水文站(1959～1987年)和葫蘆河張村驛水文站(1958～1987年)的歷年觀測結(jié)果,降雨資料根據(jù)各流域多點(diǎn)實(shí)測資料,利用面積分割加權(quán)法計(jì)算平均值.3結(jié)果與分析3.1徑流動(dòng)態(tài)變化圖2為森林流域葫蘆河、合水川和非森林流域蒲河、東川各月多年平均徑流深的動(dòng)態(tài)變化過程.為便于森林流域與非森林流域的比較,根據(jù)流域面積的大小將其分為兩組討論:葫蘆河流域與蒲河流域?yàn)橹谐叨攘饔?合水川流域與東川流域?yàn)樾〕叨攘饔?由圖2可見,森林流域無論是中尺度還是小尺度,年徑流量的動(dòng)態(tài)變化都表現(xiàn)得比較平穩(wěn),森林植被對(duì)汛期徑流的攔蓄作用明顯,而且森林覆蓋度愈大,植被的攔蓄作用愈強(qiáng).各流域徑流量的年平均離差系數(shù)為:葫蘆河28.7;蒲河49.4;合水川25.0;東川42.6.這與劉昌明等的研究結(jié)果相一致.3.2非森林流域5年生時(shí)徑流特征及與降雨的關(guān)系圖2表明,植被稀少的非森林流域全年徑流量集中在汛期,造成年內(nèi)徑流分配極不均勻,而林區(qū)流域的年內(nèi)徑流分布也較均衡.非森林流域的多年汛期平均徑流量占多年平均總徑流量的70.72%(蒲河)和73.36%(東川),而森林流域的多年汛期平均徑流量只占多年平均總徑流量的60.77%(葫蘆河)和64.62%(合水川).另外,非森林流域的汛期徑流量普遍大于森林流域的汛期徑流量,6～9月非森林流域月多年平均徑流深是林區(qū)流域徑流深的1.12～2.53倍.與非林區(qū)相比,森林植被6～9月總徑流量分別減少8.9mm(葫蘆河與蒲河相比)和7.1mm(合水川與東川相比),可見森林植被對(duì)河川汛期徑流具有很好的攔蓄作用(P>0.05).對(duì)非森林流域蒲河、東川和森林流域葫蘆河、合水川汛期徑流量與汛期降雨量的回歸分析表明,非森林流域汛期徑流量與降雨量之間均存在較好的相關(guān)關(guān)系;而森林流域由于植被的攔蓄作用和地形的影響,二者的相關(guān)關(guān)系較差.森林流域汛期徑流量與汛期降雨量的回歸:葫蘆河R=1.9821e0.0029pR2=0.2867合水川R=1.9484e0.0026pR2=0.2086非森林流域汛期徑流量與汛期降雨量的回歸:蒲河R=4.6283e0.0036pR2=0.6816東川R=1.9512e0.0034pR2=0.5775式中,R是汛期徑流量(mm),p是汛期降雨量(mm).3.3枯水季節(jié)森林植被對(duì)河流出徑流的影響圖3分別描述了4個(gè)流域枯水季節(jié)(10月到次年5月)總徑流深與前期降水(6～9月總降水量)和同期降水量的關(guān)系,回歸結(jié)果見表1.由圖3和表1可見,4個(gè)流域兩者的相關(guān)系數(shù)分別為:葫蘆河0.4525、合水川0.4651、蒲河0.0051、東川0.3241.表明森林流域枯水季節(jié)的降水對(duì)流域同期徑流量的影響要大于非森林流域;同樣,森林流域前期降水(6～9月總降水量)對(duì)枯水季節(jié)的流域徑流影響也較非森林流域要高,而且植被覆蓋度愈高,相關(guān)性愈好.這說明森林流域的前期降水對(duì)形成枯水季節(jié)的流域徑流有一定的貢獻(xiàn),植被攔蓄的汛期降水部分轉(zhuǎn)化為地下徑流,在枯水季節(jié)流出,成為枯水季節(jié)流域徑流的組成部分,森林植被對(duì)流域枯水季節(jié)的河川徑流具有一定的補(bǔ)枯作用.但是從圖2森林流域與非森林流域年徑流動(dòng)態(tài)變化發(fā)現(xiàn),在枯水季節(jié),森林流域的徑流并非總是大于同等尺度的非森林流域.僅在10～12月間,森林流域多年月平均徑流深大于非森林流域,其中蒲河與葫蘆河差異顯著(P>0.05),補(bǔ)枯效果較明顯,而東川與合水川差別較小(P<0.05),補(bǔ)枯效果變化在12.01%～15.32%,表明森林對(duì)河川枯季徑流的補(bǔ)枯程度取決于流域森林覆蓋度.而在1～4月,森林流域各月多年平均徑流深均小于非森林流域,表明植被對(duì)年度徑流分配的調(diào)虧作用有限.出現(xiàn)這種情況的原因很可能是由于非林區(qū)大氣溫度上升超過了林區(qū)溫度,導(dǎo)致1～4月積雪大量融化形成的徑流占優(yōu)勢,掩蓋了林區(qū)對(duì)枯季1～4月徑流的補(bǔ)給效應(yīng),如非林區(qū)枯季最大徑流出現(xiàn)在3月,實(shí)際上是以融雪補(bǔ)給為主形成的徑流(圖3).另外,由于黃土地區(qū)裂隙寬度較小,森林植被截持的降水在入滲的過程中,先要預(yù)濕“通道”,小雨因其小,對(duì)黃土地下水無明顯的補(bǔ)給作用,大暴雨又因其易形成地表徑流或造漿以致堵塞“通道”,所以降雨補(bǔ)給地下水形成地下徑流需要較長的時(shí)間,一般至少需51～73d以上.根據(jù)這一時(shí)間推算,雨季林區(qū)截留入滲的降水剛好補(bǔ)給枯季10～12月份的徑流.再者,由于各地裂隙發(fā)育情況不同,降水平面分布不均,地面凹凸不平等,又限制了降水的入滲途徑和對(duì)地下水的補(bǔ)給量.加上林草植被蒸發(fā)蒸騰量的增加(其騰發(fā)耗水量可占降水量的72.3%),促使土壤干層形成,從而阻斷地下水的補(bǔ)給.因此,隨著枯季月份的往后推移,很有可能導(dǎo)致林區(qū)降水的補(bǔ)枯效應(yīng)相對(duì)減弱.總之,在枯水季節(jié),森林植被對(duì)流域出境徑流有一定的調(diào)虧作用,其程度受植被覆蓋度的影響,但總的效果并不十分突出,僅能增大10～12月份的徑流量,反而削弱了1～5月份的徑流.森林植被攔蓄的大部分降雨被植物吸收利用,消耗于蒸騰.3.4枯落物對(duì)徑流的影響當(dāng)降雨強(qiáng)度和降雨量較小時(shí),森林及土壤憑借自身的巨大蓄水能力把降水全部貯存起來,阻止徑流的發(fā)生.研究結(jié)果表明,森林可以消耗降雨量的70%～80%,其中林冠截留蒸發(fā)為8%,森林植被生理消耗為23%,森林地被物和土壤蓄水為45%.子午嶺林區(qū)樹冠的截留率為11.4%～22.4%,樹冠蒸發(fā)為8%～10%,地被物吸水量和攔水量、土壤蓄水量分別為21%和33.1%.同時(shí)林區(qū)枯枝落葉層具有滯緩產(chǎn)流時(shí)間和降低徑流流速的作用.吳欽孝等研究發(fā)現(xiàn),在黃土高原常見坡度25°條件下,有1cm厚的枯落物覆蓋,徑流流速可降到相當(dāng)于無覆蓋坡面的1/10～1/15,從而有利于降水滲入土壤.加上林區(qū)根系-土壤層的透水和蓄水性能,把雨季相當(dāng)一部分降水轉(zhuǎn)化為土壤水,其中的一部分通過裂隙等途徑可轉(zhuǎn)化成地下水,起到補(bǔ)充調(diào)節(jié)枯季徑流的作用.由于子午嶺地區(qū)汛期以短歷時(shí)大暴雨為主要特征,屬超滲產(chǎn)流區(qū).當(dāng)降雨強(qiáng)度超過土壤入滲速率和降雨量超過林地土壤的蓄水量時(shí),雖然也發(fā)生徑流,但其徑流形式與非森林流域完全不同.非森林流域把地表承受的降雨量大多以地表徑流的形式匯入集水區(qū)、溝道,并迅速形成洪水,導(dǎo)致河流水位猛漲;森林流域枯枝落葉層、腐殖質(zhì)層厚,根